Общие закономерности распределения воды в литосфере

Вода в твердой фазе в земной коре широко распространена в районах криолитозоны (многолетней мерзлоты), характеризующейся отрица­тельными среднегодовыми температурами.

Жидкая вода наиболее широко распространена в верхней части земной коры. Она охватывает практически весь разрез континен­тальной коры до глубины критической температуры воды; за исключением мерзлых зон и участков нефтяных и газовых ме­сторождений.

Температура кипения воды зависит от давления, с увеличением которого она резко возрастает и приближается к критической точке, равной 374° С. Так как природная вода представляет собой сложный химический раствор, ее критичес­кая точка кипения фактически несколько выше и может достигать 400 и даже 450° С. Благодаря тому, что давление в земной коре возрастает значительно быстрее, чем соответствующая температура кипения воды, последняя может находиться в жидком состоянии до критической точки, т.е. до 374-450° С.

Американский ученый Ф. Г. Смит, например, считает, что жидкая вода в земной коре может находиться до глубины 30 км. Ниже распространен пар, находящийся под большим давлением и образующий новое надкритическое состояние воды — водный флюид, свойства которого до сих пор изучены недостаточно.

В магме вода находится в растворенном и диссоциированном со­стоянии. По современным воззрениям, магма содержит 5-7% воды, из которых большая часть диссоциирована не только на ионы Н⁺ и ОН^-, но также образует О^2-, являющийся индикатором щелочности расплава. При остывании магмы большая часть воды выделяется в виде пара и по зонам разломов поднимается к поверхности.

С глубиной изменяются не только фазовое состояние и струк­тура воды, но и ее количество. При погружении пород на большую глубину подземные воды испытывает все большую тенденцию к восходящему движению. При этом с глубиной роль связанных вод в общем объеме гидросферы увеличивается, а общее количество воды уменьшается.

В пределах изученной части зем­ной коры с точки зрения распределения подземных вод выделяют два этажа:

1) нижний этаж, представляющий собой основание платформ и сложенный плотными метаморфическими породами, гнейсами, гранитами, метаморфическими сланцами, практически яв­ляется водоупором. Подземные воды в породах этого типа развиты в ограниченном количестве по зонам тектонических нарушений и в коре выветривания.

2) верхний этаж, представляющий собой чехол платформ и складчатые сооружения. Для него характерно наличие крупных скоплений подземных вод в виде бассейнов различного типа, глав­ным образом в породах осадочного происхождения, реже в пори­стых эффузивах. Именно эти бассейны подземных вод представля­ют наибольший практический интерес.

Верхняя граница распространения подземных вод, как правило, не совпадает с дневной поверхностью, а находится несколько ниже последней, поэтому по характеру распределения подземных вод выделяют обычно зону аэрации и зону насыщения.

Граница между зоной насыщения и зоной аэрации определяется положением местного базиса эрозии.

Наибольший практический интерес представляет зона насыщения, однако последняя получает питание через зону аэрации, которая особенно активно осваивается человеком. Именно через зону аэра­ции техногенные загрязнения поступают в водоносные горизонты. Засоление земель происходит также в зоне аэрации. Вырубка лесов, осушение заболоченных территорий, разработка полезных ископае­мых, создание водохранилищ — все это изменяет характер зоны аэрации, ее строение и свойства. В этом смысле познание процессов и роли зоны аэрации особенно актуальны в наше время — время глобальных экологических проблем.

.2.2. Коллекторские свойства горных пород

Пористость в горных породах обусловлена мелкими промежут­ками, существующими между отдельными минералами и частицами горной породы. Она свойственна всем горным породам — магматическим, метаморфическим и осадочным, но происхождение пор в них различно. По размеру поры обычно подразделяются на макропоры (больше 1 мм) и микропоры (меньше 1 мм). Макропоры образуют пустоты, называемые иногда скважностью. Микропоры диаметром менее 0,1 мм выделяют в отдельную группу и называют ультракапиллярными порами.

Величину пористости определяют отношением объема пустот к объему всей породы в сухом состоянии и выражают в долях единицы или в %. Объем всех пустот в породе независимо от их размера характеризуется общей пористостью:

Общая пористость породы выражается также в виде коэффици­ента пористости или приведенной пористости, представляющей собой отношение объема пор в породе к объему, занимаемому только скелетом породы. Открытая пористость характеризуется отношением объёма сообщающихся между собой открытых пор ко всему объёму породы.

Кроме общей и открытой пористости, различают также эффективную пори­стость (динамическую), по которой возможно передвижение жидкости или газа.

Если все поры запол­нены водой, порода называется насыщенной.

2.2.3. Виды воды в горных породах

В настоящее время схема подразделения видов воды в горных поро­дах может быть представлена в более современном виде:

I. Вода, входящая в состав кристаллической решетки минералов или химически связанная вода:

1) конституционная;

2) кристалли­зационная;

3) цеолитная;

II. Физически связанная вода горными породами:

1) прочно связанная или адсорбированная;

2) рыхло- или слабо связанная;

III. Свободная вода:

1) капиллярная;

2) гравитационная;

IV. Вода в твердом состоянии — лед;

V. Вода в состоянии пара.

I. Вода, входящая в состав кристаллической решетки минералов, образует химически единое целое с другими элементами решетки и по степени связи с ними делится на конституционную, кристалли­зационную и цеолитную.

Конституционная вода входит в состав решетки минералов в виде отдельных ионов, ее удаление возможно только путем нагре­вания при высоких температурах и перестройке решетки.

Кристаллизационная вода входит в кристаллическую решетку минералов в виде молекул Н₂О.

Цеолитная вода связана с минералами весьма непрочно, она выдeляeтcя при низких температурах, и количество ее зависит от температуры и влажности воздуха. При нагревании она удаляется постепенно, минералы при этом сохраняют свою кристаллическую структуру, меняя лишь оптические свойства.

II. Физически связанная вода обладает резко отличными свой­ствами от свободной воды, на чем и основано ее выделение.

Связанная вода содержится в горных породах в виде гидратных оболочек, облекающих мельчайшие минеральные частицы, слагаю­щие породы, и подразделяется на прочносвязанную (или адсорбиро­ванную) и рыхло- или слабосвязанную.

Прочносвязанная вода присуща главным образом глинистым породам, состоящим из частиц коллоидных размеров. На их поверхности эта вода удерживается молекулярными и электрическими силами сцепления и может перемещаться только при переходе в парообразное состояние.

Рыхлосвязанная(осмотически впитанная, или пленочная) вода образует пленку поверх прочносвязанной воды, когда влажность породы становится выше ее максимальной гигроскопичности. Поэтому прочность связи этой катего­рии воды с породой значительно меньше, чем у гигроскопической.

Рыхлосвязанная и прочносвязанная вода объединяются иногда под единым названием молекулярная вода. Максимальное количе­ство последней, удерживаемое породой в конкретных условиях, А.Ф. Лебедев назвал максимальной молекулярной влагоемкостьюпороды. Этот показатель характеризует количество физически свя­занной воды в породе, находящейся под действием сил молекуляр­ного притяжения.

III. Свободная вода в отличие от других видов обладает свой­ствами жидкой воды и способна передвигаться под действием силы тяжести, ее количество в горной породе зависит от размера пор и трещин.

Отличительная особенность гравитационной воды — ее передвижение под влиянием силы тяжести и напорного градиента. Свободная вода передает гидростатическое давление. Различают инфильтрующуюся воду зоны аэрации, которая просачи­вается сверху вниз, и фильтрующуюся воду зоны полного насыще­ния — она движется в виде потока по водоносному горизонту.

IV. Вода в твердом состоянии образуется при отрицательных температурах и содержится в породах в виде кристаллов льда, ледяных прослоек или жил. В зоне многолетней мерзлоты, где лед особенно широко распространен, его кристаллы играют часто роль цемента, скрепляющего отдельные минеральные частицы, превращая рыхлую породу в монолитную. Вне развития многолетнемерзлых пород вода переходит в лед только в зимнее время и при этом лишь в слое зимнего промерзания.

V. Вода в форме пара занимает поры, свободные от жидкой воды. Она образуется из других видов воды при их испарении, а при изменении температуры или давления вновь может конденсиро­ваться.