Кристаллизационная и химически связанная вода.

Изучение гидрогеологических условий местности

Происхождение подземных вод, их классификация

Подземными водами называются все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твёрдом состояниях.

Подземные воды составляют часть гидросферы – водной оболочки земного шара. Они встречаются в буровых скважинах на глубине до нескольких километров.
Для строительства подземные воды в одном случае служат источником водоснабжения, в другом – фактором, затрудняющим строительство. Подземные воды ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых пород, являются агрессивной средой по отношению к строительным материалам.
Наука, изучающая подземные воды, их происхождение, условия залегания, связь с атмосферными и поверхностными водами, называется гидрогеологией.

В природе существует малый и большой круговорот воды в природе:

– Малый – море-атмосфера-море.

– Большой – море-атмосфера-суша-море. При большом круговороте, после выпадения на сушу, вода возвращается в море путем поверхностного стока и виде подземных вод.

Существует 3 способа образования поземных вод: инфильтрации, конденсации, ювенильный.

Инфильтрации – образуются из атмосферных осадков, которые, просачиваясь через слой земли, встречают водоупорный пласт. Вода задерживается, заполняет пустоты, создает водоносные горизонты.

Конденсации – образуются за счет разности температур на поверхности и внутри земли, происходит конденсация паров и формирование подвешенного горизонта подземных вод.

Ювенильные – возникают в глубине земли за счет кислорода и водорода, выделяемого магмой. Встречаются на поверхности земли в виде горных источников.

В зонах замедленного и весьма замедленного водообмена образуются минерализованные (соленые) воды так называемого седиментационного происхождения. Эти воды возникли после образования (седиментации) древних морских осадков в начале геологической истории земной коры.

Классификация

1.По характеру использования подземные воды подразделяются на:

хозяйственно-питьевые, технические, промышленные, минеральные, термальные

Хозяйственно-питьевые воды – источником являются подземные воды зоны интенсивного водообмена. Глубина залегания пресных вод от поверхности земли обычно не превышает нескольких десятков метров.

Технические воды – требования к подземным техническим водам отражает специфику того или иного вида производства.

Промышленные воды – содержат в растворе полезные элементы (бром, йод и т.д.) в количестве, имеющем промышленное сырьевое значение.

Минеральными называются воды которые имеют повышенное содержание биологически активных микрокомпонентов, газов, радиоактивных элементов и т.д. Они выходят на поверхность земли источниками или вскрываются буровыми скважинами.

Термальные воды имеют температуру более 37⁰С. Они залегают повсеместно на глубинах от нескольких десятков и сотен метров до нескольких километров. По трещинам термальные воды часто выходят на поверхность земли, образуя горячие источники с температурой 100⁰С.

2.По условиям залегания: верховодки, грунтовые, межпластовые.

Верховодка – э то временное скопление подземных вод в зоне аэрации (зона аэрации, расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод).

Грунтовая вода - гравитационная вода первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Имеет свободную водную поверхность и обычно над ней отсутствует сплошная кровля из водонепроницаемых пород.

В связи с неглубоким залеганием от поверхности уровень грунтовых вод испытывает колебания по сезонам года:

-повышается после выпадения осадков или таяния снега и понижается в засушливое время.

В суровые зимы грунтовые воды могут промерзать. Эти воды в большей мере подвержены загрязнению.

Межпластовые воды — нижележащие водоносные горизонты, заключенные между двумя водоупорными слоями.

Они бывают ненапорными и напорными (артезианскими).

Ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Они связаны с горизонтально залегающими водоносными слоями, заполненными водой полностью или частично

Напорные (артезианские ) воды связаны с залеганием водоносных слоев в виде синклиналей или моноклиналей. Площадь распространения напорных водоносных горизонтов называют артезианским бассейном.

3.В зависимости от залегания и характера пустот водовмещающих пород, подземные воды делятся на:

• поровые — залегают и циркулируют в четвертичных отложениях: в песках, галечниках и др. обломочных породах;
• трещинные (жильные) — в скальных породах (гранитах, песчаниках);
• карстовые (трещинно-карстовые) — в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

4.По температуре подземные воды подразделяются на:

5.По степени минерализации подземные воды разделяются на

Физические свойства и химический состав подземных вод

К основным физическим свойствам воды относят цвет, запах, вкус, прозрачность, температуру, плотность, сжимаемость, вязкость, радиоактивность и электропроводность.

Цвет подземных вод зависит от их химического состава и механических примесей. Обычно подземные воды бесцветны. Желтоватый цвет характерен для вод болотного происхождения, содержащих гуминовые вещества. Сероводородные воды вследствие окисления H₂S и образования тонкой коллоидной мути, состоящей из частиц серы, имеют изумрудный оттенок. Цвет воды оценивается по стандартной платино-кобальтовой шкале в градусах.

Запах в подземных водах обычно отсутствует. Ощущение запаха свидетельствует или о наличии газов биохимического происхождения (сероводород и др.), или о присутствии гниющих органических веществ. Характер запаха выражают описательно: без запаха, сероводородный, болотный, гнилостный, плесневелый и т.д. Интенсивность запаха оценивают по шкале в баллах.

Вкус воды зависит от состава растворенных веществ. Соленый вкус вызывается хлористым натрием, горький - сульфатом магния, ржавый - солями железа. Сладковатый вкус имеют воды, богатые органическими веществами, наличие свободной углекислоты придает приятный освежающий вкус. Вкус воды оценивается по таблицам в баллах.

Прозрачность подземных вод зависит от количества растворенных в них минеральных веществ, содержания механических примесей, органических веществ и коллоидов. Для указания степени прозрачности подземных вод служит следующая номенклатура: прозрачная, слабопалесцирующая, опалесцирующая, слегка мутная, мутная, сильно мутная. Подземные воды обычно бывают прозрачными. Мутность воды оценивается в мг\л по стандартной шкале.

Температура подземных вод изменяется в очень широких пределах и зависит от геотермических особенностей района. Она отражает возрастные, тектонические, литологические и гидродинамические особенности водовмещающих толщ. Температура вод влияет на их химический состав, на вязкость и на коэффициент фильтрации.

Плотность воды определяется отношением ее массы к объему при определенной температуре. За единицу плотности воды принята плотность дистиллированной воды при температуре 4°С. Плотность воды зависит от температуры, количества растворенных в ней солей, газов и взвешенных частиц и изменяется от 1 до 1,4 г/см³.

Сжимаемость воды незначительна и характеризуется коэффициентом сжимаемости β = (2,7-5)10^-5 Па. Вязкость воды характеризует внутреннее сопротивление частиц жидкости ее движению, количественно она выражается коэффициентами динамической и кинематической вязкости.

Электропроводность подземных вод зависит от количества растворенных в них солей. Пресные воды обладают незначительной электропроводностью. Дистиллированная вода является изолятором. Электропроводность воды оценивают по удельному электрическому сопротивлению, которое выражается в Ом^.м и изменяется от 0,02 до 1,0 Ом^.м.

Радиоактивность воды определяется содержанием в ней радона, эманации радия. За редким исключением подземные воды в той или иной степени радиоактивны.

Химический состав определяется содержанием растворённых соединений газов, солей и органических соединений.

Растворенные в воде газы придают ей определенный вкус и свойства. Количество и тип газов обуславливает степень пригодности воды для питьевых и технических целей. Подземные воды у поверхности земли нередко бывают загрязнены органическими примесями.

Виды воды в грунтах

1.Вода в форме пара. Содержится в воздухе, занимает свободные от жидкой воды поры и трещины в горных породах. Находится в равновесии с другими видами воды и обладает большой подвижностью.

2.Связанная вода — часть подземных вод, физически или химически удерживаемая твёрдым веществом горной породы.

Связанная вода в отличие от свободной воды (гравитационной) неподвижна или слабо подвижна. Она подразделяется на воду в твёрдом веществе породы и воду в порах. К связанной воде в твёрдом веществе относится вода, входящая в структуру твёрдого вещества: кристаллизационная, конституционная, цеолитная.

Прочносвязанная вода на поверхности горных пород образует два слоя: один сравнительно тонкий слой (толщиной в несколько молекул), прилегающий непосредственно к поверхности частицы, и второй (значительно больший по толщине) — слой рыхлосвязанной воды. Удерживаются эти два вида связанной воды за счёт электростатических сил, возникающих между твёрдой поверхностью частиц и молекулами воды.

Соотношение свободной и связанной воды в порах породы зависит от размера зёрен, слагающих породы (дисперсности породы). В крупнозернистых породах объём связанной воды по сравнению со свободной водой очень мал; с уменьшением размера частиц, а следовательно, размера пор доля связанной вода в общем объёме поровой воды возрастает.

Значительные количества связанной воды содержатся в глинистых породах, характеризующихся очень мелкими порами и большой поверхностью частиц. Количество связанной воды в глинах зависит от их минералогии, состава обменных катионов, температуры. С ростом температуры объём связанной воды уменьшается за счёт разрушения рыхлосвязанной воды и перехода её в свободную воду.

Связанная вода глинистых пород влияет на их прочностные и фильтрационные свойства, она может отжиматься из глин и поэтому играет большую роль в формировании химического состава подземных вод и их эксплуатационных запасов в слоистых водоносных системах.

3.Свободная вода — подземная вода, содержащаяся в горных породах и находящаяся под влиянием капиллярных и гравитационных сил.

Капиллярная вода заполняет капиллярные поры, а при уменьшении влажности — только углы пор в горных породах.

Капиллярная свободная вода, связанная с уровнем грунтовых вод, называется капиллярно-поднятой, в отрыве от него — капиллярно-подвешенной водой. Оба вида капиллярной свободной воды передают гидростатическое давление и перемещаются под действием сил поверхностного натяжения.

Гравитационная вода перемещается в горные породы под действием силы тяжести и градиента напора, возникающего как за счёт разности гипсометрических отметок (для верхних водоносных горизонтов), так и за счёт различного геостатического давления (для глубокозалегающих горизонтов).

Её содержание зависит от пористости и трещиноватости горных пород (максимальная насыщенность горных пород водой называется полной влагоёмкостью). Содержание гравитационной воды в породе определяется как разность между полной и капиллярной влагоёмкостью.

4.Вода в твердом состоянии в виде кристаллов, прослоек и линз льда может образоваться

Кристаллизационная и химически связанная вода.

Кристаллизационная вода и химически связанная (конституционная) вода принимают участие в строении кристаллических решеток различных минералов.

Кристаллизационная вода входит в состав минералов типа CaSO₄•2H₂O (гипс). Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической решетки минералов, сохраняет свою молекулярную форму. Химически связанная вода входит в гидраты типа гидроокисей Ca(OH)₂. Молекулы ее в результате химической реакции распадаются на ионы H⁺ и ОН-. Химически связанная вода не сохраняет своего молекулярного единства.

Химически связанная вода по сравнению с кристаллизационной водой более прочно связана с другими молекулами кристаллических решеток. Удаление из минералов химически связанной воды возможно только путем их - нагревания при высокой температуре, превышающей 200°С.

Кристаллизационная вода может быть выделена из минералов при более низких температурах. Значительное количество кристаллизационной воды, содержащейся в гипсе (16% из общего содержания ее в гипсе — 20,93%), выделяется уже после 32-часового нагревания при температуре 82°C. Удаление кристаллизационной воды из минералов заметно отражается на многих их химических и физических свойствах.

Выделение химически связанной воды из минералов приводит к их распаду.

Характеристика подземных вод

Влагоемкость —это свойство породы содержать в своих порах то или иное количество воды.
Полная влагоемкость — количество воды, заполняющее все пустоты породы.
Фактическая влагоемкость определяется количеством воды, действительно содержащимся в породе.
Капиллярная влагоемкость составляет количество воды, удерживаемое горной породой в капиллярах при свободном стоке. Капиллярная влагоемкость тем меньше, чем больше водопроницаемость породы.

Под водоотдачей понимается количество гравитационной воды, которое может содержаться в горной породе и которое она может отдать при откачке. Водоотдача может быть выражена процентным № отношением объема свободно вытекающей из породы воды к объему породы.

Водонасыщенность пород представляет то количество воды, которое отдается породой. По степени водообильности породы делятся на сильноводообнльные с дебитом скважины больше 10 л/с, водо-обильные с дебитом скважины 1 - 10 л/с, слабоводообильные — 0,1 - 1л/с.
Водонасосные породы, а также пласты, линзы и пр.— это такие, в которых поры, трещины и другие пустоты заполнены гравитационными водами — гравитационно-водоносными, водами капиллярными и пленочными водоносными.

Водопроницаемость — свойство пород пропускать воду вследствие наличия в них пор, трещин и других пустот. Величина водопроницаемости определяется коэффициентом водопроницаемости. По степени водопроницаемости породы могут быть разделены на водопроницаемые, полуводопроницаемые и водонепроницаемые.

Водонепроницаемость — свойство горных пород не пропускать воду. К ним относятся, например, нетрещиноватые известняки, кристаллические сланцы и др.