WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
BOUND WATER СВЯЗАННАЯ ВОДА В ГОРНЫХ IN ROCKS: NEW FACTS ПОРОДАХ: НОВЫЕ ФАКТЫ AND PROBLEMS И ПРОБЛЕМЫ V. A. KOROLEV..

The bound water located ‚ „‰‡‚ ‚ in rocks plays very impor... ‚‡ tant role in many geological processes and phenomena. The new data and the modern representaВода – одно из самых распространенных веществ на Земле. Почти 70,8% площади земной поверхности tions of its properties, as покрыто водой. Содержание воды в морях, океанах и well as classification and поверхностных водоемах (включая мировые запасы influence of the bound льдов) равно примерно 1,4 млрд. км3, а в горных породах в пределах литосферы (так называемые подwater on the rock properземные воды) составляет по современным оценкам ties, are presented in this разных авторов около 0,73 – 0,84 млрд. км3, то есть paper.

примерно всего лишь вдвое меньше. Таким образом, “под землей” в земной коре запасено гигантское количество воды.

‚fl‡‡fl ‚‰‡, ‡Вода находится в горных породах благодаря на‰fl‡flfl ‚ „ личию в них всевозможных пустот (трещин, пор, каналов и т.д.). Абсолютно сплошных пород, не с, „‡ ‚‡держащих сколь-нибудь малое количество пор, в ‚ „ „природе не существует. Эти пустоты, как правило, и „ ‡ занимает вода благодаря своей высокой подвижности (мобильности, текучести) наряду с другими моfl‚fl. ‡ бильными компонентами, например такими, как га‚‰ ‚ ‰‡ зы, углеводородные флюиды и др. Установлено, что ‡ ‚ниже уровня грунтовых вод до глубин около 4 – 5 км и более практически все пустоты горных пород (за ‰‡‚fl исключением углеводородных залежей) заполнены ‚‚‡, ‡‡водой, образующей в пределах литосферы регио ‚fl ‚fl‡нальные неразрывные макроскопические системы гидросферы. Они – предмет исследования гидрогео ‚‰ ‡ ‚‚‡ логии, науки, изучающей условия формирования, „ ‰.

динамику и распространение запасов подземных вод на Земле. Мы же остановимся на некоторых интересных и важных особенностях воды в горных породах, проявляющихся в основном не на макроскопическом, а на микроскопическом уровне.

Очевидно, не многие знают, что вода в горных породах находится либо в свободном, либо в связанном состоянии. Поэтому выделяют две категории воды в горных породах – свободную и связанную. Свободная вода – это та, с которой все мы обычно привыкли иметь дело: она свободно может перемещаться в породах по крупным порам, трещинам путем фильтрации под действием силы тяжести или напора, она образует горизонты подземных вод и обладает обычными для воды физическими свойствами.

Именно эта вода добывается и эксплуатируется человеком для различных нужд. В отличие от нее связанная вода находится и удерживается в наиболее.. © ‚.., мелких порах и трещинах горных пород и испытыва- ва – до сих пор окончательно не выяснена. К настоет со стороны поверхности твердой фазы минералов ящему времени предложено множество моделей, “связывающее” влияние разной природы и интен- описывающих структуру жидкой (свободной) воды сивности, изменяющее ее структуру и придающее ей (см. выше статью А.Н. Глебова и А.Р. Буданова аномальные свойства, то есть не такие, как у обыч- “Структурно-динамические свойства водных расной, свободной воды. Суммарное содержание свя- творов электролитов”. С. 72 – 78). Наилучшее созанной воды в литосфере Земли составляет от 0,31 гласие с экспериментом дают так называемые до 0,35 млрд. км3, то есть около 42% от общего коли- континуальные модели воды, предполагающие сучества воды в земной коре (по данным Ф.А. Мака- ществование трехмерного достаточно рыхлого неренко). Однако связанную воду не так просто из- прерывного “каркаса” из молекул воды, соединенвлечь из породы, в которой она находится. Под ных водородными связями приблизительно в действием поверхностных сил разной природы она тетраэдрической координации. При этом следует относительно прочно удерживается на поверхности иметь ввиду статистический характер структурных минералов, не подчиняется силам гравитации и ее моделей, поскольку молекулы находятся в непрепередвижение в породах может происходить лишь рывном тепловом движении. Континуальные мопод влиянием сил иной природы. Настоящая статья дели допускают изгиб и растяжение водородных знакомит с новыми фактами и современными связей. По последним данным, среднее координацивзглядами на проблему формирования аномальных онное число молекулы жидкой воды равно 4,4 – 4,особенностей связанной воды и ее влияния на (у льда оно равно 4), а среднее число водородных свойства горных пород. связей на молекулу оказалось равным 2 – 2,5. Наличие в свободной воде примесей каких-либо растворенных ионов или молекул существенно искажает ее структуру. Еще в большей степени структура ис кажается вблизи твердой поверхности минералов Первые представления о связанной воде возпри образовании связанной воды.

никли почти сто лет назад. Однако ее систематичеМногочисленными экспериментами, начатыми ские исследования начались лишь в 20 – 30-е годы.

еще в 30-е годы Б.В. Дерягиным, было установлено, В разработку теории связанной воды внесли больчто некоторые свойства связанной воды, находяшой вклад такие ученые как Б.В. Дерягин, А.В. Дущейся в породах в виде тонких, так называемых граманский, П.А. Ребиндер, Н.В. Чураев, а ее свойства ничных, слоев вблизи твердой поверхности, сущев горных породах всесторонне исследовали А.Ф. Лественно отличаются от свойств обычной свободной бедев, Е.М. Сергеев, Ф.Д. Овчаренко, Ю.И. Тарасеводы. Их стали называть аномальными. Эти отличия вич, Р.И. Злочевская и др. К настоящему времени объясняются искажением и перестройкой структудостаточно хорошо изучено строение единичной ры связанной воды вблизи поверхности, измененимолекулы воды, состоящей из двух атомов водорода ем и искривлением сетки межмолекулярных водои одного атома кислорода. Она характеризуется диродных связей в ее структуре под влиянием поля польным строением и тетраэдрическим распредеповерхностных сил. Аномальные особенности свялением зарядов: два положительных – на атомах возанной воды были прежде всего установлены для дорода, два отрицательных – на неподеленных таких ее свойств, как плотность, вязкость, диэлекпарах электронов атома кислорода (рис. 1). Такое трическая проницаемость и др. Долгое время исстроение молекулы воды позволяет ей образовыследователи располагали противоречивыми сведевать до четырех водородных связей с соседними мониями о плотности связанной воды, которая, по лекулами. При этом в двух связях молекула выстунекоторым экспериментальным данным, намного пает как донор, а в двух – как акцептор протона.



превышала плотность свободной воды и оказалась Однако структура собственно жидкой (свободной) равной 1,2 – 1,4 г/см3 (а по некоторым данным доводы – самого распространенного на Земле вещестходила даже до 1,84 – 2,4 г/см3). В последнее время было убедительно установлено, что плотность аб в связанной воды в тонких пленках (толщиной окоr ло 5 нанометров) повышена всего лишь на 1,5% по HH + + ++ H H сравнению со свободной водой и составляет в сред нем около 1,02 г/см3.

O Твердые поверхности большинства минералов O O горных пород обладают гидрофильными свойства– – – – ми, то есть хорошо смачиваются водой. Это обусловливает ориентацию молекул воды, представляРис. 1. Строение единичной молекулы воды:

ющих собой диполи. Установлено, что молекулы а – структура; б – модель электронных орбиталей;

воды ориентированы нормально к твердой поверхв – распределение зарядов (r – длина связи Н–Н, ности (рис. 2). Ориентация происходит в основном равная 1,41 10- 4 мкм; l – длина связи Н–О, равная 0,96 10- 4 мкм; – угол Н–О–Н, равный 104,5° ). под действием электростатического притяжения и, ‹9, l связанной воды, уменьшение толщины ее граничной + + + + + + + фазы с искаженной структурой и переход в свободную воду. При понижении температуры, напротив, – – – – – – – происходит обратное явление – структурирование связанной воды. Именно с этим связан и другой + + + экспериментально обнаруженный и чрезвычайно интересный факт – понижение температуры замерзания связанной воды по сравнению со свободной.

Известно, что фазовый переход вода–лед в свободной воде происходит при 0° С (273 К). Однако в Рис. 2. Ориентация диполей молекул воды на акпленках связанной структурированной воды он тивных адсорбционных центрах поверхности миосуществляется при более низких отрицательных нерала.

температурах, и чем тоньше пленка воды, тем при более низкой температуре она замерзает. Это явлеобусловливает некоторое повышение плотности ние имеет огромное значение и следствием его явводы и снижение тангенциальной (то есть вдоль ляется то, что, например, в мерзлых горных пороповерхности) подвижности ее молекул в слоях толдах, находящихся при температуре намного ниже щиной всего лишь в несколько нанометров. Это 0° С, может существовать вода в жидком состоянии.

должно проявляться макроскопически в виде повыНа рис. 4 показана температурная зависимость толшения вязкости связанной воды, что и наблюдается щины пленки незамерзшей связанной воды на пов экспериментах. Так, например, прямые измерения верхности таких широко распространенных глинивязкости воды в очень тонких кварцевых капиллястых минералов, как каолинит и монтмориллонит.

рах и тонкопористых стеклах, выполненные недавно, показали, что вязкость связанной воды повыша- Основная причина понижения температуры зается при уменьшении толщины пленки менее 1 мкм: мерзания связанной воды – взаимодействие ее с при толщине пленки в 0,2 – 0,3 мкм ее вязкость по- твердой минеральной поверхностью, точнее – с ее вышена по сравнению со свободной водой в 1,1 раза, активными центрами. Энергия взаимодействия моа при толщине всего в 10 нм повышена уже в 1,6 раза лекул воды с активными центрами поверхности ми(рис. 3). нералов, а также с находящимися в поровом растворе ионами больше, чем энергия взаимодействия Структурные эффекты аномальных свойств свямолекул воды между собой. Это и приводит к тому, занной воды хорошо прослеживаются в опытах по что активный центр нарушает сетку водородных свяисследованию их температурной зависимости. Так, зей в воде, а фазовый переход осуществляется лишь например, при повышении температуры вязкость при более низкой температуре. Не менее интерессвязанной воды снижается (как и у свободной воным свойством связанной воды в горных породах ды) и при температуре 65 – 70° С она становится такой же, как и у свободной воды, то есть при нагреh, нм вании происходит тепловое разрушение структуры T = 273 K / 1,1,1,1,0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,190 230 h, мкм T, K Рис. 3. Зависимость относительной вязкости свя- Рис. 4. Толщина пленки (h) незамерзшей воды в занной воды ( / ) от толщины (h) водной пленки: глинах в зависимости от температуры Т:

– вязкость связанной воды, – вязкость сво- 1 – каолинитовая глина, 2 – монтмориллонитовая бодной воды [1]. глина [3].





.. : является ее пониженная по сравнению со свобод- Таблица 1. Классификация воды в горных породах (по Р.И. Злочевской, 1988) ной водой растворяющая способность. Связанная вода способна растворять меньше солей, чем обычКатегория (тип) ная вода. Это обстоятельство также является следВид и разновидность воды воды ствием измененной структуры связанной воды. Теория нерастворяющего объема, объясняющая это 1. Вода кристаллической решет1. Связанная вода аномальное свойство связанной воды, была всестоки минералов (конституционронне разработана Б.В. Дерягиным, а само явление ная, кристаллизационно-свянашло много практических приложений. В том чисзанная) ле на нем основан один из прямых способов опреде2. Адсорбционная вода (моноления количества связанной воды в горных поромолекулярной и полимолекудах. Наличие нерастворяющего объема связанной лярной адсорбции) воды играет большую роль в процессах геохимичес2. Вода переход- 1. Осмотически-поглощенная кой миграции веществ в земной коре.

ного типа (от свя- вода Другое аномальное свойство связанной воды – занной к свобод- 2. Капиллярная вода (капиллярпонижение ее диэлектрической проницаемости в ной) ной конденсации и капиллярнесколько раз по сравнению со свободной водой.

ного впитывания) Если для обычной воды диэлектрическая проницае3. Свободная вода 1. Замкнутая в крупных порах мость равна 81, то для связанной воды эта величина 2. Текучая уменьшается до 3 – 40, в зависимости от толщины водной пленки. По последним данным, прослойки связанной воды толщиной 0,5 – 0,6 нм имеют диэизменяющих структуру и свойства воды. Она бывалектрическую проницаемость, равную всего 3 – 4.

ет двух видов (см. табл. 1). К первому относится воСтруктурные изменения связанной воды обусловда, входящая в состав кристаллических решеток ливают и изменение ее температуропроводности.

различных минералов. Это так называемая конОтклонения температуропроводности связанной воституционная, немолекулярная форма воды типа ды в сторону снижения от значений, характерных ОН-групп, кристаллизационная вода различных для свободной воды, начинают проявляться в водкристаллогидратов (если они есть в данной горной ных пленках и прослойках толщиной менее 1 мкм.

породе), а также вода, “связанная” координационЧем тоньше слой связанной воды, тем в большей но-ненасыщенными атомами и ионами кристаллимере понижена ее температуропроводность. В проческой решетки минералов. Ко второму виду относлойках толщиной всего 0,03 мкм температуропросится адсорбционная вода, образующаяся за счет водность понижена примерно на 30% по сравнению адсорбционного “притяжения” молекул воды к аксо свободной водой.

тивным адсорбционным центрам поверхности миВсе эти и другие аномальные особенности свя- нералов. Среди нее выделяются две разновидности:

занной воды придают горным породам, в которых а) с наибольшей энергией притяжения к поверхноона находится, характерные специфические свой- сти (около 40 – 120 кДж/моль) – вода мономолекуства, рассматриваемые ниже. Это и является одной лярной адсорбции и б) с меньшей энергией связи из основных причин пристального внимания геоло- (<40 кДж/моль) – вода полимолекулярной адсорбгов во всех странах (прежде всего инженеров-геоло- ции. Связанная вода образует адсорбционные гов, гидрогеологов, геохимиков) к связанной воде.

пленки толщиной в один или несколько молекулярных слоев и в горных породах содержится в порах или микротрещинах размером менее 0,001 мкм.

У этого типа воды физические свойства в наибольСвязанная вода в горных породах неоднородна.

шей степени отличаются от свободной.

В ней может быть выделен ряд категорий, отличающихся по природе и условиям образования, по Вода переходного типа (от связанной к свободсвойствам и многим другим особенностям. С сереной) в меньшей степени подвергается действию дины 30-х годов вплоть до нашего времени было поверхностных сил, она удерживается вблизи попредложено много различных классификаций воды верхности минералов за счет более слабых связей.

в горных породах, но наиболее обоснованной являПоэтому ее структура менее искажена, а отличия в ется классификация Р.И. Злочевской (1988), согласфизических свойствах по сравнению со свободной но которой вода в горных породах может относитьводой менее значительны или почти не существенся к трем категориям: связанной, переходного типа ны. В пределах этого типа выделяется два вида воды и свободной (табл. 1).

(см. табл. 1): осмотически-поглощенная и капилСогласно этой классификации, связанная вода лярная. Первый вид образуется в горных породах за удерживается в породе за счет химических и физи- счет процессов избирательной диффузии молекул ческих сил связи (с энергией 0,1 – 800 кДж/моль), воды в направлении к минеральной поверхности, действующих со стороны поверхности минералов и обусловленной наличием у последней “ионной, ‹9, атмосферы” – так называемого двойного электри- Второй вид воды переходного состояния ческого слоя, состоящего обычно из катионов по- (см. табл. 1) – это капиллярная вода. Она образуется рового раствора, “компенсирующих” отрицатель- в порах капиллярного размера (диаметром от 10- 3 до ный заряд минеральных частиц (рис. 5). Двойной 103 мкм) за счет капиллярного давления и удержиэлектрический слой имеет две части (см. рис. 5):

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.