Вода в горных породах: классификация и особенности взаимодействия

Вода, присутствующая в порах и трещинах горных пород земли, имеет различные состояния, состав и формы существования. Ее изучение играет важную роль как в гидрогеологии, так и в инженерной геологии. Одна из наиболее известных классификаций была предложена А. Ф. Лебедевым в 1936 году и позже дополнена современными научными данными о природе воды и ее физико-химических свойствах.

1. Вода в состоянии пара

Парообразная влага заполняет свободные пространства в зоне аэрации — верхней части земной коры, где поры не полностью насыщены водой. Этот вид воды находится в динамическом равновесии с другими формами воды и паром в атмосфере. Под воздействием температуры и давления пар может конденсироваться, превращаясь в жидкость, или испаряться, становясь частью водяного пара.

2. Физически связанная вода

Эта форма воды характерна для мелкодисперсных пород, таких как глина. Она образуется под действием поверхностных сил, возникающих между минеральными частицами и молекулами воды.

Прочносвязанная (адсорбционная) вода прикреплена к поверхности минеральных частиц и называется также гигроскопической. Максимальное количество такой воды, которое может удерживаться породой, определяется как максимальная гигроскопическая влагоемкость. Для песчаных пород она составляет около 2%, а для глинистых может достигать 20%.
Рыхлосвязанная (пленочная) вода представляет собой периферийную часть водной пленки, которая может перемещаться между частицами под действием молекулярных сил. При увеличении содержания этой воды породы приобретают пластичность, липкость и способность к набуханию.

Обе эти формы вместе составляют молекулярную воду , чье максимальное содержание в породе называется максимальной молекулярной влагоемкостью. В глинистых породах это значение примерно соответствует нижнему пределу пластичности.

3. Свободная вода

Свободная вода обладает большей мобильностью и может перемещаться по пористой структуре пород.

Капиллярная вода поднимается от уровня грунтовых вод вверх по капиллярам, создавая зону капиллярного насыщения. Она движется под действием сил поверхностного натяжения и отделяет зону аэрации от полностью насыщенной водой зоны.
Гравитационная вода движется под действием силы тяжести и играет ключевую роль в формировании водоносных горизонтов. Она способна растворять минералы, оказывать гидростатическое давление и вызывать механические деформации пород. Гравитационные воды особенно важны для гидрогеологических исследований, поскольку их характеристики помогают прогнозировать условия залегания подземных вод.

4. Вода в твердом состоянии

При понижении температуры ниже 0°C свободная вода и часть связанной воды замерзают, образуя кристаллы льда или ледяные прослои. Такие процессы характерны для мерзлых пород, которые изучаются в рамках мерзлотоведения. Замерзшая вода цементирует минеральные частицы, увеличивая прочность рыхлых пород, но меняя их свойства при размораживании.

5. Химически связанная вода

Этот тип воды является неотъемлемой частью кристаллической решетки минералов.

Кристаллизационная вода выделяется при нагревании минералов до температур 200–300°C или при их полном разрушении.
Конституционная вода требует более высоких температур (выше 300°C) для выхода из кристаллической решетки, что обычно происходит при полном разрушении минерала.

6. Вода в надкритическом состоянии

В глубинных слоях земной коры, где температура превышает 374°C, а давление больше 22 МПа, вода переходит в надкритическое состояние. В этом состоянии она обладает уникальными свойствами, сочетая черты как жидкости, так и газа. Такая вода часто встречается в магматических расплавах и играет важную роль в геологических процессах.

Практическая значимость

Изучение различных форм воды в горных породах позволяет:

Оценить устойчивость грунтов при строительстве;
Прогнозировать риск суффозии (выноса частиц из пород);
Разрабатывать методы защиты сооружений от воздействия грунтовых вод;
Понимать механизмы образования водоносных горизонтов и их влияния на техногенные процессы.

Каждый вид воды имеет свои особенности поведения и взаимодействия с окружающей средой, что необходимо учитывать при проектировании инфраструктурных объектов и проведении геологических работ.