Вода в атмосфере, на земной поверхности и в земной коре

Вода в природе имеет широкое распространение. Она содержится в атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере.

В атмосфере вода встречается в различных состояниях: 1) парооб­разном — в воздушной оболочке, окружающей земной шар; 2) капельно­жидком — в облаках, туманах и в виде дождя; 3) твердом — в виде снега, града и кристалликов льда высоких облаков.

В гидросфере вода находится в жидком состоянии (вода океанов, морей, озер, болот, водохранилищ, рек) и в твердом (лед и снег в водо­емах и на суше).

В литосфере, в слагающих ее горных породах, встречаются различ­ные виды воды. К ним, по А. Ф. Лебедеву, относятся: 1) вода в виде водяного пара; 2) вода гигроскопическая; 3) вода пленочная; 4) вода гравитационная; 5) вода в твердом состоянии; 6) кристаллиза­ционная и химически связанная вода.

В настоящее время благодаря исследованиям С. И. Долгова, Б. В. Де рягина, П. Н. Андрианова, Н. А. Цытовича, 3. А. Нерсесовой, А. А. Ана-няна, А. А. Роде, П. А. Крюкова, Е. М. Сергеева, В. Д. Ломтадзе, А. Е. Бабинец, М. М. Кусакова и других представления А. Ф. Лебедева о видах воды в горных породах, участвующих в строении земной коры, несколько уточнились и дополнились новыми данными, особенно в отношении свя­занной воды (гигроскопической и пленочной). В связи с этим появились новые классификации видов воды, содержащихся в горных породах.

Из последних классификаций здесь приводится классификация Е. М. Сергеева, отражающая состояние воды в горных породах (парообразное, жидкое, твердое), подвижность воды (связанная, свобод­ная) и взаимодействие ее с горными породами (физически связанная, кристаллизационная, цеолитная, конституционная). По этой классифи­кации выделяются следующие виды воды в горных породах.

Вода в виде пара. Связанная вода: прочно связанная, или адсорбированная, вода; рыхло связанная, или слабо связанная, вода. Свободная вода.

Капиллярная вода: вода углов пор (капиллярно-неподвижная вода); подвешенная вода (капиллярно-подвижная вода); собственно капиллярная вода (капиллярно-легкоподвижная вода); гравитационная вода;

просачивающаяся (инфильтранионная) вода; вода грунтового потока. Вода в твердом состоянии. Кристаллизационная, цеолитная и конституционная вода.

Вода в виде пара содержится в воздухе, заполняющем сухие или не насыщенные полностью водой поры, пустоты и трещины в горных по­родах. Парообразная вода, поступающая в горные породы из наземного воздуха и в результате подземного испарения, при понижении темпера­туры конденсируется в порах, пустотах и трещинах горных пород, об­разуя в них жидкую воду (связанную или свободную).

Связанная вода подразделяется на прочно и рыхло- связанную.

Прочно связанная, или адсорбированная, вода (гигроскопическая, по А. Ф. Лебедеву) образуется при поглощении горными породами водя­ных паров преимущественно из почвенного воздуха; удерживается на частицах породы с огромной силой порядка 10 000 атм; по своим свойст­вам отличается от обычной жидкой воды и приближается к твердому телу; имеет плотность, в среднем равную 2; обладает высокой вязкостью; за­мерзает при температуре значительно ниже нуля (—78° С); образует на частицах породы пленку неодинаковой толщины (более толстую — по углам и на выпуклых местах частиц, менее толстую — на во­гнутых) .

Рыхло связанная вода (пленочная, по А. Ф. Лебедеву) в горных по­родах образуется при конденсации водяных паров или остается в них после удаления капельно-жидкой воды. Удерживается на частицах породы со значительно меньшей силой, чем адсорбированная вода; образует на этих частицах вокруг пленки гигроскопической воды вторую пленку; передвигается весьма медленно от участков с большим количеством пле­ночной воды к участкам с меньшим количеством ее; не передает гидроста­тического давления; замерзает при температуре ниже нуля в зависимости от толщины пленки и продолжительности замораживания.

Прочно и рыхло связанная вода может быть удалена из породы высу­шиванием ее при температуре 105—110° С и под действием давления.

Опыты П. А. Крюкова , В. Д. Ломтадзе , А. Е. Бабинец , А. А. Алексина и М. М. Чеховских показали, что при давлениях в 3000—5000 кГ/см2 рыхло и прочно связанная вода, содержащаяся в глинах, способна переходить в свободное состояние.

Таким образом, можно считать установленным, что передвижение связанной воды происходит не только под влиянием выравнивания коли­честв ее на частицах породы, как это считал А. Ф. Лебедев, изучавший виды воды самой верхней части разреза земной коры, но и под действием гравитационного уплотнения горных пород и связанного с ним отжатия воды из глин водоупоров в проницаемые породы.

Свободная вода разделяется на капиллярную и гравитационную.

Капиллярная вода подразделяется на воду углов пор, подвешенную и собственно капиллярную.

Собственно капиллярная вода заполняет в горных породах капиллярные поры и образует капиллярную зону над уровнем грунтовых вод. По свойствам близка к обычной воде, передает гидростатическое давление, замерзает при температуре несколько ниже нуля, в зависимости от размера пор-капилляров и продолжительности замораживания, движется то под влиянием силы тяжести, то под действием сил поверхностного натяжения.

Гравитационная вода — собственно подземная вода, которая может под влиянием силы тяжести двигаться в сообщающихся порах, пустотах и трещинах горных пород. По направленности движения она делится на просачивающуюся (инфильтрационную и инфлюационную), передвигающуюся сверху вниз, и пластовую воду, которая движется в пластах водопроницаемых, горных пород, имеющих разнообразные условия залегания.

Вода в твердом состоянии — линзы, прослойки и кристаллики льда в мерзлых горных породах; подземные льды.

Кристаллизационная, цеолитная и конституционная вода входят в состав некоторых минералов и горных пород.

Кристаллизационной называется вода, входящая в состав вещества в виде молекул II20. Она может быть выделена из вещества при температуре примерно 400° С.

Кристаллизационная вода входит в состав ряда минералов, напри-мер, гипса (CaS04-2H90), мирабилита (Na2SO4-10H2O), карналлита (KCI.MgCl2-6H20) и других.

Цеолитная вода подобна кристаллизационной, но отличается от последней тем, что отношение числа молекул Н20 к числу молекул без-водного вещества может меняться в широких пределах при сохранении физической однородности вещества. Эта вода содержится в некоторых минералах, например, в опале (Si02-ftH20), анальциме (Na2Al2Si4012 X X ?гН20) и других.

Конституционной называется вода, когда Н и О участвуют в молекулярном строении минералов, причем выделены они могут быть только при полном разрушении молекулярного строения минералов, обычно при температуре выше 400° С.

Минералы с конституционной водой образуются в земной коре при повышенных давлениях. К числу таких минералов относятся, например, диаспор (АЮ-ОН), мусковит [(KH2)Al2Si208] и другие.

Конституционную воду часто называют химически связанной, а гигроскопическую и пленочную — физически связанной.

В биосфере, к которой на поверхности земли относятся животные организмы и растения, вода составляет значительную часть их тканей. Эта вода участвует в обменном процессе между живой и неживой материей.

Гидрогеология изучает все виды воды и главным образом гравитационную, залегающую в различных по возрасту, составу, происхождению и проницаемости горных породах, участвующих в строении земной коры, в шестнадцатикилометровой зоне которой, по В. И. Вернадскому, содержится около 400 млн км3 свободной и связанной воды.

Весь объем воды океанов, морей, земной коры, атмосферы, биосферы, поверхностных водотоков, озер, болот и водохранилищ составляет около 1,8 млрд км3, что соответствует 1% массы земного шара. Капиллярная вода углов пор залегает в узких местах капилляр­ных и углах более крупных пор в виде отдельных, разобщенных между собой капель, которые не передвигаются под действием силы тяжести, так как они прочно связаны со стенками пор поверхностью мениска, возникшего под влиянием сил поверхностного натяжения.

Подвешенная вода залегает в капиллярных порах, не имеющих связи с уровнем грунтовых вод. Благодаря действию в нижней части этих пор-капилляров менисков воды, образовавшихся под влиянием сил поверхностного натяжения, противодействующих движению ее вниз, вода находится в подвешенном состоянии и не сообщается с грунтовыми водами.

3. Собственно капиллярная вода заполняет в горных породах капил­лярные поры и образует капиллярную зону над уровнем грунтовых вод. По свойствам близка к обычной воде, передает гидростатическое давление, замерзает при температуре несколько ниже нуля, в зависимости от размера пор-капилляров и продолжительности замораживания, движется то под влиянием силы тяжести, то под действием сил поверхностного натяжения.

Гравитационная вода — собственно подземная вода, которая может под влиянием силы тяжести двигаться в сообщающихся порах, пустотах и трещинах горных пород. По направленности движения она делится на просачивающуюся (инфильтрационную и инфлюационную), передвига­ющуюся сверху вниз, и пластовую воду, которая движется в пластах водо­проницаемых, горных пород, имеющих разнообразные условия залегания.

Вода в твердом состоянии — линзы, прослойки и кристаллики льда в мерзлых горных породах; подземные льды.

Кристаллизационная, цеолитная и конституционная вода входят в состав некоторых минералов и горных пород.

Кристаллизационной называется вода, входящая в состав вещества в виде молекул II20. Она может быть выделена из вещества при темпера­туре примерно 400° С.

Кристаллизационная вода входит в состав ряда минералов, напри­мер, гипса (CaS04-2H90), мирабилита (Na2SO4-10H2O), карналлита (KCI.MgCl2-6H20) и других.

Цеолитная вода подобна кристаллизационной, но отличается от последней тем, что отношение числа молекул Н20 к числу молекул без­водного вещества может меняться в широких пределах при сохранении физической однородности вещества. Эта вода содержится в некоторых минералах, например, в опале (Si02-ftH20), анальциме (Na2Al2Si4012 X X ?гН20) и других.

Конституционной называется вода, когда Н и О участвуют в моле­кулярном строении минералов, причем выделены они могут быть только при полном разрушении молекулярного строения минералов, обычно при температуре выше 400° С.

Минералы с конституционной водой образуются в земной коре при повышенных давлениях. К числу таких минералов относятся, например, диаспор (АЮ-ОН), мусковит [(KH2)Al2Si208] и другие.

Конституционную воду часто называют химически связанной, а гиг­роскопическую и пленочную — физически связанной.

В биосфере, к которой на поверхности земли относятся животные ор­ганизмы и растения, вода составляет значительную часть их тканей. Эта вода участвует в обменном процессе между я-сивой и пеживой материей.

Гидрогеология изучает все виды воды и главным образом гравита­ционную, залегающую в различных по возрасту, составу, происхожде­нию и проницаемости горных породах, участвующих в строении земной коры, в шестнадцатикилометровой зоне которой, по В. И. Вернадскому, содержится около 400 млн км3 свободной и связанной воды.

Весь объем воды океанов, морей, земной коры, атмосферы, биосферы, поверхностных водотоков, озер, болот и водохранилищ составляет около 1,8 млрд км3, что соответствует 1% массы земного шара.