Водные свойства горных пород

Содержание

 Введение                                                                                                          3

 1. Понятие горных пород: определение, строение, классификация             4

 2. Главные водные свойства горных пород                                                    9 

2.1. Влагоемкость                                                                                              9 

2.2. Влагоотдача                                                                                              9 

2.3. Водопроницаемость                                                                             10

3. Классификация вод и ее влияние на свойства горных пород                13

 Заключение                                                                                                      19

 Список используемой литературы                                                                20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

       Для написания контрольной работы по дисциплине «Основы инженерной геологии» была выбрана тема: «Водные свойства горных пород». Актуальность выбранной темы обоснована ее заинтересованностью.                              Горные породы, природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава, образуют самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору.  Горные породы представляют собой механические сочетания разных по составу минералов, в том числе и жидких. Процентное содержание минералов в горных породах определяет её минеральный состав. Форма, размеры, взаимное расположение и ориентация минеральных зёрен или частиц горной породы обусловливают её структуру и текстуру. Более подробно о горных породах: определении, их строении и  классификации можно прочесть в главе 1 представленной работы.

        Также в ходе написания работы выделены и охарактеризованы главные водные свойства горных пород такие как: влагоемкость, водоотдача, водопроницаемость. Представлены формулы для расчета этих свойств, которые очень важны и значимы при различных гидрогеологических расчетах.

         Представлена  классификации вод и ее влияние на свойства горных пород. С середины 30- х годов вплоть до нашего времени было предложено много различных классификаций воды в горных породах, но наиболее обоснованной является классификация Р.И. Злочевской (1988), согласно которой вода в горных породах может относиться к трем категориям:                                                                                                              связанной, переходного типа, свободной.

        В настоящее время сделаны первые шаги в инженерно-геологическом изучении массивов горных пород. Необходимость данного направления инженерно-геологических исследований следует из того, что в практике освоения и преобразования геологической среды имеют дело с горными породами в массиве и массивами горных пород.

Глава 1. Понятие горных пород: определение, строение, классификация. 
           Горные породы представляют собой естественные минеральные агрегаты, образовавшиеся в результате остывания расплавленной магмы, накопления осадков, преобразования ранее существующих пород в процессе метаморфизма и залегающие в земной коре в виде самостоятельных геологических тел.

         Другими словами, можно сказать, что горные породы — это  вещества, слагающее земную кору. Состоят горные породы из минералов, однородных или неоднородных, которые  твердо или рыхло соединяются.

Наука, занимающаяся изучением горных пород, называется петрографией.           Нередко горные породы состоят из сцементированных обломков различных пород, иногда с присутствием вулканического стекла. Горные породы формируются в результате внутриземных или поверхностных геологических процессов.

Минералы, входящие в состав горной породы и определяющие ее свойства, называются породообразующими. Каждый из породообразующих минералов составляет всегда более 5 % объема породы, а в сумме не менее 95 %; второстепенные минералы слагают в сумме до 5 % объема породы.

Если горные породы состоят из одного минерала (кварцит, известняк, каменная соль), они называются мономинеральными, если же из нескольких минералов полиминеральными (гранит, глина).

           Строение породы определяется  ее структурой и текстурой. Структура –  это внутреннее строение породы, ее минеральных зерен, связанное со степенью ее кристалличности, абсолютным и относительным размером зерен или обломков, их формой.

          Другими словами, можно сказать, что под структурой понимают  особенности соединения минеральных зерен, их размеры и формы.

         Одни породы состоят из крупных кристаллических зерен; другие — из мельчайших кристаллов, видимых только в микроскоп; третьи — из стекловидного вещества; четвертые — комбинированные, когда на фоне мельчайших кристаллов или стекловидного вещества встречаются отдельные крупные кристаллы.

           Текстура – особенность внешнего сложения горной породы, обусловленная характером размещения минеральных зерен в пространстве, их ориентировкой и окраской.

         Другими словами можно сказать, что под текстурой понимается взаимное расположение и распределение слагающих породу минералов.

 Различают следующие  виды текстуры:

- массивная текстура - никакого порядка в размещении минералов не наблюдается;

- слоистая текстура - порода состоит из слоев разного состава;

- сланцевая текстура - все минералы плоские и вытянутые в одном направлении;

- пористая текстура - вся горная порода пронизана порами;

- пузырчатая текстура - в горной породе есть пустоты от выделившихся газов.

Классификация горных пород. 
По условиям образования (генезису) горные породы условно делятся на три класса:

1.Магматические породы – магматические горные породы, возникающие путем кристаллизации природных силикатных расплавов внутри Земли и на ее поверхности;

2. Осадочные породы – осадочные горные породы, образовавшиеся на суше в результате разрушения любых ранее существовавших пород и в результате жизнедеятельности и отмирания организмов или выпадения осадков из пересыщенных растворов;

3.Метаморфические породы – метаморфические горные породы, образовавшиеся путем коренного преобразования любых ранее существовавших пород под влиянием высоких температур и давления, а также гидротермальных растворов.

 1. Магматической определяется порода, образовавшаяся в результате охлаждения и затвердевания магмы. Так как магма может остывать на глубине, внутри каменной оболочки земного шара, или на земной поверхности, то в зависимости от условий образования магматические породы разделяются на:

- Глубинные (интрузивные) породы (внедрившиеся в толщи горных пород), формирующиеся внутри ранее образованных пород в условиях высокого давления осадочного чехла, медленного и равномерного остывания магмы, нередко при деятельном участии растворенных в ней газов и паров.

- Излившиеся (эффузивные) породы образуются на поверхности земли при низких давлениях и температурах, при быстром охлаждении и дегазации расплава магмы.

- Жильные породы образуются  при кристаллизации магмы в  трещинах горных пород, часто в гидротермальных условиях.

- Вулканогенные породы  образуются при вулканических  извержениях как на континентах, так и в морских бассейнах.

- Пирокластические породы  представляют собой скопление  осевшего на поверхность материала, выброшенного при вулканических  взрывах.

2. Осадочные горные породы они образуются в результате воздействия сложного комплекса химических, физико-химических, биохимических процессов при выпадении химических осадков из воды, в результате накопления  обломочного материала и остатков животных и растительных организмов как в водных бассейнах, так и на суше. Образованию осадочных пород предшествует разрушение ранее существующих пород,  т.е. это вторичные породы. По способу образования среди осадочных пород выделяют обломочные, химические и органогенные:

- Обломочные породы классифицируются  по размеру частиц, форме, по типу  связей и цемента между частицами  и делятся на крупно- и мелкообломочные, песчаные и пылевато-глинистые.

- Химические породы образуются  на дне водных бассейнов, имеющих  в условиях сухого климата  в результате интенсивного испарения  влаги повышенную концентрацию  солей.

- Органогенные породы, образованные  в результате накопления вымерших  организмов, подразделяются на зоогенные (из животных остатков) и фитогенные (из остатков растительности).

3. Метаморфические горные породы образуются  в результате преобразования осадочных и магматических пород под действием высоких температур  и давлений, под влиянием внедрения магмы в ранее сформированные породы, а также под действием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Метаморфические породы являются вторичными. Степень метаморфизма различна, поэтому существует следующие  типы метаморфизма:

- Контактовый, который развивается на границе интрузии расплава магмы с осадочными породами.

- Глубинный (региональный) метаморфизм  развивается при совместном взаимодействии  на больших глубинах температур, высокого давления и флюидов.

- Динамометаморфизм,  который вызывается высоким давлением при горообразовательных (тектонических) процессах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Главные водные свойства горных пород

Важнейшими свойствами горных пород по отношению к воде являются влагоемкость, водоотдача и водопроницаемость. Показатели этих свойств используются при различных гидрогеологических расчетах.

Влагоемкость – характеризует способность грунтов вмещать  и удерживать определенное количество воды.

 По степени влагоемкости  грунты подразделяются на:

- сильновлагоемкие (торф, глины, суглинки),

- слабовлагоемкие (мел, мергель, супеси),

- невлагоемкие (скальные грунты, пески, галечники).

          В зависимости  от вида и количества воды  в грунте различают: гигроскопическую, молекулярную, капиллярную и полную влагоемкости.

Гигроскопическая влагоемкость (Wr) определяет  способность грунта притягивать из воздуха парообразную влагу и соответствует количеству прочно связанной (гигроскопической) воды.

Максимально-молекулярная  влагоемкость (Wм.м.в)  соответствует максимальному количеству связанной воды в породе, удерживаемой силами молекулярного притяжения (по А.Ф. Лебедеву).

Капиллярная влагоемкость (Wк)  соответствует максимальному количеству воды в капиллярных порах грунта.

Полная влагоемкость (Wп.в ) соответствует максимальному количеству воды, удерживаемой породой при полном насыщении ее водой.

Водоотдача – способность водонасыщенных пород отдавать гравитационную воду в виде свободного стока, для количественной оценки водоотдачи применяют коэффициент водоотдачи (μ), т.е  отношение объема извлекаемой (или вытекающей) из породы воды (Vв) к объему осушенной части породы (Vп), т.е

 μ = V в/Vп

Величина  коэффициента  водоотдачи может быть определена по формуле

μ = n-YскWм.м.в,

где n- пористость, Yск- объемный вес скелета грунта, Wм.м.в- максимально-молекулярная влагоемкость.

           При  гравитационном опорожнении  пор  и при осушении пород извлекается  лишь незначительная часть прочно  связанной воды, поэтому практически  считают 

 μ = n акт,

где n акт – активная пористость.

Водоотдача  песчаных грунтов может быть также определена  как разность между полной их влагоемкостью и максимально-молекулярной влагоемкостью:

μ = Wп.в – Wм.м.в

Наибольшей водоотдачей обладают  галечники, гравий, крупнозернистые гравелистые пески (=μ 0,2/0,35). Гравитационная водоотдача низка у сильно влагоемких глин и суглинков (μ =0,01/0,05).

          Водоотдача  скальных грунтов зависит от их общей трещиноватости и изменяется в широких пределах от 0,001 до 0,1.

         Разность  между полной влагоемкостью  и  естественной влажностью пород  называют недостатком или дефицитом  насыщения (μн):

μ н = Wп.в – W

Недостаток насыщения характеризует количество  воды, которое единица объема породы может поглотить при повышении уровня. При подъеме уровня подземных вод часть пор в породе занята защемленным воздухом, поэтому μ > μ н.

          Водопроницаемость – способность грунтов пропускать через себя воду под действием напора.

          Водопроницаемость  грунтов зависит  от размера  сообщающихся между собой пор  и трещин и от напора, под  действием которого движется  вода. На водопроницаемость оказывают  влияние также состав грунта, особенности его сложения, свойства  фильтрующей воды (вязкость).

           Чем  больше размер пор, пустот и  трещин, тем меньше сопротивление  движению вод и тем выше  водопроницаемость грунта. В галечниках, гравии и других крупнообломочных  породах с размером пор до 1 см и более водопроницаемость  значительно выше, чем в глинистых  грунтах с очень мелкими порами. В глинистых грунтах поры частично  заполнены связанной водой, которая  в силу  своей малой подвижности  препятствует фильтрации свободной  воды. По абсолютному же значению пористости глины (n=40/60%) превосходят крупнообломочные породы (20/35%).

             Водопроницаемость песчаных и  крупнообломочных грунтов резко  уменьшается при наличии в  их порах примесей, например глинистых  частиц. Хорошо промытый галечник  и галечник с глинистым заполнителем  резко отличаются по величине  водопроницаемости. Водопроницаемость  глинистых грунтов зависит  и  от минерального состава тонкодисперсных  фракций. Глинистые породы, содержащие  в тонкодисперсной фракции монтмориллонит, очень слабо пропускают воду. Заметное повышение температуры воды приводит к уменьшению ее вязкости и возрастанию подвижности.

            Количественно водопроницаемость  грунтов характеризуется коэффициентом фильтрации  Кф,  имеющим размерность: м/сут, м/с,см/с.

            В зависимости от величины коэффициента фильтрации выделяют породы с высокой водопроницаемостью – Кф больше 1м/сут (галечник, гравий, песок, трещиноватые скальные породы), с невысокой водопроницаемостью – Кф от 1 до 0,001 м/сут (глинистые пески, суглинки, слабо трещиноватые скальные породы) и практически водонепроницаемые – Кф меньше 0,001 м/сут (глины, монолитные  нетрещиноватые  скальные породы).

            Значительное количество воды  можно получать только из пород  с высокой водопроницаемостью. Водонепроницаемые  грунты принято называть водоупорами. Действительно, при большой мощности глины практически водоупорны. Однако абсолютно водонепроницаемых грунтов в природе не существует.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Классификация вод и ее влияние на свойства горных пород                             Вода в горных породах неоднородна. В ней может быть выделен ряд категорий, отличающихся по природе и условиям образования, по свойствам и многим другим особенностям. С середины 30- х годов вплоть до нашего времени было предложено много различных классификаций воды в горных породах, но наиболее обоснованной является классификация Р.И. Злочевской (1988), согласно которой вода в горных породах может относиться к трем категориям:                                                                                                             1) связанной;                                                                                                            2) переходного типа;                                                                                               3) свободной.                                                                                                   Согласно этой классификации, связанная вода удерживается в породе за счет химических и физических сил, действующих со стороны поверхности минералов и изменяющих структуру и свойства воды. Она бывает двух видов.                                                                                                                                 К первому относится вода, входящая в состав кристаллических решеток различных минералов. Это так называемая конституционная, немолекулярная форма воды, кристаллизационная вода различных кристаллогидратов, а также вода, "связанная" координационно-ненасыщенными атомами и ионами кристаллической решетки минералов.                                                                     Ко второму виду относится адсорбционная вода, образующаяся за счет адсорбционного "притяжения" молекул воды к активным адсорбционным центрам поверхности минералов. Среди нее выделяются две разновидности: а) с наибольшей энергией притяжения к поверхности (около 40 - 120 кДж/моль) - вода мономолекулярной адсорбции                                                 б) с меньшей энергией связи (<40 кДж/моль) - вода полимолекулярной адсорбции. Связанная вода образует, адсорбционные 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 наибольшей степени отличаются от свободной.                   Вода переходного типа (от связанной к свободной) в меньшей степени подвергается действию поверхностных сил, она удерживается вблизи поверхности минералов за счет более слабых связей. Поэтому ее структура менее искажена, а отличия в физических свойствах по сравнению со свободной водой менее значительны или почти не существенны. В пределах этого типа выделяется два вида воды:                                                                   а) осмотически – поглощенная;                                                                              б) капиллярная.                                                                                                                  Первый вид осмотически - поглощенной воды образуется в горных породах за счет процессов избирательной диффузии молекул воды в направлении к минеральной поверхности, обусловленной наличием у последней "ионной атмосферы" - так называемого двойного электрического слоя, состоящего обычно из катионов порового раствора, "компенсирующих" отрицательный заряд минеральных частиц. Двойной электрический слой имеет две части: внутреннюю, называемую адсорбционным слоем (с), и внешнюю - диффузный слой (d). "Осмотической" эту воду назвали потому, что ее образование связано с явлением микроскопического поверхностного осмоса, напоминающего обычный макроскопический осмос - движение воды через полупроницаемую мембрану (то есть пропускающую относительно малые по размеру молекулы воды, но не пропускающую более крупные катионы) под действием градиента концентрации (хорошо известна роль подобных "мембран" в клетках многих животных организмов, тоже содержащих "осмотическую воду"). В горных породах роль этой "полупроницаемой мембраны" выполняет внешняя граница двойного электрического слоя. С этой категорией воды тесно связана способность многих глинистых пород набухать - увеличивать свой объем при впитывании влаги.                                                                                               Второй вид воды переходного состояния - это капиллярная вода. Она образуется в порах капиллярного размера (диаметром от 10- 3 до 103 мкм) за счет капиллярного давления и удерживается в горной породе капиллярными силами водных менисков (силами поверхностного натяжения), образующихся на границе фаз вода-воздух-твердая поверхность. Капиллярные силы практически не меняют структуры воды и поэтому капиллярная вода по основным физическим свойствам практически не отличается от свободной. Она может формироваться в горных породах двояко:                                                                                                                                1) за счет так называемого явления капиллярной конденсации, когда молекулы воды постепенно конденсируются на поверхности пленки адсорбированной влаги, обволакивающей частицы породы, и, сливаясь в местах контакта (на стыке частиц), образуют водные мениски;                                        2) за счет капиллярного впитывания воды по сообщающимся порам, трещинам и каналам при контакте породы со свободной водой.                        К третьему типу относится собственно свободная вода, обладающая физическими свойствами обычной воды. В горных породах она делится на два вида:                                                                                                                   1) вода замкнутая (иммобилизованная) в крупных порах породы и поэтому не участвующая в процессах фильтрации и движении подземных вод;                   2) текучая свободная вода (вода грунтового потока).                                            Различные категории воды, находящейся в горных породах, существенно влияют на многие свойства пород. Практически все свойства горных пород меняются в той или иной степени в зависимости от наличия в них связанной воды определенного вида. Но наиболее важной с практической точки зрения ее влияние на состояние пород, процессы тепломассопереноса в них, а также на их деформируемость и прочность. Влияние связанной воды на состояние пород наиболее сильно проявляется у дисперсных, состоящих из отдельных частиц, горных пород, особенно таких, как глинистые и лёссовые. Это объясняется тем, что дисперсные горные породы обладают большой величиной удельной поверхности.                                                                                     Глинистые породы предрасположены к воде и всегда содержат связанную воду. Если в них присутствует только адсорбционная вода, то они представляют собой довольно прочные породы твердой консистенции. При наличии в них осмотической и капиллярной воды они приобретают свойство пластичности, податливости, липкости, капиллярной связности, легко деформируются и резко теряют за счет увлажнения свою прочность. При наличии в глинах свободной воды они приобретают свойство текучести и ведут себя как жидкообразные тела.                                                             Большое влияние связанная вода оказывает на процессы тепломассопереноса в породах. Поскольку она прочно удерживается в тонких порах и микротрещинах и к тому же обладает повышенной вязкостью, «сдвинуть» эту воду чрезвычайно трудно, она не подчиняется обычным законам фильтрации, осуществляемой под действием гидродинамического напора. Поэтому глины и являются обычно водоупором, не пропускающим грунтовые воды или фильтрующим сквозь себя воду очень медленно. Роль связанной воды в подобных глинистых экранах еще до конца не изучена, остается много нерешенных проблем, в частности раскрывающих экологическое значение связанной воды в земной коре. Аномальные теплофизические свойства связанной воды влияют и на процессы теплопереноса в породах. Кроме того, наличие определенного количества незамерзшей связанной воды в мерзлых горных породах обусловливает возможность ее участия в массопереносе при отрицательных температурах, а также сильно влияет на фазовые превращения вода-лед. Важной чертой при этом является наличие фазовой поверхности раздела между льдом и жидкой незамерзающей прослойкой, контактирующей с противоположной стороны с твердой минеральной поверхностью породы. Передвижение незамерзшей воды в такой породе сопровождается сложными процессами перекристаллизации, которые могут приводить к возникновению и росту давления в незамерзших пленках воды, являющегося одной из причин морозного пучения грунтов. Особую сложность эти процессы приобретают в засоленных грунтах, для которых они пока полностью не изучены.

Очень сильно связанная вода влияет на прочность и деформируемость практически любых горных пород. Она оказывает «расслабляющее и размягчающее» действие на многие горные породы, приводит к понижению их прочности и увеличению деформируемости. Характерным примером ее влияния в этом отношении являются лёссовые породы.В них содержится главным образом только адсорбционная связанная вода и частично капиллярная, заполняющая лишь самые тонкие микропоры и микрокапилляры в породе. Но стоит в лёссы проникнуть достаточному количеству воды, например при подтоплении массива или в результате утечек воды, то лёссовая порода чрезвычайно быстро переходит в пластичное состояние, резко теряет прочность и проседает в результате доуплотнения даже под собственным весом.

           Однако было бы неверно думать, что связанная вода влияет лишь на прочность осадочных дисперсных пород. Не в меньшей мере ее влияние сказывается на деформировании и прочности магматических, метаморфических и сцементированных осадочных горных пород. Наличие связанной воды в кристаллической решетке минерала снижает его упругость. Но в еще большей степени на деформируемость и прочность таких пород влияет наличие в микротрещинах, на контактах зерен или кристаллов адсорбционных пленок связанной воды. Они понижают поверхностную энергию минералов горной породы и тем самым облегчают развитие в породе различных механических микронарушений, дислокаций, микротрещин и т.д. Это одна из форм проявления так называемого эффекта Ребиндера – эффекта облегчения пластической деформации тел различной природы и снижения их прочности за счет явления адсорбции. Ускорение ползучести горных пород в условиях действия адсорбционных сред отмечалось неоднократно. Этот процесс широко развит в природе и целенаправленно используется человеком. Наиболее характерно он проявляется в условиях так называемой «наведенной сейсмичности» – активизации сейсмической активности территории в зоне влияния водохранилища после начала его затопления и возникновения искусственных землетрясений силой до 5 – 7 баллов. Процесс этот носит кинетический характер, связанная вода очень медленно проникает вглубь массива, и к тому же разные минералы в горных породах избирательно проявляют эффект Ребиндера. По этим причинам наведенная сейсмичность затухает обычно долго, в течение 3 – 5 лет. Однако этот пример не единственный. Практически все горные породы (в том числе магматические и метаморфические) можно рассматривать как дисперсные системы, то есть имеющие большую удельную поверхность, образованную внутренними границами раздела между минеральными фазами одинакового или разного состава. В последнее время учеными установлено, что связанная вода может внедряться в поликристаллические скальные породы по этим сплошным межзеренным и межфазным границам и оставаться там неопределенно долгое время. Такая «межзеренная пропитка» наиболее вероятна в породах, для которых наблюдается полное смачивание свободной поверхности водой, а также происходит снижение прочности породы не менее чем вдвое. С ростом температуры и напряжений круг пород, в которых проявляется данный эффект, еще больше расширяется.                                             Приведенный материал показывает, какую большую роль играет вода в формировании свойств различных горных пород, а значит, и в развитии многих геологических процессов.

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

         Подводя итоги  необходимо отметить, что горная порода, или как чаще говорят, порода, представляет собой сочетание (агрегат) минералов естественного (природного) происхождения. Наука, изучающая горные породы, носит название петрографии.  В горных породах находятся породообразующие минералы. Могут  встречаться также и дополнительные минералы, называемые акцессорными. Они присутствуют редко и в  малых количествах в общей массе породы, но часто являются характерной маркирующей частью некоторых пород. Таким образом горные породы  это парагенетические всегда находящиеся вместе сообщества минералов, образующие самостоятельные геологические тела. Свойства горных пород обусловлены их минеральным составом и строением, а также внешними условиями.  Свойства горных пород зависят также от воздействия механического (давление), теплового (температура), электрического, магнитного, радиационного (напряжённости) и вещественного (насыщенность жидкостями, газами и т. д.) полей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

Книги одного автора

1. Белый Л.Д., Инженерная геология: Учебник для строит. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1995. – 231с., ил.

2. Денисов Н.Я., Инженерная геология. М., 1980.

3. Ломтадзе В.Д., Специальная инженерная геология. Л.,1998.

4. Платов Н.А., Основы инженерной  геологии: Учебник.- 3-е изд.,перераб., доп. и испр. – М.: ИНФРА-М, 2011.192с.

5.Сергеев Е.М., Инженерная геология. М., 1998.

Книги двух - трех авторов

6. Ананьев В.П., Передельский Л.В., Инженерная геология и гидрогеология: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1990. – 271 с.,ил.