Плакат №32. Круговорот воды в природе.

Круговорот воды в природе. Виды воды в горных породах.

Лекция №22

План:

1. Гидросфера и круговорот воды в природе.

2. Виды воды в горных породах.

3. Свойства горных пород по отношению к воде.

4. О зоне аэрации и насыщения.

Ключевые слова:Круговорот, бессточные области, испарение, транспирация, инфильтрация, гидросфера, гидросфера, зона аэрация, парообразная, связанная, прочносвязанная, рыхлосвязанная, капиллярная, гравитационная, кристаллизационная, конституционная, водопроницаемость, влагоемкость.

Общая площадь земного шара S 10*106 км 2, из них воды Мирового Океана занимают 70,8%, остальная территория (28,2%) представлена сушей, т.е. имеет сток воды в моря и океаны. Бессточные области не имеют стока в океаны и моря. Примером областей является Аралокаспийская и другие области. Поступающая в эту область влага полностью расходуется на испарение и транспирацию.

Запасы воды в различных звеньях гидросферы (тыс. км³):

1. Мировой океан – 13720,3

2. Подземные воды – 60000

3. Ледники – 24000

4. Озёра – 280

5. Почвенная влага – 85

6. Пары атмосферы – 14

7. Речные воды – 1,2

Всего: 1454703

Влага на земном шаре находится в постоянном круговороте:

Подземные водами образуются преимущественно путём инфильтрации атмосферных осадков, а также путём инфильтрации речных и других вод под действием силы тяжести просачиванием по крупным порам и трещинам горных пород.

Наиболее распространённая классификация видов воды в горных породах. Была предложена А.Ф. Лебедевым. В настоящее время наиболее расширена данная классификация другими учёными и представлена в следующим виде:

Парообразная вода находится в форме водяного пара в воздухе присутствующем в парах и трещинах горных пород и в почве, передвигается вместе с воздухом, а также от участков с высокой абсолютной упругостью водяного пара к участкам с более низкой упругостью. При определённых условиях путём конденсации может переходить в жёсткую форму. Парообразная вода – единственный вид, способный передвигаться в породах при незначительной влажности.

Связная вода присутствуют главным образом в глинистых породах, удерживается на поверхности частиц силами, значительно превышающими силу тяжести. Подвижность её несравненно меньше подвижности свободной воды. Различают прочно- и рыхлосвязанную воду.

Прочносвязанная вода удерживается на поверхности частиц силами, значительно превышающими силу тяжести. По свойствам прочносвязанная вода близка к твердому телу. Имеет высокую плотность, вязкость и упругость, свойственна преимущественно тонкодисперсным породам, передвигается только в форме пара, не способна растворять соли, недоступна для питания растений.

Рыхлосвязанная вода - располагается над прочносвязанной (адсорбированной) водой , удерживается молекулярными силами. Менее сильно связана с частицами пород, более подвижна, плотность близка. К плотности свободной воды, способна передвигаться от частицы к частице породы под влиянием сорбционных сил, причём в засоленных породах передвижение воды происходит к участкам с более высокой концентрацией солей, сил тяжести так же не подчиняется и не передаёт гидростатический напор, способность растворять соли понижается.

В некоторой степени доступна для использования растениями. Содержание плёночной воды может достигать в песках 1-7%, супесях 15-23%, суглинках 15-23%, глинах 25-40%.

Капиллярная вода находится в капиллярных водах и трещинах горных пород, где удерживается и передвигается под влиянием капиллярных (менисковых) сил, действующих на границе воды и воздуха находящегося в парах пород. Капиллярная вода подразделяется на 3 вида: собственно - капиллярную, подвижную и воду углов пор.

Гравитационная вода подчиняется силе тяжести. Движения воды происходит под влиянием этой силы и напорного градиента, передаёт гидростатический напор.

Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической решётки минералов, например гипс CaSO₄*2H₂O, сохраняет молекулярную форму.

Вода в твёрдом состоянии – в форме льда. Кроме указанных видов, выделяют химически связанную (конституционную) воду, которая участвует в строении кристаллической решётки минералов в форме ионов H+, OH-, т.е не сохраняет молекулярной формы.

Свойства горных пород по отношению к воде. Гранулометрический состав (процентное содержание в рыхлой породе частиц различного размера) служит классификационным признаком позволяющим установить название породы (грунта).

Плотность - масса единицы объема твёрдой фазы (минеральных частиц) породы (г/см³). Для большинства горных пород она изменяется от 2,6 до 2,7. Плотность входит в ряд расчётных формул для определения физических и механических свойств пород.

Объёмная масса – масса единицы объёма породы (г/см³). Для глинистых пород объёмную массу находят дважды: для грунтов в естественном состоянии ∆- при естественной пористости и влажности: объёмная масса твёрдой фазы, или скелета породы, δ – без массы воды в порах, но с сохранением естественной пористости,

, где

W – массовая (весовая) естественная влажность породы, %.

Значения δ возрастает с повышением плотности породы. Естественная влажность – это отношение массы воды к массе минеральной части породы: или отношение объёма воды V_в к объёму всей породы

или

Массовую влажность породы определяют взвешиванием образца до высушивания и после него. Полученную разность, отвечающую содержанию воды, делят на массу высушенного образца.

Горные породы имеют поры, пустоты, трещины. Пористость (n) породы характеризуется формулой:

, где V_n, V – объём пор и породы.

Для определения пористости (n) надо знать плотность или объемную массу породы:

,

где - объёмная масса и плотность минеральной части породы.

Кроме показателей (n), широко используется в расчётах – коэффициент пористости (e), равный отношению объема пор к объему скелета породы.

Пористость (n) и коэффициент пористости (е) связаны между собой следующим образом:

;

Водопроницаемость – это способность горных пород, пропускать через себя воду. Она обусловлена наличием в породах пустот. Галечники, гравий, крупные и средние пески, трещиноватые, магматические, метаморфические и осадочные породы обладают хорошей водопроницаемостью. Глина, алевролиты и не трещиноватые, не выветренные горные породы, водонепроницаемые.

Абсолютно водонепроницаемых пород нет. Вода в земной коре нередко находится под значительным напором и может просачиваться даже через толщу глин. Показатели водонепроницаемости породы служит коэффициент фильтрации (К_ф).

- если обе стороны делим на F.

или ,

где Q – расход фильтрационного пока – количество воды протекающее через данное поперечное сечение потока в единицу времени м³/ сутки.I – градиент напора или гидравлический градиент. F – поперечное сечение потока, м².

Влагоёмкость – это способность пород вмещать и удерживать в пустотах определённое количество воды. Она выражается ( в процентах) отношением массы влаги, заключённой в пустотах, к массе сухой породы.

Различают полную влагоёмкость - наибольшее количество связной, капиллярной и гравитационной воды, которое может содержаться в породе при заполнении всех пустот.

Капиллярную влагоёмкость (КВ)-наибольше количество капиллярной влаги, которое может содержаться в породе. Растворимость – это способность горных пород растворяться в воде.

О зоне аэрации и насыщения. В рыхлых горных породах ниже уровня грунтовых вод все поры полностью заполнены водой, кроме пор, занятых защемлённым воздухом – это зона насыщения. Слой выше неё называется зоной аэрации. Мощность зоны аэрации равна глубине залегания уровня первой от поверхности подземных вод, и поскольку эта глубина изменчива во времени, то и мощность зоны аэрации непостоянна.

Непосредственно над уровнем грунтовых вод располагается капиллярная влага. В зоне аэрации может быть распространена парообразная, гигроскопическая, плёночная, подвешенная, капиллярная, гравитационная и твёрдая вода. На линзах и прослойках слабопроницаемых пород могут образоваться временные водоносные горизонты, называемые верховодкой. Она образуется в результате просачивания осадков, поверхностных и оросительных вод.