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.