13.Rodzaje wody występującej w skałach.
Przestrzeń porowa skał zbiornikowych z reguły w mniejszym lub większym stopniu wypełniona jest wodą; zawierać może również węglowodory (ropę naftową i gaz ziemny). Ilościowa zawartość w skałach zbiornikowych wody lub węglowodorów oraz stan tego nasycenia wpływa znacząco na kształtowanie się różnych właściwości fizycznych skał.
Wody wgłębne (podziemne, złożowe) nasycające skały zbiornikowe są przeważnie wodami zmineralizowanymi. Na podstawie ogólnej mineralizacji wody złożowe możemy podzielić na:
wody zwykłez zwane normalnymi lub słodkimi, których ogólna mineralizacja jest mniejsza od 0,5 g/l,
wody o podwyższonej mineralizacji, zwane akratopegami, których ogólna mineralizacja wynosi 0,5-1,0 g/l,
wody mineralne, których ogólna mineralizacja wynosi ponad 1 g/l.
Woda może występować w skałach w różnej postaci. Klasyfikację wody zawartej w głęboko zalegających skałach można przedstawić, porządkując typy wód w zależności od wielkości sił wiążących daną wodę z ziarnami mineralnymi skały:
1. woda chemicznie związana wewnątrz ziaren mineralnych:
woda krystalizacyjna, b) woda konstytucyjna.
2. woda fizycznie związana z powierzchnią ziaren mineralnych:
silnie związana, b) słabo związana.
3. woda wolna:
kapilarna (umownie ruchoma), b) grawitacyjna.
Woda krystalizacyjna, wchodząc w skład sieci krystalicznej minerałów, zachowuje swoją formę molekularną (H2O). Przykładem takiego minerału może być gips.Woda krystalizacyjna może być wydzielana z minerałów przy stosunkowo niewysokich temperaturach, przy czym po jej wydzieleniu następuje w minerale zmiana wielu właściwości fizycznych, a często rozkład minerału. Woda konstytucyjna wchodzi w skład hydratów typu wodorotlenków Ca(OH)2 w postaci grup wodorotlenkowych. Nie zachowuje więc ona swojej formy molekularnej. Ponadto jon wodoru wody konstytucyjnej w niektórych przypadkach może być podstawiony metalem (K, Ca, Mg, Ni, Fe), podczas gdy jon wodorowy wody krystalizacyjnej nie może ulec takim podstawieniom. Woda konstytucyjna jest mocniej związana w sieci krystalicznej minerału niż woda krystalizacyjna. Może ona być wydzielona z sieci krystalicznej tylko przy nagrzewaniu minerału w temperaturach ponad 200°C, a wydzielenie jej prowadzi do zniszczenia struktury minerału.
Woda fizycznie związana znajduje się we współdziałaniu z powierzchnią cząstek skały i różni się właściwościami zarówno od wody krystalizacyjnej i konstytucyjnej, jak i od wody wolnej. Większość współczesnych badaczy dzieli wodę fizycznie związaną na dwa typy: wodę silnie związaną i wodę słabo związaną, biorąc przede wszystkim pod uwagę energetyczne różnice w wiązaniu wody z cząstkami mineralnymi. Woda silnie związana odpowiada w pewnej mierze wodzie adsorpcyjnej, słabo związana - wodzie warstwy dyfuzyjnej w podwójnej warstwie elektrycznej. Maksymalna ilość silnie związanej wody w skale odpowiada mniej więcej wielkości maksymalnej higroskopijności, tzn. tej wilgotności, którą skała przyjmuje przez adsorpcję cząsteczek pary wodnej na ziarnach mineralnych przy względnej prężności pary wodnej równej 100%. Stwarza to podstawę uznania za synonimy określenia: woda silnie związana, higroskopowa i adsorpcyjna.
Właściwości wody silnie związanej są podobne do właściwości ciała stałego, którego struktura różni się jednak od struktury lodu. Z badań wynika, że jej gęstość równa jest średnio 2 g/cm3. Woda silnie związana ma ponadto znaczną lepkość, sprężystość i wytrzymałość na ścinanie. Temperatura jej zamarzania wynosi średnio -78°C, przy czym zależy ona od składu mineralnego skały. Wodę silnie związaną wydzielić można całkowicie ze skały tylko w temperaturze 150 do 300°C, zależnej od rodzaju skały. Zawartość silnie związanej wody w skale, czyli wilgotność higroskopijna, zależy od wielu czynników, m.in. od jej składu mineralnego, od rozmiarów i kształtu ziaren, rodzaju kationów wymiennych oraz od temperatury i wilgotności powietrza otaczającego skałę (próbkę skały).
Woda słabo związana znajduje się na powierzchni ziaren mineralnych na zewnątrz wody silnie związanej. Cząsteczki wody słabo związanej utrzymywane są na powierzchni szkieletu dość słabymi siłami Van der Waalsa i siłami poła zorientowanych cząsteczek wody w warstwie adsorpcyjnej. Warstwa wody słabo związanej ma grubość rzędu kilkudziesięciu do kilkuset średnic cząsteczek wody (średnica cząsteczki wody = 0,138 nm).
Słabo związana woda charakteryzuje się podwyższoną lepkością i może powoli przemieszczać się pod działaniem znacznych sił mechanicznych. Jej temperatura zamarzania równa się -1.5°C. Ma ona niedużą zdolność rozpuszczania soli. Wodę słabo związaną można podzielić na dwie grupy, na wodę poliwarstw oraz wodę osmotyczną. Woda poliwarstw utrzymuje się w skale jeszcze pod działaniem powierzchniowych sił przyciągania. Tworzy ona wokół cząstek mineralnych jednolitą warstwę i dlatego nazywana jest wodą błonkową. Woda osmotyczną tworzy się wskutek przenikania cząsteczek wody z roztworu wypełniającego pory do warstwy dyfuzyjnej, gdzie stężenie jonów jest wyższe niż w roztworze. Jest ona stosunkowo słabo związana z powierzchnią cząstek mineralnych i dzięki temu właściwości jej są zbliżone do właściwości wody wolnej. Woda osmotyczną jest trudna do odróżnienia od wody zawartej w porach kapilarnych o małej średnicy.
Do wody wolnej zawartej w skałach zalicza się wodę kapilarną i wodę grawitacyjną. Woda kapilarna wypełnia małe pory o rozmiarach od 10-7 do 10-4 m lub ostre, wąskie zagłębienia większych porów. W porach takich, w wyniku ciśnienia kapilarnego, występującego dzięki działaniu sił molekularnych na granicach faz, odbywać się może samoczynny ruch wody. Na przykład przy zmniejszaniu się ilości wody kapilarnej w wyniku wysychania jednej części skały może następować uzupełnienie tej wody dzięki jej podciąganiu z pozostałej części. Należy przy tym pamiętać, że w skale oprócz wody kapilarnej znajduje się woda związana, która umiejscowiona jest w pobliżu ścianek porów i tym samym znacznie zmniejsza wolną przestrzeń porów dostępną dla ruchu wody kapilarnej. W konsekwencji tego w porach mniejszych, zwanych subkapilarnymi, niemożliwy jest ruch wody kapilarnej, gdyż wypełnione są one w pełni wodą związaną. Woda kapilarna, podobnie do wody grawitacyjnej, przenosi ciśnienie hydrostatyczne. Jednak niektóre właściwości wody kapilarnej różnią się od właściwości wody grawitacyjnej. Woda kapilarna zamarza w temperaturze niższej od 0°C, przy czym temperatura ta maleje przy zmniejszaniu się rozmiarów porów, w których ta woda się znajduje. Woda kapilarna znajdująca się w porach między cząstkami skał ilastych i pylastych zamarza w temperaturze nieco wyższej od -12°C. ■
Wodą grawitacyjną jest woda zawarta w ponadkapilarnych porach skały. Nie podlega ona działaniu sił występujących na powierzchniach szkieletu mineralnego i może swobodnie przemieszczać się w przestrzeni porowej pod działaniem różnicy naporów hydraulicznych (sił ciężkości i różnicy ciśnienia).