Файл: Бабинец А.Е. Гидрогеологические и геохимические особенности глубоководных отложений Черного моря.pdf

В последнее время структурные особенности воды стали прини­ мать во внимание и при изучении коагуляции минеральных частиц. Взаимодействие воды с твердой фазой суспензии, по мнению Леонар­ да и Лоу [280], определяется нарушенностью структуры водной части суспензий. По их данным, вода в суспензии более упорядочена, чем чистая вода. Чем меньше в суспензии воды, не связанной с поверх­ ностью твердых частиц, тем выше оказывается ее натяжение, стрем­ ление к сокращению объема. В случае глинистых суспензий вся вода оказывается в зоне воздействия поверхностей частиц на структуру, натяжение ее при этом возрастает, а броуновское движение взвешен­ ных частиц замедляется. Тем самым облегчается агрегирование (слипание) частиц, приводящее к образованию геля. Если же между частицами сохраняется вода с неискаженной структурой, то натя­ жение не возрастает и коагуляция не происходит.

Искажение структуры воды в осадках сказывается на темпера­ туре замерзания. Интересные данные были получены методом диф­ ференциального термического анализа при низкой температуре [275]. В интервале 0—195° С отмечен ряд экзотермических остановок, связанных с замерзанием какой-то части содержащейся в глине во­ ды. Например, при охлаждении монтмориллонита регистрируются три экзотермических пика: первый — около —4° С, второй — в ин­ тервале от —4,5 до —10° С и третий между —25 и —30° С. Для галлуазита отмечаются также три пика, но в других интервалах. По два пика показывают нонтронит и вермикулит и один — каолинит и иллит. Положение пиков на температурной шкале определяется составом поглощенных катионов.

Результаты, полученные с помощью ЯМР [211], подтверждают тот факт, что связанная вода каолинита менее подвижна, чем соот­ ветствующие фазы воды монтмориллонита, поскольку кристаллохимические свойства поверхности каолинитовых кристаллитов позволяют адсорбированным молекулам образовывать пространст­ венную упорядоченную анизотропную структуру. Роль обменных катионов при этом незначительна. В монтмориллоните связанные молекулы воды, в ориентации которых большую роль играют обмен­ ные катионы, располагаются беспорядочно, сохраняя большую подвижность, чем в каолините.

Уяснив до некоторой степени влияние поверхности дисперсной фазы на нарушение структуры воды, перейдем к рассмотрению того, как это сказывается на вязкости воды и особенностях ее течения в пористых средах (главным образом в глинах). Известно, что зави­ симость водопроницаемости глины от ее пористости представляет собой прямую линию вплоть до очень малой проницаемости, после чего она изгибается в направлении начала координат. Такое пове­ дение и неприменимость обычных уравнений потока к глинам счита­ ются признаком существования на поверхности дисперсных частиц глин слоя воды с высокой вязкостью, который намного снижает эф­ фективную пористость. При этом вязкость слоя должна повышаться по мере приближения к поверхности.

82

Известно также, что при низких гидравлических градиентах по­ ток не подчиняется закону линейной фильтрации Дарси. Вместо этого наблюдается непропорциональное увеличение скорости потока с увеличением гидравлического градиента. Рассматривая воду вблизи минеральных поверхностей как неньютоновскую жидкость, вязкость

численные данные о существовании порогового гидравлического гра­ диента, который должен быть превышен, чтобы началось движение жидкости.

Упомянутые выше исследования и их результаты хорошо Со­ гласуются с представлениями об образовании водородных связей между сорбированными молекулами воды и активными центрами поверхности глинистых минералов и энергией активации, необходи­ мой для разрыва этих связей. Ф. Лоу [151] определил энергию ак­ тивации вязкого течения воды через бентонитовую пасту. Она оказа­ лась равной 4,35 ккалімоль, в то время как для вязкого потока чи­ стой воды — 3,85 ккалімоль. Повышение структурной вязкости и определяет такую разницу в энергии активации.

На основании обобщения результатов^ исследований, проведен­ ных до 1961 г., Ф. Лоу сделал выводы о том, что если вода вблизи поверхности глинистых частиц имеет квазикристаллическую струк­ туру, то ее гидромеханические свойства должны быть следующими:

свободной воды.

Изученные нами глубоководные осадки Черного моря содержат свободной и рыхло связанной воды значительно больше, чем прочно связанной, кроме того, в них есть заметная доля алевритовых и бо­ лее крупных фракций. Эти факты дают возможность объяснить логарифмическую зависимость коэффициента фильтрации от коэф­ фициента пористости, исходя из вышеизложенных принципов струк­ турной теории.

Заметим однако, что порогового гидравлического градиента в неуплотненных осадках при фильтрации поровой жидкости через образец мы не обнаружили. По-видимому, он становится заметным только при довольно значительном уплотнении осадка, поскольку, согласно структурным представлениям, предельное сопротивление сдвигу может сказываться на возникновении фильтрационного пото­ ка лишь тогда, когда доля прочно связанной воды окажется доста­ точно большой по сравнению с влажностью образца вследствие

250-265 120Щ

/о

Рис. 22. Зависимость коэффициента фильтрации от коэффициента порис­ тости, станции 1627 и 1629.

Рис. 23. Зависимость коэффициента фильтрации от коэффициента пористости, станции 1921 и 1923.

уменьшения количества свободной воды, отжимаемой при уплот­ нении.

Рассматривая графики зависимости коэффициента фильтрации от коэффициента пористости (рис. 22—24), построенные по результатам компрессионных испытаний образцов донных осадков, можно отме­ тить отклонение от логарифмического закона для отдельных об-

84

разцов в области максимальных значений коэффициента пористости. Наибольший коэффициент пористости, по условиям проведения экс­ перимента, соответствует наименьшей уплотняющей нагрузке, а сле­ довательно, и малому градиенту давления. Уменьшение коэффициен­ та фильтрации относительно значений, соответствующих линейному закону фильтрации, в данном случае косвенно свидетельствует о за­ висимости вязкости поровой жидкости от сдвигового усилия. Это

Рис. 24. Зависимость коэффициента фильтрации от коэффициента пористости, станции 1918 и 1926.

явление можно объяснить связыванием воды органическим гелем. Дажесравнительноневысокоесодержание органических веществ типа некоторых полисахаридов способно связывать большое количество воды в натуральном осадке. Органический гель, заполняя поры осад­ ка, также снижает его проницаемость. Однако такую трактовку пониженной водопроницаемости неуплотненных осадков нельзя счи­ тать окончательной, поскольку мы не располагали возможностью определять содержание органического вещества в поровых растворах.

Действие физических полей Земли на морской осадок. Уплотне­ ние глубоководных осадков. Гравитационное поле Земли обусловли­ вает уплотнение осадка. В слое воды создается гидростатическое давление Р, определяемое высотой столба жидкости и ее удельным весом. На твердые частицы осадка действует выталкивающая сила, согласно закону Архимеда. В результате структурного взаимодей­ ствия поровой воды и твердых частиц осадка в гравитационном поле создается избыточное давление на каждый выделенный слой осадка со стороны вышележащих (покрывающих) слоев. Оно определяется разностью между объемным весом поровой воды и объемным весом осадка в покрывающем слое, а также мощностью этого слоя.

85

Поскольку твердые частицы свежего осадка окружены водной оболочкой с убывающей к периферии прочностью связей твердой и жидкой фаз, а осадок в целом имеет рыхлую структуру, то в на­ чальный момент уплотнение давления вышележащих слоев воспри­ нимается только водой. По мере выжимания воды, скорость которо­

щего слоя, Р — избыточное (сверх гидростатического) давление в поровой воде.

Через некоторый промежуток времени, величина которого зависит от мощности покрывающего слоя, водопроницаемости и скорости на­ растания нагрузки, давление в поровой воде снижается до нуля. Вся нагрузка, начиная с этого момента, будет восприниматься скелетом.

Количественно процесс изменения давления в воде во времени описывается зависимостями фильтрационной теории уплотнения грунтов [85, 230, 237]. Для оценки давления в поровой воде, возни­ кающего при формировании осадка и на начальной стадии его диаге­ неза, можно рассматривать случай уплотнения слоя грунта, мощ­ ность которого возрастает во времени от нуля до величины h (t) с учетом переменной проницаемости при изменении в процессе уплот­ нения его пористости и напряженного состояния. Поскольку мощ­ ность слоя мала по сравнению с его протяженностью по простиранию, можно использовать решение одномерной задачи. Вследствие того, что при уплотнении достаточно мощной толщи осадков в ее основа­ нии раньше достигается предельное уплотнение, или же толща может залегать на водонепроницаемых породах, нижнюю границу можно принять за водоупор. В этом случае уравнение уплотнения будет

мающие напряжения в скелете грунта; остальные значения те же, что и в формулах IV.

Воспользовавшись приемом, описанным в работе В. А. Флори­

86