Молекулярные и капиллярные взаимодействия в системе

Вода в порово-трещинном про­странстве находится под влиянием молекулярных взаимодействий, возникающих между минеральным скелетом и поровым раствором (диссоциированными молекулами воды, ионами, коллоидными части­цами, органическими комплексами и т. п.). Влияние этих взаимо­действий существенно снижается с удалением от поверхности мине­рального скелета. Оно максимально в тонкодисперсных (глинистых) породах и мало — в песках с крупными порами. Взаимодействие про­является в определенной ориентировке дипольных молекул воды и других заряженных частиц раствора около отрицательно заряжен­ных минеральных частиц. Образуются слои или зоны с разны­ми структурой и интенсивностью молекулярной связи. Наи­более прочные связи существуют во внутреннем слое и межпакетном пространстве глинистых минералов. В следующем, адсорбционном слое (слой Гельмгольца) ближайшие к твердой поверхности частицы раствора прочно связаны с ней, а другие, более удаленные, строго ориентированы. Энергия связей здесь тоже очень высока. В третьем (диффузном) слое толщиной 1—10 нм молекулы и ионы менее ориен­тированы (менее структурированы). Энергия их связи с минеральной частицей невелика. В четвертом слое имеется зона свободной воды, где молекулярные взаимодействия практически равны нулю. С ростом температуры и давления толщина диффузного слоя убывает, осо­бенно резкие изменения наблюдаются при 60—80 °С. На толщину этого слоя влияет состав обменных катионов . Структурирован­ность воды влияет на характер ее движения под действием внешних сил.

Молекулы любого вещества совершают тепловые трансляционные колебательные движения около временного положения равновесия, переходя скачками из одного положения равновесия в другое. Поло­жению равновесия отвечает минимум энергии частицы. Основные положения теории трансляционного движения молекул вещества были сформулированы Я-И. Френкелем в 1925 г. В качестве структурной теории водных растворов они получили развитие применительно к проблеме формирования химического состава подземных вод в рабо­тах, а применительно к исследованию физических основ филь­трации воды в горных породах — в работе. Частица раствора, совершая трансляционное движение и соударяясь с соседними, на­капливает некоторый запас энергии, который называется энергией а к т и в а ц и и Е_я. Из одного положения равновесия в другое она переместится, если ее энергия активации Е_а окажется больше, чем потенциальный барьер Е_i, под которым понимают мак­симум энергии между двумя соседними минимумами, соответствую­щими положениям временного равновесия данной частицы. На рисунке ниже, в на кривой потенциальной энергии молекулы А глубокий (левый) минимум отвечает взаимодействию молекулы воды А с ионом С (ион-дипольное взаимодействие) и временному положению равнове­сия, а правый (менее глубокий) — взаимодействию двух молекул воды А и В (диполь-дипольное взаимодействие) и следующему поло­жению равновесия.

Возможны два случая перемещения частицы жидкости, когда Е_а >Еi или (Е_a + Е_в) >Е_i (где Е_в —энергия внешних сил). В пер­вом случае трансляционный скачок равновероятен во все стороны, а во втором — направлен по действию внешней силы, так как в этом направлении уменьшается Еi.

Схема молекулярных взаимодействий в поровом пространстве

где а-сечение условной поры со слоями структурированных частиц порового раствора; б- график изменения энергии связи частиц раствора с поверхностью минерального скилета. 1-отрицательно заряженная минеральная частица; 2-молекула воды; 3-катион; 4-условные границы слоёв.

Молекулы воды и растворенного вещества перемещаются внутри поры из слоя в слой, хотя толщина самих структурированных слоев, обусловленная минеральным составом скелета, характером раствора и термодинамическими условиями, сохраняется. Принимая, что в об­щем балансе сил, действующих на связанную воду, доля сил грави­тации и гидростатического давления невелика, принято считать фи­зически связанную воду практически неподвижной и условно отно­сить ее к минеральному скелету. Однако нельзя забывать, что коли­чество связанной воды в породе и возможность ее перехода в свобод­ную зависят от температуры, механического давления на породу, минерализации и состава поровой воды.

Капиллярные взаимодействия. В зоне аэрации в условиях непол­ного водонасыщения воздух представляет собой самостоятельную не­прерывную фазу, поэтому в поровом пространстве на контакте воды и воздуха проявляется действие капиллярных сил, описываемое вы­ражениями . Такое взаимодействие наблюдается по про­стиранию водоносного горизонта на линии уровня грунтовых вод и в вертикальной плоскости, когда в зоне аэрации движется нисходя­щий поток инфильтрующейся воды (из каналов или шурфов при спе­циальных опытных наливах). На линии, разделяющей области пол­ного и неполного водонасыщения, проявляются капиллярные взаимо­действия и формируется зона, которую называют капиллярн о й. На разделяющей линии гидростатическое давление равно ат­мосферному и обычно принимается за нулевое; в капиллярной зоне давление отрицательное.

При медленных изменениях гидростатического давления в зоне полного насыщения (например, при колебаниях уровня грунтовых вод) капиллярная зона успевает перемещаться вслед за движением границы нулевого давления; при быстрых изменениях этого не на­блюдается и происходит нарушение контакта. Математически учесть это явление сложно, и в теории фильтрации обычно по линии уровня грунтовых вод капиллярными взаимодействиями пренебрегают, со­храняя предпосылку о медленном перемещении этого уровня. Де­тально эти взаимодействия учитываются в теории влагопереноса. В нижней части капиллярной зоны,капиллярная вода обладает свойствами свободной: передает гидростатическое давление и дви­жется в соответствии с общим уклоном грунтовых вод.