Предмет геофизика, основные понятия о физических свойствах горных пород

Классификация подземных вод.

Виды воды в горных породах.

В зависимости от физического состояния, подвижности и характера связи с грунтом выделяют несколько видов воды в грунтах: химически и физически связанная, капиллярная, свободная, вода в твердом и парообразном состоянии.

Химически связанная вода входит в состав некоторых минералов, например гипса, медного купороса. Вода из таких минералов может быть удалена в большинстве случаев лишь при нагревании до 300-400 С.

Физически связанная вода удерживается на поверхности минералов и частиц грунта молекулярными силами и может быть удалена из грунта только при температуре не менее 90-120 С. Этот вид воды подразделяют на гигроскопическую и пленочную.

Гигроскопическая вода образуется вследствие адсорбции частицами грунта молекул воды. На поверхности частиц гигроскопическая вода удерживается молекулярными и электрическими силами.

Пленочная вода образует пленку поверх гигроскопической воды, когда влажность грунта становится выше его максимальной гигроскопичности. Эта вода может передвигаться от одной частицы грунта к другой.

Капиллярная вода образуется в порах грунта после насыщения их пленочной водой, заполняет поры и тонкие трещины и перемещается в них под действием капиллярных сил. Капиллярную воду в порах грунта подразделяют на капиллярно-подвешенную, образующуюся в верхней части почвенного слоя, питающуюся атмосферными осадками и не связанную с нижерасположенными грунтовыми водами; капиллярно-поднятую, располагающуюся в виде капиллярной зоны над уровнем грунтовых вод и тесно с ним связанную; капиллярно-разобщенную, находящуюся в остальной толще грунта. Капиллярная вода через поверхность почвы или листья растений испаряется, играет важную роль в насыщении почв водами, режиме грунтовых вод и питании растений.

Свободная вода – наиболее подвижный и важный компонент подземных вод. Эта вода в жидком виде находится в порах и трещинах грунта и перемещается под влиянием силы тяжести и градиентов гидростатического давления.

Вода в твердом состоянии находится в грунте в виде кристаллов, прослоек и линз льда. Вода в парообразном состоянии заполняет вместе с воздухом не занятые водой пустоты в грунтах/

По условиям залегания в земной коре подземные воды делят на воды зоны аэрации: почвенные и верховодка – и воды зоны насыщения: грунтовые и межпластовые.

Почвенные воды заключены в почве и не имеют водоупора.

Верховодка образуется на линзе водоупорных пород, распространена локально, залегает неглубоко, существует временно, малообильна. В условиях континентального климата умеренного пояса она появляется весной после снеготаяния, иногда осенью.

Грунтовые воды – воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, на первом водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Мощность водоносного горизонта – это расстояние по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. В водоносных слоях грунтовые воды передвигаются от мест с более высоким уровнем к местам с более низким уровнем, т. е. в соответствии с уклоном водоносного пласта. Скорость их движения (v) прямо пропорциональна коэффициенту фильтрации водоносной породы (k), который зависит от водопроницаемости и определяется по таблице, и уклону подземного потока (i), и вычисляется по формуле Дарси: v=k*i (см/с или м/сут.).

Области распространения и питания грунтовых вод совпадают, поэтому мощность и во-дообилие их подвержены колебаниям, зависящим от изменений климатических и метеорологических условий, а их режиму и свойствам присуши зональные черты. Зональность грунтовых вод проявляется в глубине их залегания от поверхности и соответственно в их чистоте и температуре, а также химическом составе и степени их минерализации. В зонах избыточного и достаточного увлажнения – тундре и лесах (K_ув≥1) – грунтовые воды залегают неглубоко, они ультрапресные и пресные, гидрокарбонатно-кальциевые. В зонах умеренно-недостаточного (неустойчивого) увлажнения – лесостепяхи степях (K_ув=1,0-0,3) – залегание вод глубже, они пресные или слабо минерализованные, постепенно становятся сульфатными. В зонах недостаточного увлажнения – полупустынях(K_ув=0,3-0,1) и крайне недостаточного увлажнения – пустынях (K_ув<0,1) – воды глубоко залегающие, минерализованные, обычно хлоридные.

Температура грунтовых вод в сглаженном виде повторяет годовой ход температуры воздуха, но максимумы и минимумы температуры запаздывают, и тем больше, чем глубже залегают грунтовые воды. Чистота грунтовых вод определяется глубиной их залегания от поверхности – чем глубже, тем чище.

Геолого-геоморфологические условия и вещественный состав пород вносят разнообразие и обусловливают специфику грунтовых вод в пределах природных зон. Например, при глубоком и густом долинно-балочном расчленении земной поверхности воды залегают глубже. В целом же грунтовые воды относительно чистые, обычно пресные, постоянные и широко используются для хозяйственно-бытовых нужд в сельской местности.

Межпластовые воды – это воды, заключенные между двумя водоупорными пластами, из которых нижний называется водоупорным ложем, а верхний – водоупорной кровлей. Они залегают глубже и поэтому чище, чем грунтовые. Области распространения и питания их не совпадают, в связи с чем режим вод меньше зависит от метеоусловий и у них более постоянный уровень. Атмосферное питание эти воды получают лишь в местах выхода водоносного пласта на поверхность. Они могут быть напорные и ненапорные. Ненапорные воды не полностью насыщают водоносный пласт, имеют свободную поверхность и стекают как грунтовые по уклону ложа. Напорные воды залегают в вогнутых тектонических структурах, насыщают весь водоносный слой и обладают гидростатическим напором. Вскрытые скважинами, они могут изливаться на поверхность или даже фонтанировать. Такие воды называют артезианскими. Как и грунтовые воды, межпластовые могут иметь разный химический состав и степень минерализации, которая увеличивается с глубиной.

Геофизика — комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли. Геофизика в широком смысле изучает физику твёрдой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твёрдое внутреннее ядро), физику океанов, поверхностных вод суши (озёр, рек, льдов) и подземных вод, а также физику атмосферы

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА горных пород — внутренние, присущие данной горной породе особенности, обусловливающие её различие или общность с другими горными породами и проявляющиеся как ответная реакция горных пород на воздействие на неё внешних физических полей или сред. Численно каждое физические свойство горных пород оценивается размерным или безразмерным параметром (коэффициентом, показателем, характеристикой) — количественной мерой этого свойства. Физические параметры горных пород могут быть скалярными и тензорными.

Широкий диапазон значений физических свойств горных пород объясняется многообразием их минерального состава, строения, многофазностью, а также генезисом горных пород. Физические свойства горных пород, определённые стандартными методами с указанием состава горной породы и её строения, представляют собой стандартные справочные данные (ССД) о горных породах. В соответствии с классификацией, принятой в физике горных пород, основными группами физических свойств в зависимости от вида внешнего физического поля считаются: плотностные, механические, тепловые, электрические, магнитные, волновые, радиационные, гидрогазодинамические. С целью сопоставления разных горных пород, их совместного рассмотрения и анализа выделено 12 основных независимых базовых физических параметров (табл.), которые позволяют вычислить все другие параметры горных пород. Базовые физические параметры любой горной породы могут быть представлены в виде унифицированной цифровой записи, которая представляет собой паспорт горных пород по физическим свойствам. Базовые физические параметры — общий фундамент для изучения всех горных пород