Проницаемость и фильтрация в глинах

Посвящена одному из наименее изученных вопросов современной гидрогеологии - движению подземных вод через глины. Показано значение проницаемости глин для решения практических задач охраны подземных вод от загрязнения, изучения взаимосвязи водоносных горизонтов и перетекания подземных вод через глинистые слои. Изложены результаты исследований процесса молекулярной диффузии в глинах и песчано-глинистых породах. Выявлены законемерндсти изменения проницаемости гпин с глубиной.

Для гидрогеопогов, занимающихся изучением формирования подземных вод и их охраной от загрязнения.

При решении теоретических и прикладных задач гидрогеологии важное значение приобретает изучение гидрогеологической роли слабопроницаемых отложений, в особенности глинистых, как наиболее распространенных в осадочном чехле. Глинистые породы слагают более 60 % осадочной оболочки земной коры и встречаются в отложениях различного возраста — от верхнего протерозоя до плейстоцена включительно. Глины отличаются очень малыми размерами слагающих их частиц и поровых каналов, большой поверхностью и, вследствие этого, активным взаимодействием с жидкой фазой. Заполнено поровое пространство глин в значительной степени связанной водой, отличающейся особыми свойствами по сравнению с водой в свободном объеме. Для. глин характерны очень низкие фильтрационные свойства, коэффициент фильтрации для них составляет 10~4 — 10~6 м/сут и менее. Поэтому прежде всего с глинистыми породами связывается понятие так называемых "водоупорных пород и толщ". Понятие "водоупор" (в смысле абсолютно водонепроницаемого экрана) по отношению к глинам (и другим слабопроницаемым породам осадочного чехла) является относительным, ибо глины характеризуются хотя и очень малой, но конечной проницаемостью, отличной от нуля. Причем эта проницаемость с изменением физико-химических и термодинамических условий может увеличиваться или уменьшаться, хотя масштабы этих изменений еще неясны. Поэтому правильнее говорить о глинистых слоях как об относительных водоупорах или как о разделяющих слабопроницаемых слоях, что нашло уже отражение в гидрогеологической литературе.Глинистые породы выполняют различные гидрогеологические функ1 ции: в первую очередь, как уже отмечалось, они образуют относительные водоупоры, разделяющие водоносные горизонты; глины, вследствие отжатая из них воды, являются источником дополнительного питания водоносных горизонтов и одним из важных факторов формирования их химического состава; глинистые породы обусловливают защищенность подземных вод от проникновения в них загрязняющих веществ; наконец, глинистые слои служат регуляторами вертикального движения подземных вод.Таким образом, роль глинистых пород в природных и техногенных процессах формирования подземных вод очень велика. Поэтому комплексное и всестороннее исследование глинистых толщ, их фильтрационных свойств является актуальной гдирогеологической задачей.Согласно В.А. Приклонскому, геологическая среда и ее свойства представляют собой продукт взаимодействия физических полей. В этом смысле и фильтрационные свойства пород, в том числе глинистых, также есть результат воздействия различных геофизических полей, которые в отдельности или в совокупности влияли с различной интенсивностью на разных стадиях литогенеза на становление водопроницаемости глин.В проблеме формирования фильтрационных свойств глинистых пород можно выделить два аспекта. Первый из них связан с формированием этих свойств в природных переменных геофизических и гидрохимических полях, воздействию которых подвергается вся толща осадочных пород, и относится к естественным условиям водоносных систем. К геофизическим полям, оказывающим наибольшее влияние на фильтрационные свойства осадочных пород, относятся прежде всего поля геостатических давлений и тектонических напряжений, геотемпературные и гидродинамические поля. Не исключено, что на проницаемость глинистых отложений влияют также геоэлектрические и геомагнитные поля. Проявление природных геофизических полей носит региональный характер.Второй аспект указанной проблемы обусловлен главным образом техногенными факторами. Так, при захоронении промышленных сточных вод в глубокие водоносные горизонты в результате взаимодействия отходов с породами (водоносными и водоупорными) может существенно измениться их проницаемость, что, в свою очередь, скажется на миграции загрязняющих веществ по пласту и через разделяющие слабопроницаемые слои. Этот аспект в отличие от первого характеризуется локальностью проявления физико-химических и термодинамических процессов, но зато большей интенсивностью их воздействия.Изучение глинистых пород и водоупорных толщ приобретает особое значение в связи с развитием работ по охране подземных вод от загрязнения и обоснованию подземного захоронения сточных вод в глубокие водоносные горизонты.В результате загрязнения подземных вод в водоносном горизонте образуется система неоднородных жидкостей (загрязненные воды — подземные воды), различающихся по минерализации, химическому составу и температуре. Эти различия интенсифицируют процессы взаимодействия в системе вода — порода, которые, в свою очередь, влияют на свойства глинистых пород, в том числе и на их фильтрационные свойства. От изменения водопроницаемости глин зависят условия взаимосвязи водоносных горизонтов, перетекания, защищенности подземных вод и др.Процесс фильтрации в глинах отличается большой сложностью и практически мало изучен. Тонкодисперсная пористая среда с огромной поверхностью частиц, каковой является глина, характеризуется наличием межмолекулярных сил и поверхностныХ'Процессов. С этим связаны чрезвычайно низкая проницаемость глин и особые свойства виды в порах глин.Особую роль в формировании проницаемости глин и фильтрации через глины играет связанная вода (вода, связанная с поверхностью частиц). Как известно, в тонких слоях, прилегающих к твердым поверхностям, вода приобретает особые свойства, отличающие ее от обычной воды и приближающие к свойствам вязкопластического тела. Она становится малоподвижной и как бы обладающей большой вязкостью, в ней проявляются сдвиговые напряжения. Вследствие малого размера пор связанная вода заполняет весь их объем либо его значительную часть.Свойствами связанной воды в большой мере определяются особенности фильтрационных свойств глин (низкая проницаемость и ее зависимость от физико-химических и температурных условий, начальный градиент фильтрации). Это, в свою очередь, влияет на процесс фильтрации и массо-переноса в глинах, отличающийся рядом особенностей по сравнению с его протеканием в хорошо проницаемых породах.Прежде всего необходимо отметить, что согласно предпосылке Мятие-ва — Гиринского, фильтрация в глинах считается происходящей главным образом по вертикали к напластованию.Другая (и, пожалуй, основная) специфика фильтрации в глинах связана с так называемым "начальным градиентом фильтрации". Под ним понимается значение градиента напора, при котором начинается течение (фильтрация) воды в глине. При значениях градиента напора, меньших начального, фильтрация предполагается отсутствующей. Относительно наличия начального градиента фильтрации в глинах нет единого мнения и вопрос о нем в известной мере остается дискуссионным. В одних работах (например, СА. Роза, Н.ф. Бондаренко, А.И. Котов) отмечается существование начального градиента; в других работах (например, В.М. Па-вилонского) утверждается его отсутствие.Одной из особенностей движения воды в глинах, по мнению многих авторов, является то, что это движение происходит в виде фильтрации преимущественно по трещинам, а не по порам. Поэтому иногда различают трещинную и поровую проницаемость глин.В связи с чрезвычайно малой проницаемостью глин существенную роль в массопереносе вещества через них играет молекулярная диффузия. Если в хорошо проницаемых породах значения конвективного переноса (т. е. фильтрации) во много раз больше диффузионного, то в глинах эти два вида переноса вещества могут оказаться в большей степени соизмеримыми.Вопросы проницаемости глинистых пород, фильтрации в глинах, начального градиента фильтрации, диффузии и осмоса в глинах отражены в работах Г.М. Березкиной, Н.Ф. Бондаренко, ИА. Бриллинг, Т.Т. Клу-бовой, А.И. Котова, СВ. Нерпина, В.М. Насберга, В.М. Павилонского, Б.Ф. Рельтова, М.А. Сунцова, А.И- Чуракова и других исследователей; в работах зарубежных авторов — Г. Ковача, М. Кутилека, Д. Шварцендру-бера, К. Глазенапа. Значительно меньше работ посвящено исследованиям указанных вопросов с учетом физико-химических и температурных факторов. Они получили развитие в последнее время и отражены в работах И А. Бриллинг, В.М. Гольдберга, Л.И. Кульчицкого, Е.Ф. Мосьякова, В.М. Павилонского, Н.П. Скворцова, А.И. Фиалко и др.Вопросы взаимодействия вод разных составов с глинистыми породами и влияния этого взаимодействия на проницаемость глин рассматриваются в ряде работ нефтяников в связи с задачами заводнения нефтяных пластов (ГА- Бабалян, В.М. Барышев, В.В. Девликамов, И.Л. Маркасин, С.Г. Мов-сесян, Г.Ф. Требин).Отправным пунктом и теоретической основой для постановки экспериментальных исследований проницаемости глин с учетом влияния физико-химических и термодинамических факторов и трактовки результатов этих исследований послужили представления о структуре глинистых минералов,  их   кристаллохимических  особенностях,  свойствах   связанной воды, которые в конечном итоге влияют на проницаемость глин и ее изменения. Эти представления изложены в фундаментальных работах Е.М. Сергеева и его сотрудников — Злочевской Р.И., Дивисиловой В.И., Зиангиро-ва Р.С., Кривошеевой З.А., Куприной ГА., Осипова В.И. и др.; в работах Г.К. Бондарика, Б.М. Гуменского, А.К. Ларионова, В.Д. Ломтадзе, A.M. Ломтадзе, М.И. Райтбурд, М.И. Слонимской, Л.И. Кульчицкого; в работах зарубежных авторов — Р. Гримма, Ж. Милло и др.Большое значение для понимания процессов миграции в тонкодисперсных средах, к которым относятся и глины, имеют работы Б.Д. Дерягина, Н.В. Чураева, СВ. Нерпина и других ученых этого направления.