Лако-красочные материалы — производство

В. Ю. Травкин, Н. В. Перцов, Б. С. Коган

(Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова)

Вода — самое распространенное в природе химическое сое­динение. Она покрывает 70,8% земной поверхности и занимает примерно 1/800 объема Земли. Содержание воды в литосфере, по современным оценкам, превышает 109 км3, т. е. сопоставима с ее количеством в морях и океанах. Вода присутствует в гор­ных породах в свободном или связанном виде. Принято выде­лять несколько разновидностей воды, различающихся по степе­ни связанности: от гравитационной воды, способной переме­щаться под действием силы тяжести или напорного градиента, до химически связанной конституционной воды, входящей в кристаллическую решетку минералов, как правило, в виде гидроксильных групп. Содержание свободной воды может до­стигать десятков процентов в пористых и трещиноватых породах верхних горизонтов земной коры, резко уменьшаясь с глубиной, хотя не всегда монотонно. Распределение воды по горизонтали также весьма неоднородно: на всех глубинах встречаются уча­стки различной степени обводненности, которую, однако, нигде нельзя считать нулевой. Физическое состояние воды зависит от давления, увеличение которого составляет примерно 100 МПз на каждые 3 км глубины, и температуры, определяемой геотер­мическим градиентом (от 5—10 до 200 град/км). Зона жидкой воды (а также льда в высоких широтах на глубине до 1 км) сменяется областью надкритического флюида при температу­рах 400—450°С; выше 1100°С молекулы воды диссоциированы. Многие другие свойства воды также заметно изменяются с глубиной. Так, ионное произведение воды в нижней части зем­ной коры оказывается повышенным на шесть порядков. Возра­стает при этом и способность воды образовывать гомогенные системы с компонентами вмещающих пород, находящихся в твердом или частично расплавленном состоянии. Таким образом, можно сказать, что все природные жидкие и надкритические фазы представляют собой многокомпонентные смеси, в кото­рых концентрация воды может выражаться любой цифрой от долей процента (нефть, «сухая» магма) до почти 100% (прес­ные и сверхпресные подземные воды). При этом эффективная концентрация воды (ее термодинамическая активность) зави­сит не только от количества, но и от химической природы дру­гих компонентов, что еще больше увеличивает разнообразие водосодержащих жидкостей, встречающихся в литосфере.

Представления об особой, исключительной роли воды во множестве процессов, происходящих в природе, возникли еще в древности и затем часто высказывались на всех этапах развития естественных наук. В прошлом веке, когда геология — оформилась как самостоятельная ветвь естествознания и начала -брать на вооружение физико-химические и математические методы исследования, геологическую деятельность воды стали рассматривать как двоякую: химическую и механическую. Условность такого разграничения была очевидна с самого на­чала; тем не менее до сих пор продолжают появляться рабо­ты, в которых механические свойства горных пород анализи­руются без учета. физико-химического влияния среды даже в тех случаях, когда это влияние давно обнаружено. Это связано с тем, что интеграция наук о Земле с различными разделами других естественных наук происходит неравномерно. Так, хими­ческая термодинамика проникла в геологию намного раньше, чем кинетика; механика идеализированных сплошных сред опередила физику реального, дефектного твердого тела и т. д. Однако такая очередность, в какой-то мере отражающая «возраст» отдельных областей фундаментальных наук, никоим образом не соответствует степени их важности для понимания природных процессов. К числу разделов науки, внедрение которых в геологию началось совсем недавно, относится физи­ко-химическая механика твердых тел и дисперсных систем, рассматривающая механические свойства в их взаимосвязи с физико-химическими процессами, протекающими на межфазных границах.

Действительно, все без исключения горные породы нахо­дятся в дисперсном состоянии, т. е. имеют большую удельную поверхность, образованную внутренними границами раздела между фазами одинакового или разного состава, и практически всегда подвержены совместному действию механических на­пряжений и жидких сред, обязательным компонентом которых является вода. При этом существенно, что ни высокая раствори­мость породообразующих минералов, ни значительные коли­чества жидкой фазы не обязательны для проявления механи­ческих эффектов, обусловленных взаимодействиями воды с по­верхностью пород. Это резко расширяет круг геологических ситуаций, в которых вода, в принципе, может выступать в качестве активного участника; прежде всего к ним относятся разнообразные процессы деформации и разрушения малораст­воримых силикатных пород в почти сухом состоянии. Вместе с тем возрастает также и число возможных механизмов влияния воды на породы, и преобладание какого-либо из них часто может быть установлено лишь на основе количественного сопо­ставления характеристик, определяющих альтернативные меха­низмы. Ниже сделан краткий обзор известных механизмов действия воды на упругие, реологические и прочностные пара­метры горных пород при их деформации в природных условиях.