第二章 岩石中的孔隙与水分

第二章岩石中的孔隙与水分教学提示：本章应着重阐明岩石的孔隙性与其对水的储容、滞留、释出及透过能力的关系；利用太沙基有效应力原理，解释地下水位下降引起地面沉降的基本机制.第一节岩石中的空隙岩石—水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层。岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。孔隙–松散沉积物中的空隙;（第四纪地质学）裂隙–坚硬岩石地层中的空隙;（构造地质学）溶穴–可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙;（岩溶地貌学）第一节岩石中的空隙不同介质中的空隙特征第一节岩石中的空隙—孔隙概念：松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。孔隙度（n）：V表示包括孔隙在内的岩石体积Vn表示岩石中孔隙的体积思考：试样a与b构成的孔隙哪种大？哪种小？孔隙大小与颗粒大小----有关吗？简单归纳---砂砾石土孔隙大小与什么有关？颗粒大小、排列——立方体或四面体、分选、胶结与充填等松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类孔隙——与分选的关系黄土沙丘洪积物粒径mm含量%松散砂砾石孔隙大小与分选的关系—好、坏？颗粒排列——等径圆球最疏松与最紧密立方体排列四面体排列孔腹和孔喉立方体排列与四面体排列——孔腹和孔喉孔隙大小的描述：孔喉(d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732D（立方体排列的理想等径园球颗粒）立方体排列四面体排列等径园球颗粒立方体排列孔隙大小的描述：孔喉(d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732Dd’第一节岩石中的空隙—孔隙孔隙度（n）：V表示包括孔隙在内的岩石体积Vn表示岩石中孔隙的体积思考：孔隙度的大小与什么有关？——与颗粒大小有关？a.与排列有关——紧密与疏松b.与分选有关——下面试样哪个孔隙度大？哪个小？试样：①砾石②砂石③混合样完全混合试样时，孔隙度n混=n砾×n砂影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。不同颗粒大小的试样——孔隙度？不同排列的试样——孔隙度？理想最疏松孔隙为47.64%，最紧密排列孔隙为25.95%。DdDd立方体排列四面体排列自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的还有些不同？表2--1松散岩石孔隙度参考数值矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%—达到70%岩石名称砾石砂粉砂粘土孔隙度25-40%25-50%35-50%40-70%孔隙度参考数值第一节岩石中的空隙—孔隙–对于粘性土：特殊孔隙的影响：1）结构性孔隙第一节岩石中的空隙—孔隙–2）虫孔、根孔、干裂缝等次生空隙因此，对粘性土，它们对n的大小影响很大，不可忽视。×2000蒙脱石、片状粘土矿物——淤泥粘土第一节岩石中的空隙—孔隙小结：影响孔隙度的因素1.颗粒大小：理论上讲（按等体积球），n与颗粒大小无关，但实际上则无理想的等体积颗粒，大小必不相等，甚至大小悬殊。一般颗粒越大，则n越大。但由于分选性的影响，往往孔隙度反而减小。第一节岩石中的空隙—孔隙–2.分选性:分选性越差，颗粒大小越悬殊，n则越小。反之则越大。–3.颗粒形状:形状越不规则，棱角越明显，排列越疏松，n越大。反之则越小。–4.胶结程度:胶结越好，n越小。松散砂土孔隙粘土孔隙裂隙溶隙第一节岩石中的空隙—裂隙坚硬岩石中的空隙，除沉积岩尚包含一定的原生孔隙外，其余的岩浆岩和变质岩一般均很少存在粒间孔隙。岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙——成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括：1)裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）2)张开性（裂隙宽度）3)裂隙率等成岩裂隙、构造裂隙第一节岩石中的空隙—裂隙体积裂隙率（Kr）:裂隙体积（Vn）与包括裂隙在内的岩石体积（V）的比值，即面积裂隙率（Ka）:单位面积岩石上裂隙面积的多少。线裂隙率（Kl）:垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数。VVnKr/第一节岩石中的空隙—溶穴第一节岩石中的空隙—溶穴概念可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为溶穴（隙）。岩溶率（Kk）VVrKk/岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙+溶洞）1）岩溶发育方向2）溶蚀率--钻孔岩溶发育程度3）溶洞（方向、规模等）第一节岩石中的空隙—三者比较含水介质——由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介质场。三种主要类型的含水介质比较：1.连通性—孔隙介质最好，其它较差。2.空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊。3.空隙比率—孔隙介质最大，裂隙最小。4.空隙渗透性—孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴-各向异性。造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的环境。空隙发育的复杂性松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙；坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉积岩往往存在大量的原生孔隙，其数量可大大超过裂隙与溶穴。思考题：（1）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？（2）粘性土孔隙度大——是含水层吗？第二节岩石中水的存在形式第二节岩石中水的存在形式—结合水结构水：以H+和OH-离子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。结晶水：以H2O分子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。沸石水：以H2O分子形式存在于矿物晶格的空隙中，与矿物结合不紧密。岩石空隙中水存在形式：气态固态液态设想实验：材料（玻璃珠子、细管）+水（水杯）第二节岩石中水的存在形式—结合水土粒（强结合水）吸着水紧束在土粒表面，不能自由移动弱结合水（薄膜水）吸附于吸湿水外部，只能沿土粒表面做微小的移动具有固态和液态水的双重性质；即自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动（运动）及变形结合水与重力水重力水：受重力支配不能为土壤所保持的水分•重力水–远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运动•地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出（抽出）•重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察的主要对象毛细水:受毛管力的作用保持在岩石中的水分第二节岩石中水的存在形式—毛细水毛细水（capillarywater）1.基本概念毛细现象：细小管插入水中，水上升至一定高度停下来毛细力：毛细水：受到表面吸引力，重力，还有另一种力—称毛细力的作用，产生毛细现象。第二节岩石中水的存在形式—毛细水第二节岩石中水的存在形式—毛细水我们可以把毛细力归纳为3点：1).毛细力的产生：是在三相界面上内弯液面引起——液面弯曲产生的2).毛细力的方向：作用方向始终指向弯曲液面的凹例凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的凹形弯液面—负的毛细压强---如同真空吸力凸形弯液面—正的毛细压强第二节岩石中水的存在形式—毛细水3.毛细力的大小：毛细力大小与弯液面的曲率成正比（曲率大,毛细力大;曲率小，毛细力小）一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；反之亦然。毛细力大，毛细上升高度也越大.Smallerporesholdwaterwithgreaterenergy第二节岩石中水的存在形式—毛细水土的最大毛细上升高度[据西林—别克丘林，1958]饱和带、包气带、毛细水饱水带包气带潜水面重力排水区第二节岩石中水的存在形式—毛细水毛细水类型–支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于0℃时冰结。–悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中的水。呈“悬挂”状态，经蒸发后消失。成因：入渗重力水；地下水面急剧下降由支持毛细水转化而成。–孔角毛细水（触点毛细水）：颗粒与颗粒接触处孔隙狭窄地方呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。滴水下雨砂土黄土器皿砾石思考：1.上细下粗土层，滴水，水停留在何处？2.黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？第二节岩石中水的存在形式—气态水概念储存并运动于未饱和岩石空隙中呈水汽状态的水。水汽来源–地表水气进入–地下水面蒸发水汽运动–从水汽压大处向水汽压小的方向运动或从绝对湿度大处向绝对湿度小的方向运动–从温度高处向温度低的方向运动汽态水：存在于岩石空隙中的水汽第二节岩石中水的存在形式—固态水概念指以固态形式存在于岩石空隙中的水（地下冰）。我国北方冬季常形成冻土；东北及青藏高原有一部分地下水多年保持固态—多年冻土。第三节岩石的水理性质1.容水性2.含水量3.给水性4.持水性5.透水性第三节岩石的水理性质—容水度1.容水度（Mc）单位体积饱水岩石中所能容纳的最大水的体积。若以重量计，则称容水量。除膨胀性粘性土外，容水度与孔隙度（体积裂隙率、岩溶率）相当。四、土壤含水率2.含水量:一定量的土壤中所含水分的数量。（1）土壤重量含水率（2）土壤容积含水率%100干土重实际水重土壤容重土壤重量含水量土壤容积水分容积%100第三节岩石的水理性质—给水度3.给水度（u）单位饱水岩石在重力作用下所能排出的最大水的体积。即当地下水位下降一个单位时，单位水平面积岩石柱体，在重力作用下中所能释放出的水体积。在数值上第三节岩石的水理性质—给水度–当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？在土层中会保留什么形式的水？–保留的水有：结合水(膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水影响给水度——μ值的因素？砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较，哪种样给水度大a)岩性：空隙大的样品，给水度大，μ≈n砾＞粗砂＞…＞粉砂——（与粒径有关）颗粒细小者，比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多，除岩性外，同一岩层中其它原因也可造成μ不同，为什么？b)地下水位初始埋深（H0）当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时H0＞＞hc,可达最大μ值。当H0＜＜hc时，地下水位下降时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量大大降低，μ变小。土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化（为定值），此时给水度—也是最大理论给水度rsSn0＜＜hc时，地下水位下降时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量大大降低，μ变小。)与地下水位下降速度有关地下水位下降快慢会影响给水度μ的大小——（下降快μμ理、下降慢μ→μ理）这是因为释水滞后，而导致的释水减量d)土层结构均质土特征与上述讨论一致岩土层为层状非均质土时，往往会影响μ值，多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响是不同的。给水度与颗粒粒径的关系给水度随时间变化的关系第三节岩石的水理性质—给水度常见岩石的给水度岩石名称给水度（%）最大最小平均粘土亚粘土粉砂细砂中砂粗砂砾砂细砾中砾粗砾512192832353535262603310152020211312271821262725252322第三节岩石的水理性质—持水度4.持水度（Sr）重力释水后单位体积岩石中所能保持的最大水体积（一般为最大簿膜水层厚度时的体积）。若以重量计，则称持水量。若空隙中除持有最大簿膜水外，还保持有一定量的悬挂毛细水和孔角水，则称田间持水度或田间持水量。第三节岩石的水理性质—渗透系数单位吸水率5.渗透系数（K）水力坡降为1时的渗透流速（m/d）。单位吸水率（w）指单位长度的试段在单位压力水头的作用下的稳定流量。（L/min.m.m或Lu）1Lu定义为当试段压力为1MPa时,