第二章 岩石中的孔隙和水分

2020/2/41第二章岩石中的孔隙和水分2020/2/42第二章岩石中的孔隙和水分•内容：掌握岩土中空隙的三种类型：孔隙、裂隙和溶穴；重点掌握孔隙的大小、多少（空隙率）的表征及其影响因素；了解不同空隙的特征与他们之间的差异。掌握空隙中水的存在形式，了解结合水、重力水、毛细水的特点；掌握岩土孔隙度、给水度、持水度的概念和他们的关系，以及影响因素；了解容水度、含水量、透水性的概念。•重难点：岩土中空隙的三种类型，以及影响孔隙的大小、多少（空隙率）的因素（也是难点）；空隙中水的存在形式及其特征；重点掌握岩土孔隙度、给水度（也是难点）和持水度的概念以及他们的关系。2020/2/43•岩石中的孔隙：•岩石中水的存在形式•与水的储容及运移有关的岩石性质•有效应力原理与松散岩土压密孔隙、裂隙、溶穴结合水、重力水、毛细水，气态水、固态水及矿物中的水容水度、含水量、给水度持水度、透水性2020/2/44第一节岩土中的空隙•地壳表层十余公里范围内，都或多或少存在着空隙，特别是深部1~2km以内，空隙分布较为普遍。按维尔纳茨基（В．И．Вернадский）的形象说法，“地壳表层就好象是饱含着水的海绵”。•岩石——在水文地质学中包括坚硬的岩石（基岩）及松散的土层。•空隙——是指岩石（岩土）中各种类型的空洞的总称。2020/2/45图2—1岩石中的各种空隙〔据迈因策尔修改补充〕1—分选良好，排序疏松的砂；2—分选良好，排列紧密的砂；3—分选不良的，含泥、砂的砾石；4—经过部分胶结的砂岩；5—具有结构性孔隙的粘土；6—经过压缩的粘土；7—具有裂隙的岩石；8—具有溶隙及溶穴的可溶岩2020/2/46•研究空隙的意义：空隙是地下水的赋存场所（places）和运移通道（conduits）。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。•空隙依据成因分为三类，即：松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴2020/2/47一、孔隙孔隙:松散岩石颗粒间的空隙.土体孔隙特征主要描述孔隙的大小、多少、形状、连通性与胶结等。松散土体宏观上可以分为两大类：砂砾石土和粘性土。（1）砂砾石孔隙大小及其影响因素首先，请大家比较以下三种砂砾石试样的孔隙大小三种试样所构成的孔隙哪类大？哪类小？第二章岩石中的孔隙与水分a—砾石（模型）b—砂样c—砂砾混合样2020/2/48颗粒名称粒径/mm颗粒名称粒径石块10粉粒石砾粗粉粒0.05～0.01粗砾10～3细粉粒0.01～0.005细砾3～1黏粒砂粒粗黏粒0.005～0.001粗砂粒1～0.25细黏粒0.001细砂粒0.25～0.05我国土粒分级标准92020/2/4简单归纳，影响砂砾石土孔隙大小的主要因素有：①颗粒大小：与构成砂砾石土的颗粒粒径成正比（图2-1理解）②颗粒排列：立方体（疏松）、四面体（紧密）由图2-2可以总结出，颗粒呈立方体排列为最疏松的排列方式，颗粒呈四面体排列为最紧密的排列方式。因此，颗粒排列的紧密程度，影响孔隙大小。第二章岩石中的孔隙与水分图2-2颗粒的排列形式(参照格雷通)2020/2/410③试样的分选：试样的分选是指样品的颗粒粒径的级配情况。在颗粒成分累积曲线上，取累积含量为60％处的颗粒直径，除以累积含量为10％处的颗粒直径，此系数可表征松散岩石的分选程度。试样颗粒粒径分布域大，试样的分选也就差，颗粒大小越混杂，大孔隙易被小颗粒充填，样品的孔隙也就变小。样品分选较差时，孔隙大小取决于充填大孔隙中实际构成孔隙的细小颗粒的直径（如图2-1，3）。④颗粒形状及胶结充填情况等。（自学）。第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/411孔隙的大小：可以用孔喉（d）和孔腹（d`）来定量表征。理想条件下孔喉（d）、孔腹（d`）与构成孔隙颗粒的直径有关，如图2-2理想等粒圆球状颗粒，立方体排列条件下，有以下关系：孔喉(d)与颗粒(D)的关系为：d=0.414D孔腹(d`)与颗粒(D)的关系为:d`=0.732D第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/412（2）砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标，常用n表示。孔隙度是指某一体积岩土(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例。式中：为孔隙度，为孔隙体积，为岩石总体积。孔隙度是一个比值，常用可用小数或百分数表示。请思考并回答：砂砾类土的孔隙度大小与什么有关？(100%)nVnV第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/413a.与排列有关：试样排列的紧密与疏松是影响孔隙度的重要因素由几何学可知，立方体排列为最松散排列，四面体排列为最紧密排列，自然界中松散岩石的孔隙度大多介于此两者之间。理想最疏松排列孔隙度为47.64%，最紧密排列孔隙度为25.95%。（参照图2-2）b.与分选有关：这点与上述讨论影响孔隙大小的原理相同，图2-1—三种砂砾石试样的模型图，不难理解分选好坏是影响孔隙度的主要原因。比较一下：①砾石与②砂石的孔隙度大小。③理想情况下砾石与砂石混合的试样孔隙度：n混合=n砾石×n沙石第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/414c.与颗粒形状、胶结充填情况有关：颗粒形状与沉积物磨圆度有关，扁平装和棱角状的颗粒容易形成架空状结构，造成颗粒；颗粒间发生胶结或孔隙被充填，直接减少孔隙数量，使孔隙度减小。d．自然界中松散岩石的孔隙度大小，可以参见表2-1。表2—1松散岩石孔隙度参考数值〔据弗里泽等，1987〕第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/415思考表2-1给出的孔隙度数值与上述分析影响孔隙度大小的因素是否不一致？请总结有哪些不同？为什么会不同。不同：（1）在表2-1中，自然界中松散岩石的孔隙度与粒径大小有关，粒径小孔隙度大。（2）孔隙度超过最疏松排列的47.64%？粘性土孔隙度高达70%-80%。第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/416（3）粘性土的孔隙与孔隙度粘性土通常是指土体粒径0.005mm的颗粒含量较高的土。粘性土的沉积特征：由于颗粒细小，比表面积大，连结力强，粘土沉积时互相接触而连结起来构成粘粒团（也称集合体），粘粒是以集合体形式沉积形成粘性土。可形成直径比颗粒还大的结构孔隙。粘土的孔隙度往往可以超过上述理论上最大孔隙度值。第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/417粘性土的结构孔隙构成：•粘粒团（集合体）内部存在许多孔隙。也称粒内孔隙•集合体与集合体之间存在孔隙，相当于砂土类颗粒间的孔隙此外，粘性土还发育有次生空隙，如虫孔、根系、裂缝等。显然，对于粘性土，决定孔隙大小的不仅是颗粒大小及排列，结构孔隙及次生空隙的影响是不可忽视的。第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/418二、裂隙固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存在有各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。裂隙特征：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“薄饼式”展布，单个裂隙往往是孤立的。裂隙必须是多组发育，构成裂隙网络，才有水文地质意义图2-4现场坚硬岩石发育的裂隙第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/419裂隙按成因分为成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙。成岩裂隙是岩石在成岩过程中由于冷凝收缩(岩浆岩)或固结(沉积岩)而产生的。岩浆岩中成岩裂隙比较发育，尤以玄武岩中柱状节理最有意义。构造裂隙是岩石在应力作用下产生的裂隙，具有方向性，大小悬殊(由隐蔽的节理到大断层)，分布不均一。风化裂隙是风化营力作用下，岩石破坏产生的裂隙。第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/4202020/2/421从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括：a.裂隙的连通性——由裂隙组数、产状、长度和密度的测量结果，进行评价b.张开性（宽度）——测量裂隙隙宽，或用统计的平均隙宽来表征c.裂隙率——裂隙空间所占的比率，相当于松散岩石的孔隙度d.充填情况等第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/422三、溶穴（solutioncavity）溶穴(隙)可溶的沉积岩（岩盐、石膏、石灰岩、白云岩等）在地下水溶蚀下产生的空洞。（参见图2-1，8和插图2-5）岩溶率溶穴的体积与岩石总体积比值溶穴的规模十分悬殊，大的溶洞长达几十公里；而小的溶孔直径仅几毫米。岩溶发育带岩溶率可达百分之几十，而其附近岩石的岩溶率几乎为零。(100%)kkVKV第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/423岩溶岩体的空隙特征描述包括：（1）描述裂隙特征（2）岩溶发育特征：岩溶发育方向、溶蚀率（可以用钻孔或测量方法）表征岩溶发育程度、溶洞（通常要测量发育方向、规模等）图2-5岩溶含水介质特征素描图第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/424四、空隙发育的多样性及空隙特征的比较（孔隙、裂隙、溶穴）•松散岩石以孔隙为主，但粘土干缩后可产生裂隙，而这些超过其原有的孔隙。固结程度不高的沉积岩，往往既有孔隙，又有裂隙。可溶岩石，有时还可保留原生的孔隙与裂缝。•含水介质：由各类空隙所构成的岩层称为含水介质，也称为介质场。•不同的含水介质（孔隙含水介质、裂隙含水介质、岩溶含水介质）的空间分布与连通特征也不同。第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/425空隙特点与地下水类型空隙特点：连通性、空间分布（均匀性）空隙比率（大小）、空隙渗透性（大小、方向）岩石中的空隙，连接成网络，成为地下水有效的储容空间和运移通道。孔隙连通良好，分布均匀，在不同方向上，孔隙通道的大小和多少很接近。地下水分布与流动都比较均匀。裂隙具有一定的方向性，连通性较差。地下水分布不均匀，水力联系差。溶穴空隙大小悬殊且分布极不均匀。地下水分布与流动通常极不均匀。三种类型地下水：孔隙水、裂隙水和岩溶水。第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/426地壳岩石中的水矿物格架水沸石水结晶水结构水岩石空隙中水颗粒表面结合水强结合水弱结合水液态水固态水气态水重力水毛细水非结合水第2节岩石中水的存在形式一、地壳岩石中各种形式的水第二章岩石中的孔隙与水分水文地质学基础重点研究的对象是岩石空隙中的水。本课程主要学习以结合水和液态水形式存在于空隙中的水。2020/2/427二、结合水先观察一个现象：在装有颗粒并盛满水的容器中，取出1个颗粒，轻轻甩动，颗粒表面仍然保留薄薄的水膜，我们称他为结合水。定义：束缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动的水，称为结合水。分类：强结合水和弱结合水，最接近固相表面的结合水称为强结合水，一般认为仅相当于几个水分子的厚度；其外层称为弱结合水（图2-6），不同学者认为其厚度为几十、几百或几千个水分子厚度。2020/2/428第二章岩石中的孔隙与水分因此，结合水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，施加外力作用下，才能够流动和变形。研究意义：只要有固相表面就存在结合水，结合水存在范围广，但其量很小，结合水膜很薄，当孔隙直径小于2倍结合水厚度时，孔隙中只存在不能运动的结合水（此时的孔隙被视为无效空间）。2020/2/429三、重力水•重力水：当远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力（参见图2-6），能在自身重力作用下自由运动的地下水。•地层和岩石空隙中如果存在重力水，就可以通过泉，或井流出（抽出来）。•从水资源利用角度出发，重力水是水文地质学研究的主要对象。第二章岩石中的孔隙与水分2020/2/430四、毛细水（1）毛细现象：①将1根细小玻璃管插入水中，水会上升至一定高度停下来，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。②装一个上细下粗的试样筒，从上加滴一些红色水，观察水会停留在何处。（2）毛细力：毛细水除了受到固相表面的吸引力和重力外，还有毛细力的作用，毛细现象是毛细力作用的结果。我们可以把毛细力的特征归纳为3点：毛细力的产生：是在固、液、气三相界面上，由液面弯曲产生的力2020/2/431•毛细力的方向：毛细力的作用方向始终指向弯曲液面的凹侧（凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的）。凹形弯液面对液体施加一个负的毛细压强，凸形弯液面对液体施加一个正的毛细压强。在负压强（吸力）作用下，液面的水就会上升。•毛细力的大小：弯液面产生的毛细力大小与弯液面