岩石中的孔隙和水分

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,,*,,,,,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,第二章 岩石中的孔隙和水分,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

2、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。,,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,,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

3、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。,,,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,,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

4、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,,,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,,,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

5、,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,,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),,,③,试样的分选,：,,试样的分选是指样

6、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,,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

7、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,,（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？,,第二章 岩石中的孔隙与水分,,,,a. 与排列有关,：试样排列的紧密与疏松是影响孔

8、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,,,c. 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

9、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,,,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,,（3）粘性土的孔隙与孔隙度,,,粘性土

10、,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,,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

11、不可忽视的。,,第二章 岩石中的孔隙与水分,,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,,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

12、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,,,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,,,三、溶穴,（solution cavity）,,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

13、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。,,第二章 岩石中的孔隙与水分,,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,,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

14、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,,,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

15、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,,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。,,,二、结合水,,,先观察

16、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。,,,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

17、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）。,,,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,,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

18、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,,,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的曲率成正比（曲率大，毛细力大、曲率小，毛细力小），如一根细管子，管径越小，毛细力越大，毛

19、细上升高度也越大；反之亦然。,,,（3）毛细水的存在形式：,,松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，因此，在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。,,在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：,,,①支持毛细水,,,在毛细力的作用，水从地下水面沿着岩土小孔隙上升到一定高度，形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持，称为支持毛细水（参见图2—7）。,,图2-7　支持毛细水与悬挂毛细水,井左侧表示高水位时砂层中支持毛细水；右侧表示水位降低后砂层中的悬挂毛细水；砾石层中孔隙直 径已经超过了毛细管，故不存在支持毛细水。,,②悬挂毛细水,,细粒层次与粗粒层次交互成层时，在一定条件下，由于上下弯液

20、面毛细力的作用，在细土层中会保留与地下水面不相连接的毛细水，这种毛细水称为悬挂毛细水（参见图2—7）。,,③孔角毛细水,,颗粒与颗粒之间相互接触处孔隙发生变化，其孔径最小，而形成或保留的毛细水。,,在包气带中岩土颗粒接触点上还可以保留孔角毛细水（触点毛细水），即使是粗大的卵砾石，颗粒接触处的孔隙也很小，可以形成弯液面，将水滞留在孔角上，形成孔角毛细水（参见图2-8）。,,总结思考：在松散岩石孔隙水中，孔角毛细水与悬挂毛细水的主要不同点。,,岩石空隙中的水的存在形式有三种：三种水的差异与他们的受力状态有关，请同学们等自己总结比较，加深理解。,第二章 岩石中的孔隙与水分,,,五、气态水、固态水

21、及矿物中的水,,在未饱和水的空隙中存在着气态水。气态水可以随空气或在水气压力差的作用下流动。,,岩石的温度低于0℃时，液态水转为固态水。我国大部分地区有季节性冻土。东北及青藏高原，有多年冻土。,,矿物晶格内及矿物孔洞中的水，就是沸石水、结晶水及结构水。方沸石（Na,2,A1,2,Si,4,O,12,·nH,2,O)中沸石水，在加热时可以从矿物中分离出去。,第二章 岩石中的孔隙与水分,,第3节 与水的储容及运移有关的岩石性质,本课程主要涉及的是与水分储容、释出与运移有关的岩石水理性质。,,,主要包括：,容水度、,给水度、持水度和,透水性,。,,一、容水度,,反映岩石的最大含水能力，与水分储容

22、,,,定义,：容水度是指岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比。,,,单位,： 无量纲，一般用小数或百分数表示。,,,与孔隙度的关系,：一般说来容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。但是对于具有膨胀性的粘土，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。,,第二章 岩石中的孔隙与水分,,,2、含水量,,反映岩石实际保留水分的状况，是实际岩土某时段的含水状态指标。,,,重量含水量(,W,g,),松散岩石孔隙中所含水的重量（,G,w,)与干燥岩石重量(,G,s,)的比值。,,,,,体积含水量(,W,v,),含水的体积(V,w,)与包括孔隙在内的岩石体积(V)的比值。,,,,第二章

23、 岩石中的孔隙与水分,,重量含水量（,W,g,）与体积含水量（,W,v,）的关系,：,,当水的比重为1，岩石的干容重（单位体积干土的重量）为 时，重量含水量与体积含水量的关系为：,,,,W,v,=,W,g,γ,a,,含水状态的划分：,,饱和含水量：,孔隙充分饱水时的含水量。,,,饱和差,:饱和含水量与实际含水量之间的差值。,,,饱和度,:实际含水量与饱和含水量之比,。,,第二章 岩石中的孔隙与水分,,三、给水度,（,μ,）,,给水度——反映岩石,最大释水能力,的指标,,,定义,：地下水位下降一个,单位深度,，从地下水位延伸到地表面的,单位水平面积岩石柱体,，在重力作用下释出的水的体积，称

24、为给水度（,μ,）（可以参见第三章图3—8b）。,,,思考：当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？,,结合上述空隙中水的存在形式，在土层中会保留的水有：结合水膜、孔隙毛细水、有时会有悬挂毛细水和支持毛细水。,,第二章 岩石中的孔隙与水分,,影响给水度μ值的因素：,,思考：砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较，哪种试样给水度大?,,岩性,：,空隙大,的样品，,重力释水后，结合水与孔角毛细水较少，,给水度大，μ≈n；砾>粗砂>…>粉砂；孔隙细小（粘性土），比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多，给水度小。,,,地下水位初始埋深,（,H,0,）：当地下水位初始埋深小于支持毛细水带高度

25、时，当地下水位下降时，原重力水大多转化为支持毛细水而保留于地下水面之上，从而使μ变小。,第二章 岩石中的孔隙与水分,,常见松散岩土的给水度,第二章 岩石中的孔隙与水分,,与地下水位下降速度有关：,,当地下水位下降速率大时，给水度偏小，此点对于细粒松散岩石尤为明显。可能的原因：重力释水并非瞬间完成，而往往滞后于水位下降；此外，迅速失水时大小孔道失水不同步，在小孔道形成悬挂毛细水而不能释出。,,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，上细下粗产生不同影响给水度。,,第二章 岩石中的孔隙与水分,,给水度小结（影响给

26、水度的因素）：,,均值土、地下水位初始埋深大于支持毛细水高度（,h,c,)、水位降速慢时，给水度最接近理论值。,,水位初始埋深小于支持毛细水高度 时，埋深愈浅，μ越小。,,水位降速愈快，μ偏小。,,一般而言，层状土的给水度μ小于均值土层。,,第二章 岩石中的孔隙与水分,,,4、持水度,（,S,r,）,,持水度——反映,岩石最小含水能力,的指标,,如前所述，地下水位下降时，一部分水由于毛细力（以及分子力）的作用而仍旧反抗重力保持于空隙中。,,,定义,：地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量。,,,给水度、持水度与孔隙度,的关系是：,,,影响因素给水度

27、的因素与影响持水度的相同。,,残留含水量,（,W,0,):,,包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量。数值上相当于最大的持水度。,第二章 岩石中的孔隙与水分,,,图2—9 理想圆管状空隙中重力水流速分布,,,（阴线部分代表结合水，箭头长度代表重力水质点实际流速）,5、透水性 透水性是指岩石允许水透过的能力。表征岩土透水性的定量指标是渗透系数。,影响因素：,以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况。,,,孔隙大小及孔隙度,,当孔隙度一定而孔隙直径越大，则圆管通道的数量越少，但有效渗流断面越大，透水能力就越强；反之，孔隙直径越小，透水能力就越弱。由此可见，决定透水性

28、好坏的,主要因素是孔隙大小,；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度越大，透水性越好,。,第二章 岩石中的孔隙与水分,图2-10 理想化孔隙介质,,孔隙通道变化与曲折性,：,,松散岩石的实际孔隙通道并不是直径均一的圆管，而是直径变化、断面形状复杂的管道系统（图,2-11,，,a,）。岩石的透水能力并不取决于平均孔隙直径（图,2-11,，,b,），而在很大程度上取决于,最小的孔隙直径,（图,2-11,，,c,）。,,孔隙通道愈弯曲，水质点实际流程就愈长，克服摩擦阻力所消耗的能量就愈大。,,,颗粒分选性,，除了影响孔隙大小，还决定着孔隙通道沿程直径的变化和曲折性（图,2—11,，,a,），因此，分选程度对于松散岩石透水性的影响，往往要超过孔隙度。,,,,图2－11实际孔隙通道及其概化,,,a—孔隙通道原型；b—概化为沿程等经的圆管；c—概化为沿程不等径圆管,,