02岩石中的空隙与水分Word文档下载推荐.docx

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SwallowCaveFlyingCloudsCave

图8GrotesqueKarstFormationsintheThreeGorges

图10Exampleofcalciumaccumulationinsoilaroundanoldrootchannel

图93-Dtomographicimages-sliceviewsofasuiteofFontainebleauSandstone

图11花岗岩钻孔局部裂隙张开（左：

展开图，右：

柱状图）

图12四川宜宾中侏罗统沙溪庙组砂岩（扫描电镜下拍摄，放大90倍）中的孔隙

图13湖北十堰膨胀土裂隙发育情况

图14CracksInTheGround

图16FracturedRocksatThingvellir,Iceland

图15Fracturedrock图17Fracturedsandstone

普遍存在的岩石空隙为地下水的赋存提供了必要的空间条件。

岩石空隙——是地下水赋存场所（places）和运移通道（conduits）。

空隙的大小、多少、形状、连通情况和分布规律直接支配着地下水的分布和运动。

2.1.3岩石空隙的分类

各中岩石中的空隙千差万别，其主要决定因素岩石空隙的成因，根据空隙成因，可把岩石中的空隙分为三类：

孔隙（pore），主要存在于各种成因的松散沉积物；

裂隙（fissure），主要存在于各种非溶性坚硬岩石；

溶隙（cavity），主要存在于各种可溶性坚硬岩石；

2.1.3孔隙（pore）

松散岩石是由大小不等的颗粒组成，颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称之为孔隙。

描述岩石孔隙性质的有：

孔隙的大小，多少，形状，连通与分布。

☆孔隙的多少

孔隙的多少是影响其储容地下水能力大小的重要因素。

描述松散岩石中孔隙多少的定量指标是孔隙度。

所谓孔隙度是某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所见比例。

如果以n—表示岩石的孔隙读，V—表示孔隙在内的岩石体积，Vn—表示岩石中孔隙的体积，那么：

n=Vn/V；

另外，表示松散岩石中孔隙多少的参数是孔隙比（ε）。

即，岩石的孔隙比是指某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积（Vn）与固体颗粒体积（Vs）的比值，即：

ε=Vs/Vn；

提问：

n与ε的关系？

请学生推导。

V=Vn+Vs

n=Vn/V

孔隙度的大小取决于沉积物颗粒的排列方式、分选程度、颗粒形状。

颗粒的排列方式对孔隙度的影响：

如果组成沉积物的所有颗粒都为等粒的圆球体，则孔隙度仅取决于颗粒的排列方式。

利用斯利赫特公式计算圆球任意排列时的孔隙度值n。

当颗粒呈立方体排列时，为最松散的排列，n=47.6%；

当颗粒呈正四面体排列时，排列最紧密、最稳定，n=25.95%。

自然界常见的排列方式介于上述二中排列方式之间，因此一般的松散沉积物的空隙度在37%左右。

特别是分选程度比较好的砂的孔隙度，很接近这一数值。

颗粒的排列形式

分选程度对孔隙度大小的影响：

比较一下：

①砾石②砂石③混合样孔隙度？

？

设砾石孔隙度n砾砂样孔隙度n砂

完成混合时孔隙度n混=n砾×

n砂（请自己推导证明）

颗粒的形状对孔隙度也有影响，颗粒形状愈不规则、棱角愈明显，通常排列愈松散，孔隙度也越大。

其它，在自然界中，孔隙度的大小与沉积物的压密、胶结有关。

岩石的压密作用，往往促使松散沉积物颗粒进行重新排列，而且逐渐趋向较稳定的、较紧密的四面体排列，孔隙度变小；

另外，胶结作用由于胶结物不断充填孔隙，使得孔隙进一步变小，孔隙数量变少，降低了岩石的孔隙度。

因此，沉积较早或者埋藏在深部的沉积物，其孔隙度往往比沉积较早或者埋藏在浅部的沉积物的孔隙度要小一些。

☆孔隙的大小

松散沉积物宏观上可以分为2大类：

砂性土（d>

0.005mm），粘性土（d≤0.005mm）。

砂砾石孔隙的大小及其影响因素：

孔隙的大小取决于颗粒大小：

由大颗粒组成的沉积物，其空隙比较大。

在以卵砾石为主的沉积物中，往往可以见到直径为几十mm的孔隙，而在粘土中的孔隙在显微镜下才能看到。

以理想的等粒球体颗粒为例（图2-18）。

图2-18不同粒度等粒岩石的孔隙大小

颗粒排列方式对孔隙的大小也有影响：

仍以理想等粒原球状颗粒为例，设颗粒直径D，孔喉直径为d，则作立方体排列时，d=0.414D；

作正四面体排列时，d=0.155D（图2-19）。

图2-19排列方式与孔隙大小关系

分选程度对孔隙大小的影响：

对于颗粒大小悬殊的松散岩石，由于粗大颗粒形成的孔隙被细小颗粒所填充，孔隙大小取决于实际构成孔隙的细小颗粒的直径。

abc

a—砾石（模型），b—砂土样品，c—砂砾混合样品

图2-20分选对孔隙大小的影响

显然，c—砂砾混合样品的孔隙最小。

颗粒的形状对孔隙大小也有影响，颗粒形状愈不规则、棱角愈明显，通常排列愈松散，孔隙度也越大。

颗粒大小：

成正比

简单归纳，砂砾石土孔隙大小与什么有关系排列：

立方体（大）、四面体（小）

分选：

分选越差，孔隙越小

其它，在自然界中，孔隙的大小与沉积物的压密、胶结有关。

岩石的压密作用，松散沉积物往往促使松散沉积物颗粒进行重新排列，而且逐渐趋向较稳定的、较紧密的四面体排列，孔隙变小；

胶结作用由于胶结物不断充填孔隙，使得孔隙进一步变小。

因此，沉积早的沉积物体往往经受不同程度的压密、胶结作用，它们的孔隙一般比年轻的沉积物要小一些。

☆粘性土的孔隙大小与多少

粘性土的孔隙大小与多少往往超过理论最大孔隙值。

这是，因为“粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强，在粘土混积互相接触时，就会连结起来，构成颗粒集合体，可形成比颗粒还大的结构孔隙（海绵、峰窝、絮状结构），此外，还发育有虫孔和根孔、裂缝等。

因此，粘性土的孔隙除受上述因素的影响以外，结构孔隙及次生空隙也是不可忽视的。

☆测定砂砾石孔隙度的方法：

一般采用注水法，即取一已知体积的容器，把被研究的岩石装满容器，然后灌水至岩石完全饱和，注入水的体积就等于岩石中的全部孔隙体积，而容器的体积相当于岩石的总体积，二者之比即为岩石的孔隙度。

对于细颗粒沉积物或固结较好的土，则先测定岩石的密度，和固体颗粒的颗粒密度，然后，按下式即可换算出岩石的空隙度：

学生自己推导。

2.1.4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产生的裂隙。

裂隙：

空间形态是又向延伸长，横向延伸短的“饼式”空间，单个裂隙往往是孤立的。

从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述：

裂隙的连通性，张开性（宽度），裂隙率等。

2.1.5溶穴

是在裂隙基础，由于水流对可溶岩的作用的结果—是扩大了的裂隙。

2.1.6空隙特征的比较

含水介质：

我把各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介质场，含水介质的空间分布与连通特征（孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶质含水介质），将三种主要类型的含水介质进行比较的话

连通性来看——孔隙介质最好，其它较差

空间分布来看——孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀

大小均匀，大小极悬殊，极悬殊

空隙比率——孔隙介质最大，其它较小

空隙渗透性——孔隙介质各向同性，各向异性

造成空隙介质上述差异的主要原因：

是沉积物形成和空隙形成的环境。

2.1.7思考题

什么叫孔隙度：

孔隙度大小的实质？

粘性土孔隙度大——是主要含水层吗？

2.2空隙中的水

地壳岩石中存在着以下各种形式的水：

固态水

气态水

地壳岩石中的水

岩石空隙中的水

岩石“骨架”中的水

（矿物结合水）

沸石水

结构水

结晶水

液态水隙中的水

结合水

（矿物表面结合水）

重力水

毛细水

强结合水

弱结合水

2.2.1气态水、固态水及矿物中的水

自学

2.2.2结合水

附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水，即结合水具有一定的抗剪强度，抗剪强度的产生与大小引力—服从库仑定律，随距离加大减弱，结合水具有固态和液态水的双重性质；

即自身重力不能运动，及水外力就自由滑动变形。

意义：

只要固相表向均存在结合水，存在范围广，其量很小，结合水膜很薄，但孔隙直径小于2倍结合水厚度后，孔隙中只有不能运动的结合水（—无效空间）。

2.2.3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，无重力作用下水的存在分布太空中—表面吸引的液态水的特征，重力影响下可以自由运动。

层中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）重力水是水文地质学研究的重要对象。

2.2.4毛细水

2.2.1基本概念

毛细现象：

①根据细小管插入水中，水上升至一定高度停下来。

②在土层中挖个洞，在洞内放个接渗皿，能否接到水？

—北方地窑，陕北的窑洞

③将上粗下细，或上细下粗的确良中滴水，在不饱水情况下，水停留在何处？

毛细现象。

毛细力：

毛细水—有表面吸引力，有重力，还有另一种力—称毛细力，由毛细现象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的液面弯曲产生的

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

凹形弯液面对液体施加一个负的毛细压强（negtive）

凸形弯液面对液体施加一个正的毛细压强（positive）

负压强—即吸力（如同产生一个真空）液面下的水就会上升

3毛细力的大小：

由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）

如果是根细管子，则管径越小，毛细力越大，反之亦然。

毛细上升高度也越大。

2.2.1毛细水的存在形式

在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：

a.支持毛细水（supportingforms）

在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水升降而升降。

上升高度与水面上的岩性有关。

b.悬挂毛细水（suspensionforms）

地下水面以上（脱离水面），岩石细小孔隙中保留的水挂称为悬挂毛细水，上面演示的上粗下细或上细下粗均为例子。

悬挂毛细水的高度？

总是一个等径圈套支持毛细水高度为hc悬挂毛细水的高度为多少？

上粗下细，上细下粗哪种土层易形成悬挂毛细水？

悬挂毛细水会停留在管径长的上端吗？

为什么？

c.孔角毛细水（触点毛细水）（cornerwater,contactwater?

Contiguitywater?

）

颗粒与颗粒之间相互接触变化，其孔径最小，而形成或保留的毛细水。

孔角毛细水与悬挂毛细水是不同——同学们自己总结思考？

似串珠状且连续分布的，孔角是孤立的。

一上砂样，一个砾石样放在水中浸泡后，快速提出水面，砂样孔隙中会保留什么形式的水？

砾样孔隙中会保留什么形式的水？

岩石空隙中的水的存在形式有三种：

三种的差异，受力状态等自己总结比较——加深理解，有比较才会有记忆。

岩石空隙的大小、多少、连通程度及其分布的均匀程度，都对其储容、滞留、释出及透过水的能力有影响。

2.3.1容水度

容水度是指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。

一般说来，容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。

但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。

2.3.2含水量

含水量说明松散岩石实际保留水分的状况。

重量含水量（Wg）——松散岩石孔隙中所含水的重量（Gw）与干燥岩石重量（Gs）的比值：

Wg=Gw/Gs×

100%

体积含水量（Wv）——松散岩石孔隙中所含水的体积（Vw）与包括孔隙在内的岩石体积（V）的比值：

Wv=Vw/V×

重量含水量（Wg）与体积含水量（Wv）的关系：

Wv=Wg·

γa

γa—岩石的干密度。

孔隙充水饱水时的含水量称作饱和含水量（Wsat）。

饱和含水量与实际含水量之间的差值称为饱和差。

实际含水量与饱和含水量之间的比值称为饱和度。

包气带充分释水而有未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量称作残留含水量（W0），在数值上相当于最大的持水量。

2.3.3给水度

若使地下水面下降，则下降范围内饱和岩石及相应的支持毛细水带中的水，将因重力作用而下移并部分地从原先赋存的空隙中释放出。

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，在重力作用下释放出的水的体积，称为给水度（μ）。

对于均质的松散岩石，给水度的大小与岩性、初始地下水位埋藏深度以及地下水位下降速率等因素有关：

岩性对给水度的影响主要表现为空隙的大小与多少。

颗粒粗大的松散岩石，裂隙宽大的坚硬岩石，以及具有溶穴的可溶岩，空隙宽大，重力释水时，滞留于岩石空隙中的结合水与孔角毛细水比较少，理想条件下的给水度接近孔隙度、裂隙率与岩溶率。

若空隙细小，重力释水时大部分水以结合水与悬挂毛细水形式滞留于空隙中，给水度往往比较小。

当地下水位埋藏深度小于最大毛细上升高度时，地下水位下降后，重力水的一部分将转化为支持毛细水而保留于地下水面之上，从而给水度偏小。

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。

可能的原因是：

重力释水并非瞬时完成，而往往滞后于水位下降；

此外，迅速释水不同步，大的孔隙通道先释水，在小孔隙通道中形成悬挂毛细水而不能释出。

对于均质的颗粒较细小的松散岩石，只有当其初始水位埋藏深度足够大、水位下降速率十分缓慢时，释水才比较充分，给水度才能达到其理论最大值。

均质松散岩石的给水度值见P22表2-2。

粗细颗粒层次相间分布的层状松散岩石，地下水位下降，细粒夹层中的水会以悬挂毛细水形式滞留而不释出，这种情况下，给水度就更偏小了（张人权等，1985）。

2.3.4持水度

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而保持于空隙中。

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，称作持水度（Sr）。

给水度、持水度与孔隙度的关系是：

μ+Sr=n

那么，所有影响给水度的因素也是影响持水度的因素。

2.3.5透水性

岩石的透水性是指岩石允许透过的能力。

表征岩石的透水性的定量指标是渗透系数。

关于渗透系数将在以后专门讨论。

决定岩石透水性好坏的主要因素是孔隙的大小，只有孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用。

颗粒的分选程度对于松散岩石的透水性，往往要超过孔隙度。