岩石中的孔隙与水岩石中的空隙地壳表层十余公里范围.docx
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岩石中的孔隙与水岩石中的空隙地壳表层十余公里范围
第二章 岩石中的孔隙与水
第一节 岩石中的空隙
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。
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。
学习了解空隙的多少、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。
本节以孔隙为例,讨论描述空隙特征的有关概念、指标和分析方法。
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
第一节 岩石中的空隙
一、孔隙
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
试样为理想的圆球组成的a—砾石(模型)、b—砂样、c—砂砾混合样
砾石(模型)b—砂样c—砂砾混合样
请回答:
以上三种试样所构成的孔隙哪类大?
哪类小?
请总结影响砂砾石土孔隙大小的因素。
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(由上述插图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。
图2-2颗粒的排列形式(参照格雷通)
A—立方体排列(疏松);B—四面体排列(紧密)
③试样的分选:
试样的分选是指样品的颗粒粒径的级配情况。
插图2-2某地三种不同成因砂土的颗粒粒度累计分布图
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。
要求看书自学掌握。
孔隙的大小:
可以用孔喉(d)和孔腹(
)来定量表征。
理想条件下孔喉(d)、孔腹(
)与构成孔隙颗粒的直径有关,如图2-2理想等园的颗粒,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(粒径)
孔腹(
)与颗粒(D)的关系为:
=0.732D(粒径)
(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。
孔隙度的定义:
是指某一体积岩石(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例,用下式表示:
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?
思考孔隙度与颗粒大小是否有关?
请看图2-3。
大颗粒的砾石样中颗粒的砂样小颗粒的细纱样
图2-3不同粒度等粒岩石的孔隙度与孔隙大小
通过阅读教材思考图2-2和2-3,你是否可以得出理想砂砾类土的孔隙度大小与颗粒粒径大小无关?
影响砂砾石土孔隙度的主要因素有:
a.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。
(参照图2-2)理想最疏松排列孔隙度为47.64%,最紧密排列孔隙度为25.95%
b.与分选有关:
这点与上述讨论影响孔隙大小的原理相同,仔细阅读插图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。
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粒容易形成架空装结构,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。
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。
参考回答:
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%。
表2—1松散岩石孔隙度参考数值〔据弗里泽等,1987〕
(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。
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
粘性土的结构孔隙特征:
通常称为海绵状、峰窝状或絮状结构
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。
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。
(参见图2-1,7和插图2-4)
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
三、溶穴(solutioncavity)cavern
溶穴往往是在裂隙基础,由于水流对可溶岩的作用后扩大了的(特殊)裂隙。
(参见图2-1,8和插图2-5)
溶穴组成有:
溶蚀的裂隙,溶孔、溶隙、溶洞等
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)
四、空隙特征的比较(孔隙、裂隙、溶穴)
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。
通过以上三种空隙的学习,自己对三种主要含水介质的特征进行比较:
提示:
比较可以从以下几方面思考:
(1)连通性
(2)空间分布(均匀性)(3)空隙比率(大小)(4)空隙渗透性(大小、方向)
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时的环境。
第二节 空隙中的水
地壳岩石中存在水的形式分为:
岩石“骨架”中的水(矿物结合水)和岩石空隙中的水。
岩石“骨架”中的水(矿物结合水)包括:
沸石水、结晶水、结构水。
岩石空隙中的水包括:
结合水、液态水、固态水、气态水。
水文地质学基础重点研究的对象是岩石空隙中的水。
一、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。
图2-6 结合水与重力水〔部分参照列别捷夫〕
左图:
椭圆形小粒代表水分子,结合水部分的水分子带正电荷一端朝向颗粒;
右图:
箭头代表水分子所受合力方向
结合水不能在自身重力下运动,表明结合水具有一定的抗剪强度;结合水的抗剪强度是由于固相表面的吸引力而产生的;引力大小服从库仑定律,即随着距离加大,吸引力减弱。
结合水又分为强结合水和结合水,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。
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。
二、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),
重力水在重力作用下可以自由运动。
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)。
因此,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。
三、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
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)。
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)。
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。
图2-7 支持毛细水与悬挂毛细水
图2—8 孔角毛细水
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。
第三节 岩石的水理性质
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
容水度——反映岩石的最大含水能力,与水分储容)
定义:
容水度是指岩石完成全饱水时,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。
二、含水量
含水量——反映岩石实际保留水分的状况
定义:
岩石样实际保留水分的状况,是实际岩土某时段的含水状态指标。
含水状态划分:
孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水量(
)。
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比称为饱和度。
三、给水度
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,称为给水度(
)。
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。
影响给水度μ值的因素:
岩性:
空隙大的样品,给水度大,μ≈n;砾>粗砂>…>粉砂;颗粒细小试样,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(
):
当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度
时,则可达最大值,
时,当地下水位下降1个高度时,原重力水大多转化为支持毛细水,土层给水量大大降低,则μ变小。
再用土层含水量曲线分析一下,当水位埋深足够大时,土层给水度不发生变经(为定值),此时给水度也是最大理论给水度。
与地下水位下降速度有关:
地下水位下降快慢会影响到μ的大小(下降快→
、下降慢→μ→
),这是因为释水滞后,而导致的释样水减量。
不同空隙大小的水,有不同的退水速度,速度同步时释水量多,否则残留相当多的悬挂毛细水(进气造成)
土层结构:
均质土特征与上述讨论一致,岩土层为层状分均质土时,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。
给水度小结(影响给水度的因素):
均值土、地下水位初始埋深大于支持毛细水高度hc、水位降速慢时,给水度最接近理论值,即
。
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。
四、持水度
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,称作持水度(
)。
持水度与给水度、孔隙度的关系:
影响因素:
由上面公式可以得出,影响持水度的因素与影响给水度的因素相同。
在包气带中,当重力释水充分时,又没有受到蒸发、蒸腾消耗时的土层含水量,称作残留含水量(
)数值上相当于最大的持水度。
五、透水性
透水性——反映岩石允许水透过的能力
透水性:
是描述岩石允许水透过的难易程度的指标。
表征岩石透水性的定量指标是渗透系数。
关于渗透系数将在第四章专门讨论。
在此仅讨论影响岩石透水性的因素。
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(图2—10)。
(1)孔隙大小的影响:
当孔隙度一定而孔隙直径愈大,则圆管通道的数量愈少,但有效渗流断面愈大,透水能力就愈强;反之,孔隙直径愈小,透水能力就愈弱。
由图2—9可见,决定透水性好坏的主要因素是孔隙大小。
(2)孔隙度:
当孔隙直径大小相当时,只要孔隙直径达到一定程度,孔隙度才对岩石的透水性起作用,孔隙度愈大,透水性愈好。
图2—9理想圆管状空隙中重力水流速分布
图2—10理想化孔隙介质
(3)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)。
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
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。