1、1,水文地质学基础,简介,Fundamentals of Hydrogeoloy,2,第二章 岩石中的空隙与水,2.1 岩石中的空隙 2.2 岩石空隙中水的存在形式 2.3 与水的储容运移有关的岩石水理性质,3,2.1 岩石中的空隙 Interstices in rocks,岩石包括坚硬岩石及松散土。 空隙岩、土中各种类型空洞的总称。 空隙是地下水的赋存场所和运移通道。,孔隙（pore）: 松散岩石颗粒间的空隙空隙分为 裂隙（fissure）: 坚硬岩石破裂产生的空隙溶穴（cave）: 可溶性岩石被溶蚀后产生的空隙,4,2.1 岩石中的空隙,5,有结构空隙的粘土,经过压缩的粘土,裂隙发育的岩石
2、,有溶隙和溶穴的可溶岩,2.1 岩石中的空隙,6,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。 土体孔隙的描述内容包括：孔隙的大小、多少、形状、连通程度与分布规律 松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土,2.1 岩石中的空隙,一、孔隙,7,1、孔隙大小及其影响因素,岩石颗粒愈粗，孔隙愈大；颗粒愈细，孔隙愈小!,思考：孔隙大小与哪些因素有关？,(1)孔隙大小与颗粒大小的关系：,8,1、孔隙大小及其影响因素 (2)孔隙大小与分选程度的关系：,分选愈差，细粒占的比例愈大，孔隙愈小！ 胶结程度越好，充填物越多，孔隙愈小！,a试样的孔隙为细颗粒形成的小孔隙。,？ 思考：
3、下列2种试样哪种孔隙大？,a砂砾混合样,b砾石,9,孔隙大小特征的描述： 孔喉(d)与孔腹 (d) 孔喉对水流影响更大，孔隙大小可用孔喉直径进行比较。 立方体排列： d=0.414D 四面体排列： d=0.155D 颗粒排列愈紧密，孔隙越小！,(3)颗粒排列方式对孔隙大小的影响,10,1、影响孔隙大小的因素主要有： 颗粒大小；颗粒排列；分选及胶结充填程度 颗粒愈粗，分选愈好，排列愈疏松，胶结充填程度愈差，孔隙愈大； 反之愈小 2、天然松散岩石的孔隙特征： 大小不同、形状各亦，弯曲程度不同，沿程变化的通道构成的复杂的空隙网络。 宏观上均质各向同性的连续的空隙网络； 微观上非均质各向异性的连续的空
4、隙网络。,小结：,11,2、孔隙度(porosity)及其影响因素,孔隙度的大小与哪些因素有关？ 孔隙大孔隙度也大吗？,孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标。 概念：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。通常用 n 表示,12,？下面试样哪个孔隙度大？哪个小？试样：a砾石，b砂石，c砂砾混合样,2、孔隙度(porosity)及其影响因素,假设a与b为等粒的理想圆球体，经计算：n砂=n砾,说明：孔隙度与颗粒大小无关！,13,砂样与砾石样混合时，砾石样中孔隙体积变小，因此孔隙度变小。 当粗细颗粒完全混合时，混合样的孔隙度：n混=n粗n细 因此影响孔隙度大小的主要因素是试样的分
5、选程度，分选愈差，孔隙度愈小！,（1）分选程度与孔隙度的关系,2、孔隙度(porosity)及其影响因素,14,（2）颗粒排列方式对孔隙度的影响理想最疏松排列（立方体）：孔隙度为47.64%；理想最紧密排列（四面体）：孔隙度为25.95%。在实际中，天然砂砾石孔隙度一般介于两者之间。排列愈紧密，孔隙度愈小。胶结程度高，孔隙度愈小。,2、孔隙度(porosity)及其影响因素,15,立方体排列与四面体排列,16,自然界中松散岩石的孔隙度（P17表2-1）。 岩石名称 砾石 砂 粉砂 粘土 空隙度(%) 2540 2550 3550 4070 与前面的分析矛盾！为什么？ 矛盾之一：粒径愈小，孔隙度
6、愈大！ 矛盾之二：为何粘性土的孔隙度超过最疏松排列的47.64%，可达70%？,2、孔隙度(porosity)及其影响因素,17,3、粘性土的孔隙与孔隙度,粘土颗粒（指直径0.005mm的颗粒）； 粘性土颗粒细小，比表面积大，连结力强；颗粒表面带电，粘粒在悬浮、推移、互相接触时，易连结起来形成粘粒团，细小粘粒集合（团）构成颗粒集合体。颗粒集合体在重力作用下沉积下来，形成峰窝或絮状结构。 粘土孔隙：粒间孔隙粘粒之间的空隙；结构孔隙集合体与集合体之间的空隙；次生孔隙虫孔、根系孔、干裂缝等。,18,影响孔隙度大小的因素主要有：颗粒排列分选胶结充填程度结构及次生孔隙 分选愈好，排列愈疏松，胶结充填程度
7、愈差，孔隙度愈大； 反之愈小；粘性土的孔隙度还取决于其结构及次生孔隙。,小结：,19,固结坚硬岩石一般仅残存很小部分的颗粒间的孔隙，主要发 育因各种内外力作用产生的裂隙：风化（卸荷）裂隙、成岩 裂隙、构造裂隙 裂隙的空间形态：两向延伸长、横向伸短的“饼状” 从水的赋存与运移角度，裂隙描述内容包括： 连通性（裂隙的组数、产状、长度和密度） 张开性（裂隙宽度） 裂隙率等,二、裂隙(fissure，fracture),2.1 岩石中的空隙,20,三、溶穴（Cavity),溶穴：可溶岩在地下水溶蚀作用下产生的空隙。溶孔、溶隙、溶穴、溶洞等 对可溶岩要描述岩溶发育特征（裂隙+溶洞） 1）岩溶发育方向 2
8、）岩溶率-表示岩溶发育程度 3）溶洞（方向、规模等）,2.1 岩石中的空隙,21,四、空隙特征的比较,由空隙所构成的岩石称为含水介质。含水介质有三种：孔隙介质、裂隙介质、溶穴介质。 连通性孔隙介质最好，其它较差 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 空隙率孔隙介质最大，裂隙最小 渗透性孔隙介质属各向同性，裂隙与溶穴为各向异性 造成空隙介质差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的地质环境差异。,22,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,是主要含水层吗？,23,2.2 岩石空隙中的水存在形式,岩石空隙
9、中 水的存在形式,24,定义：附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水，称为结合水。 成因：固相表面与水分子间存在静电引力相互吸引，其间引力大小服从库仑定律，随离固体表面的距离加大而减弱，结合水的物理性质随之变化。内：强，外：弱。 性质：结合水具有固态和液态水的双重性质；具有一定的抗剪强度，即自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动及变形。 意义：结合水膜很薄，当孔隙直径小于2倍结合水膜厚度时，孔隙中只含有不能自由运动的结合水（无效空隙空间）。,一、结合水（absorbed water, bounded water）,2.2 岩石空隙中的水存在形式,25,强结合水：几个几百个水分子厚度，引
10、力1012 Mpa，密度2g/cm3；不流动，可蒸发。 弱结合水：几十个几百个几千个水分子厚度，水分子排列没有强结合水紧密，能部分被植物吸收。,26,二、重力水（gravitational water）,定义：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。 意义：重力水具有非常重要的实用价值。地层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），为人们所用，因此重力水是水文地质学研究的主要对象。,2.2 岩石空隙中的水存在形式,27,三、毛细水（capillary water）,1、基本概念 毛细现象：把细管插入水中，水上升至一定高度
11、停下来。 毛细水受固体表面吸引力、液体表面张力和液体重力的共同作用。毛细力是在三相界面上弯液面引起的附加表面压力。毛细管管径越小，毛细力越大，毛细上升高度也越大。,2.2 岩石空隙中的水存在形式,28,2、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，故地下水面以上广泛存在毛细水。 a) 支持毛细水（supporting CW）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。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关。 b) 悬挂毛细水（suspension CW）指地下水面以上，岩石细小孔隙中保留的水分。,三、毛细水（capillary water）,29,30,支持毛细水与悬挂毛细水,31,3、毛细水的存在形式 c) 孔角毛细水（触点毛细水） 颗粒与颗粒之间相互接触，接触点附近孔径最小，形成孔角毛细水,思考：孔角毛细水与悬挂毛细水有何不同？ 孔角毛细水是孤立的，而悬挂毛细水似串珠状且连续分布的。,三、毛细水（capillary water）,32,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？,
