岩石中的孔隙和水分

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1、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 、

2、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 。 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 、

3、 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 12km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

4、岩 石 （ 岩 土 ） 中 各 种 类 型 的 空 洞 的总 称 。 图 21 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

5、 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 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

6、 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103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 简 单 归 纳 ， 影 响 砂

7、砾 石 土 孔 隙 大小 的 主 要 因 素 有 ： 颗 粒 大 小 ： 与 构 成 砂 砾 石 土的 颗 粒 粒 径 成 正 比 （ 图 2-1理 解 ） 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 ) 试 样 的 分 选

8、 ： 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

9、孔 隙 的 细 小 颗 粒 的 直 径 （ 如 图 2-1， 3） 。 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 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 (

10、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

11、 大 小 与 什 么 有 关 ？( 100%)nVn V 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 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

12、 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 ： 砾 石 与 砂 石 的 孔 隙 度 大 小 。 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 粒 容 易 形 成 架 空 状 结 构 ， 造 成 颗

13、 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 21 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

14、 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 通 常 是 指 土 体 粒 径 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 （ H0） ： 当 地 下 水 位 初 始 埋 深 小 于支 持 毛 细 水 带 高 度 时

15、 ， 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 变 小 。 第二章 岩石中的孔隙与水分 常 见 松 散 岩 土 的 给 水 度 0 5 10 15 20 25 30 粘 土 亚 粘 土 粉 砂 细 砂 中 砂 粗 纱 砾 石 细 砾 中 砾 粗 砾 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

16、 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 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 水 度 的 因 素 ） ： 均 值 土 、 地 下 水 位 初 始 埋

17、 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 。 水 位 初 始 埋 深 小 于 支 持 毛 细 水 高 度 时 ， 埋 深 愈 浅 ，越 小 。 水 位 降 速 愈 快 ， 偏 小 。 一 般 而 言 ， 层 状 土 的 给 水 度 小 于 均 值 土 层 。 第二章 岩石中的孔隙与水分 4、 持 水 度 （ Sr） 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

18、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 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 。rS n 第二章 岩石中的孔隙与水分 图 29 理

19、 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

20、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

21、 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 211， 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