水文地质学基础 第2章 岩石中的空隙与水(上)

1、第第2章岩石中的空隙与水（上）章岩石中的空隙与水（上） The Interstices and Water in Rocks Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础水文地质学基础 中国地质大学中国地质大学 水文地质学基础教学组水文地质学基础教学组 佛鸣一鼎提供，更多地大资佛鸣一鼎提供，更多地大资 料料qq:605734043 内部资料及历年真题内部资料及历年真题 2.1岩石中的空隙岩石中的空隙 2.2空隙中的水空隙中的水 2.3岩石的水理性质岩石的水理性质 本章内容本章内容 2.1岩石中的空隙岩石中的空隙 岩石岩石水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层水文地质学中

2、指坚硬的岩石及松散的土层 空隙空隙岩、土中各种类型的空洞的总称岩、土中各种类型的空洞的总称 空隙空隙是地下水赋存场所（是地下水赋存场所（places）和运移通道（）和运移通道（conduits） 空隙分为空隙分为 1. 孔隙（孔隙（pore）-unconsolidated soil（第四纪地质学第四纪地质学） 2. 裂隙（裂隙（fissure）- hard rock （构造地质学构造地质学） 3. 溶穴（溶穴（cavity）- dissoluble rock（岩溶地貌学岩溶地貌学） 下面重点以孔隙为例，讨论描述空隙特征的有关概念，参下面重点以孔隙为例，讨论描述空隙特征的有关概念，参 数（指标）

3、和分析方法。数（指标）和分析方法。 孔隙（孔隙（pore, void） 土体孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与土体孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与 分布分布 松散土体宏观上可以分为松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类大类：砂性土与粘性土类 1、砂砾石孔隙大小及其影响因素砂砾石孔隙大小及其影响因素 试样试样 a砾石砾石(模型模型)，b砂土样品，砂土样品，c砂砾混合样品砂砾混合样品 思考：试样思考：试样a与与b构成的孔隙哪种大？哪种小？构成的孔隙哪种大？哪种小？ 颗粒大小颗粒大小-有关？有关？ 简单归纳简单归纳-砂砾石土孔隙大小与什么有关？砂砾石土孔隙大小与什么有关

4、？ 颗粒颗粒大小、大小、 排列排列立方体或四面体立方体或四面体 、 分选、胶结与充填分选、胶结与充填等等 2.1.1孔隙孔隙大小的影响因素大小的影响因素 2.1.1孔隙（续孔隙（续1）与与粒径关系粒径关系 a砾石砾石(模型模型)b砂土样品砂土样品c砂砾混合样品砂砾混合样品 孔孔 隙隙 与与 粒粒 径径 关关 系系 2.1.1孔隙（续孔隙（续2）与分选的关系与分选的关系 黄黄 土土 沙沙 丘丘 洪积物洪积物 粒径粒径 mm 含含 量量 % 松散砂砾石孔隙大小与分选的关系松散砂砾石孔隙大小与分选的关系好、坏？好、坏？ 2.1.1孔隙（续孔隙（续3）与与颗粒排列的关系颗粒排列的关系 颗粒排颗粒排 列

5、列 等径圆等径圆 球最疏球最疏 松与最松与最 紧密紧密 立方体排列立方体排列 四面体排列四面体排列 2.1.1孔隙（续孔隙（续4）孔腹和孔喉孔腹和孔喉 立方体排列与立方体排列与 四面体排列四面体排列 孔腹和孔喉孔腹和孔喉 孔隙大小的描述：孔喉孔隙大小的描述：孔喉 (d) d=0.414D 孔腹孔腹 (d) d=0.732D （立方体排列的理想等径园球颗粒）（立方体排列的理想等径园球颗粒） 2.1.1孔隙（续孔隙（续5） D d D d 立方体排列立方体排列 四面体排列四面体排列 等径园球颗粒立方体排列等径园球颗粒立方体排列 孔隙大小的描述：孔隙大小的描述： 孔喉孔喉 (d) d=0.414D

6、孔腹孔腹 (d) d=0.732D d 2.1.1孔隙（续孔隙（续6）孔隙度孔隙度 2、砂砾石的孔隙度（、砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素）及其影响因素 孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标 定义：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所定义：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。通常用占的比例。通常用 n 表示表示 思考：孔隙度的大小与什么有关？思考：孔隙度的大小与什么有关？ 与颗粒大小有关？与颗粒大小有关？ a. 与排列有关与排列有关紧密与疏松紧密与疏松 b. 与分选有关与分选有关下面试样哪个孔隙度大？哪个

7、小？下面试样哪个孔隙度大？哪个小？ 试样：砾石试样：砾石 砂石砂石 混合样混合样 完全混合试样时，孔隙度完全混合试样时，孔隙度 n混混=n砾砾n砂砂 （请自己推导证明）（请自己推导证明） 影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。 %100 T n V V n 2.1.1孔隙（续孔隙（续7） 不同颗粒大小的试样不同颗粒大小的试样孔隙度？孔隙度？ 不同排列的试样不同排列的试样孔隙度？孔隙度？ 理想最疏松孔隙为理想最疏松孔隙为 47.64%， 最紧密排列孔隙为最紧密排列孔隙为 25.95%。 D d D d 立方体排列立方体排列 四面体排列四面体排列 自然

8、界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的还有些不同自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的还有些不同 P17表表2-1 表表2-1 松散岩石孔隙度参考数值松散岩石孔隙度参考数值 矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？ 矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64% 达到达到70% 岩石名称砾石砂粉砂粘土 孔隙度孔隙度25-40%25-50%35-50% 40-70% 2.1.1孔隙（续孔隙（续8）孔隙度参考数值孔隙度参考数值 2.1.1孔隙（续孔隙（续9） 粘土粘土 3、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度 粘土颗粒粘土颗粒 粘性土

9、是指土体颗粒粘性土是指土体颗粒 0.005mm 的直径的直径 “粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强 粘粒在悬浮粘粒在悬浮 推移推移 互相接触时，就会连结起来互相接触时，就会连结起来 形成形成粘粒团粘粒团” 细小粘粒集合（团）构成（称为）颗粒集合体。细小粘粒集合（团）构成（称为）颗粒集合体。 集合体与集合体结合构成集合体与集合体结合构成粘性土粘性土的沉积结构特征的沉积结构特征 粘土孔隙粘土孔隙 粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构 结构孔隙结构孔隙集合体与集合体、粘粒与粘粒之间集合体与集合体、粘粒与粘粒之间 次生孔隙次生孔隙虫

10、孔、根系孔、裂隙裂痕等虫孔、根系孔、裂隙裂痕等 2.1.1孔隙（续孔隙（续10） 2000 蒙脱石、片状粘土矿物蒙脱石、片状粘土矿物淤泥粘土淤泥粘土 36 240 800 2.1.1孔隙（续孔隙（续11） 粘性土的结构，不同比例电镜扫描片粘性土的结构，不同比例电镜扫描片 2.1.1孔隙（续孔隙（续12） 松散砂土孔隙松散砂土孔隙 粘土粘土 孔隙孔隙 裂隙裂隙 溶隙溶隙 裂隙裂隙 （ fissure fracture ） 固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙， 而存在有各种内外力作用下产生的裂缝（缝隙）而存在有各种内外力作用下产生的裂缝（缝隙） 风化

11、（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 裂隙裂隙：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼饼 状状”空隙单个裂隙是孤立的空隙单个裂隙是孤立的 裂隙岩体裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描 述包括：述包括： 1) 裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度） 2) 张开性（裂隙宽度）张开性（裂隙宽度） 3) 裂隙率等裂隙率等 2.1.2裂隙裂隙 2.1.2裂隙（续裂隙（续1） 花岗岩风化裂隙花岗岩风化裂隙 2.1.2裂隙（续裂隙（续2） 成岩裂隙、成岩裂隙、

12、 构造裂隙构造裂隙 2.1.2裂隙（续裂隙（续3） 砂岩岩芯中的空隙砂岩岩芯中的空隙 2.1.3溶穴溶穴 溶穴（溶穴（solution cavity） cavern 在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果 是是扩大了的裂隙扩大了的裂隙 溶穴溶穴：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等 岩溶岩体岩溶岩体：要描述裂隙：要描述裂隙 特征及岩溶发育特征特征及岩溶发育特征 （裂隙（裂隙+溶洞）溶洞） 1）岩溶发育方向）岩溶发育方向 2）溶蚀率）溶蚀率-钻孔岩钻孔岩 溶发育程度溶发育程度 3）溶洞（方向、规模等）溶洞（方向、规模等） 2

13、.1.4空隙特征的对比空隙特征的对比 空隙特征的比较空隙特征的比较 含水介质含水介质由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，由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（也称为介质场。含水介质的空间分布与连通特征（孔隙含孔隙含 水介质、裂隙含水介质、溶质含水介质水介质、裂隙含水介质、溶质含水介质）是不同的，三种）是不同的，三种 主要类型的含水介质比较：主要类型的含水介质比较： 连连 通通 性性 孔隙介质最好，其它较差孔隙介质最好，其它较差 空间分布空间分布孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴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，溶穴极悬殊极不均匀孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊 空隙比率空隙比率孔隙介质最大，裂隙最小孔隙介质最大，裂隙最小 空隙渗透性空隙渗透性孔隙介质孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴各向同性，裂隙与溶穴-各向各向 异性造成空隙介质上述差异的主要原因：异性造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空沉积物形成和空 隙形成的环境隙形成的环境 岩石中的空隙岩石中的空隙思考题思考题 思考题思考题： （