水文地质学基础：岩石的空隙-孔隙

1、1.3地下水的赋存条件及特征岩石的空隙性地壳表层10km范围内，或多或少都存在着空隙，特别是浅部12km以内，空隙分布 较为普遍。这就为地下水的赋存提供了必要的空间条件。按维尔纳茨基的形象说法，“地球 表层就好像饱含着水的海绵”。岩石空隙既是地下水的储存场所，又是地下水的运动通道。岩石空隙的大小、多少、连 通程度及分布状况等性质，统称为岩石的空隙性（图1-7）。而正是这岩石的空隙性，决定 着地下水的分布和运动特点，因而研究岩石的空隙性就成为研究地下水形成及其运动的基础。 而空隙岩层又被称为介质。图1-7岩土的空隙1分选良好，排列疏松的砂；2分选良好，排列紧密的砂；3分选不良的，含泥砂的砾石；4

2、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发育裂隙的基岩；8具有溶隙及溶穴的可溶岩岩石空隙的差异，取决于空隙的成因。根据岩石空隙成因和空间形态的不同，空隙可以 分为三类：松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙，可溶岩石中的溶穴。孔隙松散（半松散）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。孔隙的多少，决定了岩石储容水的能力，在一定条件下还影响向着岩石保持、释出和传 输水的能力。岩石孔隙的多少用孔隙度（孔隙率）表示。孔隙度（n）是单位体积岩石（包 括孔隙在内）中孔隙所占的比例。n表示孔隙度，V表示包括孔隙在内的岩土体积，V”表示 岩石中孔隙体积，那么

3、：= 或 = Z100%（1-10）VV孔隙度是个比值，通常用百分比表示，也可用小数表示。粗粒土（砂、砾）孔隙度的大小，孔隙度大小主要取决于颗粒排列情况及分选程度；另外, 颗粒形状及胶结情况也影响孔隙度。对于粘性土，结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因 素。.排列方式图1-8颗粒的排列形式a 立方体排列；b四面体排列为了说明颗粒排列方式对粗粒土孔隙度的影响，可以假设一种理想的情况，即颗粒均为 大小相等的圆球。当其为立方体排列时（图1-8, a）,可算得孔隙度为47.64%；作四面体排 列进，孔隙度仅为25.95% （图1-8,b）。颗粒受力排列发生变化时，可使其密集程度不同。 由几何学可知，六

4、方体排列为最松散排列，四面体排列为最紧密排列，而自然界中松散岩石 的孔隙度与此大体相近，或介于两者之间（表13）。表1-3松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，1987）应当注意的是，上述讨论并未涉及圆球的大小，因为孔隙度的大小与颗粒大小无关（图 l-9）o图1-9不同粒度等粒岩石的孔隙度与孔隙大小(转引自 A. H. CeMHXaTOB).分选程度自然界并不存在完全等粒的松散岩石。分选性愈差，颗粒大小愈不相等，孔隙度便愈小。这是因为细小颗粒充填于粗大颗粒之间的孔隙中，自然会大大降低孔隙度（图1-7, 3）o我 们可以假设一种极端的情况：如果一种等粒砾石孔隙度5=40%,另一种等粒的极细砂的孔

5、隙度由=40%,而极细砂完全充填与砾石空隙中，那么此混合砂砾石的孔隙度n3=niXn2=16%o.颗粒形状自然界中岩石的颗粒形状也多是不规那么的。组成岩石的颗粒形状越是不规那么，棱角越明 显，孔隙度就越大，因为这时突出局部相互接触，会使颗粒架空。.胶结充填松散沉积物受到不同程度的胶结，由于胶结物的充填，孔隙度有所降低（图1-7,4）。.粘性土粘土的孔隙度往往可以超过上述最大孔隙度值。因为粘土颗粒外表常带电荷，在沉积过 程中粘土颗粒聚合而形成颗粒集合体，可形成直径比颗粒还大的结构孔隙（图1-7, 5、6）o 此外，粘性土中往往还发育有虫孔、根孔、干裂缝等次生孔隙，有时也有胶结物。孔隙大小对地下水

6、的运动影响极大，孔隙通道最细小的局部称作孔喉，最宽大局部称作 孔腹（图1-10）；孔喉对地下水流动的影响更大，讨论孔隙大小时可以用孔喉直接进行比拟。图1-10孔喉（D）与孔腹（d） 通过孔隙通道中心切面图(b)图1-11排列方式与孔隙大小关系a立方体排列；b四面体排列影响孔隙大小的主要因素是颗粒大小。颗粒大那么孔隙大，颗粒小那么孔隙小。需要注意的 是，对分选不好，颗粒大小悬殊的松散沉积物来说，孔隙大小并不取决于颗粒的平均直径, 而主要取决于细小颗粒的直径。原因是，细小颗粒把粗大颗粒的孔隙充填了（图17（3）。 颗粒排列方式也影响孔隙大小。仍以理性等粒圆球状颗粒为例，设颗粒直径为D,孔喉直径 为d,那么做四方体排列时,d=0.414D （图1-11, a）；作