水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ) 第2章 巖石中的空隙與水(上)

1、第第2章巖石中的空隙與水（上）章巖石中的空隙與水（上） The Interstices and Water in Rocks Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ) 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)組水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)組 佛鳴一鼎提供，更多地大資佛鳴一鼎提供，更多地大資 料料qq:605734043 內(nèi)部資料及歷年真題內(nèi)部資料及歷年真題 2.1巖石中的空隙巖石中的空隙 2.2空隙中的水空隙中的水 2.3巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì) 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 2.1巖石中的空隙巖石中的空隙 巖石巖石水文地質(zhì)學(xué)中指堅(jiān)硬的巖石及松散的土層水文地質(zhì)學(xué)中

2、指堅(jiān)硬的巖石及松散的土層 空隙空隙巖、土中各種類(lèi)型的空洞的總稱(chēng)巖、土中各種類(lèi)型的空洞的總稱(chēng) 空隙空隙是地下水賦存場(chǎng)所（是地下水賦存場(chǎng)所（places）和運(yùn)移通道（）和運(yùn)移通道（conduits） 空隙分為空隙分為 1. 孔隙（孔隙（pore）-unconsolidated soil（第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)） 2. 裂隙（裂隙（fissure）- hard rock （構(gòu)造地質(zhì)學(xué)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)） 3. 溶穴（溶穴（cavity）- dissoluble rock（巖溶地貌學(xué)巖溶地貌學(xué)） 下面重點(diǎn)以孔隙為例，討論描述空隙特征的有關(guān)概念，參下面重點(diǎn)以孔隙為例，討論描述空隙特征的有關(guān)概念，參 數(shù)（指標(biāo)）

3、和分析方法。數(shù)（指標(biāo)）和分析方法。 孔隙（孔隙（pore, void） 土體孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形狀，連通與土體孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形狀，連通與 分布分布 松散土體宏觀上可以分為松散土體宏觀上可以分為2大類(lèi)：砂性土與粘性土類(lèi)大類(lèi)：砂性土與粘性土類(lèi) 1、砂礫石孔隙大小及其影響因素砂礫石孔隙大小及其影響因素 試樣試樣 a礫石礫石(模型模型)，b砂土樣品，砂土樣品，c砂礫混合樣品砂礫混合樣品 思考：試樣思考：試樣a與與b構(gòu)成的孔隙哪種大？哪種小？構(gòu)成的孔隙哪種大？哪種小？ 顆粒大小顆粒大小-有關(guān)？有關(guān)？ 簡(jiǎn)單歸納簡(jiǎn)單歸納-砂礫石土孔隙大小與什么有關(guān)？砂礫石土孔隙大小與什么有關(guān)

4、？ 顆粒顆粒大小、大小、 排列排列立方體或四面體立方體或四面體 、 分選、膠結(jié)與充填分選、膠結(jié)與充填等等 2.1.1孔隙孔隙大小的影響因素大小的影響因素 2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)1）與與粒徑關(guān)系粒徑關(guān)系 a礫石礫石(模型模型)b砂土樣品砂土樣品c砂礫混合樣品砂礫混合樣品 孔孔 隙隙 與與 粒粒 徑徑 關(guān)關(guān) 系系 2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)2）與分選的關(guān)系與分選的關(guān)系 黃黃 土土 沙沙 丘丘 洪積物洪積物 粒徑粒徑 mm 含含 量量 % 松散砂礫石孔隙大小與分選的關(guān)系松散砂礫石孔隙大小與分選的關(guān)系好、壞？好、壞？ 2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)3）與與顆粒排列的關(guān)系顆粒排列的關(guān)系 顆粒排顆粒排 列

5、列 等徑圓等徑圓 球最疏球最疏 松與最松與最 緊密緊密 立方體排列立方體排列 四面體排列四面體排列 2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)4）孔腹和孔喉孔腹和孔喉 立方體排列與立方體排列與 四面體排列四面體排列 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 （立方體排列的理想等徑園球顆粒）（立方體排列的理想等徑園球顆粒） 2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)5） D d D d 立方體排列立方體排列 四面體排列四面體排列 等徑園球顆粒立方體排列等徑園球顆粒立方體排列 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（續(xù)孔隙（續(xù)6）孔隙度孔隙度 2、砂礫石的孔隙度（、砂礫石的孔隙度（porosity）及其影響因素）及其影響因素 孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標(biāo)孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標(biāo) 定義：某一體積巖石（包括顆粒骨架與空隙在內(nèi)）中孔隙體積所定義：某一體積巖石（包括顆粒骨架與空隙在內(nèi)）中孔隙體積所 占的比例。通常用占的比例。通常用 n 表示表示 思考：孔隙度的大小與什么有關(guān)？思考：孔隙度的大小與什么有關(guān)？ 與顆粒大小有關(guān)？與顆粒大小有關(guān)？ a. 與排列有關(guān)與排列有關(guān)緊密與疏松緊密與疏松 b. 與分選有關(guān)與分選有關(guān)下面試樣哪個(gè)孔隙度大？哪個(gè)

7、?。肯旅嬖嚇幽膫€(gè)孔隙度大？哪個(gè)??？ 試樣：礫石試樣：礫石 砂石砂石 混合樣混合樣 完全混合試樣時(shí)，孔隙度完全混合試樣時(shí)，孔隙度 n混混=n礫礫n砂砂 （請(qǐng)自己推導(dǎo)證明）（請(qǐng)自己推導(dǎo)證明） 影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。 %100 T n V V n 2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)7） 不同顆粒大小的試樣不同顆粒大小的試樣孔隙度？孔隙度？ 不同排列的試樣不同排列的試樣孔隙度？孔隙度？ 理想最疏松孔隙為理想最疏松孔隙為 47.64%， 最緊密排列孔隙為最緊密排列孔隙為 25.95%。 D d D d 立方體排列立方體排列 四面體排列四面體排列 自然

8、界中松散巖石的孔隙度與上述討論的還有些不同自然界中松散巖石的孔隙度與上述討論的還有些不同 P17表表2-1 表表2-1 松散巖石孔隙度參考數(shù)值松散巖石孔隙度參考數(shù)值 矛盾之一：與粒徑的關(guān)系不是愈大則愈大？矛盾之一：與粒徑的關(guān)系不是愈大則愈大？ 矛盾之二：孔隙度超過(guò)最疏松排列的矛盾之二：孔隙度超過(guò)最疏松排列的47.64% 達(dá)到達(dá)到70% 巖石名稱(chēng)礫石砂粉砂粘土 孔隙度孔隙度25-40%25-50%35-50% 40-70% 2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)8）孔隙度參考數(shù)值孔隙度參考數(shù)值 2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)9） 粘土粘土 3、粘性土的孔隙與孔隙度、粘性土的孔隙與孔隙度 粘土顆粒粘土顆粒 粘性土

9、是指土體顆粒粘性土是指土體顆粒 0.005mm 的直徑的直徑 “粘性土由于顆粒細(xì)小，比表面積大，連結(jié)力強(qiáng)粘性土由于顆粒細(xì)小，比表面積大，連結(jié)力強(qiáng) 粘粒在懸浮粘粒在懸浮 推移推移 互相接觸時(shí)，就會(huì)連結(jié)起來(lái)互相接觸時(shí)，就會(huì)連結(jié)起來(lái) 形成形成粘粒團(tuán)粘粒團(tuán)” 細(xì)小粘粒集合（團(tuán)）構(gòu)成（稱(chēng)為）顆粒集合體。細(xì)小粘粒集合（團(tuán)）構(gòu)成（稱(chēng)為）顆粒集合體。 集合體與集合體結(jié)合構(gòu)成集合體與集合體結(jié)合構(gòu)成粘性土粘性土的沉積結(jié)構(gòu)特征的沉積結(jié)構(gòu)特征 粘土孔隙粘土孔隙 粘性土如同海綿、峰窩或絮狀結(jié)構(gòu)粘性土如同海綿、峰窩或絮狀結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)孔隙集合體與集合體、粘粒與粘粒之間集合體與集合體、粘粒與粘粒之間 次生孔隙次生孔隙蟲(chóng)

10、孔、根系孔、裂隙裂痕等蟲(chóng)孔、根系孔、裂隙裂痕等 2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)10） 2000 蒙脫石、片狀粘土礦物蒙脫石、片狀粘土礦物淤泥粘土淤泥粘土 36 240 800 2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)11） 粘性土的結(jié)構(gòu)，不同比例電鏡掃描片粘性土的結(jié)構(gòu)，不同比例電鏡掃描片 2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)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 ） 固結(jié)的堅(jiān)硬巖石中，一般僅殘存很小部分孔隙，固結(jié)的堅(jiān)硬巖石中，一般僅殘存很小部分孔隙， 而存在有各種內(nèi)外力作用下產(chǎn)生的裂縫（縫隙）而存在有各種內(nèi)外力作用下產(chǎn)生的裂縫（縫隙） 風(fēng)化

11、（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙風(fēng)化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙 裂隙裂隙：空間形態(tài)是兩向延伸長(zhǎng)，橫向延伸短的：空間形態(tài)是兩向延伸長(zhǎng)，橫向延伸短的“餅餅 狀狀”空隙單個(gè)裂隙是孤立的空隙單個(gè)裂隙是孤立的 裂隙巖體裂隙巖體：從水的賦存與運(yùn)移角度來(lái)看，裂隙的描：從水的賦存與運(yùn)移角度來(lái)看，裂隙的描 述包括：述包括： 1) 裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長(zhǎng)度和密度）裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長(zhǎng)度和密度） 2) 張開(kāi)性（裂隙寬度）張開(kāi)性（裂隙寬度） 3) 裂隙率等裂隙率等 2.1.2裂隙裂隙 2.1.2裂隙（續(xù)裂隙（續(xù)1） 花崗巖風(fēng)化裂隙花崗巖風(fēng)化裂隙 2.1.2裂隙（續(xù)裂隙（續(xù)2） 成巖裂隙、成巖裂隙、

12、 構(gòu)造裂隙構(gòu)造裂隙 2.1.2裂隙（續(xù)裂隙（續(xù)3） 砂巖巖芯中的空隙砂巖巖芯中的空隙 2.1.3溶穴溶穴 溶穴（溶穴（solution cavity） cavern 在裂隙基礎(chǔ)，水流對(duì)可溶巖進(jìn)一步作用的結(jié)果在裂隙基礎(chǔ)，水流對(duì)可溶巖進(jìn)一步作用的結(jié)果 是是擴(kuò)大了的裂隙擴(kuò)大了的裂隙 溶穴溶穴：溶蝕的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等：溶蝕的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等 巖溶巖體巖溶巖體：要描述裂隙：要描述裂隙 特征及巖溶發(fā)育特征特征及巖溶發(fā)育特征 （裂隙（裂隙+溶洞）溶洞） 1）巖溶發(fā)育方向）巖溶發(fā)育方向 2）溶蝕率）溶蝕率-鉆孔巖鉆孔巖 溶發(fā)育程度溶發(fā)育程度 3）溶洞（方向、規(guī)模等）溶洞（方向、規(guī)模等） 2

13、.1.4空隙特征的對(duì)比空隙特征的對(duì)比 空隙特征的比較空隙特征的比較 含水介質(zhì)含水介質(zhì)由各類(lèi)空隙所構(gòu)成的巖石稱(chēng)為含水介質(zhì)，由各類(lèi)空隙所構(gòu)成的巖石稱(chēng)為含水介質(zhì)， 也稱(chēng)為介質(zhì)場(chǎng)。含水介質(zhì)的空間分布與連通特征（也稱(chēng)為介質(zhì)場(chǎng)。含水介質(zhì)的空間分布與連通特征（孔隙含孔隙含 水介質(zhì)、裂隙含水介質(zhì)、溶質(zhì)含水介質(zhì)水介質(zhì)、裂隙含水介質(zhì)、溶質(zhì)含水介質(zhì)）是不同的，三種）是不同的，三種 主要類(lèi)型的含水介質(zhì)比較：主要類(lèi)型的含水介質(zhì)比較： 連連 通通 性性 孔隙介質(zhì)最好，其它較差孔隙介質(zhì)最好，其它較差 空間分布空間分布孔隙介質(zhì)分布最均勻，裂隙不均勻，溶穴孔隙介質(zhì)分布最均勻，裂隙不均勻，溶穴 極不均勻孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊極不均勻孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊 空隙比率空隙比率孔隙介質(zhì)最大，裂隙最小孔隙介質(zhì)最大，裂隙最小 空隙滲透性空隙滲透性孔隙介質(zhì)孔隙介質(zhì)-各向同性，裂隙與溶穴各向同性，裂隙與溶穴-各向各向 異性造成空隙介質(zhì)上述差異的主要原因：異性造成空隙介質(zhì)上述差異的主要原因：沉積物形成和空沉積物形成和空 隙形成的環(huán)境隙形成的環(huán)境 巖石中的空隙巖石中的空隙思考題思考題 思考題思考題： （