《岩石中的孔隙和水分.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《岩石中的孔隙和水分.ppt(49页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、第二章 岩石中的孔隙和水分,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、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
2、应力原理与松散岩土压密,孔隙、裂隙、溶穴,结合水、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
3、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
4、混合样,我国土粒分级标准,简单归纳,影响砂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: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
5、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(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
6、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:砂砾类土的孔隙度大小与什么有关?,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:
7、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,自然界中松散岩石的孔隙度与粒径大小有关,粒径小孔隙度大。
8、(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0.005mm的颗粒含量较高的土。粘性土的沉积特征:由于颗粒细小,比表面积大,连结力强,粘土沉积时互相接触而连结起来构成粘粒团(也称集合体),粘粒是以集合体形式沉积形成粘性土。可形成直径比颗粒还大的结构孔隙。粘土的孔隙度往往可以超过上述理论上最大孔隙度值。,第二章 岩石中的孔隙与水分,粘性土的结构孔隙构成:粘粒团(集合体)内部存在许多孔隙。也称粒内孔隙集合体与集合体之间存在孔隙,相当于砂土类颗粒间的孔隙 此外,粘性土还发育有次生空隙,如虫孔、
9、根系、裂缝等。显然,对于粘性土,决定孔隙大小的不仅是颗粒大小及排列,结构孔隙及次生空隙的影响是不可忽视的。,第二章 岩石中的孔隙与水分,二、裂隙 固结的坚硬岩石中,一般仅残存很小部分孔隙,而存在有各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。裂隙特征:空间形态是两向延伸长,横向延伸短的“薄饼式”展布,单个裂隙往往是孤立的。裂隙必须是多组发育,构成裂隙网络,才有水文地质意义,图2-4现场坚硬岩石发育的裂隙,第二章 岩石中的孔隙与水分,裂隙 按成因分为成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙。成岩裂隙 是岩石在成岩过程中由于冷凝收缩(岩浆岩)或固结(沉积岩)而产生的。岩浆岩中成岩裂隙比较发育,尤以玄武岩中柱状节理最有
10、意义。构造裂隙 是岩石在应力作用下产生的裂隙,具有方向性,大小悬殊(由隐蔽的节理到大断层),分布不均一。风化裂隙 是风化营力作用下,岩石破坏产生的裂隙。,第二章 岩石中的孔隙与水分,从水的赋存与运移角度来看,裂隙的描述包括:a.裂隙的连通性由裂隙组数、产状、长度和密度的测量结果,进行评价 b.张开性(宽度)测量裂隙隙宽,或用统计的平均隙宽来表征 c.裂隙率裂隙空间所占的比率,相当于松散岩石的孔隙度 d.充填情况等,第二章 岩石中的孔隙与水分,三、溶穴(solution cavity)溶穴(隙)可溶的沉积岩(岩盐、石膏、石灰岩、白云岩等)在地下水溶蚀下产生的空洞。(参见图2-1,8和插图2-5)
11、岩溶率溶穴的体积与岩石总体积比值 溶穴的规模十分悬殊,大的溶洞长达几十公里;而小的溶孔直径仅几毫米。岩溶发育带岩溶率可达百分之几十,而其附近岩石的岩溶率几乎为零。,第二章 岩石中的孔隙与水分,岩溶岩体的空隙特征描述包括:(1)描述裂隙特征(2)岩溶发育特征:岩溶发育方向、溶蚀率(可以用钻孔或测量方法)表征岩溶发育程度、溶洞(通常要测量发育方向、规模等),图2-5 岩溶含水介质特征素描图,第二章 岩石中的孔隙与水分,四、空隙发育的多样性及空隙特征的比较(孔隙、裂隙、溶穴)松散岩石以孔隙为主,但粘土干缩后可产生裂隙,而这些超过其原有的孔隙。固结程度不高的沉积岩,往往既有孔隙,又有裂隙。可溶岩石,有
12、时还可保留原生的孔隙与裂缝。含水介质:由各类空隙所构成的岩层称为含水介质,也称为介质场。不同的含水介质(孔隙含水介质、裂隙含水介质、岩溶含水介质)的空间分布与连通特征也不同。,第二章 岩石中的孔隙与水分,空隙特点与地下水类型 空隙特点:连通性、空间分布(均匀性)空隙比率(大小)、空隙渗透性(大小、方向)岩石中的空隙,连接成网络,成为地下水有效的储容空间和运移通道。孔隙连通良好,分布均匀,在不同方向上,孔隙通道的大小和多少很接近。地下水分布与流动都比较均匀。裂隙具有一定的方向性,连通性较差。地下水分布不均匀,水力联系差。溶穴空隙大小悬殊且分布极不均匀。地下水分布与流动通常极不均匀。三种类型地下水
13、:孔隙水、裂隙水和岩溶水。,第二章 岩石中的孔隙与水分,地壳岩石中的水,矿物格架水,沸石水 结晶水结构水,岩石空隙中水,颗粒表面结合水,强结合水,弱结合水,液态水,固态水,气态水,重力水,毛细水,非结合水,第2节 岩石中水的存在形式,一、地壳岩石中各种形式的水,第二章 岩石中的孔隙与水分,水文地质学基础重点研究的对象是岩石空隙中的水。本课程主要学习以结合水和液态水形式存在于空隙中的水。,二、结合水 先观察一个现象:在装有颗粒并盛满水的容器中,取出1个颗粒,轻轻甩动,颗粒表面仍然保留薄薄的水膜,我们称他为结合水。定义:束缚于固相表面,不能在自身重力影响下运动的水,称为结合水。分类:强结合水和弱结
14、合水,最接近固相表面的结合水称为强结合水,一般认为仅相当于几个水分子的厚度;其外层称为弱结合水(图2-6),不同学者认为其厚度为几十、几百或几千个水分子厚度。,第二章 岩石中的孔隙与水分,因此,结合水具有固态和液态水的双重性质;即自身重力作用下不能运动,施加外力作用下,才能够流动和变形。研究意义:只要有固相表面就存在结合水,结合水存在范围广,但其量很小,结合水膜很薄,当孔隙直径小于2倍结合水厚度时,孔隙中只存在不能运动的结合水(此时的孔隙被视为无效空间)。,三、重力水 重力水:当远离固相表面,水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱,重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力(参见图2-6),能在自身
15、重力作用下自由运动的地下水。地层和岩石空隙中如果存在重力水,就可以通过泉,或井流出(抽出来)。从水资源利用角度出发,重力水是水文地质学研究的主要对象。,第二章 岩石中的孔隙与水分,四、毛细水(1)毛细现象:将1根细小玻璃管插入水中,水会上升至一定高度停下来,这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。装一个上细下粗的试样筒,从上加滴一些红色水,观察水会停留在何处。(2)毛细力:毛细水除了受到固相表面的吸引力和重力外,还有毛细力的作用,毛细现象是毛细力作用的结果。我们可以把毛细力的特征归纳为3点:毛细力的产生:是在固、液、气三相界面上,由液面弯曲产生的力,毛细力的方向:毛细力的作用方向始终指向弯
16、曲液面的凹侧(凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的)。凹形弯液面对液体施加一个负的毛细压强,凸形弯液面对液体施加一个正的毛细压强。在负压强(吸力)作用下,液面的水就会上升。毛细力的大小:弯液面产生的毛细力大小与弯液面的曲率成正比(曲率大,毛细力大、曲率小,毛细力小),如一根细管子,管径越小,毛细力越大,毛细上升高度也越大;反之亦然。,(3)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,因此,在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。在岩石空隙中,毛细水的存在形式可分为三种:支持毛细水 在毛细力的作用,水从地下水面沿着岩土小孔隙上升到一定高度,形成一个毛细水带,此带中的毛细水下部有地下水面支
17、持,称为支持毛细水(参见图27)。,图2-7支持毛细水与悬挂毛细水,井左侧表示高水位时砂层中支持毛细水;右侧表示水位降低后砂层中的悬挂毛细水;砾石层中孔隙直径已经超过了毛细管,故不存在支持毛细水。,悬挂毛细水 细粒层次与粗粒层次交互成层时,在一定条件下,由于上下弯液面毛细力的作用,在细土层中会保留与地下水面不相连接的毛细水,这种毛细水称为悬挂毛细水(参见图27)。孔角毛细水 颗粒与颗粒之间相互接触处孔隙发生变化,其孔径最小,而形成或保留的毛细水。在包气带中岩土颗粒接触点上还可以保留孔角毛细水(触点毛细水),即使是粗大的卵砾石,颗粒接触处的孔隙也很小,可以形成弯液面,将水滞留在孔角上,形成孔角毛
18、细水(参见图2-8)。,总结思考:在松散岩石孔隙水中,孔角毛细水与悬挂毛细水的主要不同点。岩石空隙中的水的存在形式有三种:三种水的差异与他们的受力状态有关,请同学们等自己总结比较,加深理解。,第二章 岩石中的孔隙与水分,五、气态水、固态水及矿物中的水 在未饱和水的空隙中存在着气态水。气态水可以随空气或在水气压力差的作用下流动。岩石的温度低于0时,液态水转为固态水。我国大部分地区有季节性冻土。东北及青藏高原,有多年冻土。矿物晶格内及矿物孔洞中的水,就是沸石水、结晶水及结构水。方沸石(Na2A12Si4O12nH2O)中沸石水,在加热时可以从矿物中分离出去。,第二章 岩石中的孔隙与水分,第3节 与
19、水的储容及运移有关的岩石性质,本课程主要涉及的是与水分储容、释出与运移有关的岩石水理性质。主要包括:容水度、给水度、持水度和透水性。一、容水度 反映岩石的最大含水能力,与水分储容 定义:容水度是指岩石完全饱水时,所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比。单位:无量纲,一般用小数或百分数表示。与孔隙度的关系:一般说来容水度在数值上与孔隙度(裂隙率、岩溶率)相当。但是对于具有膨胀性的粘土,充水后体积扩大,容水度可大于孔隙度。,第二章 岩石中的孔隙与水分,2、含水量 反映岩石实际保留水分的状况,是实际岩土某时段的含水状态指标。重量含水量(Wg)松散岩石孔隙中所含水的重量(Gw)与干燥岩石重量(Gs)的比
20、值。体积含水量(Wv)含水的体积(Vw)与包括孔隙在内的岩石体积(V)的比值。,第二章 岩石中的孔隙与水分,重量含水量(Wg)与体积含水量(Wv)的关系:当水的比重为1,岩石的干容重(单位体积干土的重量)为 时,重量含水量与体积含水量的关系为:Wv=Wga含水状态的划分:饱和含水量:孔隙充分饱水时的含水量。饱和差:饱和含水量与实际含水量之间的差值。饱和度:实际含水量与饱和含水量之比。,第二章 岩石中的孔隙与水分,三、给水度()给水度反映岩石最大释水能力的指标 定义:地下水位下降一个单位深度,从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体,在重力作用下释出的水的体积,称为给水度()(可以参见第三章
21、图38b)。思考:当水位下降一个单位,土层孔隙中是否所有的水都流出来?结合上述空隙中水的存在形式,在土层中会保留的水有:结合水膜、孔隙毛细水、有时会有悬挂毛细水和支持毛细水。,第二章 岩石中的孔隙与水分,影响给水度值的因素:思考:砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较,哪种试样给水度大?岩性:空隙大的样品,重力释水后,结合水与孔角毛细水较少,给水度大,n;砾粗砂粉砂;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,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
22、的孔隙与水分,常见松散岩土的给水度,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
23、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(W0):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。,第二章 岩石中的孔隙与水分,图29 理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
24、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211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,