岩石中的孔隙与水岩石中的空隙地壳表层十余公里范围.docx
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岩石中的孔隙与水岩石中的空隙地壳表层十余公里范围
第二章 岩石中的孔隙与水
第一节 岩石中的空隙
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1~2km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。
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。
学习了解空隙的多少、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。
本节以孔隙为例，讨论描述空隙特征的有关概念、指标和分析方法。
图2—1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
第一节 岩石中的空隙
一、孔隙
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
试样为理想的圆球组成的a—砾石（模型）、b—砂样、c—砂砾混合样
砾石（模型）b—砂样c—砂砾混合样
请回答：
以上三种试样所构成的孔隙哪类大？
哪类小？
请总结影响砂砾石土孔隙大小的因素。
简单归纳，影响砂砾石土孔隙大小的主要因素有：
①颗粒大小：
与构成砂砾石土的颗粒粒径成正比（由上述插图2-1理解）
②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。
图2-2颗粒的排列形式（参照格雷通）
A—立方体排列（疏松）；B—四面体排列（紧密）
③试样的分选：
试样的分选是指样品的颗粒粒径的级配情况。
插图2-2某地三种不同成因砂土的颗粒粒度累计分布图
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孔隙的细小颗粒的直径（如图2-1，3）。
④颗粒形状及胶结充填情况等。
要求看书自学掌握。
孔隙的大小：
可以用孔喉（d）和孔腹（
）来定量表征。
理想条件下孔喉（d）、孔腹（
）与构成孔隙颗粒的直径有关，如图2-2理想等园的颗粒，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（粒径）
孔腹（
）与颗粒（D）的关系为：
=0.732D（粒径）
（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。
孔隙度的定义：
是指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例，用下式表示：
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？
思考孔隙度与颗粒大小是否有关？
请看图2-3。
大颗粒的砾石样中颗粒的砂样小颗粒的细纱样
图2-3不同粒度等粒岩石的孔隙度与孔隙大小
通过阅读教材思考图2-2和2-3，你是否可以得出理想砂砾类土的孔隙度大小与颗粒粒径大小无关？
影响砂砾石土孔隙度的主要因素有：
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。
（参照图2-2）理想最疏松排列孔隙度为47.64%，最紧密排列孔隙度为25.95%
b.与分选有关：
这点与上述讨论影响孔隙大小的原理相同，仔细阅读插图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。
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装结构，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。
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。
参考回答：
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。
（2）孔隙度超过最疏松排列的47.64%？
粘性土孔隙度高达70%-80%。
表2—1松散岩石孔隙度参考数值〔据弗里泽等，1987〕
（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。
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
粘性土的结构孔隙特征：
通常称为海绵状、峰窝状或絮状结构
此外，粘性土还发育有次生空隙，如虫孔、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。
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。
（参见图2-1，7和插图2-4）
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
三、溶穴（solutioncavity）cavern
溶穴往往是在裂隙基础，由于水流对可溶岩的作用后扩大了的（特殊）裂隙。
（参见图2-1，8和插图2-5）
溶穴组成有：
溶蚀的裂隙，溶孔、溶隙、溶洞等
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）
四、空隙特征的比较（孔隙、裂隙、溶穴）
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。
通过以上三种空隙的学习，自己对三种主要含水介质的特征进行比较：
提示：
比较可以从以下几方面思考：
（1）连通性
（2）空间分布（均匀性）（3）空隙比率（大小）（4）空隙渗透性（大小、方向）
造成空隙介质上述差异的主要原因：
是沉积物形成和空隙形成时的环境。
第二节 空隙中的水
地壳岩石中存在水的形式分为：
岩石“骨架”中的水（矿物结合水）和岩石空隙中的水。
岩石“骨架”中的水（矿物结合水）包括：
沸石水、结晶水、结构水。
岩石空隙中的水包括：
结合水、液态水、固态水、气态水。
水文地质学基础重点研究的对象是岩石空隙中的水。
一、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。
图2-6 结合水与重力水〔部分参照列别捷夫〕
左图：
椭圆形小粒代表水分子，结合水部分的水分子带正电荷一端朝向颗粒；
右图：
箭头代表水分子所受合力方向
结合水不能在自身重力下运动，表明结合水具有一定的抗剪强度；结合水的抗剪强度是由于固相表面的吸引力而产生的；引力大小服从库仑定律，即随着距离加大，吸引力减弱。
结合水又分为强结合水和结合水，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。
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。
二、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），
重力水在重力作用下可以自由运动。
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）。
因此，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。
三、毛细水
（1）毛细现象：
①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。
②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：
①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持，称为支持毛细水（参见图2—7）。
②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2—7）。
③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，形成孔角毛细水（参见图2-8）。
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。
图2-7 支持毛细水与悬挂毛细水
图2—8 孔角毛细水
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。
第三节 岩石的水理性质
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
容水度——反映岩石的最大含水能力，与水分储容）
定义：
容水度是指岩石完成全饱水时，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。
二、含水量
含水量——反映岩石实际保留水分的状况
定义：
岩石样实际保留水分的状况，是实际岩土某时段的含水状态指标。
含水状态划分：
孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水量（
）。
饱和含水量与实际含水量之间的差值称为饱和差。
实际含水量与饱和含水量之比称为饱和度。
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（
）。
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。
影响给水度μ值的因素：
岩性：
空隙大的样品，给水度大，μ≈n；砾>粗砂>…>粉砂；颗粒细小试样，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（
）：
当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度
时，则可达最大值，
时，当地下水位下降1个高度时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量大大降低，则μ变小。
再用土层含水量曲线分析一下，当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变经（为定值），此时给水度也是最大理论给水度。
与地下水位下降速度有关：
地下水位下降快慢会影响到μ的大小（下降快→
、下降慢→μ→
），这是因为释水滞后，而导致的释样水减量。
不同空隙大小的水，有不同的退水速度，速度同步时释水量多，否则残留相当多的悬挂毛细水（进气造成）
土层结构：
均质土特征与上述讨论一致，岩土层为层状分均质土时，往往会影响μ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。
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，即
。
水位初始埋深小于支持毛细水高度
时，埋深愈浅，μ越小。
水位降速愈快，μ偏小。
一般而言，层状土的给水度μ小于均值土层。
四、持水度
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，称作持水度（
）。
持水度与给水度、孔隙度的关系：
影响因素：
由上面公式可以得出，影响持水度的因素与影响给水度的因素相同。
在包气带中，当重力释水充分时，又没有受到蒸发、蒸腾消耗时的土层含水量，称作残留含水量（
）数值上相当于最大的持水度。
五、透水性
透水性——反映岩石允许水透过的能力
透水性：
是描述岩石允许水透过的难易程度的指标。
表征岩石透水性的定量指标是渗透系数。
关于渗透系数将在第四章专门讨论。
在此仅讨论影响岩石透水性的因素。
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（图2—10）。
（1）孔隙大小的影响：
当孔隙度一定而孔隙直径愈大，则圆管通道的数量愈少，但有效渗流断面愈大，透水能力就愈强；反之，孔隙直径愈小，透水能力就愈弱。
由图2—9可见，决定透水性好坏的主要因素是孔隙大小。
（2）孔隙度：
当孔隙直径大小相当时，只要孔隙直径达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。
图2—9理想圆管状空隙中重力水流速分布
图2—10理想化孔隙介质
（3）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）。
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
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2—11，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。
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