1、1Fundamentals of Hydrogeoloy2第二章第二章 岩石中的空隙与水岩石中的空隙与水2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 2.2 岩石空隙中水的存在形式岩石空隙中水的存在形式2.3 2.3 与水的储容运移有关的岩石水理性质与水的储容运移有关的岩石水理性质32.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙 Interstices in rocksl岩石岩石包括坚硬岩石及松散土。包括坚硬岩石及松散土。l空隙空隙岩、土中各种类型空洞的总称。岩、土中各种类型空洞的总称。l空隙是地下水的空隙是地下水的赋存场所赋存场所和和运移通道运移通道。 孔隙（孔隙（porepore）: : 松散
2、岩石颗粒间的空隙松散岩石颗粒间的空隙 空隙分为空隙分为 裂隙（裂隙（fissurefissure）: : 坚硬岩石破裂产生的空隙坚硬岩石破裂产生的空隙 溶穴（溶穴（cavecave）: : 可溶性岩石被溶蚀后产生的空隙可溶性岩石被溶蚀后产生的空隙42.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙分选好，排列疏松的砂分选好，排列疏松的砂分选好，排列紧密的砂分选好，排列紧密的砂分选不好，含泥砂的砾石分选不好，含泥砂的砾石部分胶结的砂岩5有结构空隙的粘土有结构空隙的粘土经过压缩的粘土经过压缩的粘土裂隙发育的岩石裂隙发育的岩石有溶隙和溶穴的可溶岩有溶隙和溶穴的可溶岩2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙6l
3、松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗粒或颗粒集合体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。之间的空隙，称为孔隙。l土体孔隙的描述内容包括：土体孔隙的描述内容包括： 孔隙的大小、多少、形状、连通程度与分布规律孔隙的大小、多少、形状、连通程度与分布规律l松散土体宏观上可以分为松散土体宏观上可以分为2 2大类：大类：砂性土砂性土与粘性土与粘性土2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙一、孔隙一、孔隙71 1、岩石颗粒愈粗，孔隙愈大；颗粒愈细，孔隙愈小岩石颗粒愈粗，孔隙愈大；颗粒愈细，孔隙愈小! !(1)(1)孔隙大小与孔隙大小与颗粒大小颗粒大小的关系：的关系：8(2)
4、(2)孔隙大小与孔隙大小与分选程度分选程度的关系：的关系：分选愈差，细粒占的比例愈大，孔隙愈小！分选愈差，细粒占的比例愈大，孔隙愈小！胶结程度越好，充填物越多，孔隙愈小！胶结程度越好，充填物越多，孔隙愈小！a试样的孔隙为细颗粒形成的小孔隙。试样的孔隙为细颗粒形成的小孔隙。 思考：下列思考：下列2 2种试样哪种孔隙大？种试样哪种孔隙大？a9：孔喉孔喉( (d)d)与孔腹与孔腹 ( (d)d)孔喉对水流影响更大，孔隙大孔喉对水流影响更大，孔隙大小可用孔喉直径进行比较。小可用孔喉直径进行比较。立方体排列：立方体排列： d=0.414D d=0.414D四面体排列：四面体排列： d=0.155D d=
5、0.155D颗粒排列愈紧密，孔隙越小！颗粒排列愈紧密，孔隙越小！(3)(3)颗粒排列方式颗粒排列方式对孔隙大对孔隙大 小的影响小的影响ABCOABCDO101、影响孔隙大小的因素主要有：、影响孔隙大小的因素主要有：颗粒大小；颗粒排列；分选及胶结充填程度，形状颗粒大小；颗粒排列；分选及胶结充填程度，形状颗粒愈粗，分选愈好，排列愈疏松，胶结充填程度愈差，孔颗粒愈粗，分选愈好，排列愈疏松，胶结充填程度愈差，孔隙愈大；隙愈大； 反之愈小反之愈小2、天然松散岩石的孔隙特征：复杂的空隙网络。、天然松散岩石的孔隙特征：复杂的空隙网络。宏观上宏观上均质各向同性的连续均质各向同性的连续的空隙网络；的空隙网络；微
6、观上微观上非均质各向异性的连续非均质各向异性的连续的空隙网络。的空隙网络。小结：小结：112 2、孔隙度、孔隙度(porosity)及其影响因素及其影响因素l孔隙度的大小与哪些因素有关？孔隙度的大小与哪些因素有关？l孔隙大孔隙度也大吗？孔隙大孔隙度也大吗？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。概念：概念：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。通常用积所占的比例。通常用 n n 表示表示%100TnVVn12？下面试样哪个孔隙度大？哪个小？下面试样哪个孔隙度大？哪个小？ 试样：试样：a a砾
7、石，砾石，b b砂石，砂石，c c砂砾混合样砂砾混合样假设假设a a与与b b为等粒的理想圆球体，经计算：为等粒的理想圆球体，经计算：n n砂砂= =n n砾砾说明：说明：孔隙度与颗粒大小无关！孔隙度与颗粒大小无关！13砂样与砾石样混合时，砾石样中孔隙体积变小，因此孔隙度砂样与砾石样混合时，砾石样中孔隙体积变小，因此孔隙度变小。变小。当粗细颗粒完全混合时，混合样的孔隙度：当粗细颗粒完全混合时，混合样的孔隙度：n n混混= =n n粗粗n n细细因此影响孔隙度大小的主要因素是试样的因此影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度分选程度，分选愈，分选愈差，孔隙度愈小！差，孔隙度愈小！（1 1）分选程
8、度分选程度与孔隙度的关系与孔隙度的关系14（2 2）颗粒排列方式颗粒排列方式对孔隙度的影响对孔隙度的影响 理想最疏松排列（立方体）：孔隙度为理想最疏松排列（立方体）：孔隙度为47.64%47.64%； 理想最紧密排列（四面体）：孔隙度为理想最紧密排列（四面体）：孔隙度为25.95%25.95%。 在实际中，天然砂砾石孔隙度一般介于两者之间。在实际中，天然砂砾石孔隙度一般介于两者之间。 排列愈紧密，孔隙度愈小。排列愈紧密，孔隙度愈小。 胶结程度高，孔隙度愈小。胶结程度高，孔隙度愈小。15自然界中松散岩石的孔隙度自然界中松散岩石的孔隙度（P17P17表表2-12-1）。）。岩石名称岩石名称 砾石砾
9、石 砂砂 粉砂粉砂 粘土粘土空隙度空隙度(%) 25(%) 2540 2540 2550 3550 3550 4050 4070 70 与前面的分析矛盾！为什么？与前面的分析矛盾！为什么？矛盾之一：矛盾之一：粒径愈小粒径愈小，孔隙度愈大！孔隙度愈大！矛盾之二：矛盾之二：为何粘性土的孔隙度超过最疏松排列的为何粘性土的孔隙度超过最疏松排列的47.64%47.64%， 可达可达70%70%？16l 粘土颗粒粘土颗粒指直径指直径0.0050.005mmmm的颗粒的颗粒）；）；l 粘性土颗粒细小，比表面积大，连结力强；颗粒表面带电，粘性土颗粒细小，比表面积大，连结力强；颗粒表面带电，粘粒在悬浮、推移、互
10、相接触时，易连结起来形成粘粒团，粘粒在悬浮、推移、互相接触时，易连结起来形成粘粒团，细小粘粒集合（团）构成细小粘粒集合（团）构成颗粒集合体。颗粒集合体。颗粒集合体在重力颗粒集合体在重力作用下沉积下来，形成蜂窝或絮状结构。作用下沉积下来，形成蜂窝或絮状结构。l 粘土孔隙：粘土孔隙：粒间孔隙粒间孔隙粘粒之间的空隙；粘粒之间的空隙； 结构孔隙结构孔隙集合体与集合体之间的空隙；集合体与集合体之间的空隙； 次生孔隙次生孔隙虫孔、根系孔、干裂缝等。虫孔、根系孔、干裂缝等。17集合体间的孔隙示意图集合体间的孔隙示意图18粘性土团聚结构示意图粘性土团聚结构示意图（a a）蜂窝结构；（）蜂窝结构；（b b）絮状
11、结构；（）絮状结构；（c c）非均粒团聚结构）非均粒团聚结构19粘性土中的次生孔隙粘性土中的次生孔隙虫孔、根孔、裂缝等虫孔、根孔、裂缝等粘性土中结构孔隙和次生孔隙的存在，使得粘性土的孔隙率超粘性土中结构孔隙和次生孔隙的存在，使得粘性土的孔隙率超过理论最大值很多。过理论最大值很多。20小结：小结：影响孔隙度大小的因素主要有：分选；颗粒排列；影响孔隙度大小的因素主要有：分选；颗粒排列； 胶胶结充填程度；结充填程度； 结构及次生孔隙。结构及次生孔隙。思考题：思考题：分析一条河流从上游到下游沉积物的孔隙大小及孔分析一条河流从上游到下游沉积物的孔隙大小及孔隙度的变化规律。隙度的变化规律。21固结坚硬岩石
12、一般仅残存很小部分的颗粒间的孔隙，主要发固结坚硬岩石一般仅残存很小部分的颗粒间的孔隙，主要发育因各种内外力作用产生的裂隙：育因各种内外力作用产生的裂隙：风化（卸荷）裂隙、成岩风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙裂隙、构造裂隙裂隙的空间形态：两向延伸长、横向延伸短的裂隙的空间形态：两向延伸长、横向延伸短的“饼状饼状”从水的从水的赋存与运移角度赋存与运移角度，裂隙描述内容包括：，裂隙描述内容包括：1)1) 连通性（裂隙的组数、产状、长度和密度）连通性（裂隙的组数、产状、长度和密度）2)2) 张开性（裂隙宽度）张开性（裂隙宽度）3)3) 裂隙率等裂隙率等二、裂隙二、裂隙( (fissurefissu
13、re，fracture)fracture)2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙22三、溶穴（三、溶穴（Cavity)溶穴：溶穴：可溶岩在地下水溶蚀作用下产生的空隙。可溶岩在地下水溶蚀作用下产生的空隙。 溶孔、溶隙、溶穴、溶洞等溶孔、溶隙、溶穴、溶洞等对可溶岩要描述岩溶发育特征（裂隙对可溶岩要描述岩溶发育特征（裂隙+ +溶洞）溶洞）1 1）岩溶发育方向）岩溶发育方向 2 2）岩溶率）岩溶率-表示岩溶发育程度表示岩溶发育程度3 3）溶洞（方向、规模等）溶洞（方向、规模等）2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙23l松散岩石中的孔隙分布于颗粒之间，连通良好，分布均匀，在不同方向上，孔隙的通道和
14、多少都很接近。赋存于其中的地下水分布与流动都比较均匀；l坚硬岩石中的裂隙是宽窄不等，长度有限的线状缝隙，往往具有一定的方向性。只有当不同的裂隙相互切穿连通时，才能在某一范围内构成彼此连通的裂隙网络。裂隙的连通性远较孔隙差。因此，赋存于裂隙基岩中的地下水相互联系比较差，分布与流动往往是不均匀的；l可溶岩石的溶穴是一部分原有裂隙与原生孔隙、裂隙溶蚀扩大而成的，空隙大小极为悬殊且分布极不均匀。因此，赋存于可溶岩石中的地下水分布与流动通常极为不均匀的。四、空隙特征的比较（三种空隙）四、空隙特征的比较（三种空隙）24四、空隙特征的比较四、空隙特征的比较由空隙所构成的岩石称为由空隙所构成的岩石称为。含水介
15、质有三种：孔隙介质、。含水介质有三种：孔隙介质、裂隙介质、溶穴介质。裂隙介质、溶穴介质。孔隙介质最好，其它较差孔隙介质最好，其它较差孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀；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，溶穴极悬殊孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊孔隙介质最大，裂隙最小孔隙介质最大，裂隙最小孔隙介质属各向同性，裂隙与溶穴为各向异性孔隙介质属各向同性，裂隙与溶穴为各向异性造成空隙介质造成空隙介质差异的主要原因差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的地质环：沉积物形成和空隙形成的地质环境差异。境差异。25 思考题：思考题：（1 1）什么叫孔隙度？孔
16、隙度大与孔隙大有区别吗？）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？（2 2）粘性土孔隙度大）粘性土孔隙度大, ,是主要含水层吗？是主要含水层吗？262.2 2.2 岩石空隙中的水存在形式岩石空隙中的水存在形式重力水重力水毛细水毛细水岩石空隙中岩石空隙中水的存在形式水的存在形式结合水结合水液态水液态水固态水固态水气态水气态水强结合水强结合水弱结合水弱结合水27l定义：定义：附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水，称为结合水。附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水，称为结合水。l成因：成因：固相表面与水分子间存在静电引力相互吸引，其间引力大小服固相表面与水分子间存在静电引力相互吸引，其间引力大
17、小服从库仑定律，随离固体表面的距离加大而减弱，结合水的物理性质随从库仑定律，随离固体表面的距离加大而减弱，结合水的物理性质随之变化。内：强，外：弱。之变化。内：强，外：弱。l性质：性质：结合水具有固态和液态水的双重性质；具有一定的抗剪强度，结合水具有固态和液态水的双重性质；具有一定的抗剪强度，即自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动及变形。即自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动及变形。l意义：意义：结合水膜很薄，当孔隙直径小于结合水膜很薄，当孔隙直径小于2 2倍结合水膜厚度时，孔隙中只倍结合水膜厚度时，孔隙中只含有不能自由运动的结合水（无效空隙空间）。含有不能自由运动的结合水（无
18、效空隙空间）。一、结合水（一、结合水（absorbed water, bounded water）28强结合水：强结合水：几个几个几百个水分子厚度，引力几百个水分子厚度，引力1012 1012 MpaMpa，密度密度2 2g/cmg/cm3 3；不流动，可蒸发。不流动，可蒸发。弱结合水：弱结合水：几十个几百个几十个几百个几千个水分子厚度，水分子排列没几千个水分子厚度，水分子排列没有强结合水紧密，能部分被植物吸收。有强结合水紧密，能部分被植物吸收。29二、重力水（二、重力水（gravitational water）l定义：定义：远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响远离固相表面，水分子受固相
19、表面吸引力的影响极其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运动。极其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运动。l意义：意义：重力水具有非常重要的实用价值。地层岩石空隙重力水具有非常重要的实用价值。地层岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出（抽出），为人们所用，因此重力水是水文地质学研究（抽出），为人们所用，因此重力水是水文地质学研究的主要对象。的主要对象。30三、毛细水（三、毛细水（capillary water）l毛细现象毛细现象：把细管插入水中，水上升至一定：把细管插入水中，水上升至一定高度停下来。高度停下来。l毛细水受固
20、体表面吸引力、液体表面张力和毛细水受固体表面吸引力、液体表面张力和液体重力的共同作用。毛细力是在三相界面液体重力的共同作用。毛细力是在三相界面上弯液面引起的附加表面压力。上弯液面引起的附加表面压力。 毛细管管径越小，毛细力越大，毛细上升高度毛细管管径越小，毛细力越大，毛细上升高度也越大。也越大。31 松散松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，故地下水面以上广泛岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，故地下水面以上广泛 存在毛细水。存在毛细水。a) a) 支持毛细水（支持毛细水（supporting CWsupporting CW） 在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水升降在地下水面支持下存在
21、的（附着水面上的），随地下水升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关。而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关。b) b) 悬挂毛细水（悬挂毛细水（suspension CWsuspension CW） 指地下水面以上，岩石细小孔隙中保留的水分。指地下水面以上，岩石细小孔隙中保留的水分。3233c) c) 孔角毛细水（触点毛细水）孔角毛细水（触点毛细水）颗粒与颗粒之间相互接触，接颗粒与颗粒之间相互接触，接触点附近孔径最小，形成孔角触点附近孔径最小，形成孔角毛细水毛细水思考：孔角毛细水与悬挂毛细水有何不同？思考：孔角毛细水与悬挂毛细水有何不同？孔角毛细水是孤立的，而悬挂毛细水似串珠状
22、且连续分布的。孔角毛细水是孤立的，而悬挂毛细水似串珠状且连续分布的。34思考：思考：1.1.上细下粗土层，滴水，水停留在何处？上细下粗土层，滴水，水停留在何处？2.2.黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？ 滴水 下雨 砂土 黄土 器皿 砾石35 水文地质学中水理性质是指与水分水文地质学中水理性质是指与水分储存、释出与运移储存、释出与运移有有关的性质。关的性质。一、含水量一、含水量 松散岩石实际保留水分的状况。用重量含水量和体积含松散岩石实际保留水分的状况。用重量含水量和体积含水量表示。水量表示。 饱和含水量饱和含水量( ( s s) )：孔隙充分
23、饱水时的含水量。孔隙充分饱水时的含水量。 残留含水量残留含水量( ( 0 0) )：包气带重力释水后未受蒸发、蒸腾消耗时包气带重力释水后未受蒸发、蒸腾消耗时的含水量。的含水量。 2.3 2.3 与水的储容及运移有关的岩石性质与水的储容及运移有关的岩石性质36岩石能容纳一定水量的性能称为岩石的容水性。其度量岩石能容纳一定水量的性能称为岩石的容水性。其度量指标为容水度。指标为容水度。容水度：岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩容水度：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。石总体积之比。孔隙度孔隙度n n与容水度与容水度n nr r两者有何关系两者有何关系? ? 一般有：一般有：
24、 n = nn = nr r（反映岩石最大含水能力）反映岩石最大含水能力）n nr r37三、给水度（三、给水度（specific yieldspecific yield） 1 1、定义：、定义：当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度。石柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度。当水位下降时，土层孔隙中是否所有的水都流出来？当水位下降时，土层孔隙中是否所有的水都流出来？在土层中会保留什么形式的水？在土层中会保留什么形式的水？结合水膜，孔角毛细水，有时有悬挂毛细水与支持毛细水结合水膜，孔角毛细
25、水，有时有悬挂毛细水与支持毛细水。100%wVV总382 2、影响、影响值的因素值的因素l粘土、细砂、粗砂、砾石等试样相比较，哪种试样给水粘土、细砂、粗砂、砾石等试样相比较，哪种试样给水度大。度大。 a) a) 岩性：岩性：对对值的影响主要表现在孔隙大小与多少。值的影响主要表现在孔隙大小与多少。l空隙大的样品，给水度大，空隙大的样品，给水度大，nnl颗粒细小者，如粘土比表面积大，结合水与孔角毛细水颗粒细小者，如粘土比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多，给水度很小。残留多，给水度很小。39402 2、影响、影响值的因素值的因素lb)b) 地下水位初始埋深（地下水位初始埋深（H H0 0）l当地下
26、水位初始埋深大于支持毛细水带高度时（当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时（H H0 0h hc c） , ,可达最大可达最大值。值。l土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化（为定值），此时给水度为最大理论给水度。（为定值），此时给水度为最大理论给水度。lH H0 0h hc c时，地下水位下降时，地下水位下降1 1个高度时，原重力水大多转化为支持毛细水，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，土层给水量大大降低，变小。变小。00)(sshh41给水度小结给水度小结1 1、均质土，当地下水位
27、初始埋深大于、均质土，当地下水位初始埋深大于h hc c， 降速缓慢，降速缓慢，=S S-0 02 2、初始埋深小于初始埋深小于h hc c时，埋深愈浅，时，埋深愈浅，3 3、水位降速愈快，水位降速愈快，4 4、一般而言，层状土一般而言，层状土小于均质土。小于均质土。4243持水能力持水能力在重力影响下岩石最大保持水分的能力。在重力影响下岩石最大保持水分的能力。持水度：持水度：饱水岩层在重力作用下自由释水后仍然保留饱水岩层在重力作用下自由释水后仍然保留在岩石空隙中的水体积与岩石总体积之比在岩石空隙中的水体积与岩石总体积之比给水度、空隙度、持水度三者关系？给水度、空隙度、持水度三者关系？rSn
28、四、持水度四、持水度SrSrspecific retentionspecific retention）44五、透水性（五、透水性（permeabilitypermeability） l透水性指：透水性指：岩石容许透过水的能力，岩石容许透过水的能力，表征岩石透水性的指表征岩石透水性的指标是渗透系数。标是渗透系数。l岩石空隙直径越大岩石空隙直径越大透水能力越强透水能力越强透水性越好！透水性越好！l分选性对岩石透水性影响很大。分选性对岩石透水性影响很大。45本章回顾：l1.1.孔隙（孔隙度）；裂隙（裂隙率）；溶穴（岩溶率）孔隙（孔隙度）；裂隙（裂隙率）；溶穴（岩溶率）l2.2.影响孔隙和孔隙度大少的因素？影响孔隙和孔隙度大少的因素？l3.3.重力水；毛细水；结合水重力水；毛细水；结合水l4.4.容水度；含水量；给水度；持水度；透水性容水度；含水量；给水度；持水度；透水性46Thank you
