1、Fundamentals of Hydrogeology水文地质学水文地质学第二章 岩石中的空隙与水The Interstices and Water in Rocks本章内容本章内容2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 空隙中的水空隙中的水 2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质2.1岩石中的空隙岩石中的空隙v 岩石岩石水文地质学中指坚硬的岩石和松散的土层。水文地质学中指坚硬的岩石和松散的土层。v 空隙空隙岩、土中各种类型孔隙的总称。岩、土中各种类型孔隙的总称。v 空隙空隙是地下水赋存场所（是地下水赋存场所（places)和运移通道（和运移通道（conduits)v 空隙分为空隙分为1.孔隙
2、（孔隙（pore)unconsolidated soil（第四纪地质学第四纪地质学）2.裂隙（裂隙（fissure)hard rock（构造地质学构造地质学）3.溶穴（溶穴（cavity)dissoluble rock（岩溶地貌学岩溶地貌学）工程地质学工程地质学是从土层的物理力学指标（性能）来讨是从土层的物理力学指标（性能）来讨论，如土的压缩性和强度变形。论，如土的压缩性和强度变形。下边以孔隙为例，讨论描述空隙性有关的概念，参数下边以孔隙为例，讨论描述空隙性有关的概念，参数（指标）和分析方法。（指标）和分析方法。2.1.1 孔隙孔隙孔隙（孔隙（pore,void）土体孔隙的描述有：孔隙大小、多
3、少、形状、连通情况土体孔隙的描述有：孔隙大小、多少、形状、连通情况松散土体宏观上分为松散土体宏观上分为2 2大类：砂性土类和粘性土类大类：砂性土类和粘性土类1 1、砂砾石孔隙大小及影响因素、砂砾石孔隙大小及影响因素v 试样试样aa砾石、试样砾石、试样b b砂土样品、试样砂土样品、试样c c砂砾混合样品砂砾混合样品？问题：试样问题：试样a a和和b b哪种孔隙大？哪种孔隙小？孔隙大小有关？哪种孔隙大？哪种孔隙小？孔隙大小有关？v 简单归纳：砂砾石土的孔隙大小与什么有关？简单归纳：砂砾石土的孔隙大小与什么有关？颗粒颗粒大小、排列大小、排列（立方体或四面体）、（立方体或四面体）、等等v 孔隙大小特征
4、的描述：孔隙大小特征的描述：设松散岩石颗粒为等粒圆球设松散岩石颗粒为等粒圆球,颗粒直径为颗粒直径为D,D,则则 孔喉（孔喉（d d）d=0.414D (d=0.414D (孔隙通道最细小部分孔隙通道最细小部分)孔腹（孔腹（d)dd)d=0.732D(=0.732D(孔隙通道最宽大部分孔隙通道最宽大部分)下图表示不同粒度等粒岩石的孔隙大小及排列形式下图表示不同粒度等粒岩石的孔隙大小及排列形式孔隙与粒径关系孔隙与粒径关系立方体排列与立方体排列与四面体排列四面体排列2.1.1孔隙孔隙2 2、砂砾石的孔隙度（、砂砾石的孔隙度（porosityporosity）及其影响因素）及其影响因素孔隙度是描述松散
5、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v 定义：定义：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙所占的比某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙所占的比例。通常用例。通常用n n表示表示v？问：孔隙度的大小与什么有关？问：孔隙度的大小与什么有关？与颗粒的大小有关？与颗粒的大小有关？a a、与排列有关、与排列有关紧密与疏松紧密与疏松理想最疏松孔隙度为理想最疏松孔隙度为47.64%47.64%，最紧密排列孔隙度为，最紧密排列孔隙度为25.95%25.95%b b、与分选有关、与分选有关下边试样哪个孔隙度大，哪个小？下边试样哪个孔隙度大，哪个小？试样：砾石砂石混合样试样：砾石
6、砂石混合样v 完全混合试样时：孔隙度完全混合试样时：孔隙度n n混混n n砂砂n n砾砾v影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度)(n)100%n空隙的体积(V孔隙度松散岩石的总体积(V)孔隙与粒径关系孔隙与粒径关系2.1.1孔隙孔隙v 自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的有些不同自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的有些不同松散岩石孔隙度参考值松散岩石孔隙度参考值v 矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大吗？矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大吗？v 矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%达到达到70%岩石名称岩石名
7、称砾石砾石砂砂粉砂粉砂粘土粘土孔隙度孔隙度25-40%25-50%35-50%40-70%2.1.1孔隙粘土孔隙粘土3、粘性土的孔隙与孔隙度v粘土颗粒粘土颗粒v粘土孔隙粘土孔隙 粘性土如同海绵、蜂窝、絮状结构粘性土如同海绵、蜂窝、絮状结构l粘性土是指土体颗粒直径粘性土是指土体颗粒直径0.005mm的直径的直径l粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连续力强粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连续力强l粘粒在悬浮推移接触时，就会联接起来形成粘粒在悬浮推移接触时，就会联接起来形成“粘粒团粘粒团”l细小粘粒集合（团）构成（成为）颗粒集合体细小粘粒集合（团）构成（成为）颗粒集合体l集合体与集合体结合构成集合体与
8、集合体结合构成粘性土粘性土的沉积结构特征的沉积结构特征l结构孔隙结构孔隙集合体与集合体、粘粒与粘粒之间集合体与集合体、粘粒与粘粒之间l次生孔隙次生孔隙虫虫孔孔、根孔、裂隙裂痕、根孔、裂隙裂痕蒙脱石、片状粘土矿物蒙脱石、片状粘土矿物淤泥粘土淤泥粘土粘性土的结构，不同比例电镜扫描片粘性土的结构，不同比例电镜扫描片分选好，排列松的砂分选好，排列松的砂分选良好，排列紧密的砂分选良好，排列紧密的砂含泥砂砾石含泥砂砾石部分胶结的砂岩部分胶结的砂岩结构性孔隙粘土结构性孔隙粘土经过压缩的经过压缩的粘土粘土具有裂隙的岩石具有裂隙的岩石溶隙、溶穴的可溶岩溶隙、溶穴的可溶岩松散孔隙松散孔隙粘土孔隙粘土孔隙裂隙溶隙裂
9、隙溶隙2.1.2裂隙裂隙v裂隙（裂隙（fissure fracture）固结的坚硬岩石中，一般仅残存很少的孔隙，而存在有固结的坚硬岩石中，一般仅残存很少的孔隙，而存在有各种内外地质应力作用而产生的裂隙（裂缝）各种内外地质应力作用而产生的裂隙（裂缝）裂隙：裂隙：是纵向延伸长、横向延伸短的是纵向延伸长、横向延伸短的“饼状空隙饼状空隙”，单，单个裂隙是独立的。个裂隙是独立的。v 裂隙岩体裂隙岩体：从水的赋存和运移角度，裂隙描述包括：从水的赋存和运移角度，裂隙描述包括1）裂隙的连通性（组数、产状、长度、密度）裂隙的连通性（组数、产状、长度、密度）2）张开性（裂隙宽度）张开性（裂隙宽度）3）裂隙率等）裂
10、隙率等r)(K)100%r裂隙的体积(V裂隙率岩石的总体积(V)2.1.2裂隙裂隙按成因：成岩裂隙、构造裂隙、风化（卸荷）裂隙按成因：成岩裂隙、构造裂隙、风化（卸荷）裂隙S 成岩裂隙：成岩裂隙：成岩中冷凝收缩、固结干缩产生成岩中冷凝收缩、固结干缩产生(岩浆岩岩浆岩)S 构造裂隙：构造裂隙：构造变动中受力产生的构造变动中受力产生的(具有方向性具有方向性)S 风化裂隙：风化裂隙：风化营力作用下产生的风化营力作用下产生的(地表附近地表附近)岩石名称岩石名称裂隙率裂隙率%岩石名称岩石名称裂隙率裂隙率%各种砂岩各种砂岩3.215.2正长岩正长岩0.5-2.8石英岩石英岩0.008-3.4辉成岩辉成岩0.
11、6-2.0各种片岩各种片岩0.5-1玢岩玢岩0.4-6.7片麻岩片麻岩0-2.4玄武岩玄武岩0.6-1.3花岗岩花岗岩0.02-1.9玄武岩流玄武岩流4.4-5.6不同岩石裂隙率变化不同岩石裂隙率变化风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙砂岩岩芯中的空隙砂岩岩芯中的空隙2.1.3溶穴溶穴在裂隙的基础上，水流对可溶岩进一步作用的结果在裂隙的基础上，水流对可溶岩进一步作用的结果是扩大了的裂隙是扩大了的裂隙溶穴：溶穴：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等岩溶岩体：岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙溶洞）裂隙溶洞）1
12、1）岩溶发育方向）岩溶发育方向2 2）溶蚀率）溶蚀率钻孔岩溶发育程度钻孔岩溶发育程度3 3）溶洞（方向、规模等）溶洞（方向、规模等）2.1.4孔隙特征对比孔隙特征对比空隙特征比较空隙特征比较v 含水介质含水介质由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介质场。含水介质的空间分布与连通特征（为介质场。含水介质的空间分布与连通特征（孔隙含水介质、孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶质含水介质裂隙含水介质、溶质含水介质）不同，三种主要类型的含水）不同，三种主要类型的含水介质比较：介质比较：v 连通性连通性孔隙介质最好，其它较差孔隙介质最好，其它较差v 空间分布空间分
13、布孔隙介质分布均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀孔隙介质分布均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀v 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v 孔隙比率孔隙比率孔隙介质最大，裂隙最小孔隙介质最大，裂隙最小v 空隙渗透性空隙渗透性孔隙介质各性同性；裂隙与溶穴各向异性孔隙介质各性同性；裂隙与溶穴各向异性造成空隙介质上述差异的主要原因造成空隙介质上述差异的主要原因是是沉积物形成和空隙形成沉积物形成和空隙形成的环境的环境岩石中空隙思考题岩石中空隙思考题思考题：思考题：1 1）什么叫孔隙度？孔隙度大）什么叫孔隙度？孔隙度大小小与孔隙大与孔隙大小小有何区有何区别？别？2 2）粘性土孔隙度大）粘性土孔隙度大是含水层吗？是含水层吗？3 3）试总结砂砾类土体的空隙形状特点？）试总结砂砾类土体的空隙形状特点？4 4）坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异）坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同？（查阅有关资料和文献回答）同？（查阅有关资料和文献回答）
