《水文地质学基础教学课件》第二章 岩石中的空隙与水2
《水文地质基础》第二章 岩石中的空隙与水分
松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙； 坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉积岩往 往存在大量的原生孔隙，其数量可大大超过裂隙与溶穴。
第1节 岩石中的空隙—三者比较
不同地区岩性空隙度比较
地区
岩性
孔隙度（%） 裂隙率（%）
中国北京西山 地区
美国斯普拉贝 尔油田
前苏联斯涅别 林斯基油田
慢。
第2节 岩石中水的存在形式— （矿物表面）结合水
– 溶解盐类能力较弱 – 冰点为-15℃ – 有一定的粘滞性和抗剪强度 – 在一定条件下（饱水带）可传递静水压力 – 弱结合水的外层能被植物吸收利用
第2节 岩石中水的存在形式— 毛细水(capillary water)
概念
依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。 毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的 孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
岩石中的空隙 岩石中的水分 岩石的水理性质 含水层与含水系统
第1节 岩石中的空隙
岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。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。
孔隙 – 松散沉积物中的空隙 裂隙 – 坚硬岩石地层中的空隙 溶穴 – 可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙
毛细现象及实质
将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升 到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛 细现象。 其实质是毛细张力的作用。
形弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强，称毛细负压。
毛细上升高度hc(capillary height)和毛细上 升速度
式中D的单位为mm，Pc为毛细压力。 对主曲率半径分别为R1和R2的毛细空隙，拉普拉斯公式：
水文地质学基础课件——第二章 岩石中的孔隙与水
第1节 岩石中的空隙—孔隙
影响孔隙大小的因素：
孔隙大小与岩石颗粒的分选程度的关系： ？ 问：下列2种试样哪种孔隙大？
a—砂砾混合样
b—砾
a试样的孔隙为细颗粒形成的小孔石隙。
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！
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
影响孔隙大小的因素：
孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标 定义：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 n 表示
n Vn 100 % VT
？问：孔隙度的大小与什么有关？——与颗粒大小有关？ a. 与排列有关——紧密与疏松 理想最疏松孔隙为47.64%，最紧密排列孔隙为25.95%。 b. 与分选有关——下面试样哪个孔隙度大？哪个小？ 试样：①砾石 ②砂石 ③混合样
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
颗粒排列方式对孔隙度的影响 理想最疏松排列（立方体）：孔隙度为 47.64%； 理想最紧密排列（四面体）：孔隙度为 25.95%。 排列愈紧密孔隙度愈小。
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
粘性土的孔隙与孔隙度
粘土颗粒（指直径<0.005mm的颗粒）； 粘性土颗粒细小，比表面积大，连结力强；颗粒表面带 电，
达到70%
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
这里与粒径的关系是：粒径愈小，孔隙度愈大！
与以上分析有矛盾！为什么？ 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。 当粗细颗粒完全混合时，混合样的孔隙度：
n混=n粗×n细 因此影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度， 分选愈差，孔隙度愈小！ 为何粘性土的孔隙度超过最疏松排列的47.64%可达 70%？
第2讲岩石中的孔隙与水分
有电荷，水分子又是偶极体，由于静电吸引， 固相表面具有吸附水分子的能力（图2-6）。
根据库仑定律，电场强度与距离平方成反比。
故离固相表面很近的水分子受到静电引力很大； 随着距离增大，吸引力减弱，而水分子受自身 重力的影响就愈显著。
结合水的概念：
受固相表面的引力大于水分子自身重
力的那部分水，称为结合水。
小。
细小颗粒充填于粗大颗粒之间的孔隙中，自然
会大大降低孔隙度。
当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成，且粗
大颗粒之间的孔隙完全为细小颗粒所填充时，则孔 隙度等于由粗粒和细粒单独组成时孔隙度的乘积。
形状对孔隙度的影响：
形状愈不规则，棱角愈明显，排列 就愈松散，n愈大
自然界中的岩石的颗粒形状多是不规则
地表以下剖面上各种状态的水在岩层中的分布图
岩土的水理性质
概念：
指岩土控制水活动的性质
容水性
岩土主要水理性质：
含水性
持水性 给水性 透水性
1.容水性（容水度）
定义：
指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体 积与岩石总体积的比值。可用小数或百分数表 示。 一般来说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。
三、与水的储容及运移有关的岩石性质
影响水的储容及运移的因素：
岩石空隙大小、多少、连通程度及
其分布均匀度。
控制水活动的因素：
岩石的容水性、含水性、给水性、
持水性、透水性
•水在岩土中的赋存形式
1一湿度不足带分布有气态水、吸着水; 2一温度饱和带分布有气态水、吸着水、薄膜水; 3一上升毛细水带; 4一无压重力水带; 5一粘土层; 6一承压重力水带
水文地质学 第二章 岩石中的空隙与水分1.
注意： 图示三种颗粒直径不同的等粒岩石，排列
方式相同时，孔隙度完全相同。
② 颗粒的分选性（颗粒的均匀程度）
((aa))
（a）等径圆球按立方体排列， 孔隙度为47.64%；
(b()b)
（b）圆球按立方体排列， 空隙为小颗粒所充填， 孔隙度大为下降。
③ 颗粒的形状
颗粒形状愈是不规则，棱角越是明显，突出 部分互相接触，会使颗粒架空，通常排列就越松 散，n也越大。
故有：
V —岩石总体积(包括孔隙在内用）孔隙比；
ε＝n/（1－n）
孔隙比（ε）：
而涉及水的储容与 流动时，则采用孔隙
ε＝ Vn / Vs
或ε＝ Vn
/
V
s
度。
×100％
式中：Vs —固体颗粒的体积
2.影响孔隙度的因素
孔隙度的大小取决于以下因素： ① 颗粒的排列情况（即岩石的密实程度） ② 颗粒的分选性（颗粒的均匀程度） ③ 颗粒的形状 ④ 颗粒的胶结充填情况 ⑤ 结构孔隙及次生空隙（对粘性土）
岩溶率
衡量溶隙多少的定量指标。可用下式表示：
KK
VK V
或
KK
VK V
100%
式中: Kk ——岩石岩溶率；Vk ——岩石中溶隙或溶穴的体积； V ——岩石总体积。（包括溶隙在内）
注意： 自然界岩石中空隙的发育状况要复杂得多. 松散岩石、坚硬基岩和可溶岩石中的空隙网络 具有不同的特点。
综上所述，岩石越松散，分选越好，
圆度和胶结程度越差时，n越大。
3.孔喉，孔腹：
孔喉：孔隙通道最细 小的部分
孔腹：最宽大的部分
孔喉对水流动的 影响更大，讨论孔隙 大小时可以用孔喉直 径进行比较。
4.影响孔隙大小的因素
水文地质学-第2章岩石中的空隙与水份
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第二章 岩石中的空隙与水分
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第二章 岩石中的空隙与水分
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四、岩石中的空隙小结
1、岩石中的空隙是研究地下水的基础 2、分布特点：孔隙主要分布于松散堆积物中，分布广 泛，联通均匀 裂隙分布于坚硬岩石中，分布不均 溶穴分布可溶性岩石中，分布不均 3、孔隙度，运用范围广；裂隙率、岩溶率受到地区限 制，运用不广，代表性不强。三者定义也各不相同。 4、裂隙率和岩溶率可以直接评价赋水性，孔隙度加孔 隙大小才可评价。 5、孔隙度及其影响因素。 按岩层的空隙类型分为三种类型地下水：①孔隙水；② 裂隙水；③岩溶水。
§2.3 与水储容及运移有关的岩石性质
四、透水性 1、透水性：岩石允许水透过的能力叫做透水性。 2、定量指标：渗透系数 3、影响透水性的因素： 1）空隙的大小和联通情况，特别是最小空隙直 径的影响，平均孔隙直径。 2）孔隙度：粘土和砂砾石孔隙度的区别。 颗粒的分选性，决定孔隙的变化和曲折性。
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水文地质学
第二章 岩石中的 空隙与水分
第二章 岩石中的空隙与水分 §2.1 岩石中的空隙
岩石的空隙是地下水储存和运移的先决 条件，空隙的多少、大小、形状、联通状况 和分布规律，决定着地下水的埋藏、分布和 运动。 将岩石空隙作为地下水储存场所和运动 通道研究时，可分为三类，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。
第二章 岩石中的空隙与水分
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在花岗岩闪长岩岩体边坡上，分布大量陡于80°倾角的 构造裂隙。
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第二章 岩石中的空隙与水分
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§2.1.3 溶穴
1、溶穴：起因于水的溶蚀，在可溶岩（白云 岩、岩盐、石膏、石灰岩等）中形成的空洞 （溶隙）。 （cavity）-- soluble rock 2、岩溶率：Kk=Vk/V 特点：岩溶率的变化范围很大，且在相邻很近 地点处岩溶率完全不同，同一地点的不同深 度处岩溶率也有很大变化。
2.水文地质学基础-岩石中的空隙与水解析
2.2 岩石中水的存在形式
结合水和重力水
结合水与重力水
（a）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；（b）箭头代表水分子所受合力方向
2.2 岩石中水的存在形式
2.2.2 重力水 重力水是指距离固体表面更远、重力对其影响大于固体表面对
其吸引力、能在重力影响下自由运动的那部分水。 井、泉所采取的均为重力水，为水文地质学的主要研究对象。
持水度（Sr）（specific retention）是指地下水位下降一个 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 中的水的体积。常用小数表示，无量纲。存在关系式：m + Sr = n。
有溶隙和溶穴的可溶岩
2.1 岩石中的空隙
2.1.2 孔隙
（1）孔隙是指松散岩石中颗粒或其集合体之间的空隙。 特点：①呈小孔状，②分布均匀且密集，③连通性好。 （2）孔隙度是指某一体积岩石（包括颗粒骨架和孔隙在内）中 孔隙体积所占的比例。 孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标
VT=Vn+Vs,其中n为孔隙度，Vn为孔隙体积，Vs 为岩石固体颗 粒体积，VT为岩石总体积。
气态水
Vaporous water
结构水，以H+和OH-离子的形式存在于矿物结晶格架某一位置上的水。
结晶水是矿物结晶构造中的水，以H2O分子形式存在于矿物结晶格架固 定位置上的水。
沸石水(zeolite water)：方沸石（Na2Al2Si4O12•nH2O）。
2.2 岩石中水的存在形式
气态水、固态水 岩石空隙中的这部分水含量小。其
2.3岩石的水理性质
2.3岩石的水理性质
给水度是饱和介质在 重力排水作用下可以给 出的水体积与多孔介质 体积之比。
水文地质学 第二章__岩石中的空隙与水分
第二章 岩石中的空隙与水分2．1 岩石中的空隙空隙：void ，interspace ，space地壳岩石中的空隙为地下水的赋存提供了必要的空间条件。
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”。
岩石空隙是地下水存储场所和运动通道，空隙的多少、大小、连通情况对地下水的分布和运动具有很重要的影响。
岩石空隙可分为三类：a. 松散岩石中的孔隙；b. 坚硬岩石中的裂隙；c. 可溶岩石中的溶穴（隙）。
1．孔隙（pore ）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––––孔隙。
岩石中孔隙体积的多少是影响其储容地下水能力大小的重要因素。
孔隙体积的多少可用孔隙度表示：孔隙度（porosity ）（n ）––––指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。
即：VV n n =式中：V n ––––岩石中孔隙的体积；V ––––包括孔隙在内的岩石体积； n ––––孔隙度，用小数或百分数表示。
另外一个概念：孔隙比（void ratio ）（ε）––––指某一体积岩石内孔隙的体积（V n ）与固体颗粒体积（V s ）之比。
即sn V V =ε因为V=V n +V s ，所以n 与ε关系为：nn -=1ε。
应用时：a. 涉及变形时（工程地质）→ε（采用孔隙比较方便）；b. 涉及水的储容与运动时（水文地质）→n （采用孔隙度方便）。
影响因素：a. 分选程度：分选程度好，n 大；分选程度差，n 小；b. 颗粒的排列情况：立方体排列时n =47.64%，四面体n =25.95% ；c. 颗粒的形状：形状愈不规则，棱角愈明显，n 愈大；d. 胶结充填情况：充填程度高，n 小。
孔隙度的测定方法：a. 饱和含水率：n =θs （θs 饱和含水率）；b. 抽水试验；c. 形态学方法：成象、扫描→借助与计算机处理（研究领域的前沿课题）。
粘土孔隙度较高的原因：a. 颗粒表面带有电荷，构成颗粒集合体，形成较大的结构孔隙；b. 粘性土中往往发育有虫孔、根孔、干裂缝等次生孔隙。
水文地质学 第二章 岩石中的空隙与水分2.
二、含 水 性
1.含水性：岩石含有水分的性能。 2.含水量：说明松散岩石实际保留水分的状况。
①重量含水量：松散岩石孔隙中所含水的重量与
干燥岩石重量的比值。即：
Wg
Gw Gs
100 %
Gw＝Vw·1②体积含水量：含水的体积与包括孔隙在内的岩
一、有效应力原理： 有效应力 Pz ＝总应力 P － 孔隙水压力u
假定所讨论的是松散沉积物质构成的饱水砂层，
P ＝Gs＋Gw
A
B
PZ 有效应力
u ＝γwh
P＝u＋Pz
P＝u＋Pz 即Pz＝P－u
二、地下水位变动引起的岩土压密
1.假设:总应力P不变 2.地下水位下降：孔隙水压力降低△u
有效应力增加△Pz， 即：Pz＋△Pz＝P－（u－△u）
Gs＝V石·γα 体积的比值。即：
Wv
Vw V
100%
当水的比重为1，岩石的干容重为 时，有：
Wv Wg
有关含水量的几个概念
饱和含水量（Ws）：孔隙充分饱水时的含水量。 饱和差：饱和含水量－实际含水量 饱和度：实际含水量/饱和含水量
三、给 水 性
1.给水性：当地下水位下降时，其下降范 围内饱水岩石及相应的支持毛细水带中的水， 在重力作用下，从原先赋存的空隙中释出，这 一现象称为岩石的给水性。
1. 持水度 ：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。
可分为毛细持水度和结合持水度，通常应用结合持水 度，又称最大分子持水度。
2. 残留含水量（Wo ）：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
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。
岩石中的空隙与水分 岩石中水的存在形式
• • （2）研究意义（作用）：影响岩石储容地下水的能力
的大小。 • （3）测定方法： • 砂、砾等松散岩石一般用注水方法，粘土遇水膨胀 不能； • 容重-比重法：细砂，先测岩石的容重r、比重
（4）孔隙度的影响因素
颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列----立方体--n=47.64%; 最紧密排列---四面体：n=25.95%。(未涉 及粒径大小，粒径大小不同，但等粒状、排列方式相 同时，孔隙度是相同的） 颗粒分选程度：分选性越好，孔隙度越大；分选程度 不好，大颗粒孔隙被小颗粒充填，降低孔隙。（分选 程度是指颗粒粒度的均匀程度，土力学中也称不均匀 系数。） 颗粒形状：越不规则，越疏松，孔隙度就越大。 胶结充填：孔隙被胶结充填，孔隙度减小。 对于粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。
• 六、地下水分类
• 按含水介质（空隙特征）划分： 孔隙水、裂隙水、岩 溶水
第二节 岩石中水的存在形式
一、水的存在形式及类型
二、结合水
1、概念：分布在颗粒表面受静电引力大于重力，而不能在
自身重力作用下发生运动的那部分水。 2、成因： 带电荷的固体土颗粒表面，一般带负电，主要存在于细小空 隙、裂隙； 极性分子水，水分子是偶极体，被吸入； 岩石颗粒周围水分子受到库仑力（静电引力）的作用。静电 引力受到距离的影响，结合水的自由不同
三、裂隙
1. 概念：坚硬岩石形成以后，由于各种内外营力的作用，使岩 石遭到破坏而形成的空隙。 2. 分布：主要分布在坚硬岩层：除沉积岩、变质岩、岩浆岩 等保留原生成岩孔隙外，主要是在后期构造应力作用下产生后 生裂隙。 3. 分类：按成因分
成岩裂隙
岩浆作用：侵入、喷出、冷凝收缩（岩浆岩） 沉积作用：固结、干缩 （沉积岩）。
• 二、孔隙
第2章 岩石中的孔隙与水分(2)
水理性质：就水文地质学主要涉及是与水分储容、释出与 运移有关的性质 包括： 一、容水度和孔隙度（porosity）（反映岩石最大含水能力） 孔隙度——n; 容水度——nr
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 岩石样实际保留水分的状况，（是某岩样某时的含水状态） 又称岩石的天然含水量 岩石的持水能力——最大保持水分的能力
空隙中的水
毛细水，孔角毛细水
毛细水
滴水 砂土 下雨 黄土
砾石
器皿
思考： 1.上细下粗土层，滴水，水停留在何处？ 2.黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？
2.2.3 毛细水
毛细力： 毛细力的产生：
是在三相界面上内弯液面引起——液面弯曲产生的 毛细力的方向：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—负的毛细压强（negative）---如同真空吸力 凸形弯液面—正的毛细压强（positive） 毛细力的大小： 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）。 一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；反之亦然。 毛细力大，毛细上升高度也越大
结合实验课—— 设计研究给水度的影响因素与确定方法
2.3 岩石的水理性质
五、透水性（permeability）
反映岩土透过水的能力 后续讲“地下水的运动”时再讨论 岩石空隙直径越大—透水能力越强—透水性越好！
毛细水
2.2.3 毛细水
2、毛细水的存在形式（states forms）
在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：
a) 支持毛细水（supporting capillary water ）
在地下水面支持下存在的（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。
水文资料 水文地质学基础第二章PPT课件
漂砾 、块石 >200
大于罐头瓶
卵石、碎石 200 ~ 20
罐头瓶 ~玻璃球
砾石、石屑
20 ~ 2
玻璃球（鹌鹑蛋 ~大米
砂（粗、中、细） 2 ~ 0.05 大米~小米~粗玉米面
粉砂（土） 0.05 ~ 0.005 细玉米面
黏土
<0.005
特粉Biblioteka 混合类：砂黏（砂质黏土），以黏土为主但含少量砂
砂卵石，以卵石为主，含少量砂。
注意：三种颗粒直径不同的等粒岩石，排列方式
相同时，孔隙度完全相同。
②颗粒的分选—在颗粒大小不等时，分选差则孔
隙度小， 分选好则孔隙度大。
③颗粒的形状及胶结—磨圆愈好，孔隙度愈小，
胶结可以降低孔隙度。
④考虑粘性土的结构孔隙及次生孔隙。
7
8
9
松散岩石储容水分的能力，与孔隙度关系很大，而地下水
的运动条件则首先取决于孔隙的大小，影响孔隙大小的主要因
n Vn 100% V
其中：Vn ——岩石的孔隙体积，V——包括孔隙在内
的整个岩石总体积。 6
孔隙度的大小主要取决于颗粒排列情况及分选程
度，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。
①颗粒的排列—以理想等粒圆球状颗粒为例，理
论上几何计算立方体排列最疏松，孔隙度为47.64%
，四面体排列为最紧密，孔隙度为25.95%。
②颗粒的排列方式—以理想等粒圆球状颗粒为例，颗粒直
径为D，孔喉直径为d，立方体排列时，d=0.424D，作四面体
排列时，d=0.155D。
③考虑粘性土的结构孔隙及次生孔隙。
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孔隙通道最细小的部分称作孔喉，最宽大的 部分称作孔腹，孔喉对水流的影响更大。
02-岩石中的空隙与水分
第二章岩石中的空隙与水分2.1 岩石中的空隙2.2 岩石中水的存在形式2.3 岩石的水理性质2.1 岩石中的空隙（The Interstices and water in Rocks）2.1.1 概念岩石——是天然产出的具有一定结构构造的矿物集合体，是地质作用的产物。
在水文地质学中，指自然界中各类岩土体，包括坚硬的岩石及松散的沉积物。
空隙——岩、土中各种类型的空洞的总称。
2.1.2 岩石空隙的普遍存在在地球表层，岩石均是多孔介质，在它们的固体骨架之间存在着形状不一、大小不等、千差万别的空隙（图1-20）。
图1北京西北郊的一个工程场地的地下1.5m处土样（素填土）的SEM图像图2 深圳市宝安新中心区西乡海滨地带淤泥软土的SEM图像图3 The Caves in Texas Parks图4 Pore structure of PUMICE in Osaka, JapanCrabtree Cave Devil's Hole CaveCave developed at joint intersection Keefer Road Cave图5 Caves in Maryland图6 Karst Caves in Minnesota图7 A fissure or rift, created by the separation of the earth caused by the tectonic plates lying under Iceland.Cave in Xiling Gorge Seven GateSwallow Cave Flying Clouds Cave图8 Grotesque Karst Formations in the Three Gorges图10 Example of calcium accumulation in soil around an old root channel图9 3-D tomographic images-slice views of a suite of Fontainebleau Sandstone图11花岗岩钻孔局部裂隙张开（左：展开图，右：柱状图）图12 四川宜宾中侏罗统沙溪庙组砂岩（扫描电镜下拍摄，放大90倍）中的孔隙图13 湖北十堰膨胀土裂隙发育情况图14 Cracks In The Ground图16 Fractured Rocks at Thingvellir, Iceland图15 Fractured rock图17 Fractured sandstone普遍存在的岩石空隙为地下水的赋存提供了必要的空间条件。
水文地质学-----岩石中的空隙与水分
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.3 给水度 定义：我们把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 。
单位体积饱水岩石体在重力作用下自由释出的水的体积
例如，地下水位下降 2m，1m2水平面积岩石柱体，在重力作 用下释出的水的体积为0.2m3（相当于水柱高度0.2m），则给水 度为 0.1或 10％。
第二章 岩石中的空隙与水分
2.1.2 裂隙 固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般
不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育各 种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。
成岩裂隙 构造裂隙 风化裂隙 卸荷裂隙
裂隙率：体裂隙率、面裂隙率、线裂隙率
第二章 岩石中的空隙与水分
野外研究裂隙时，应注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长 度、充填情况等。因为这些都对地ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ水的运动具有重要影响。
水度往往很小。
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.3 给水度 当初始地下水位埋 藏深度小于最大毛细
上升高度时，地下水
位下降后，重力水的 一部分将转化为支持 毛细水而保留于地下 水面之上，从而使给 水度偏小。
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.3 给水度 地下水位下降速率 可能的原因 1）重力释水并非瞬时 完成，而往往滞后于水位下 降； 2）迅速释水时大、小 孔道释水不同步，大的孔道 优先释水，在小孔道中形成 悬挂毛细水而不能释出。
第二章 岩石中的空隙与水分
2.2.2 重力水 层流：当流体速度足够小时，流体将作分层平行流 动，流体质点的轨迹（一般说它随原始空间坐标 x、y、 z和时间 t 而变）是有规则的光滑曲线（最简单的情形 是直线）在流动过程中，相邻质点的轨迹线彼此仅稍有 差别，不同流体质点的轨迹线不相互混杂，这样的流动 称为层流。 紊流：流体力学中的一个术语， 是指流体从一种稳 定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。 具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位，流 体各质点不规则地流动。
第二章岩石中的空隙与水分
第二章岩石中的空隙和水分业已知道，自地表到下地幔带都有水分存在，然而与人类关系最为直接的乃是地球浅部的地下水。
这些水赋存在于地壳表层十五公里左右范围的空隙之中。
尤其是2公里以内，这种空隙发育比较普遍，所以有人形象的说：地壳表层犹如饱含水的海绵。
一、岩石中的空隙——岩石中大小不等、形状不一的空间。
岩石中的空隙是存在于岩石中那些大小不等，形状各异的空间，它们是地下水存储的场所和运动的通道。
因此这些空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布情况。
对地下水分布有着严格的控制作用。
* 岩石的空隙性——岩石空隙的形状、大小、多少、连通情况和分布特点。
在水文地质学中岩石的空隙可分为三大类：①岩石的孔隙；②硬岩石的裂隙；③可溶岩石中的溶穴。
1、孔隙——松散岩石中颗粒或颗粒集合体之间的空隙。
松散堆积物和某些胶结不好的基岩，系由大大小小的颗粒构成，颗粒之间的空隙相互连通且呈孔状，故称为孔隙。
显然，岩石中空隙较多，储存地下水的能力越大。
空隙体积的多少以空隙度（n）表示。
空隙度（n）—包括孔隙在内的某一体积的岩石中，孔隙体积V n所占的比例。
n＝V n／V n＝V n／V·１００％空隙比（L）—岩石中孔隙的体积V n与固体颗粒体积V s的比值。
即：ξ=V n/V s 或ξ=V n/V s·１００％∵V= V n+V s ∴V s =V—V n∵n＝V n／V∴V n＝n·V∵ξ＝V n/V s＝( n·V) / (V—V n) ＝nV／V—V n＝nV／V（１－n）＝n / (n－1)即：ξ= n / (1—n)孔隙度大小是衡量岩石储容地下水能力大小的中要参数，二者为正比关系。
* 松散岩石孔隙度的大小主要取决于：①颗粒的分选程度（均匀程度）；N d1 = 40% 混N d2 = 50%则N（混）= 40%×50% = 20%②颗粒的排列方式；立方体排列疏松N可达47.64%；四面体排列较紧密，N=25.95；与粒径无关。
水文地质学岩石中的空隙与水分
03
地下水资源保护
水文地质学在地下水资源保护方面也具有重要意义，通过研究地下水污
染源、污染物迁移规律等，提出有效的防治措施，保护地下水资源免受
污染。
地下水污染防治
污染源调查
水文地质学通过调查地下水污染 源，了解污染物的来源和排放量， 为制定有效的防治措施提供依据。
污染物迁移规律研
究
水文地质学研究污染物在地下水 中的迁移规律，包括污染物扩散 速度、范围等，有助于预测污染 发展趋势和制定应对措施。
。
溶洞
指地下水沿可溶性岩石的层面、节理或断层进行溶蚀和侵蚀 而形成的地下洞室。
空隙形成
天然形成
岩石在形成过程中，由于矿物结晶、沉积物堆积等自然作用形成的空隙。
构造运动
地壳运动过程中，岩石受到挤压、拉伸等作用力，形成裂缝或断裂，形成空隙。
溶蚀作用
地下水在可溶性岩石中流动，溶解岩石，形成溶洞等空隙。
空隙分布
和经济损失。
灾害治理与恢复
水文地质学在地质灾害治理和灾后恢复方面也发挥重要作用， 通过评估灾害影响范围和程度，提出有效的治理方案和恢复措
施，促进灾区的可持续发展。
05
未来研究方向
空隙形成机制研究
总结词
深入研究空隙的形成机制，包括其形成过程、影响因素和演化规律。
详细描述
空隙的形成与岩石的成岩环境、沉积作用、构造运动等密切相关。未来研究可以通过实验室模拟、数 值模拟和实地观测等方法，深入探究空隙的形成机制，为水文地质学提供更深入的理论基础。
水文地质学岩石中的空隙与水分
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目 录
• 岩石中的空隙 • 岩石中的水分 • 空隙与水分的相互关系 • 水文地质学应用 • 未来研究方向
岩石中的空隙与水PPT.
颗粒排列方式与孔隙大小关系 立方体排列
四面体排列
d’
立方体排列的理想等径园球颗粒 孔隙大小特征的描述：孔喉(d) d=0.414D
孔腹(d’) d’=0.732D
四面体排列的理想等径园球颗粒 孔喉(d) d=0.155D
砂砾石土孔隙大小与什么有关？
颗粒大小、排列（立方体或四面体）、分 选、胶结与充填等。
溶孔 溶隙 溶洞
孔隙特征的对比
空隙特征的比较 含水介质——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（孔隙含水介质、裂隙
含水介质、溶质含水介质）是不同的。
空隙特征的对比
三种主要类型的含水介质比较： 连通性— 孔隙介质最好，其它较差 空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不
孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标,通常用n 表示 案例：三十年来，大世界科技公司的图书馆一直由塞尔马管理。然而近年图书管理工作的变化使她闷闷不乐。尽管她是个娴熟的打字
员，但她适应不了电脑和日益加速的现代生活节奏。她感到自己该退休了。与塞尔马不同，电脑维修部门的凯文是个踌躇满志的年轻
人，他对该工作岗位提出了申请。他认为公司需要的是一个精通电脑的“知识型管理员”而非普通的图书管理员。在这一岗位工作的人 不仅应为公司员工查找图书资料和从因特网上获得信息提供方便，而且还要将公司各部门信息汇总，使公司所有雇员都可以看到。凯
师：上午体内的热量消耗大，需要得到补充，而且还要为下午的学习活动 做准备，所以午餐要吃饱。而晚餐吃的太多，会引响睡眠。
所以不要吃的太饱。但如果晚上有很多事情要做，要帮妈妈洗碗扫地，还要学习，那晚餐要吃得较好。
第 2、四溺部水a分的. 急与劳救动方排安法全列有关——紧密与疏松
水文地质第二章
松散岩石中的孔隙、坚硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴
以孔隙为例来重点讲述空隙的特征、基本概念、有关
参数！
下一页
2.1.1 孔隙
孔隙：松散岩石是由大小不等的颗粒组成的，颗粒和颗粒集 合体之间的空隙
孔隙特征描述：孔隙的多少、孔隙的大小、孔隙的形状、 连通与分布
1、孔隙度及其影因素 孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的定量指标
3、体积含水量（Wv）：是岩石中所含水的体积（Vw）与包含 孔隙在内的岩石体积（Vs）的比值，Wv=Vw/Vs或 Wv=Vw/Vs×100%。
记岩石的干容重为γd，则有 Wv = γd•Wg。
2.3 岩石的水理性质
三、给水性
给水性是饱和岩土在重力作用下能自由排出水的能力。用给 水度表示。
1、给水度（μ）是指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面积岩石柱体在重力作用下所释放出 来的水的体积。常用小数表示，无量纲。
9
2.3 岩石的水理性质
四、持水性
持水性是饱和岩土在重力排水后，岩土依靠分子力和毛细力 而在岩石空隙中能保持一定水分的能力。
1、持水度（Sr）是指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的体积。 常用小数表示，无量纲。
Sr n
残留含水量（W0）相当于最大持水度，是岩石充分释水的结 果，又称田间持水量。
2.2.3 毛细水
1、基本概念 毛细现象： ①根据细小管插入水中，水上升至一定高度停下来 毛细现象1 ②在图层中挖个洞，在洞内放个接渗器，能否接到水?
毛细现象2
定义： 由于毛细管力作用而保存于包气带内岩层空隙中的地下水， 可分为支持毛细水、悬挂毛细水和孔角（触点）毛细水。
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Wg
Gw Gs
100%
➢ 岩石实际保留水分的状况（是某岩样某时的含水状 态），又称岩石的天然含水量
1）重量含水量（Wg）：岩石孔隙中所含水份的重量
（Gw）与干燥岩石重量（Gs）之比。
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2.3 岩石的水理性质
❖ 二、水理性质
2、含水量（water content）-w
❖二、水理性质
1、容水度和孔隙度（porosity）- nr
孔隙度——n; 容水度——nr ？两者有何关系
▪ 一般情况下，容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩 溶率）相等，但在如下情况下，二者不相等：
▪ 对于吸水后体积发生收缩或膨胀的土粒：
吸水后膨胀时， nr >n 吸水后收缩时， nr <n
2、含水量（water content） -w
质有关
支持与悬挂毛细水
b) 悬挂毛细水（suspension capillary water ） 脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分，称为悬挂
毛细水 上细下粗土层与砂砾试样的例子？悬挂毛细水的高度
c) 孔 角 毛 细 水 （ 触 点 毛 细 水 ） （ corner water, contiguity water?）
➢ 2）体积含水量（Wv）：岩石孔隙中含水体积与岩石
总体积之比。 ➢ 3）Wg与Wv间的关系
WV
Vw V
100%
在水的比重为1时，若岩石的干容重（单位体积干
燥岩石的重量）为 ，则有： Wg· =Wv
➢ 4）饱和含水量、饱和差、饱和度的概念
▪
饱和含水量：孔隙充分饱水时的含水量，用Ws表
❖ 二、水理性质
1、容水度和孔隙度（porosity）- nr
➢ 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
nr V容水100% V岩石
（反映岩石最大含水能力）
孔隙度——n; 容水度——nr
？两者有何关系
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2.3 岩石的水理性质
2.2.2 重力水
重力水（gravitational water; bulk water）
❖ 远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极
其微弱，主要受自身重力影响。在自身重力影响下可以
自由运动的水叫重力水
结合水与重力水
❖ 地层内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（抽出）
❖
重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察的
孔角毛细水与悬挂毛细水是不同——？
小结
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悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的
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支持毛细水与悬挂毛细水
地 下 水 位 下 降
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2.2 岩石空隙中的水——小结
小结
岩石空隙中的水——有三种存在形式 三种形式的水有差异——与受力状态有关
我们可以把毛细力归纳为3点： 空隙中的水
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毛细水，孔角毛细水
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毛细水
滴水 砂土
下雨 黄土
砾石
器皿
思考： 1. 上细下粗土层，滴水，水停留在何处？
www.theme2ga.ller黄y.co土m 层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？Company Logo
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2.2.3 毛细水
2、毛细水的存在形式（states forms） 在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：
a) 支持毛细水（supporting capillary water ）
在地下水面支持下存在的（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
2.2.3 毛细水
毛细力：
毛细力的产生：
是在三相（固、液、气）界面上内弯液面引 起——液面弯曲产生的。 毛细力的方向：
作用方向始终指向弯曲液面的凹侧
毛细力的大小：
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）
一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；
毛细力大，毛细上升高度也越大
❖ （2）类型
强结合水：离固相颗粒表面非常近的水；
弱结合水：离固相颗粒表面较远的水。
❖ （3）性质
结合水具有固态和液态水的双重性质，即在自身
重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动（运动）
及变形，也可以说其具有一定的抗剪强度。
？抗剪强度的产生与大小与什么有关？
表面引力（固相表面与水分子间静电引力）—服从库仑
自己总结、比较——加深理解____有比较就会有记忆
第二节 岩石空隙中的水 结束
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2.3 岩石的水理性质
❖ 一、定义
指岩石与水接触过程中表现出来的控制水分活动的各种 性质。
就水文地质学来说，主要涉及是与水分储容、释出与运 移有关的性质，包括：容水度、含水量、持水度、给水度
主要对象
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2.2.3 毛细水
毛细水（capillary water）
1、基本概念
❖毛细现象：
毛细水
① 细小管插入水中，水上升至一定高度停下来
② 在土层中挖个洞，在洞内放个接渗皿，能否接到
水?—北方地窖，陕北的窑洞
毛细水
❖毛细力：
毛细水：受到表面吸引力与重力作用，还有另一种 力作用—称毛细力的作用，产生毛细现象
定律，随固体表面的距离加大而减弱
结合水与重力水
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结合水与重力水
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结合水与重力水
水分子极性与土粒带电荷
结合水
表面引力—服从库仑定律， 随固体表面的距离加大而减弱Company Logo
Fundamentals of Hydrogeoloy
水文地质学基础
第二章 岩石中的空隙与水 （下）
The Interstices and Water in Rocks
主讲教L师OG：O张卫民
2.2.1 结合水
结合水（absorbed water, bound water）
❖ （1）定义
附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水