《水文地质基础》第二章 岩石中的空隙与水分
水文地质学基础岩土中的空隙和水
本节小结
空隙空间的类型 岩土中水的存在形式 有效应力原理
思考题
孔隙度的影响因素有哪些？
Thanks for your attention！
毛细水
毛细水 支持毛细带 悬挂毛细带 孔角毛细水
气态水、固态水及矿物中的水
未饱和空隙：气ห้องสมุดไป่ตู้水，高水汽压力处向低水汽压力处运移 冻土：我国北方；东北、青藏：多年冻土 结晶水、结构水、沸石水
有效应力原理
有效应力增加：岩土压密、土体抗剪能力降低 引发地质灾害：地面沉降、砂土液化、滑坡等
裂隙和溶穴
固结岩石：发育裂隙，系在各种应力作用下破裂变形而成 可溶岩石：原有孔隙或裂隙，经地下水溶蚀，扩大为溶穴
岩石中水的存在形式
结合水
结合水：固相表面引力大于自身重力的水
重力水
重力水：固体表层结合水层以外受重力影响大于固体表面 吸引力，在重力作用下运移 重力水具有非常重要的实用价值 地层岩石空隙中如存在一定的重力水，就可以通过泉，或 井流出（抽出），为人们所用 重力水是水文地质学研究的主要对象
n Vn 或 n Vn 100%
V
V
孔隙的多少：决定岩土储容水的能力，控制岩土滞留、释 出传输水的能力
孔隙度：描述孔隙的多少 定义：单位体积岩土中孔隙所占的比例
孔隙度：影响因素
颗粒排列
立方体排列（n~48%）
立方体排列——最松散排列：n~48 四面体排列——最紧密排列：n~26 松散岩土孔隙度多介于二者之间
提纲
岩土中的空隙 岩土中的水 与水有关的岩土性质 有效应力原理与岩土体变形破坏
岩土中的空隙
地壳表层就像饱含水分的海绵 岩土空隙是地下水的储容空间和传输通道 决定着岩土储容、滞留、释放和传输水的性能 空隙类型：孔隙、裂隙、溶穴
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%？
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。
第二章 岩石中的空隙与水分
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 素是颗粒大小，颗粒排列方式，对于粘性土，结构孔隙及次生 孔隙的影响不可忽视。 孔隙大小特征的描述： 孔喉：孔隙通道最细小的部分。 孔腹：孔隙通道最宽大的部分。 ①颗粒的大小—颗粒大则孔隙大，反之则孔隙小。 注意：对于分选不好，颗粒大小悬殊的松散岩石来说，孔 隙大小并不取决于颗粒的平均直径，而是取决于细小颗粒的直 径。 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。
Vn n 100% V
Vn ——岩石的孔隙体积，V——包括孔隙在内 其中： 的整个岩石总体积。
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%。 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。
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2.3
与水的储容及运移有关的岩石性质
三、给水度（specific yield）—— (e d) 1、定义： 当地下水位下降一个单位深度时，从地下水位延伸到 地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释放出 来的水体积，称为给水度 。 V 1 0 0 % 给水度概念图 V总 当地下水位下降一个单位，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？
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。
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。
水文地质学基础练习及答案
《水文地质学基础》试题库及参考答案?目录第一章地球上的水及其循环 (1)第二章岩石中的空隙与水分 (4)服第三章地下水的赋存 (9)暗室逢第四章地下水运动的基本规律 (15)收复失第五章毛细现象与包气带水的运动 (20)第六章地下水的化学成分及其形成作用 (22)第七章地下水的补给与排泄...........................................29QWDD 第八章地下水系统 (35)第九章地下水的动态与均衡 (37)第十章孔隙水 (40)是多少第十一章裂隙水 (42)三分法第十二章岩溶水·····················································45we 福娃第十三章地下水资源 (48)第十四章地下水与环境 (49)第二章岩石中的空隙与水分一、名词解释1．岩石空隙：地下岩土中的空间。
2．孔隙：松散岩石中，颗粒或颗粒集合体之间的空隙。
3．孔隙度：松散岩石中，某一体积岩石中孔隙所占的体积。
4．裂隙：各种应力作用下，岩石破裂变形产生的空隙。
5．裂隙率：裂隙体积与包括裂隙在内的岩石体积的比值。
6．岩溶率：溶穴的体积与包括溶穴在内的岩石体积的比值。
7．溶穴：可溶的沉积岩在地下水溶蚀下产生的空洞。
8．结合水：受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部分水。
水文地质学 岩石中的孔隙与水分
Vr Vr Kr 或n 100% V V
除了这种体积裂隙率，还可用面裂隙率 或线裂隙率说明裂隙的多少。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
可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩 和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞， 这种空隙称为溶穴(隙)。 （1）岩溶率(Kk)：溶穴的体积Vk与包括 溶穴在内的岩石体积(V)的比值即为岩溶率 (Kk)。
Pz Pz P (u u)
4.1.3 溶穴
Vk Vk Kk 或n 100% V V
岩石中的空隙，必须以一定方式连接起来构
成空隙网络，才能成为地下水有效的储容空间 和运移通道。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。 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，孔隙通道的大 小和多少都很接近。 赋存于其中的地下水分布与流动都比较均匀。 坚硬基岩的裂隙是宽窄不等，长度有限的线状 缝隙，往往具有一定的方向性。 按岩层的空隙类型区分为三种类型地下水— —孔隙水、裂隙水和岩溶水。
孔隙度：
Vn Vn n 或n 100 % V V
孔隙度是一个比值，可用小数或百分数 表示。 (1)孔隙度的大小主要取决于分选程度及 颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结充 填情况也影响孔隙度。 (2) 对于粘性土，结构及次生孔隙常是影 响孔隙度的重要因素。
构成松散岩石的颗粒均为等粒圆球； 当其为立方体排列时。可算得孔隙度为 47.64％， 为四面体排列时，孔隙度仅为25.95％。 由几何学可知，六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。
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
水文地质学第二章
昆明理工大学国土资源工程学院 地球科学系
• 有效应力原理与松散岩土压密 • 有效应力原理 • 地下水位变动引起的岩土压密
昆明理工大学国土资源工程学院 地球科学系
• 2.1 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，特别是深部一、两公里以内，空隙分布较为 普遍。这就为地下水的赋存提供了必要的空间条 件。按维尔纳茨基（B.II.BepHaдckй）的形象说 法，“地壳表层就好像是饱含着水的海绵”。 • 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。 • 将岩石中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。
昆明理工大学国土资源工程学院 地球科学系
昆明理工大学国土资源工程学院 地球科学系
溶穴的规模十分悬殊，大的溶洞可宽达数十 米，高数十乃至百余米，长达几至几十公 里，而小的溶孔直径仅几毫米。溶岩发育 带岩溶率可达百分之几十，球科学系
空隙特征的对比
裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括 1) 裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度） 2) 张开性（裂隙宽度） 3) 裂隙率等 昆明理工大学国土资源工程学院
地球科学系
• 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。 • 按裂隙的成因可分成岩裂隙、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 固结干缩（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意义。 • 构造裂隙是岩石在构造变动中受力而产生的。这种裂隙具 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，主要 分布在地表附近。有关各种成因裂隙的形成分布规律详见 第十一章。
《水文地质学基础教学课件》第二章 岩石中的空隙与水
➢ 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
示。
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?）
孔角毛细水与悬挂毛细水是不同——？
小结
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
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
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
本章内容
2.1 岩石中的空隙 2.2 岩石空隙中的水 2.3 岩石的水理性质
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2
2.2 岩石空隙中的水
a) 支持毛细水（supporting capillary water ）
第二章 岩石中的空隙与水分
2.2.2 重力水（gravitational water ; bulk water）
在自身重力作用下，能运动的那部分水。远离固相 表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱， 主要受重力影响。
？无重力作用下水的存在？如在太空瓶中的水分布、 受表面吸引的作用液态水的特征
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 主要对象
The Interstices and Water in Rocks
本章内容
2.1 岩石中的空隙 2.2 空隙中的水 2.3 岩石的水理性质 2.4 有效应力原理与松散土压密
2.1岩石中的空隙
岩石——水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层 空隙——岩、土中各种类型的空洞的总称 空隙—是地下水赋存场所（places）和运移通道（conduits）
4. 测定方法：体裂隙率采用蜡封水浸法；线、 面裂隙率采用实测统计法。在测定时要注 意裂隙的走向，延伸方向及宽度，对地下 水运动有重要意义。 5.影响因素：岩石的性质，受力情况等。 6.用途：基岩地区找水，矿区防治水等。
2.1.3溶穴（solution cavity）cavern
在裂隙发育基础上，水流对可溶岩进一步作 用的结果——是扩大了的裂隙。在可溶岩地区， 以溶蚀为主的地质作用下，形成暗洞、溶洞、溶 孔、漏斗等各种形态的总称为岩溶地貌（喀斯特 地貌）。
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---如同真空吸力 凸形弯液面—正的毛细压强（positive）
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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：
坚硬岩石中的空隙，除沉积岩尚包含一定的原生孔 隙外，其余的岩浆岩和变质岩一般均很少存在粒间孔 隙。岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙——成岩裂 隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。
裂隙岩石的空隙特征，主要表现为单个裂隙或裂隙 组在发育方向与几何尺寸上的差异性、分布上的不均 匀性、裂隙相互间的连通性、裂隙的充填情况以及裂 隙面的粗糙程度等方面，这些都对地下水的分布与运 动具有重要影响。
第1节 岩石中的空隙—孔隙
影响孔隙度n大小的因素：
– 颗粒的排列方式： 等体积球作立方体排列，是最疏松排列 n = 47.64% 等体积球作四面体排列，是最紧密排列 n = 25.95%
第1节 岩石中的空隙—孔隙
第1节 岩石中的空隙—孔隙
– 颗粒大小： 理论上讲（按等体积球），n与颗粒大小无关， 但实际上则无理想的等体积颗粒，大小必不 相等，甚至大小悬殊。一般颗粒越大，则n越 大。但由于分选性的影响，往往孔隙度反而 减小。实际n值可大于47.64%或小于25.95%。
因此，对粘性土，它们对n的大小影 响很大，不可忽视。
岩石名称 砾 石
砂
粉砂
粘土
n变化区间 0.25~0.40 0.25~0.50 0.35~0.50 0.40~0.70
第1节 岩石中的空隙—孔隙
Actual tortuous flow paths through the pore spaces
第1节 岩石中的空隙—裂隙
第1节 岩石中的空隙
不同介质中的空隙特征
第1节 岩石中的空隙—孔隙
Outwash sand and gravel in a gravel pit
第1节 岩石中的空隙—孔隙
概念：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。
孔隙度（n）：
或 V 表示包括孔隙在内的岩石体积 Vn表示岩石中孔隙的体积
脱离颗粒表面而移动 – 溶解盐类能力弱 – -80 ℃时仍不结冰
第2节 岩石中水的存在形式— （矿物表面）结合水
– 有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度 – 不能传递静水压力 – 无导电性
弱结合水(薄膜水film water,pellicular moisture) 的特点
– 密度大于1，为1.3~1.774g/cm3 – 不受重力影响 – 可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，但速度十分缓
第2节 岩石中水的存在形式— 毛细水
最细毛管最大毛细上升高度Hc： 以最细毛管的直径代入上式即可。
关于毛细上升速度： （1）具有不均匀性：开始时上升速度快，以后逐渐减
慢，直到停止。 （2）毛细空隙越大，毛细上升速度越大
毛细空隙越小，毛细上升速度越小
第2节 岩石中水的存在形式— 毛细水
土的最大毛细上升高度[据西林—别克丘林，1958]
第1节 岩石中的空隙—裂隙
体积裂隙率（Kr）
（裂V隙）体的比积值（，Vn即）K与r 包Vn括/V裂隙在内的岩石体积
面积裂隙率（Ka）
单位面积岩石上向上单位长度上裂隙的条数。
第1节 岩石中的空隙—溶穴
Limestone exposed in a road cut
第1节 岩石中的空隙—溶穴
概念
可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白 云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空 隙称为溶穴（隙）。
岩溶率（Kk）
Kk Vr /V
第1节 岩石中的空隙—三者比较
空隙特征
孔隙：分布均匀、连通性好、各向异性不明显 裂隙：分布不均匀、连通性差、各向异性明显 溶穴：以空隙大小悬殊、分布极不均匀为特征
下奥陶统碳 酸盐岩 砂岩
砂岩
6~10 13 5~27
0.3~0.8 小于1 0.3~0.4
第2节 岩石中水的存在形式
第2节 岩石中水的存在形式— （矿物表面）结合水(bound water)
第2节 岩石中水的存在形式— （矿物表面）结合水
强结合水的特点
– 密度大于1，平均2g/cm3左右 – 不受重力影响 – 不能流动。只有在温度105~110℃时才以气态的形式
第1节 岩石中的空隙—孔隙
– 分选性(sorting) 分选性越差，颗粒大小越悬殊，n则越小。反 之则越大。
– 颗粒形状 形状越不规则，棱角越明显，排列越疏松，n 越大。反之则越小。
– 胶结程度 胶结越好，n越小。
第1节 岩石中的空隙—孔隙
– 特殊孔隙的影响：
结构性孔隙
虫孔、根孔、甘裂缝等次生空隙