《水文地质基础》第二章 岩石中的空隙与水分

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ຫໍສະໝຸດ Baidu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%。
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
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：
空隙发育的复杂性
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
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
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
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
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
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]
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
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）
单位面积岩石上裂隙面积的大小。
线裂隙率（Kl）
垂直裂隙走向方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