第二章岩石中的孔隙和水分

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
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• 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。
• 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
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第二章 岩石中的孔隙与水分
a. 与排列有关：试样排列的紧密与疏松是影响孔隙度的重 要因素
由几何学可知，立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。理想最疏松排列孔隙度为47.64%，最紧 密排列孔隙度为25.95% 。（参照图2-2）
b. 与分选有关：这点与上述讨论影响孔隙大小的原理相 同，图2-1—三种砂砾石试样的模型图，不难理解分选好 坏是影响孔隙度的主要原因。
比较一下：①砾石与②砂石的孔隙度大小。
③ 理想情况下砾石与砂石混合的试样孔隙度：
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n混合=n砾石×n沙石
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第二章 岩石中的孔隙与水分
c. 与颗粒形状、胶结充填情况有关： 颗粒形状与沉积物磨圆度有关，扁平装和棱角状的
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第二章 岩石中的孔隙与水分
孔隙的大小：可以用孔喉（d）和孔腹（d` ） 来定量表征。
理想条件下孔喉（d）、孔腹（ d` ）与构 成孔隙颗粒的直径有关，如图2-2理想等粒圆 球状颗粒，立方体排列条件下，有以下关系：
孔喉(d)与颗粒(D)的关系为： d = 0.414D 孔腹(d` )与颗粒(D)的关系为: d` = 0.732D
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图2-5 岩溶含水介质特征素描图
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第二章 岩石中的孔隙与水分
四、空隙发育的多样性及空隙特征的比较（孔隙、裂隙、 溶穴）
• 松散岩石以孔隙为主，但粘土干缩后可产生裂隙， 而这些超过其原有的孔隙。 固结程度不高的沉积岩，往往既有孔隙，又有裂隙。 可溶岩石，有时还可保留原生的孔隙与裂缝。
• 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。
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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；
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四、毛细水
（1）毛细现象： ①将1根细小玻璃管插入水中，水会上升至一定高度停下 来，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。
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第二章 岩石中的孔隙与水分
因此，结合水具有固态和液态水的双重性质；即自身 重力作用下不能运动，施加外力作用下，才能够流动和 变形。
研究意义：只要有固相表面就存在结合水，结合水存 在范围广，但其量很小，结合水膜很薄，当孔隙直径小 于2倍结合水厚度时，孔隙中只存在不能运动的结合水 （此时的孔隙被视为无效空间）。
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第二章 岩石中的孔隙与水分
（3）粘性土的孔隙与孔隙度
粘性土通常是指土体粒径<0.005mm的颗粒含量 较高的土。
粘性土的沉积特征：由于颗粒细小，比表面积 大，连结力强，粘土沉积时互相接触而连结起来构 成粘粒团（也称集合体），粘粒是以集合体形式沉 积形成粘性土。可形成直径比颗粒还大的结构孔隙。 粘土的孔隙度往往可以超过上述理论上最大孔隙度 值。
岩石中的空隙，连接成网络，成为地下水有效的储容空 间和运移通道。
孔隙连通良好，分布均匀，在不同方向上，孔隙通道的 大小和多少很接近。地下水分布与流动都比较均匀。
裂隙具有一定的方向性，连通性较差。地下水分布不均 匀，水力联系差。
溶穴空隙大小悬殊且分布极不均匀。地下水分布与流动 通常极不均匀。
三种类型地下水：孔隙水、裂隙水和岩溶水。
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第二章 岩石中的孔隙与水分
三、重力水
•
重力水：当远离固相表面，水分子受固相表面吸引
力的影响极其微弱，重力对它的影响大于固体表面对它的
吸引力（参见图2-6），能在自身重力作用下自由运动的
地下水。
•
地层和岩石空隙中如果存在重力水，就可以通过泉，
或井流出（抽出来）。
• 从水资源利用角度出发，重力水是水文地质学研究的 主要对象。
孔直径仅几毫米。
岩溶发育带岩溶率可达百分之几十，而其附近岩石的岩溶 率几乎为零。
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第二章 岩石中的孔隙与水分
岩溶岩体的空隙特征描述包括： （1）描述裂隙特征 （2）岩溶发育特征：岩溶发育方向、溶蚀率（可以用钻 孔或测量方法）表征岩溶发育程度、溶洞（通常要测量发 育方向、规模等）
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（2）砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素 孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标，常用n表示。 孔隙度是指某一体积岩土(包括孔隙在内)中孔隙体 积所占的比例。 n Vn (100%) V
式中： 为孔隙度， 为孔隙体积， 为岩石总体积。 孔隙度是一个比值，常用可用小数或百分数表示。 请思考并回答：砂砾类土的孔隙度大小与什么有关？
二、结合水
先观察一个现象：在装有颗粒并盛满水的容器中，取 出1个颗粒，轻轻甩动，颗粒表面仍然保留薄薄的水膜， 我们称他为结合水。
定义：束缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动 的水，称为结合水。 分类：强结合水和弱结合水，最接近固相表面的结合 水称为强结合水，一般认为仅相当于几个水分子的厚 度；其外层称为弱结合水（图2-6），不同学者认为其 厚度为几十、几百或几千个水分子厚度。
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第二章 岩石中的孔隙与水分
二、裂隙 固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存
在有各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。 裂隙特征：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的
“薄饼式”展布，单个裂隙往往是孤立的。裂隙必须是多 组发育，构成裂隙网络，才有水文地质意义
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一、孔隙
孔隙:松散岩石颗粒间的空隙.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 三种试样所构成的孔隙哪类大？哪类小？
• 重难点：岩土中空隙的三种类型，以及影响孔隙的大 小、多少（空隙率）的因素（也是难点）；空隙中水 的存在形式及其特征；重点掌握岩土孔隙度、给水度 （也是难点）和持水度的概念以及他们的关系。
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• 岩石中的孔隙：
孔隙、裂隙、溶穴
• 岩石中水的存在形式
结合水、重力水、毛细水， 气态水、固态水及矿物中的水
风化裂隙 是风化营力作用下，岩石破坏产生的裂 隙。
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第二章 岩石中的孔隙与水分
从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括：
a. 裂隙的连通性——由裂隙组数、产状、长度和密度 的测量结果，进行评价 b. 张开性（宽度）——测量裂隙隙宽，或用统计的平 均隙宽来表征 c. 裂隙率——裂隙空间所占的比率，相当于松散岩石 的孔隙度 d. 充填情况等
图2-2 颗粒的排列形式(参照格雷通)
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第二章 岩石中的孔隙与水分
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。 在颗粒成分累积曲线上，取累积含量为60％处的颗粒
直径 ，除以累积含量为10％处的颗粒直径 ，此系数可表 征松散岩石的分选程度。
试样颗粒粒径分布域大，试样的分选也就差，颗粒大小 越混杂，大孔隙易被小颗粒充填，样品的孔隙也就变小。 样品分选较差时，孔隙大小取决于充填大孔隙中实际构成 孔隙的细小颗粒的直径（如图2-1，3）。 ④颗粒形状及胶结充填情况等。（自学）。
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图2-4 现场坚硬岩石发育的裂隙
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裂隙 按成因分为成岩裂隙 、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 (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 是岩石在应力作用下产生的裂隙，具有 方向性，大小悬殊(由隐蔽的节理到大断层)，分布不 均一。
• 与水的储容及运移有关的岩石性质
容水度、含水量、给水度 持水度、透水性
• 有效应力原理与松散岩土压密
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第一节 岩土中的空隙
• 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（В．И．Вернадский）的形象说法， “地壳表层就好象是饱含着水的海绵”。
颗粒容易形成架空状结构，造成颗粒；颗粒间发生胶 结或孔隙被充填，直接减少孔隙数量，使孔隙度减小。 d．自然界中松散岩石的孔隙度大小，可以参见表2-1。
表2—1 松散岩石孔隙度参考数值〔据弗里泽等，1987〕
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第二章 岩石中的孔隙与水分
思考表2-1给出的孔隙度数值与上述分析影响孔隙度大 小的因素是否不一致？ 请总结有哪些不同？为什么会不同。 不同： （1）在表2-1中，自然界中松散岩石的孔隙度与粒径大 小有关，粒径小孔隙度大。 （2）孔隙度超过最疏松排列的47.64%？粘性土孔隙度 高达70%-80%。
• 含水介质：由各类空隙所构成的岩层称为含水介质，也 称为介质场。
• 不同的含水介质（孔隙含水介质、裂隙含水介质、岩溶 含水介质）的空间分布与连通特征也不同。
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第二章 岩石中的孔隙与水分
空隙特点与地下水类型
空隙特点：连通性 、空间分布（均匀性） 空隙比率（大 小） 、空隙渗透性（大小、方向）
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第二章 岩石中的孔隙与水分
粘性土的结构孔隙构成：
• 粘粒团（集合体）内部存在许多孔隙。也称粒内孔隙 • 集合体与集合体之间存在孔隙，相当于砂土类颗粒间
的孔隙
此外，粘性土还发育有次生空隙，如虫孔、根系、 裂缝等。
显然，对于粘性土，决定孔隙大小的不仅是颗粒 大小及排列，结构孔隙及次生空隙的影响是不可忽视 的。
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第二章 岩石中的孔隙与水分
第2节 岩石中水的存在形式
一、地壳岩石中各种形式的水
地壳岩石 中的水
矿物 格架水
岩石空 隙中水
沸石水 结晶水 结构水
液态水
气态水
强结合水 颗粒表面 结合水 弱结合水
非结合水 重力水 毛细水
固态水 水文地质学基础重点研究的对象是岩石空隙中的水。 本2课019/程12/2主8 要学习以结合水和液态水形式存在于空隙中的水2。6
第二章 岩石中的孔隙和水分
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第二章 岩石中的孔隙和水分
• 内容：掌握岩土中空隙的三种类型：孔隙、裂隙和溶 穴；重点掌握孔隙的大小、多少（空隙率）的表征及 其影响因素；了解不同空隙的特征与他们之间的差异。 掌握空隙中水的存在形式，了解结合水、重力水、毛 细水的特点；掌握岩土孔隙度、给水度、持水度的概 念和他们的关系，以及影响因素；了解容水度、含水 量、透水性的概念。
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第二章 岩石中的孔隙与水分
三、溶穴（solution cavity） 溶穴(隙) 可溶的沉积岩（岩盐、石膏、石灰岩、白云岩 等）在地下水溶蚀下产生的空洞。（参见图2-1，8和插图 2-5） 岩溶率溶穴的体积与岩石总体积比值模十分悬殊，大的溶洞长达几十公里；而小的溶
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第二章 岩石中的孔隙与水分
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（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。
2019/12/28 a—砾石（模型） b—砂样 c—砂砾混合样
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我国土粒分级标准
颗粒名称
粒径/mm
颗粒名称
粒径
石块
>10
粉粒
石砾
粗粉粒
0.05 ～ 0.01
粗砾
10～3
细粉粒
0.01 ～ 0.005
细砾
3～1
黏粒
砂粒
粗黏粒
0.005 ～ 0.001
粗砂粒
1 ～ 0.25
细黏粒
<0.001
细砂粒
0.25 ～ 0.05