水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ) 第2章 巖石中的空隙與水(上)

1、第第2章巖石中的空隙與水（上）章巖石中的空隙與水（上）The Interstices and Water in RocksFundamentals of Hydrogeoloy 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)中國地質(zhì)大學(xué)中國地質(zhì)大學(xué) 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)組水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)組 佛鳴一鼎提供，更多地大資佛鳴一鼎提供，更多地大資料料qq:605734043 內(nèi)部資料及歷年真題內(nèi)部資料及歷年真題 2.1巖石中的空隙巖石中的空隙2.2空隙中的水空隙中的水 2.3巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì)本章內(nèi)容本章內(nèi)容2.1巖石中的空隙巖石中的空隙巖石巖石水文地質(zhì)學(xué)中指堅(jiān)硬的巖石及松散的土層水文地質(zhì)學(xué)中指堅(jiān)硬的巖石及松

2、散的土層空隙空隙巖、土中各種類型的空洞的總稱巖、土中各種類型的空洞的總稱空隙空隙是地下水賦存場(chǎng)所（是地下水賦存場(chǎng)所（places）和運(yùn)移通道（）和運(yùn)移通道（conduits）空隙分為空隙分為1. 孔隙（孔隙（pore）-unconsolidated soil（第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)）2. 裂隙（裂隙（fissure）- hard rock （構(gòu)造地質(zhì)學(xué)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)）3. 溶穴（溶穴（cavity）- dissoluble rock（巖溶地貌學(xué)巖溶地貌學(xué)）下面重點(diǎn)以孔隙為例，討論描述空隙特征的有關(guān)概念，參下面重點(diǎn)以孔隙為例，討論描述空隙特征的有關(guān)概念，參數(shù)（指標(biāo)）和分析方法。數(shù)（指標(biāo)）和分析方法

3、。孔隙（孔隙（pore, void）土體孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形狀，連通與土體孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形狀，連通與分布分布 松散土體宏觀上可以分為松散土體宏觀上可以分為2大類：砂性土與粘性土類大類：砂性土與粘性土類1、砂礫石孔隙大小及其影響因素砂礫石孔隙大小及其影響因素試樣試樣 a礫石礫石(模型模型)，b砂土樣品，砂土樣品，c砂礫混合樣品砂礫混合樣品 思考：試樣思考：試樣a與與b構(gòu)成的孔隙哪種大？哪種小？構(gòu)成的孔隙哪種大？哪種?。?顆粒大小顆粒大小-有關(guān)？有關(guān)？ 簡(jiǎn)單歸納簡(jiǎn)單歸納-砂礫石土孔隙大小與什么有關(guān)？砂礫石土孔隙大小與什么有關(guān)？顆粒顆粒大小、大小、 排列排列立方體或四

4、面體立方體或四面體 、 分選、膠結(jié)與充填分選、膠結(jié)與充填等等2.1.1孔隙孔隙大小的影響因素大小的影響因素2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)1）與與粒徑關(guān)系粒徑關(guān)系a礫石礫石(模型模型)b砂土樣品砂土樣品c砂礫混合樣品砂礫混合樣品孔孔隙隙與與粒粒徑徑關(guān)關(guān)系系2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)2）與分選的關(guān)系與分選的關(guān)系黃黃 土土 沙沙 丘丘 洪積物洪積物 粒徑粒徑 mm 含含量量%松散砂礫石孔隙大小與分選的關(guān)系松散砂礫石孔隙大小與分選的關(guān)系好、壞？好、壞？2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)3）與與顆粒排列的關(guān)系顆粒排列的關(guān)系顆粒排顆粒排列列等徑圓等徑圓球最疏球最疏松與最松與最緊密緊密立方體排列立方體排列 四面體排列四

5、面體排列2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)4）孔腹和孔喉孔腹和孔喉立方體排列與立方體排列與四面體排列四面體排列孔腹和孔喉孔腹和孔喉孔隙大小的描述：孔喉孔隙大小的描述：孔喉 (d) d=0.414D 孔腹孔腹 (d) d=0.732D（立方體排列的理想等徑園球顆粒）（立方體排列的理想等徑園球顆粒）2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)5）D dDd立方體排列立方體排列 四面體排列四面體排列等徑園球顆粒立方體排列等徑園球顆粒立方體排列孔隙大小的描述：孔隙大小的描述：孔喉孔喉 (d) d=0.414D孔腹孔腹 (d) d=0.732D2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)6）孔隙度孔隙度2、砂礫石的孔隙度（、砂礫石的孔隙度（por

6、osity）及其影響因素）及其影響因素 孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標(biāo)孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標(biāo)定義：某一體積巖石（包括顆粒骨架與空隙在內(nèi)）中孔隙體積所定義：某一體積巖石（包括顆粒骨架與空隙在內(nèi)）中孔隙體積所占的比例。通常用占的比例。通常用 n 表示表示 思考：孔隙度的大小與什么有關(guān)？思考：孔隙度的大小與什么有關(guān)？ 與顆粒大小有關(guān)？與顆粒大小有關(guān)？a. 與排列有關(guān)與排列有關(guān)緊密與疏松緊密與疏松b. 與分選有關(guān)與分選有關(guān)下面試樣哪個(gè)孔隙度大？哪個(gè)?。肯旅嬖嚇幽膫€(gè)孔隙度大？哪個(gè)小？ 試樣：礫石試樣：礫石 砂石砂石 混合樣混合樣完全混合試樣時(shí)，孔隙度完全混合試樣時(shí)，孔隙度 n混混=n

7、礫礫n砂砂 （請(qǐng)自己推導(dǎo)證明）（請(qǐng)自己推導(dǎo)證明）影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。%100TnVV2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)7）不同顆粒大小的試樣不同顆粒大小的試樣孔隙度？孔隙度？不同排列的試樣不同排列的試樣孔隙度？孔隙度？理想最疏松孔隙為理想最疏松孔隙為 47.64%，最緊密排列孔隙為最緊密排列孔隙為 25.95%。D dDd立方體排列立方體排列 四面體排列四面體排列自然界中松散巖石的孔隙度與上述討論的還有些不同自然界中松散巖石的孔隙度與上述討論的還有些不同P17表表2-1表表2-1 松散巖石孔隙度參考數(shù)值松散巖石孔隙度參考數(shù)值矛盾之一：與粒

8、徑的關(guān)系不是愈大則愈大？矛盾之一：與粒徑的關(guān)系不是愈大則愈大？矛盾之二：孔隙度超過最疏松排列的矛盾之二：孔隙度超過最疏松排列的47.64% 達(dá)到達(dá)到70%巖石名稱礫石砂粉砂粘土孔隙度孔隙度25-40%25-50%35-50% 40-70%2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)8）孔隙度參考數(shù)值孔隙度參考數(shù)值2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)9） 粘土粘土3、粘性土的孔隙與孔隙度、粘性土的孔隙與孔隙度粘土顆粒粘土顆粒粘性土是指土體顆粒粘性土是指土體顆粒 0.005mm 的直徑的直徑“粘性土由于顆粒細(xì)小，比表面積大，連結(jié)力強(qiáng)粘性土由于顆粒細(xì)小，比表面積大，連結(jié)力強(qiáng)粘粒在懸浮粘粒在懸浮 推移推移 互相接觸時(shí)，就會(huì)連結(jié)起

9、來互相接觸時(shí)，就會(huì)連結(jié)起來 形成形成粘粒團(tuán)粘粒團(tuán)”細(xì)小粘粒集合（團(tuán)）構(gòu)成（稱為）顆粒集合體。細(xì)小粘粒集合（團(tuán)）構(gòu)成（稱為）顆粒集合體。集合體與集合體結(jié)合構(gòu)成集合體與集合體結(jié)合構(gòu)成粘性土粘性土的沉積結(jié)構(gòu)特征的沉積結(jié)構(gòu)特征粘土孔隙粘土孔隙粘性土如同海綿、峰窩或絮狀結(jié)構(gòu)粘性土如同海綿、峰窩或絮狀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)孔隙集合體與集合體、粘粒與粘粒之間集合體與集合體、粘粒與粘粒之間次生孔隙次生孔隙蟲孔、根系孔、裂隙裂痕等蟲孔、根系孔、裂隙裂痕等2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)10）2000蒙脫石、片狀粘土礦物蒙脫石、片狀粘土礦物淤泥粘土淤泥粘土362408002.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)11）粘性土的結(jié)構(gòu)，不同比例

10、電鏡掃描片粘性土的結(jié)構(gòu)，不同比例電鏡掃描片2.1.1孔隙（續(xù)孔隙（續(xù)12）松散砂土孔隙松散砂土孔隙粘土粘土 孔隙孔隙裂隙裂隙 溶隙溶隙裂隙裂隙 （ fissure fracture ）固結(jié)的堅(jiān)硬巖石中，一般僅殘存很小部分孔隙，固結(jié)的堅(jiān)硬巖石中，一般僅殘存很小部分孔隙，而存在有各種內(nèi)外力作用下產(chǎn)生的裂縫（縫隙）而存在有各種內(nèi)外力作用下產(chǎn)生的裂縫（縫隙）風(fēng)化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙風(fēng)化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙裂隙裂隙：空間形態(tài)是兩向延伸長(zhǎng)，橫向延伸短的：空間形態(tài)是兩向延伸長(zhǎng)，橫向延伸短的“餅餅狀狀”空隙單個(gè)裂隙是孤立的空隙單個(gè)裂隙是孤立的裂隙巖體裂隙巖體：從水的賦存與運(yùn)移角度來看，

11、裂隙的描：從水的賦存與運(yùn)移角度來看，裂隙的描述包括：述包括：1) 裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長(zhǎng)度和密度）裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長(zhǎng)度和密度）2) 張開性（裂隙寬度）張開性（裂隙寬度）3) 裂隙率等裂隙率等2.1.2裂隙裂隙2.1.2裂隙（續(xù)裂隙（續(xù)1）花崗巖風(fēng)化裂隙花崗巖風(fēng)化裂隙2.1.2裂隙（續(xù)裂隙（續(xù)2）成巖裂隙、成巖裂隙、 構(gòu)造裂隙構(gòu)造裂隙2.1.2裂隙（續(xù)裂隙（續(xù)3）砂巖巖芯中的空隙砂巖巖芯中的空隙2.1.3溶穴溶穴 溶穴（溶穴（solution cavity） cavern在裂隙基礎(chǔ)，水流對(duì)可溶巖進(jìn)一步作用的結(jié)果在裂隙基礎(chǔ)，水流對(duì)可溶巖進(jìn)一步作用的結(jié)果是是擴(kuò)大了的裂隙擴(kuò)大了的裂隙溶

12、穴溶穴：溶蝕的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等：溶蝕的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等巖溶巖體巖溶巖體：要描述裂隙：要描述裂隙特征及巖溶發(fā)育特征特征及巖溶發(fā)育特征（裂隙（裂隙+溶洞）溶洞）1）巖溶發(fā)育方向）巖溶發(fā)育方向 2）溶蝕率）溶蝕率-鉆孔巖鉆孔巖溶發(fā)育程度溶發(fā)育程度3）溶洞（方向、規(guī)模等）溶洞（方向、規(guī)模等）2.1.4空隙特征的對(duì)比空隙特征的對(duì)比空隙特征的比較空隙特征的比較含水介質(zhì)含水介質(zhì)由各類空隙所構(gòu)成的巖石稱為含水介質(zhì)，由各類空隙所構(gòu)成的巖石稱為含水介質(zhì)，也稱為介質(zhì)場(chǎng)。含水介質(zhì)的空間分布與連通特征（也稱為介質(zhì)場(chǎng)。含水介質(zhì)的空間分布與連通特征（孔隙含孔隙含水介質(zhì)、裂隙含水介質(zhì)、溶質(zhì)含水介質(zhì)水介質(zhì)、

13、裂隙含水介質(zhì)、溶質(zhì)含水介質(zhì)）是不同的，三種）是不同的，三種主要類型的含水介質(zhì)比較：主要類型的含水介質(zhì)比較：連連 通通 性性 孔隙介質(zhì)最好，其它較差孔隙介質(zhì)最好，其它較差空間分布空間分布孔隙介質(zhì)分布最均勻，裂隙不均勻，溶穴孔隙介質(zhì)分布最均勻，裂隙不均勻，溶穴極不均勻孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊極不均勻孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊空隙比率空隙比率孔隙介質(zhì)最大，裂隙最小孔隙介質(zhì)最大，裂隙最小空隙滲透性空隙滲透性孔隙介質(zhì)孔隙介質(zhì)-各向同性，裂隙與溶穴各向同性，裂隙與溶穴-各向各向異性造成空隙介質(zhì)上述差異的主要原因：異性造成空隙介質(zhì)上述差異的主要原因：沉積物形成和空沉積物形成和空隙形成的環(huán)境隙形成的環(huán)境巖石中的空隙巖石中的空隙思考題思考題思考題思考題：（1）