水文地質學巖石中的空隙與水分

水文地質學巖石中的空隙與水分第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.1巖石中的空隙意義：巖石空隙是地下水儲存場所和運動通道。空隙的多少、大小、形狀、連通情況和分布規(guī)律，對地下水的分布和運動具有重要影響。松散巖石中的孔隙分類：將巖石空隙作為地下水儲存場所和運動通道研究時，可分為三類，即：可溶巖石中的溶穴堅硬巖石中的裂隙第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1.分選良好，排列疏松的砂；2.分選良好，排列緊密的砂3.分選不良的，含泥、砂的礫石；4.經過部分膠結的砂巖5.具有結構性孔隙的粘土6.經過壓密的粘土7.具有裂隙的巖石8.具有溶隙及溶穴的可溶巖巖石中的各種空隙第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.1.1孔隙定義：松散巖石是由大小不等的顆粒組成的，顆?；蝾w粒集合體之間的空隙，稱為孔隙。意義：孔隙體積的多少是影響巖石儲容地下水能力大小的重要因素?？紫抖龋褐改骋惑w積巖石（包括孔隙在內）中孔隙體積所占的比例。其中，n表示巖石的孔隙度，V表示包括孔隙在內的巖石體積，Vn表示巖石中孔隙的體積。第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.1.1孔隙→次生孔隙：在碳酸鹽巖層中，除粒間孔隙或晶粒間孔隙所構成的原生孔隙外，還有由孔洞、裂隙、白云巖化所構成的次生孔隙?！w粒形狀→結構孔隙：粘性土顆粒表面帶有的電荷，在沉積過程中粘粒聚合，構成顆粒集合體，形成直徑比顆粒本身還大的結構孔隙。第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.1.1孔隙孔隙度的影響因素：孔隙度的大小主要取決于分選程度及顆粒排列情況，另外顆粒形狀及膠結充填情況也影響孔隙度。對于粘性土，結構及次生孔隙常是影響孔隙度的重要因素。巖石名稱礫石砂粉砂粘土孔隙度變化區(qū)間25%～40%25%～50%35%～50%40%～70%松散巖石孔隙度參考數(shù)值第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.1.2裂隙固結的堅硬巖石，包括沉積巖、巖漿巖和變質巖，一般不存在或只保留一部分顆粒之間的孔隙，而主要發(fā)育各種應力作用下巖石破裂變形產生的裂隙。成巖裂隙構造裂隙風化裂隙裂隙率：體裂隙率、面裂隙率、線裂隙率卸荷裂隙第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分野外研究裂隙時，應注意測定裂隙的方向、寬度、延伸長度、充填情況等。因為這些都對地下水的運動具有重要影響。2.1.3溶穴

可溶的沉積巖，如巖鹽、石膏、石灰?guī)r和白云巖等，在地下水溶蝕下會產生空洞，這種空隙稱為溶穴（隙）。巖溶率錄像圖片第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分孔隙、裂隙、溶穴不是獨立存在。自然界巖石中空隙的發(fā)育狀況遠較上面所說的復雜。總結與比較松散巖石固然以孔隙為主，但某些粘土干縮后可產生裂隙，而這些裂隙的水文地質意義，甚至遠遠超過其原有的孔隙。第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分因此，在研究巖石空隙時，必須注意觀察，收集實際資料，在事實的基礎上分析空隙的形成原因及控制因素，查明其發(fā)育規(guī)律。巖石中的空隙，必須以一定方式連接起來構成空隙、網(wǎng)絡，才能成為地下水有效的運移通道（△）和儲容空間和。松散巖石、堅硬基巖和可溶巖石中的空隙網(wǎng)絡具有不同的特點。賦存于不同巖層中的地下水，具有不同的分布與運動特點。——孔隙水、裂隙水和巖溶水固結程度不高的沉積巖，往往既有孔隙，又有裂隙。可溶巖石，由于溶蝕不均一，有的部分發(fā)育溶穴，而有的部分則為裂隙，有時還可保留原生的孔隙與裂縫。第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.2巖石中水的存在形式地殼巖石中存在著以下各種形式的水：第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.2.1結合水結合水與重力水橢圓形小粒代表水分子，結合水部分的水分子帶正電荷一端朝向顆粒箭頭代表水分子所受合力方向第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分定義：受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部分水，此部分水束縛于固相表面，不能在自身重力影響下運動。固相表面的引力（靜電引力）：松散巖石的顆粒表面及堅硬巖石空隙壁面均帶有電荷，水分子又是偶極體，由于靜電吸引，固相表面具有吸附水分子的能力。庫倫定律離固相表面近的水分子受到的靜電引力大；隨著距離增大，引力減弱，受重力的影響就愈顯著。由于固相表面對水分子的吸引力自內向外逐漸減弱，結合水的物理性質也隨之發(fā)生變化。因此，將最接近固相表面的結合水稱為強結合水，其外層稱為弱結合水。第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分強結合水（又稱吸著水）：厚度，不同研究者說法不一，一般認為相當于幾個水分子的厚度；也有人認為，可達幾百個水分子厚度。水分子排列緊密，其密度平均達2g/cm3左右。弱結合水（又稱薄膜水）：處于強結合水的外層，受到固相表面的引力比強結合水弱，但仍存在范德華爾斯引力和強結合水最外層水分子的靜電引力的合力的影響，不同學者認為其厚度為幾十、幾百或幾千個水分子厚度。

水分子排列不如強結合水規(guī)則和緊密，溶解鹽類的能力較低。弱結合水的外層能被植物吸收利用。水分子厚度：1.925×10-9m（認為水分子是球體，其直徑）第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.2.1結合水結合水區(qū)別于普通液態(tài)水的最大特征是具有抗剪強度，即必須施一定的力方能使其發(fā)生變形。結合水的抗剪強度由內層向外層減弱。當施加的外力超過其抗剪強度時，外層結合水發(fā)生流動，施加的外力愈大，發(fā)生流動的水層厚度也加大。剪應力（單位：帕斯卡）：物體由于外因（受力）而變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復到變形前的位置。在所考察的截面某一點單位面積上的內力稱為應力。同截面相切的稱為剪應力或切應力。第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分定義：距離固體表面更遠的那部分水分子，重力對它的影響大于固體表面對它的吸引力，因而能在自身重力影響下運動，這部分水就是重力水。靠近固體表面的那一部分，仍然受到固體引力的影響，水分子的排列較為整齊。這部分水在流動時呈層流狀態(tài)，而不作紊流運動。遠離固體表面的重力水，不受固體引力的影響，只受重力控制。這部分水在流速較大時容易轉為紊流運動。第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.2.2重力水

紊流：流體力學中的一個術語，是指流體從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)變化過程中的一種無序狀態(tài)。具體是指流體流動時各質點間的慣性力占主要地位，流體各質點不規(guī)則地流動。

層流：當流體速度足夠小時，流體將作分層平行流動，流體質點的軌跡（一般說它隨原始空間坐標x、y、z和時間t而變）是有規(guī)則的光滑曲線（最簡單的情形是直線）在流動過程中，相鄰質點的軌跡線彼此僅稍有差別，不同流體質點的軌跡線不相互混雜，這樣的流動稱為層流。第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.2.3毛細水第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.2.4氣態(tài)水、固態(tài)水固態(tài)水：巖石的溫度低于0℃，空隙中的液態(tài)水轉化為固態(tài)水。在高緯度地區(qū)和中低緯度的高海拔地區(qū)，由于氣候寒冷，地下都存在著多年凍土，其凍結層上部有地下冰，冰層厚度由幾十厘米到三五米不等。有一部分巖石賦存其中的地下水多年中保持固態(tài)，這就是所謂的多年凍土。

地球上多年凍土面積有3500萬平方千米，水量約占地球總水量的萬分之二。在我國，凍土主要分布在東北及青藏高原。氣態(tài)水：在包氣帶空隙中存在著氣態(tài)水。氣態(tài)水可以隨空氣流動而流動。另外，即使空氣不流動，它也能從水汽壓力（絕對濕度）大的地方向小的地方遷移。氣態(tài)水在一定溫度、壓力條件下，與液態(tài)水相互轉化，兩者之間保持動平衡。第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.3與水的儲容及運移有關的巖石性質巖石空隙的多少、大小、連通程度及其分布的均勻程度，都對其儲容、滯留、釋出以及透過水的能力有影響。2.3.1容水度定義：容水度是指巖石完全飽水時所能容納的最大的水體積與巖石總體積的比值。

一般說來容水度在數(shù)值上與孔隙度（裂隙率、巖溶率）相當。但是對于具有膨脹性的粘土，充水后體積擴大，容水度可大于孔隙度。第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.3.2含水量

含水量說明松散巖石實際保留水分的狀況。重量含水量：松散巖石孔隙中所含的水量（Gw）與干燥巖石重（Gs）的比值體積含水量：含水體積（Vw）與包括孔隙在內的巖石體積（V）的比值若水的比重為1，巖石的干容重（單位體積干土的重）為重量含水量與體積含水量的關系第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.3.2含水量飽和含水量Ws：孔隙充分飽水時的含水量飽和差：飽和含水量與實際含水量之間的差值飽和度：實際含水量與飽和含水量之比→比重：也稱相對密度，固體和液體的比重是該物質的密度與在標準大氣壓，3.98℃時純H2O的密度（999.972kg/m3）的比值。氣體的比重是指該氣體的密度與標準狀況下空氣密度的比值。液體或固體的比重說明了它們在另一種流體中是下沉還是漂浮。比重是無量綱量，即比重是無單位的值，一般情形下隨溫度、壓力而變。密度是有量綱的量，比重是無量綱的量。第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.3.3給水度定義：我們把地下水位下降一個單位深度，從地下水位延伸到地表面的單位水平面積巖石柱體，在重力作用下釋出的水的體積，稱為給水度。

例如，地下水位下降2m，1m2水平面積巖石柱體，在重力作用下釋出的水的體積為0.2m3（相當于水柱高度0.2m），則給水度為0.1或10％。影響因素：對于均質的松散巖石，給水度的大小與巖性、初始地下水位埋藏深度以及地下水位下降速率等因素有關。單位體積飽水巖石體在重力作用下自由釋出的水的體積第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.3.3給水度巖性對給水度的影響主要表現(xiàn)為空隙的大小與多少。例如，顆粒粗大的松散巖石，裂隙比較寬大的堅硬巖石，以及具有溶穴的可溶巖，空隙寬大，重力釋水時，滯留于巖石空隙中的結合水與孔角毛細水較少，理想條件下給水度的值接近孔隙度、裂隙率與巖溶率。相反，若空隙細小（如粘性土），重力釋水時大部分水以結合水與懸掛毛細水形式滯留于空隙中，給水度往往很小。第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.3.3給水度當初始地下水位埋藏深度小于最大毛細上升高度時，地下水位下降后，重力水的一部分將轉化為支持毛細水而保留于地下水面之上，從而使給水度偏小。第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.3.3給水度可能的原因1）重力釋水并非瞬時完成，而往往滯后于水位下降；2）迅速釋水時大、小孔道釋水不同步，大的孔道優(yōu)先釋水，在小孔道中形成懸掛毛細水而不能釋出。地下水位下降速率第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.3.4持水度定義：地下水位下降一個單位深度，單位水平面積巖石柱體反抗重力而保持于巖石空隙中的水量，稱作持水度。

包氣帶充分重力釋水而又未受到蒸發(fā)、蒸騰消耗時的含水量稱作殘留含水量數(shù)值上相當于最大的持水度。給水度、持水度與孔隙度的關系影響因素第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.3.5透水性——巖石允許水透過的能力以松散巖石為例，分析一個理想孔隙通道中水的運動情況第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章巖石中的空隙與水分2.3.5透水性——巖石允許水透過的能力

圓管狀孔隙通道的縱斷面，孔隙的邊緣上分布著在尋常條件下不運動的結合水，其余部分是重力水。由于附著于隙壁的結合水層對于重力水，以及重力水質點之間存在著摩擦阻力，最近邊緣的重力水流速趨于零，中心部分流速最大。

結論：孔隙直徑愈小，結合水所占據(jù)的無效空間愈大，實際滲流斷面就愈小；同時，孔隙直徑愈小，可能達到的最大流速愈小。