岩石中的孔隙和水分.ppt
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1、第二章 岩石中的孔隙和水分,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。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。,岩石中的孔隙:岩石中水的存在形式与水的储容及运移有关的岩石性质有效
2、应力原理与松散岩土压密,孔隙、裂隙、溶穴,结合水、重力水、毛细水,气态水、固态水及矿物中的水,容水度、含水量、给水度持水度、透水性,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12km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。,图21 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
3、裂隙的岩石;8具有溶隙及溶穴的可溶岩,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,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?,第二章 岩石中的孔隙与水分,a砾石(模型)b砂样 c砂砾
4、混合样,我国土粒分级标准,简单归纳,影响砂砾石土孔隙大小的主要因素有:颗粒大小:与构成砂砾石土的颗粒粒径成正比(图2-1理解)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。,第二章 岩石中的孔隙与水分,图2-2 颗粒的排列形式(参照格雷通),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
5、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)。颗粒形状及胶结充填情况等。(自学)。,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,第二章 岩石中的孔隙与水分,(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
6、指某一体积岩土(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例。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?,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:
7、砾石与砂石的孔隙度大小。理想情况下砾石与砂石混合的试样孔隙度:n混合=n砾石n沙石,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21 松散岩石孔隙度参考数值据弗里泽等,1987,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。
8、(2)孔隙度超过最疏松排列的47.64%?粘性土孔隙度高达70%-80%。,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。,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、
9、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。,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,图2-4现场坚硬岩石发育的裂隙,第二章 岩石中的孔隙与水分,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
10、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。风化裂隙 是风化营力作用下,岩石破坏产生的裂隙。,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,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)
11、岩溶率溶穴的体积与岩石总体积比值 溶穴的规模十分悬殊,大的溶洞长达几十公里;而小的溶孔直径仅几毫米。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。,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),图2-5 岩溶含水介质特征素描图,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
12、时还可保留原生的孔隙与裂缝。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。,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)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
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