水文地质学岩石中的空隙与水分.pptx
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1、第二章 岩石中的空隙与水分2.1 岩石中的空隙意义意义:岩石空隙是地下水:岩石空隙是地下水储存场所储存场所和和运动通道运动通道。空隙的。空隙的多多少、大小、形状、连通情况和分布规律少、大小、形状、连通情况和分布规律,对地下水的,对地下水的分布分布和和运动运动具有重要影响。具有重要影响。松散岩石中的松散岩石中的孔隙孔隙分类分类:将岩石空隙作为地下水:将岩石空隙作为地下水储存场所储存场所和和运动通道运动通道研究时,研究时,可分为可分为三类三类,即:,即:可溶岩石中的可溶岩石中的溶穴溶穴坚硬岩石中的坚硬岩石中的裂隙裂隙第1页/共44页1.分选良好,排列分选良好,排列疏松疏松的砂;的砂;2.分选良好,
2、排分选良好,排列列紧密紧密的砂的砂3.分选不良的,分选不良的,含泥、含泥、砂砂的砾石;的砾石;4.经过部分经过部分胶结胶结的砂岩的砂岩5.5.具有具有结构性孔隙结构性孔隙的的粘土粘土6.6.经过压密的粘土经过压密的粘土7.7.具有具有裂隙裂隙的岩石的岩石8.8.具有具有溶隙溶隙及及溶穴溶穴的可的可溶岩溶岩岩石中的各种空隙第2页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分孔隙 定义定义:松散岩石是由大小不等的颗粒组成的,:松散岩石是由大小不等的颗粒组成的,颗粒或颗粒或颗颗粒集合体粒集合体之间的之间的空隙空隙,称为孔隙。,称为孔隙。意义意义:孔隙:孔隙体积的多少体积的多少是影响岩石储容地下水能力大小是影响
3、岩石储容地下水能力大小的重要因素。的重要因素。孔隙度孔隙度:指某一体积岩石(包括孔隙在内)中孔隙体积:指某一体积岩石(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例。所占的比例。其中,其中,n n 表示岩石的表示岩石的孔隙度孔隙度,V V 表示表示包括孔隙在内的包括孔隙在内的岩石体积岩石体积,V Vn n 表示表示岩石中孔隙的体积岩石中孔隙的体积。第3页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分孔隙 次生孔隙次生孔隙:在碳酸盐岩层中,除粒间孔隙或晶粒间孔隙:在碳酸盐岩层中,除粒间孔隙或晶粒间孔隙所构成的所构成的原生孔隙外原生孔隙外,还有由,还有由孔洞、裂隙、白云岩化所构孔洞、裂隙、白云岩化所构成成的次生孔隙。的
4、次生孔隙。颗粒形状颗粒形状结构孔隙结构孔隙:粘性土颗粒表面带:粘性土颗粒表面带有的电荷,在沉积过程中粘粒聚有的电荷,在沉积过程中粘粒聚合,构成颗粒集合体,形成直径合,构成颗粒集合体,形成直径比颗粒本身还大的结构孔隙。比颗粒本身还大的结构孔隙。第4页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分孔隙 孔隙度的影响因素孔隙度的影响因素:孔隙度的大小主要取决于孔隙度的大小主要取决于分选程度分选程度及及颗粒排列颗粒排列情况,情况,另外另外颗粒形状颗粒形状及及胶结充填情况胶结充填情况也影响孔隙度。对于粘性土,也影响孔隙度。对于粘性土,结构结构及及次生孔隙次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。常是影响孔隙度的重要因素。
5、岩石名称岩石名称砾石砾石砂砂粉砂粉砂粘土粘土孔隙度孔隙度变化区间变化区间25%40%25%50%35%50%40%70%松散岩石孔隙度参考数值 第5页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分裂隙 固结的固结的坚硬岩石坚硬岩石,包括沉积岩、岩浆岩和变质岩,一般,包括沉积岩、岩浆岩和变质岩,一般不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙,而主要发育不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙,而主要发育各各种应力作用下种应力作用下岩石破裂变形产生的岩石破裂变形产生的裂隙裂隙。成岩成岩裂隙裂隙构造构造裂隙裂隙风化风化裂隙裂隙裂隙率裂隙率:体体裂隙率、裂隙率、面面裂隙率、裂隙率、线线裂隙率裂隙率卸荷卸荷裂隙裂隙第6页/共4
6、4页第二章 岩石中的空隙与水分 野外研究裂隙时,应注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填情况等。因为这些都对地下水的运动具有重要影响。可溶的沉积岩,如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等,在地可溶的沉积岩,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,这种空隙称为下水溶蚀下会产生空洞,这种空隙称为溶穴溶穴(隙)。(隙)。岩溶率岩溶率录像录像图片图片第7页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分 孔隙、裂隙、溶穴不是独立存在。自然界岩石中空隙孔隙、裂隙、溶穴不是独立存在。自然界岩石中空隙的发育状况远较上面所说的复杂。的发育状况远较上面所说的复杂。总结与比较 松散岩石松散岩石固然以固然以孔隙为主
7、孔隙为主,但某些,但某些粘土粘土干缩后干缩后可产生可产生裂隙裂隙,而这些裂隙的水文地质意义,甚至,而这些裂隙的水文地质意义,甚至远远超过其原有的孔隙。远远超过其原有的孔隙。第8页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分 因此,在研究岩石空隙时,必须注意观察,收集实际因此,在研究岩石空隙时,必须注意观察,收集实际资料,在事实的基础上分析资料,在事实的基础上分析空隙空隙的的形成原因形成原因及及控制因素控制因素,查明其查明其发育规律发育规律。岩石中的空隙,必须以一定方式连接起来构成岩石中的空隙,必须以一定方式连接起来构成空隙、空隙、网络网络,才能成为地下水有效的,才能成为地下水有效的运移通道(运移通道(
8、)和储容空间)和储容空间和。松散岩石、坚硬基岩和可溶岩石中的空隙网络具有不和。松散岩石、坚硬基岩和可溶岩石中的空隙网络具有不同的特点。赋存于不同岩层中的地下水,具有不同的分布同的特点。赋存于不同岩层中的地下水,具有不同的分布与运动特点。与运动特点。孔隙水孔隙水、裂隙水裂隙水和和岩溶水岩溶水固结程度不高的固结程度不高的沉积岩沉积岩,往往,往往既有孔隙既有孔隙,又有裂隙又有裂隙。可溶岩石,由于溶蚀不均一,有的部分可溶岩石,由于溶蚀不均一,有的部分发育溶穴发育溶穴,而有,而有的部分则为的部分则为裂隙裂隙,有时还可保留,有时还可保留原生的孔隙与裂缝原生的孔隙与裂缝。第9页/共44页第二章 岩石中的空隙
9、与水分2.2 岩石中水的存在形式地壳岩石中存在着以下各种形式的水:地壳岩石中存在着以下各种形式的水:第10页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分结合水结合水与重力水椭圆形小粒代表水分子,结合水部椭圆形小粒代表水分子,结合水部分的水分子带正电荷一端朝向颗粒分的水分子带正电荷一端朝向颗粒箭头代表水分子所受合力方向箭头代表水分子所受合力方向第11页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分定义定义:受固相表面的引力受固相表面的引力大于大于水分子自身重力水分子自身重力的那部分水,此的那部分水,此部分水束缚于固相表面,不能在自身重力影响下运动。部分水束缚于固相表面,不能在自身重力影响下运动。固相表面的引力固相
10、表面的引力(静电引力)(静电引力):松散岩石的颗粒表面及坚硬岩:松散岩石的颗粒表面及坚硬岩石空隙壁面均带有石空隙壁面均带有电荷电荷,水分子又是,水分子又是偶极体偶极体,由于静电吸引,由于静电吸引,固相表面具有吸附水分子的能力。固相表面具有吸附水分子的能力。库伦定律库伦定律 离固相表面离固相表面近近的水分子受到的静电引力的水分子受到的静电引力大大;随着;随着距离增距离增大,引力减弱大,引力减弱,受重力的影响就愈显著。,受重力的影响就愈显著。由于固相表面对水分子的吸引力自内向外逐渐减弱,结由于固相表面对水分子的吸引力自内向外逐渐减弱,结合水的物理性质也随之发生变化。因此,将最接近固相表面合水的物理
11、性质也随之发生变化。因此,将最接近固相表面的结合水称为的结合水称为强结合水强结合水,其外层称为,其外层称为弱结合水弱结合水。第12页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分强结合水强结合水(又称吸着水):厚度,不同研究者说法不一,(又称吸着水):厚度,不同研究者说法不一,一般认为相当于几个一般认为相当于几个水分子的厚度水分子的厚度;也有人认为,可达几;也有人认为,可达几百个水分子厚度。水分子百个水分子厚度。水分子排列紧密排列紧密,其密度平均达,其密度平均达2g/cm3左右。左右。弱弱结合水结合水(又称薄膜水又称薄膜水):):处于强结合水的外层,受到固处于强结合水的外层,受到固相表面的引力比强结合水
12、弱,但仍存在相表面的引力比强结合水弱,但仍存在范德华尔斯引力范德华尔斯引力和和强结合水最外层水分子的静电引力的合力的影响,不同学强结合水最外层水分子的静电引力的合力的影响,不同学者认为其者认为其厚度厚度为几十、几百或几千个水分子厚度。为几十、几百或几千个水分子厚度。水分子水分子排列排列不如强结合水规则和紧密,不如强结合水规则和紧密,溶解盐类的能力溶解盐类的能力较低较低。弱结合水的外层能被植物吸收利用。弱结合水的外层能被植物吸收利用。水分子厚度水分子厚度:1.92510-9m(认为水分子是球体,其直径)(认为水分子是球体,其直径)第13页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分结合水 结合水区别于普
13、通液态水的最大特征是结合水区别于普通液态水的最大特征是具有抗剪具有抗剪强度强度,即必须施一定的力方能使其,即必须施一定的力方能使其发生发生变形。结合水变形。结合水的抗剪强度由内层向外层减弱。当的抗剪强度由内层向外层减弱。当施加的外力超过其施加的外力超过其抗剪强度时,外层结合水发生流动,施加的外力愈大,抗剪强度时,外层结合水发生流动,施加的外力愈大,发生流动的水层厚度也加大。发生流动的水层厚度也加大。剪应力剪应力(单位:帕斯卡):物体由于外因(受力)(单位:帕斯卡):物体由于外因(受力)而变形时,在物体内而变形时,在物体内各部分之间产生相互作用的内力各部分之间产生相互作用的内力,以以抵抗这种外因
14、抵抗这种外因的作用,并的作用,并力图使物体从变形后的位力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同面积上的内力称为应力。同截面相切截面相切的称为剪应力或的称为剪应力或切应力。切应力。第14页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分定义定义:距离固体表面更远的那部分水分子,重力对它:距离固体表面更远的那部分水分子,重力对它的影响的影响大于大于固体表面对它的吸引力,因而能在自身重固体表面对它的吸引力,因而能在自身重力影响下运动,这部分水就是力影响下运动,这部分水就是重力水重力水。靠近靠近固体表面的那一部分,仍
15、然受到固体引力的影响,固体表面的那一部分,仍然受到固体引力的影响,水分子的排列较为整齐。这部分水在流动时呈水分子的排列较为整齐。这部分水在流动时呈层流层流状态,状态,而不作而不作紊流紊流运动。运动。远离远离固体表面的重力水,不受固体引力的影响,只受固体表面的重力水,不受固体引力的影响,只受重力控制。这部分水在流速较大时容易转为重力控制。这部分水在流速较大时容易转为紊流紊流运动。运动。第15页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分重力水 紊流紊流:流体力学中的一个术语,:流体力学中的一个术语,是指流体从一种稳是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种定状态向另一种稳定状态变化过程中的一
16、种无序状态无序状态。具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位,流具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位,流体各质点不规则地流动。体各质点不规则地流动。层流层流:当流体:当流体速度足够小速度足够小时,流体将作时,流体将作分层平行流分层平行流动动,流体质点的轨迹(一般说它随原始空间坐标,流体质点的轨迹(一般说它随原始空间坐标 x、y、z和时间和时间 t 而变)是有规则的光滑曲线(最简单的情形是而变)是有规则的光滑曲线(最简单的情形是直线)在流动过程中,相邻质点的轨迹线彼此仅稍有差直线)在流动过程中,相邻质点的轨迹线彼此仅稍有差别,不同流体质点的轨迹线不相互混杂,这样的流动称别,不同流体质
17、点的轨迹线不相互混杂,这样的流动称为层流。为层流。第16页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分毛细水第17页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分气态水、固态水固态水固态水:岩石的温度低于:岩石的温度低于0,空隙中的液态水转化为固态,空隙中的液态水转化为固态水。在水。在高纬度地区高纬度地区和和中低纬度的高海拔地区中低纬度的高海拔地区,由于气候寒冷,由于气候寒冷,地下都存在着地下都存在着多年冻土多年冻土,其冻结层上部有地下冰,冰层厚度,其冻结层上部有地下冰,冰层厚度由几十厘米到三五米不等。有一部分岩石赋存其中的地下水由几十厘米到三五米不等。有一部分岩石赋存其中的地下水多年中保持固态多年中保持固态,
18、这就是所谓的多年冻土。,这就是所谓的多年冻土。地球上多年冻土面积有地球上多年冻土面积有3500万平方千米,水量约占地球万平方千米,水量约占地球总水量的万分之二。在我国,冻土主要分布在东北及青藏高总水量的万分之二。在我国,冻土主要分布在东北及青藏高原。原。气态水气态水:在在包气带包气带空隙中存在着气态水。气态水可以随空气空隙中存在着气态水。气态水可以随空气流动而流动。另外,即使空气不流动,它也能从水汽压力流动而流动。另外,即使空气不流动,它也能从水汽压力(绝对湿度)大的地方向小的地方迁移。气态水在一定温度、(绝对湿度)大的地方向小的地方迁移。气态水在一定温度、压力条件下,与液态水相互转化,两者之
19、间保持动平衡。压力条件下,与液态水相互转化,两者之间保持动平衡。第18页/共44页第二章 岩石中的空隙与水分2.3 与水的储容及运移有关的岩石性质 岩石岩石空隙空隙的的多少多少、大小大小、连通程度连通程度及其及其分布的均匀分布的均匀程度程度,都对其储容、滞留、释出以及透过水的能力有影,都对其储容、滞留、释出以及透过水的能力有影响。响。容水度定义定义:容水度是指岩石:容水度是指岩石完全饱水完全饱水时所能容纳的最大的水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。体积与岩石总体积的比值。一般说来容水度在数值上与孔隙度(裂隙率、岩溶一般说来容水度在数值上与孔隙度(裂隙率、岩溶率)相当。但是对于具有率)
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- 水文地质学 岩石 中的 空隙 水分
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