02岩石中的空隙与水分.ppt

第二章岩石中的空隙与水分,,2.1岩石中的空隙,“地壳表层（土壤层）就好象是饱含着水的海绵”,第二章岩石中的空隙与水分,,2.1岩石中的空隙,意义岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。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。,分类将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类，即松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙，可溶岩石中的溶穴。,1.分选良好，排列疏松的砂；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.经过压密的粘土,7.具有裂隙的岩石,8.具有溶隙及溶穴的可溶岩,岩石中的各种空隙,第二章岩石中的空隙与水分,,d10－土中小于此粒径的土的质量占总土质量的10，也称有效粒径；d60－土中小于此粒径的土的质量占总土质量的60，也称限制粒径。粒径分布的均匀程度由不均匀系数Cu表示,Cu愈大，土愈不均匀，也即土中粗、细颗粒的大小相差愈悬殊。反之，Cu愈小，d60与d10相距愈近，曲线愈陡，表示土中的粒组变化范围窄，土粒均匀。,第二章岩石中的空隙与水分,,2.1.1孔隙,定义松散岩石是由大小不等的颗粒组成的，颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。,意义孔隙体积的多少是影响岩石储容地下水能力大小的重要因素。,孔隙度指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。,其中，n表示岩石的孔隙度，V表示包括孔隙在内的岩石体积，Vn表示岩石中孔隙的体积。,第二章岩石中的空隙与水分,,→分选程度,→胶结充填情况,→颗粒排列情况,第二章岩石中的空隙与水分,,2.1.1孔隙,→次生孔隙在碳酸盐岩层中，除粒间孔隙或晶粒间孔隙所构成的原生孔隙外，还有由孔洞、裂隙、白云岩化所构成的次生孔隙。,→颗粒形状,→结构孔隙粘性土颗粒表面带有的电荷，在沉积过程中粘粒聚合，构成颗粒集合体，形成直径比颗粒本身还大的结构孔隙。,第二章岩石中的空隙与水分,,2.1.1孔隙,孔隙度的影响因素孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。对于粘性土，结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。,松散岩石孔隙度参考数值,1.分选良好，排列疏松的砂；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.经过压密的粘土,7.具有裂隙的岩石,8.具有溶隙及溶穴的可溶岩,岩石中的各种空隙,第二章岩石中的空隙与水分,,2.1.2裂隙,固结的坚硬岩石，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，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。,,成岩裂隙,构造裂隙,风化裂隙,裂隙率体裂隙率、面裂隙率、线裂隙率,,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。,第二章岩石中的空隙与水分,,2.1.3溶穴,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，这种空隙称为溶穴（隙）。,岩溶率,录像,图片,,2010年9月14日消息，一支水下洞穴潜水员团队10日至13日在西班牙波索阿苏尔创造了一项新的世界纪录。他们潜入了一个尚未开发的洞穴5.5英里（约8825米）深，打破了之前由美国人创造的4.8英里（约7800米）世界纪录。这支由3名英国人和1名荷兰人组成的业余潜水队伍花了两天半的时间完成了这一壮举。,珠穆朗玛峰，高度8844.43米，为世界第一高峰。,西太平洋的阿里亚纳海沟，深11000米,第二章岩石中的空隙与水分,,孔隙、裂隙、溶穴不是独立存在。自然界岩石中空隙的发育状况远较上面所说的复杂。,总结与比较,松散岩石固然以孔隙为主，但某些粘土干缩后可产生裂隙，而这些裂隙的水文地质意义，甚至远远超过其原有的孔隙。,固结程度不高的沉积岩，往往既有孔隙，又有裂隙。,可溶岩石，由于溶蚀不均一，有的部分发育溶穴，而有的部分则为裂隙，有时还可保留原生的孔隙与裂缝。,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，收集实际资料，在事实的基础上分析空隙的形成原因及控制因素，查明其发育规律。,岩石中的空隙，必须以一定方式连接起来构成空隙、网络，才能成为地下水有效的运移通道（△）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。孔隙水、裂隙水和岩溶水,总结与比较,,第二章岩石中的空隙与水分,,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,,,第二章岩石中的空隙与水分,,2.2.0岩石“骨架”中的水（矿物结合水）,沸石水（也沸石结晶水）,沸石的特点具有架状结构，在它们的晶体内，分子像搭架子似地连在一起，中间形成很多空腔。在这些空腔里还存在很多水分子，因此它们是含水矿物。这些水分在遇到高温时会排出来，比如用火焰去烧时，大多数沸石便会膨胀发泡，像是沸腾一般。沸石的名字就是因此而来。,沸石的一般结构式为A[（AlO2）x（SiO2）y]n（H2O）其中A为Ca、Na、K、Ba、Sr等阳离子，x为Al原子数，y为Si原子数，（y/x）通常在1～5之间。,第二章岩石中的空隙与水分,,在矿物晶格中占有确定位置的中性水分子H2O，水分子的数量与该化合物中其他组分之间有一定的比例。由于在不同的矿物的晶格中，水分子结合的紧密程度不同，因此结晶水脱离晶格所需的温度也就不同，但一般不超过600℃。通常为100～200℃。当结晶水逸出时，原矿物晶格便被破坏，其他原子可重新组合，形成另一种化合物。,结晶水,例如,,生石膏Ca（SO4）2H2O，将石膏加热到150-170℃时，大部分结晶水失去，变成熟石膏2CaSO4H2O；,第二章岩石中的空隙与水分,,结晶水,生石膏Ca（SO4）2H2O，加热时存在3个排出结晶水阶段105180℃，首先排出1个水分子，随后立即排出半个水分子，转变为烧石膏Ca[SO4]0.5H2O，也称熟石膏或半水石膏。200220℃，排出剩余的半个水分子，转变为Ⅲ型硬石膏Ca[SO4]εH2O0.06ε0.11。约350℃，转变为Ⅱ型石膏Ca[SO4]。1120℃时进一步转变为Ⅰ型硬石膏。熔融温度1450℃。,第二章岩石中的空隙与水分,,五水硫酸铜晶体失水分三步图中两个仅以配位键与铜离子结合的水分子最先失去，大致温度为102℃。两个与铜离子以配位键结合，并且与外部的一个水分子以氢键结合的水分子随温度升高而失去，大致温度为113℃。,,,第二章岩石中的空隙与水分,,最外层水分子最难失去，因为它的氢原子与周围的硫酸根离子中的氧原子之间形成氢键，它的氧原子又和与铜离子配位的水分子的氢原子之间形成氢键，总体上构成一种稳定的环状结构，因此破坏这个结构需要较高能量。失去最外层水分子所需温度大致为258℃。,,,第二章岩石中的空隙与水分,,呈H、OH－，H3O等形式参加矿物晶格的离子。这些离子在晶格中占有确定的位置，数量上与其他元素成一定的比例，只有在较高的温度（一般在数百摄氏度到1000℃之间）下，当晶格破坏时，它们才组成水分子从矿物中析出。含有结构水的矿物中以含OH－的为最常见如纤铁矿FeO（OH），高岭石Al4（Si4O10）（OH）8,结构水,,第二章岩石中的空隙与水分,,2.2.1结合水,结合水与重力水,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,箭头代表水分子所受合力方向,第二章岩石中的空隙与水分,,定义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。,固相表面的引力松散岩石的颗粒表面及坚硬岩石空隙壁面均带有电荷，水分子又是偶极体，由于静电吸引，固相表面具有吸附水分子的能力。,库伦定律,离固相表面近的水分子受到的静电引力大；随着距离增大，引力减弱，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，结合水的物理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强结合水，其外层称为弱结合水。,第二章岩石中的空隙与水分,,强结合水（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水分子的厚度；也有人认为，可达几百个水分子厚度。水分子排列紧密，其密度平均达2g/cm3左右。,弱结合水（又称薄膜水）处于强结合水的外层，受到固相表面的引力比强结合水弱，但仍存在范德华尔斯引力和强结合水最外层水分子的静电引力的合力的影响，不同学者认为其厚度为几十、几百或几千个水分子厚度。水分子排列不如强结合水规则和紧密，溶解盐类的能力较低。弱结合水的外层能被植物吸收利用。,水分子厚度1.92510-9m（认为水分子是球体，其直径）,范德华力是一种电性引力（电场力），是分子彼此距离十分接近的时候产生的微弱电磁吸引力。比如水分子是极性的，它的负极端会吸引其它水分子的正极端。,,,,,第二章岩石中的空隙与水分,,第二章岩石中的空隙与水分,,2.2.1结合水,结合水区别于普通液态水的最大特征是具有抗剪强度，即必须施一定的力方能使其发生变形。结合水的抗剪强度由内层向外层减弱。当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，发生流动的水层厚度也加大。,剪应力（单位帕斯卡）物体由于外因（受力）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面相切的称为剪应力或切应力。,,,,第二章岩石中的空隙与水分,,2.2.1结合水,结合水与重力水,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,箭头代表水分子所受合力方向,第二章岩石中的空隙与水分,,定义距离固体表面更远的那部分水分子，重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力，因而能在自身重力影响下运动，这部分水就是重力水。,靠近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层流状态，而不作紊流运动。,远离固体表面的重力水，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紊流运动。,第二章岩石中的空隙与水分,,2.2.2重力水,紊流流体力学中的一个术语，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，流体各质点不规则地流动。,层流当流体速度足够小时，流体将作分层平行流动，流体质点的轨迹（一般说它随原始空间坐标x、y、z和时间t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别，不同流体质点的轨迹线不相互混杂，这样的流动称为层流。,,,,第二章岩石中的空隙与水分,,2.2.3毛细水,,,,第二章岩石中的空隙与水分,,2.2.4气态水、固态水,固态水岩石的温度低于0℃，空隙中的液态水转化为固态水。在高纬度地区和中低纬度的高海拔地区，由于气候寒冷，地下都存在着多年冻土，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多年中保持固态，这就是所谓的多年冻土。地球上多年冻土面积有3500万平方千米，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原。,气态水在包气带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（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，两者之间保持动平衡。,,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,岩石空隙的多少、大小、连通程度及其分布的均匀程度，都对其储容、滞留、释出以及透过水的能力有影响。,2.3.1容水度,定义容水度是指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水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、岩溶率）相当。但是对于具有膨胀性的粘土，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。,,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.2含水量,含水量说明松散岩石实际保留水分的状况。,重量含水量松散岩石孔隙中所含的水量（Gw）与干燥岩石重（Gs）的比值,体积含水量含水体积（Vw）与包括孔隙在内的岩石体积（V）的比值,若水的比重为1，岩石的干容重（单位体积干土的重）为,重量含水量与体积含水量的关系,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.2含水量,饱和含水量Ws孔隙充分饱水时的含水量,饱和差饱和含水量与实际含水量之间的差值,饱和度实际含水量与饱和含水量之比,→比重也称相对密度，固体和液体的比重是该物质的密度与在标准大气压，3.98℃时纯H2O的密度（999.972kg/m3）的比值。气体的比重是指该气体的密度与标准状况下空气密度的比值。液体或固体的比重说明了它们在另一种流体中是下沉还是漂浮。比重是无量纲量，即比重是无单位的值，一般情形下随温度、压力而变。密度是有量纲的量，比重是无量纲的量。,,,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.3给水度,定义我们把地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积，称为给水度。,例如，地下水位下降2m，1m2水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积为0.2m3（相当于水柱高度0.2m），则给水度为0.1或10％。,影响因素对于均质的松散岩石，给水度的大小与岩性、初始地下水位埋藏深度以及地下水位下降速率等因素有关。,单位体积岩石体在重力作用下释出的水的体积,,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.3给水度,岩性对给水度的影响主要表现为空隙的大小与多少。,例如，颗粒粗大的松散岩石，裂隙比较宽大的坚硬岩石，以及具有溶穴的可溶岩，空隙宽大，重力释水时，滞留于岩石空隙中的结合水与孔角毛细水较少，理想条件下给水度的值接近孔隙度、裂隙率与岩溶率。,相反，若空隙细小（如粘性土），重力释水时大部分水以结合水与悬挂毛细水形式滞留于空隙中，给水度往往很小。,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.3给水度,常见松散岩石的给水度,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.3给水度,当初始地下水位埋藏深度小于最大毛细上升高度时，地下水位下降后，重力水的一部分将转化为支持毛细水而保留于地下水面之上，从而使给水度偏小。,,,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.3给水度,可能的原因,1）重力释水并非瞬时完成，而往往滞后于水位下降；2）迅速释水时大、小孔道释水不同步，大的孔道优先释水，在小孔道中形成悬挂毛细水而不能释出。,,常见松散岩石的给水度,,地下水位下降速率,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.4持水度,定义地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称作持水度。,包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量称作残留含水量数值上相当于最大的持水度。,给水度、持水度与孔隙度的关系,影响因素,,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.5透水性岩石允许水透过的能力,以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.5透水性岩石允许水透过的能力,圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的边缘上分布着在寻常条件下不运动的结合水，其余部分是重力水。由于附着于隙壁的结合水层对于重力水，以及重力水质点之间存在着摩擦阻力，最近边缘的重力水流速趋于零，中心部分流速最大。,结论孔隙直径愈小，结合水所占据的无效空间愈大，实际渗流断面就愈小；同时，孔隙直径愈小，可能达到的最大流速愈小。因此，孔隙直径愈小，透水性就愈差。当孔隙直径小于两倍结合水层厚度时，在寻常条件下就不透水。,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.5透水性,把松散岩石中的全部孔隙通道概化为一束相互平行的等径圆管，则不难推知当孔隙度一定而孔隙直径愈大，则圆管通道的数量愈少，但有效渗流断面愈大，透水能力就愈强；反之，孔隙直径愈小，透水能力就愈弱。,由此可见，决定透水性好坏的主要因素是孔隙大小；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。,第二章岩石中的空隙与水分,,2.3.5透水性,第二章岩石中的空隙与水分,,b概化为沿程等经的圆管,a孔隙通道原型,c概化为沿程不等径圆管,第二章岩石中的空隙与水分,,实际的孔隙通道并不是直径均一的圆管，而是直径变化、断面形状复杂的管道系统（图a）。岩石的透水能力并不取决于平均孔隙直径（图b），而在很大程度上取决于最小的孔隙直径（图c）（木桶原理）,实际的孔隙通道也不是直线的，而是曲折的（图a）。孔隙通道愈弯曲，水质点实际流程就愈长，克服摩擦阻力所消耗的能量就愈大。,孔隙大小,孔隙通道沿程直径的变化和曲折性,颗粒分选程度,,,孔隙度,＞,第二章岩石中的空隙与水分,,2.4有效应力原理与松散岩土压密,意义太沙基（Terzaghi，1925）所提出的有效应力原理可以帮助我们分析地下水位变动情况下岩石有效应力的变化以及由此引起的松散岩石压密问题。,太沙基，美籍奥地利土力学家，现代土力学的创始人。早期广泛地从事工程地质和岩土工程的实践工作，接触到大量的土力学问题。后期转入教学岗位，从事土力学的教学和研究工作，并着手建立现代土力学。,第二章岩石中的空隙与水分,,第二章岩石中的空隙与水分,,