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1、第二章 岩石中的空隙和水分业已知道，自地表到下地幔带都有水分存在，然而与人类关系最为直接的乃是地球浅部的地下水。这些水赋存在于地壳表层十五公里左右范围的空隙之中。尤其是2公里以内，这种空隙发育比较普遍，所以有人形象的说：地壳表层犹如饱含水的海绵。一、岩石中的空隙岩石中大小不等、形状不一的空间。岩石中的空隙是存在于岩石中那些大小不等，形状各异的空间，它们是地下水存储的场所和运动的通道。因此这些空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布情况。对地下水分布有着严格的控制作用。* 岩石的空隙性岩石空隙的形状、大小、多少、连通情况和分布特点。在水文地质学中岩石的空隙可分为三大类： 岩石的孔隙； 硬岩石的裂隙
2、； 可溶岩石中的溶穴。1、孔隙松散岩石中颗粒或颗粒集合体之间的空隙。 松散堆积物和某些胶结不好的基岩，系由大大小小的颗粒构成，颗粒之间的空隙相互连通且呈孔状，故称为孔隙。 显然，岩石中空隙较多，储存地下水的能力越大。空隙体积的多少以空隙度（n）表示。 空隙度（n）包括孔隙在内的某一体积的岩石中，孔隙体积Vn所占的比例。 n VnVn VnV空隙比（L）岩石中孔隙的体积Vn与固体颗粒体积Vs 的比值。 即： =Vn/Vs 或=Vn/Vs V= Vn+Vs Vs = V Vn nVnVVnnV Vn/Vs( nV) / (V Vn) nVV VnnVV（n） n / (n1)即： = n / (1
3、n)孔隙度大小是衡量岩石储容地下水能力大小的中要参数，二者为正比关系。* 松散岩石孔隙度的大小主要取决于： 颗粒的分选程度（均匀程度）； Nd1 = 40% 混 Nd2 = 50% 则 N（混）= 40%50% = 20% 颗粒的排列方式； 立方体排列疏松N可达47.64%；四面体排列较紧密，N=25.95；与粒径无关。 颗粒形状及胶结充填情况。若颗粒之间发生一定的胶结或充填，胶结物、充填物占去部分空间，当然n 就降低了。自然界松散岩石颗粒分选程度和磨圆度既达不到等粒圆球程度，也达不到立方体和四方体的排列方式，而呈过渡状态。所以它的孔隙度介于中间状态。由表 2-1可见，岩石颗粒越细，则其孔隙度
4、越大，即孔隙度大小与颗粒直径成反比。所以黏土的孔隙度最大，并且往往比理论的最大孔隙度还要大，因为黏粒带电荷，沉积时互相聚合，构成颗粒集合体，并形成比黏粒直径还大的结构孔隙。加：松散岩石肉眼鉴定松散岩石分类（按颗粒直径d）漂砾、块石 d 200mm 大于罐头瓶卵石、碎石 20200 玻璃球罐头瓶砾石、石屑 220 大米玻璃球（鹌鹑蛋）砂（粗、中、细） 0.052 大米小米粗玉米面粉砂（土） 0.0050.05 细玉米面黏土 0.005 特粉混合类：砂黏（砂质黏土）主要是黏土，但含少量砂。 黏砂（黏质砂土）主要是砂，但含少量黏粒。孔隙大小对地下水的运动影响很大。一般情况下，颗粒大，孔隙大，水运动畅
5、通。但对水流运动影响更大的是孔喉 孔隙通道最细小的部分。不管孔隙直径多大，水流都要通过孔喉，所以孔喉的大小是影响水流运动的最主要因素。由于自然界松散岩石颗粒总达不到同大等圆的程度，大孔隙中总或多或少地被细小颗粒所充填，所以孔隙大小取决于实际组成孔隙的细小颗粒直径。排列方式也影响孔隙大小，立方体大，四方体小。孔隙度大小对地下水储容能力影响很大，一般n大，储水多。但孔隙大小和孔隙度大小具有不同的意义，如黏土孔隙小，孔隙度大，储水较多而流不出，水运动难。2、裂隙 坚硬岩石中由破裂变形而产生的裂缝式空隙。裂隙是在各种地质应力作用下变形破裂而形成的，按裂隙成因分为：成岩裂隙岩石在成岩过程中产生的裂隙。构
6、造裂隙岩石在构造运动中受力破裂所产生的裂隙。风化裂隙岩石在风化作用下破坏而产生的裂隙。裂隙的多少以裂隙率表征，以此数值反映岩石中裂隙的多少。* 体积裂隙率 岩石中裂隙的体积与包括裂隙在内的岩石总体积之比。（小数或百分数）面积裂隙率 单位面积的岩石上，裂隙面积所占的比例。线裂隙率 在垂直于裂隙方向上单位长度内裂隙所占的比例。由于自然界岩石裂隙发育极不均匀，所以在实地测量岩石的裂隙率时要多测些点，以统计平均值给出，才具有代表性。研究裂隙，主要研究其发育方向、密度、延伸长度、充填情况等以及发育密度，发育程度等。3、溶穴可溶岩石在地下水作用下产生的空洞。溶穴的多少以岩溶率表征。 * 岩溶率溶穴的体积与
7、包括溶穴在内的岩石体积的比值。 溶穴的大小相差悬殊，分布极不均匀。大者为溶洞，可达数十米上百米，长可延伸几十公里；小者为溶孔。岩溶发育带上，岩溶率可高达百分之几十，而此带以外的地段岩溶率可能为零。 上述三种空隙的发育，在自然界的许多情况下是相互制约而共同伴生的。如坚硬的灰岩，可在构造力作用下产生构造裂隙，而后地下水又活动其间而发生溶蚀作用。将这些构造裂隙开拓为溶蚀裂隙，进而扩为溶洞。松散岩石中固然多孔隙，但有时黏土干缩会产生裂隙，这些裂隙的水文地质意义往往超过其原有的孔隙。固结程度不高的沉积岩，往往既有孔隙又有裂隙。 岩石中的空隙是地下水赋存场所和运移通道。但这些空隙必须是以一定方式连接起来构
8、成空隙网络，才能成为具有水文地质意义的储容空间和地下水流运动的通道。否则，孤立的空隙意义不大。 不同类型的岩石，所形成的空隙网络其特点是不一样的。* 松散岩层中空隙发育的一般特点：连通性好，分布均匀, 各向同性。所以分布其中的地下水的多少和运动状态都是比较均匀的。* 坚硬岩石中裂隙发育的一般特点：宽窄不等，长度不一，分布不均，方向性强，连通性差。只有在不同方向的裂隙相互穿插切割沟通而形成网络，才有利于地下水的存储和运动。裂隙水分布严格接受裂隙发育特点控制而不均匀。* 可溶岩中溶穴发育的一般特点：大小悬殊，分布极不均匀。 所以赋存其中的地下水受控于溶穴发育特点而极不均匀。存在不同岩石中的地下水，
9、其分布特点无不受控于介质分布状况。不同的含水介质，其空隙特征各异，其中的地下水也表现出不同的赋存特征。* 按含水岩层的空隙类型可将地下水划分为三种类型： （松散岩石）空隙水 （坚硬基岩）裂隙水 （可溶岩石）岩溶水二、岩石中水的存在形式（水在岩石中有各种存在形式）岩石中的水：* A. 岩石空隙中的水：* 按水的物理状态分为： 气态水； 液态水； 固态水。* 按水的受力状态分为：结合水：分为：强结合水（吸着水）；弱结合水（薄膜水）。毛细水。重力水。B. 岩石“骨架”中的水： 沸石水 在矿物结晶格架之间空隙中的水（结合不牢固）。 结晶水 在矿物结晶格架之上的水（结合较牢固）。 结构水 在矿物结晶格架
10、之中的水（结合牢固）。* 1、结合水_在静电引力作用固相表面吸附的水。松散岩石颗粒表面和坚硬岩石裂隙面均带电荷。由于水分子是偶极分子，在静电引力作用下，一部分水分子就被吸附在固相表面，形成结合水。因此，结合水不能在重力的作用下运动，呈现固体的性质，具有一定抗剪强度。 根据水分子与固体表面的距离大小，或者说根据水分子受固相表吸引力的大小，结合水分为强结合水和弱结合水。强结合水离固相表面最近，所受引力很大，被紧紧吸在固相表面，故又称为吸着水。吸着水分子排列紧密、整齐，平均密度为2g/cm3 ，具有抗剪能力，不能流动，但可转化为气态水而转移，溶解盐的能力很低。如用水洗手后，甩不干，但可用毛巾檫去，也
11、可蒸发干燥。弱结合水距固相表面稍远，水分子排列也有一定规则，厚度较吸着水大，形成一层水膜，故称之为薄膜水。薄膜水具较大的密度和一定的抗剪能力，溶解盐的能力仍较低，但可被植物吸收。一般情况下不能流动，只有在施加的外力大于其抗剪能力时，外层水分子才开始流动。但当两个包裹着薄膜水的颗粒接触时厚膜的水可向薄膜移动，直至二 等厚为止。2、* 重力水（岩石空隙中） 能在自身重力作用下而运动的水。重力水广泛分布在地壳岩石的空隙之中，其数量最多，与人的关系最为密切，是水文地质学研究的主要对象。重力水处在薄膜水以外，固体对它的吸引力小于其本身的重力了，在重力作用下可以自由流动了，故称之为重力水。人们从井、泉中取
12、出的水都是重力水。3、毛细水 赋存在地下水面以上毛细空隙中的水。将一根很细的玻璃管插入水中，管内水面就会上升到一定高度而停下来，这就是发生在气、液、固三相表面上的毛细现象。当将玻璃管提起来，其中的水并不流出。自然界岩石中的空隙相连，会构成毛细管一般般的通道，在毛细力的作用下地下水就会沿着这些通道上升到一定高度，停留在这些毛细通道中。若干这样的含毛细水的通道一起构成毛细水带。其中的毛细水下面受有地下水的支持，故称之为支持毛细水。毛细水同时受毛细力和重力作用，在二者平衡的高度停下来。毛细水停下来的位置与地下水面间的距离叫做毛细水上升高度。毛细水上升高度大小与孔隙颗粒大小有关。一般：颗粒粗孔隙大，毛
13、细水上升高度小；颗粒细孔隙小，毛细水上升高度大。在耕作区，要把地下水位控制在毛细上升高度以下，以防止地表积盐，使土壤盐碱化。毛细水可以传递静水压力，也可被植物吸收。如果细粒物质与粗粒物质交互成层时，由于毛细通道上下弯液面毛细力作用，毛细水会脱离地下水面而保留在细粒土层中，这种毛细水叫做悬挂毛细水。松散岩石颗粒间的接触点上可悬留一些水，称为触角毛细水或孔角毛细水。4、气态水 （未饱和岩石空隙中）以气态形式存在的水。 未饱和岩石空隙中的水，可以来自地下液态水的蒸发，也可以由大气中水汽进入岩石空隙而成。气态水可随空气运动。即使在空气不流动的情况下，也能从水汽压力（绝对湿度）大的地方向小的地方迁移。气
14、态水与液态水在一定温度、压力条件下互相转化，二者保持动态平衡。如在干燥的沙漠上，放一块玻璃板或金属板，夜间气温迅速降低，空气的饱和差减小，下面温度较高的沙中的水汽就会向空气迁移，在板面凝结成液态水。5、固态水 冰。它是以固体形式存在的水。在摄氏温标零度以下，岩石空隙中的液态水就会变为固态水。我国北方冬季寒冷，在一定深度上水份固结，形成冻土。在青藏高原等高寒地区，地下水多年不化，而成为多年冻土。地下水由液态变为固态，或由固态变为液态，都伴随着体积的变化，从而可引起地表变形。6、矿物中的水 沸石水、结晶水、结构水。 沸石水 在矿物结晶格架之间空隙中的水（以水分子形式存在，结合不牢固，稍加热甚至常温下也可逸散）。 结晶水 在矿物结晶格架之上的水（以水分子形式存在，结合较紧密，加热时才可逸出）。 结构水 在矿物结晶格架之中的水（以氢离子和氢氧根离子形式存在，结合非常紧密，高温才可逸出）。三、* 岩石的水文地质性质 与水的储容和运移有关的岩石的性质。包括：容水性、持水性、给水性、透水性，它们相应的量度指标分别为容水度、持水度、给水度、渗透系数。自然界岩石中空隙的大小、多少及连通程度与其水文地质性质密切相关，尤其空隙的大小具有决定的意义。在一个足够大
