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1、第二部分第二部分岩石中的空隙与水岩石中的空隙与水The Interstices and Water in Rocks Hydrogeoloy 水文地质学地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 空隙中的水空隙中的水 2.3 岩石的水理性岩石的水理性质本章内容本章内容地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙 1 1岩石空隙在地球上的分布岩石空隙在地球上的分布岩石中空隙的存在地下水的赋存提供了必要的空间条件岩石中空隙的存在地下水的赋存提供了必要的空间条件2 2岩石空隙的水
2、文地质意义及空隙特征岩石空隙的水文地质意义及空隙特征岩岩石石空空隙隙是是地地下下水水储储存存场场所所和和运运动动通通道道。岩岩石石空空隙隙的的特特征征（也也叫叫岩岩石石的的空空隙隙性性）主主要要有有：形形状状、大大小小、多多少少、连连通通性性和和分分布布规规律律。岩岩石石空空隙隙的的这这些些特特征征对对地地下下水水的的储储存存与与运动具有重要的影响。运动具有重要的影响。地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙 岩石岩石水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层 空隙空隙岩、土中各种类型的空洞的总称岩、土中
3、各种类型的空洞的总称 空隙是是地地下下水水赋赋存存场场所所（placesplaces）和和运运移移通通道道（conduitsconduits）空隙分空隙分为为 1. 1. 孔隙（孔隙（porepore）-unconsolidated soil-unconsolidated soil-（第四第四纪纪地地质质学学） 2. 2. 裂隙（裂隙（fissurefissure）- hard rock - hard rock -（构造地构造地质质学学） 3. 3. 溶穴（溶穴（cavitycavity）- dissoluble rock - dissoluble rock -（岩溶地貌学岩溶地貌学） 工工程
4、程地地质质学学是是从从土土层层的的物物理理力力学学指指标标（性性能能）来来讨论讨论，如土的，如土的压缩压缩性或性或强强度度变变形。形。 下面以孔隙为例，讨论描述空隙特征的有关概念，参数下面以孔隙为例，讨论描述空隙特征的有关概念，参数 （指标）和分析方法。（指标）和分析方法。地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo孔隙（孔隙（pore, voidpore, void） 土体孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，土体孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连连通与分布通与分布 松散土体宏松散土体宏观观上可以分上可以分为为2 2大大类类：砂性土与粘性土：砂性土与粘性土类类
5、1 1 1 1、砂砾石孔隙大小及其影响因素、砂砾石孔隙大小及其影响因素、砂砾石孔隙大小及其影响因素、砂砾石孔隙大小及其影响因素 试样试样 a a砾石砾石( (模型模型) )，试样，试样bb砂土样品，试样砂土样品，试样cc砂砾混合样品砂砾混合样品 ？ 提提问问：试样试样a a与与b b构成的孔隙哪种大？哪种小？构成的孔隙哪种大？哪种小？ 颗颗粒大小粒大小-有关？有关？ 简单归纳简单归纳简单归纳简单归纳-砂砾石土孔隙大小与什么有关？砂砾石土孔隙大小与什么有关？砂砾石土孔隙大小与什么有关？砂砾石土孔隙大小与什么有关？ 颗颗粒粒大大小小、 排排列列立立方方体体或或四四面面体体 、分分选选、胶胶结结与与
6、充充填填等等 孔隙大小特征的描述：孔隙大小特征的描述：孔喉孔喉 (d) d=0.414D (d) d=0.414D 孔腹孔腹 (d) d=0.732D (d) d=0.732D ( (上述上述为为：立方体排列的理想等径园球：立方体排列的理想等径园球颗颗粒）粒）2.1.1 孔隙孔隙地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件What are the Types of Pores (Openings)?Granular(Primary)SandClayPeatSecondaryFracturesDissolution(dissolvedmatrix)地下
7、水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Primary A function of grain size distribution, also packing Decreases with depth compaction and pressure solution Porosity increases as depth decreases. This is on account of the weight on top of the deeper materials. Porosity also tends to increase with grainsize. Why? 地下水概论第2部分
8、岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo aa砾石砾石( (模型模型) b) b砂土样品砂土样品 c c砂砾混合样品砂砾混合样品 孔隙与粒径关系孔隙与粒径关系地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo松散砂砾石孔隙大小与分选的关系松散砂砾石孔隙大小与分选的关系好、坏？好、坏？黄黄土土沙沙丘丘洪洪积物物粒径粒径mm含含量量%地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo立方体排列与立方体排列与四面体排列四面体排列DdDd立方体排列立方体排列 四面体排列四面体排列地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo2.1.1
9、 孔隙孔隙2 2 2 2、砂砾石的孔隙度（砂砾石的孔隙度（砂砾石的孔隙度（砂砾石的孔隙度（porosityporosity）及其影响因素）及其影响因素）及其影响因素）及其影响因素 孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标 定定定定义义义义：某某某某一一一一体体体体积积积积岩岩岩岩石石石石（包包包包括括括括颗颗颗颗粒粒粒粒骨骨骨骨架架架架与与与与空空空空隙隙隙隙在在在在内内内内）中中中中孔孔孔孔隙隙隙隙体体体体积积积积所所所所占占占占的比例。通常用的比例。通常用的比例。通常用的比例。通常用 n
10、 n 表示表示表示表示 ？问：孔隙度的大小与什么有关？问：孔隙度的大小与什么有关？问：孔隙度的大小与什么有关？问：孔隙度的大小与什么有关？与颗粒大小有关？与颗粒大小有关？与颗粒大小有关？与颗粒大小有关？ a. a. 与排列有关与排列有关紧紧密与疏松密与疏松 理想最疏松孔隙理想最疏松孔隙为为47.64%47.64%，最，最紧紧密排列孔隙密排列孔隙为为25.95%25.95%。 b. b. 与分与分选选有关有关下面下面试样试样哪个孔隙度大？哪个小？哪个孔隙度大？哪个小？ 试样试样：砾砾石石 砂石砂石 混合混合样样 c.c.完全混合试样时，孔隙度完全混合试样时，孔隙度完全混合试样时，孔隙度完全混合试
11、样时，孔隙度 n n混混混混=n=n砾砾砾砾n n砂砂砂砂 （请自己推导证明）（请自己推导证明）（请自己推导证明）（请自己推导证明） 影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Total Porosity1 unit volumeTotal Porosity (nt) = VporesVtotal= fraction2.1.1 孔隙孔隙地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Sand and gravel 0.1-0.2C
12、lay 0.72.1.1 孔隙孔隙地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo不同颗粒大小的试样不同颗粒大小的试样孔隙度？孔隙度？ 地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件(2) (2) 是孔隙比。是孔隙比。是孔隙比。是孔隙比。岩石的孔隙比岩石的孔隙比岩石的孔隙比岩石的孔隙比(e(e，简称隙比，简称隙比，简称隙比，简称隙比) )是指某一体积岩石内孔隙是指某一体积岩石内孔隙是指某一体积岩石内孔隙是指某一体积岩石内孔隙的体积的体积的体积的体积(Vn)(Vn)与固体颗粒体积与固体颗粒体积与固体颗粒体积与固体颗粒体积(Vs)(Vs)的比值。的比值。的比值。的比值。孔隙比：孔
13、隙比：孔隙比：孔隙比： 因为因为因为因为V Vt t=Vn+Vs=Vn+Vs，故孔隙度与孔隙比之间有如下关系，故孔隙度与孔隙比之间有如下关系，故孔隙度与孔隙比之间有如下关系，故孔隙度与孔隙比之间有如下关系e=n/(1-n)e=n/(1-n)。松散岩石压缩。松散岩石压缩。松散岩石压缩。松散岩石压缩( (或膨胀变形或膨胀变形或膨胀变形或膨胀变形) )时，孔隙体积时，孔隙体积时，孔隙体积时，孔隙体积(Vn)(Vn)发生变化，而颗粒体积发生变化，而颗粒体积发生变化，而颗粒体积发生变化，而颗粒体积(Vs)(Vs)不变，故孔隙比与孔隙不变，故孔隙比与孔隙不变，故孔隙比与孔隙不变，故孔隙比与孔隙体积变化成正
14、比，在涉及变形时，采用孔隙比方便些，体积变化成正比，在涉及变形时，采用孔隙比方便些，体积变化成正比，在涉及变形时，采用孔隙比方便些，体积变化成正比，在涉及变形时，采用孔隙比方便些，而涉及水的储容与流动时，则采用孔隙度。而涉及水的储容与流动时，则采用孔隙度。而涉及水的储容与流动时，则采用孔隙度。而涉及水的储容与流动时，则采用孔隙度。地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件(3)EFFECTIVE PorosityEffective Porosity (ne) = V connected poresVtotalne 0.7nen t0.1地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Compan
15、y Logo自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的还有些不同自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的还有些不同 P17P17表表2-1 2-1 表表2-1 2-1 松散岩石孔隙度参考数值松散岩石孔隙度参考数值 矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？ 矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64% 47.64% 达到达到70% 70% 2.1.1 孔隙孔隙地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo3、粘性土的孔隙与孔隙度 粘土颗粒粘土颗粒 粘性土是指土体粘性土是指土体粘性土是指土体粘性土是指土体颗颗粒粒粒粒
16、0.005mm0.005mm的直径的直径的直径的直径 “ “粘性土由于粘性土由于粘性土由于粘性土由于颗颗粒粒粒粒细细小，比表面小，比表面小，比表面小，比表面积积大，大，大，大，连结连结力力力力强强 粘粒在粘粒在粘粒在粘粒在悬悬浮浮浮浮 推移推移推移推移 互相接触互相接触互相接触互相接触时时，就会，就会，就会，就会连结连结起来起来起来起来 形成形成形成形成粘粒粘粒粘粒粘粒团团” ”细细小粘粒集合（小粘粒集合（小粘粒集合（小粘粒集合（团团）构成（称）构成（称）构成（称）构成（称为为）颗颗粒集合体粒集合体粒集合体粒集合体。 集合体与集合体集合体与集合体集合体与集合体集合体与集合体结结合构成合构成合构
17、成合构成粘性土粘性土粘性土粘性土的沉的沉的沉的沉积结积结构特征构特征构特征构特征 粘土孔隙粘土孔隙 粘性土如同海粘性土如同海粘性土如同海粘性土如同海绵绵、峰、峰、峰、峰窝窝或絮状或絮状或絮状或絮状结结构构构构 结结构孔隙构孔隙构孔隙构孔隙集合体与集合体、粘粒与粘粒之集合体与集合体、粘粒与粘粒之集合体与集合体、粘粒与粘粒之集合体与集合体、粘粒与粘粒之间间 次生孔隙次生孔隙次生孔隙次生孔隙虫孔、根系孔、裂隙裂痕等虫孔、根系孔、裂隙裂痕等虫孔、根系孔、裂隙裂痕等虫孔、根系孔、裂隙裂痕等2.1.1 孔隙孔隙粘土粘土地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo蒙脱石、片状粘土矿物
18、蒙脱石、片状粘土矿物淤泥粘土淤泥粘土2000地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo36240800粘性土的结构，不同比例电镜扫描片粘性土的结构，不同比例电镜扫描片地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo松散孔隙松散孔隙 | 粘土粘土 孔隙孔隙 | 裂隙溶隙裂隙溶隙地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo裂隙裂隙 （ fissure fracture fissure fracture ） 固固固固结结的的的的坚坚硬硬硬硬岩岩岩岩石石石石中中中中，一一一一般般般般仅仅残残残残存存存存很很很很小小小小部部部部分分分
19、分孔孔孔孔隙隙隙隙，而而而而存存存存在在在在有有有有各各各各种种种种内内内内外力作用下外力作用下外力作用下外力作用下产产生的裂生的裂生的裂生的裂缝缝（缝缝隙）隙）隙）隙） 风风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 裂隙裂隙裂隙裂隙：空：空：空：空间间形形形形态态是两向延伸是两向延伸是两向延伸是两向延伸长长，横向延伸短的，横向延伸短的，横向延伸短的，横向延伸短的“ “饼饼状状状状” ”空隙空隙空隙空隙 单单个裂隙是孤立的个裂隙是孤立的个裂隙是孤立的个裂隙是孤立的 裂隙岩体裂隙岩体裂隙岩体裂隙岩体：
20、从水的：从水的：从水的：从水的赋赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括：存与运移角度来看，裂隙的描述包括：存与运移角度来看，裂隙的描述包括：存与运移角度来看，裂隙的描述包括： 1) 1) 1) 1) 裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度） 2) 2) 2) 2) 张开性（裂隙宽度）张开性（裂隙宽度）张开性（裂隙宽度）张开性（裂隙宽度） 3) 3) 3) 3) 裂隙率等裂隙率等裂隙率等裂隙率等2.1.2 裂隙裂隙地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件裂隙率有如下三种：裂隙率有如下三
21、种：裂隙率有如下三种：裂隙率有如下三种：体裂隙率（体裂隙率（体裂隙率（体裂隙率（K KV V）：）：）：）：面裂隙率（面裂隙率（面裂隙率（面裂隙率（KaKa）：）：）：）：线裂隙率线裂隙率线裂隙率线裂隙率( (K Kl l) )：地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo风化（卸荷）裂隙、风化（卸荷）裂隙、 成岩裂隙、成岩裂隙、 构造裂隙构造裂隙地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo砂岩岩芯中的空隙砂岩岩芯中的空隙地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo溶穴溶穴（solution cavitysolution
22、cavity） cavern cavern 在裂隙基在裂隙基在裂隙基在裂隙基础础，水流，水流，水流，水流对对可溶岩可溶岩可溶岩可溶岩进进一步作用的一步作用的一步作用的一步作用的结结果果果果 是是是是扩扩大了的裂隙大了的裂隙大了的裂隙大了的裂隙 溶穴溶穴溶穴溶穴：溶：溶：溶：溶蚀蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等 岩溶岩体岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶要描述裂隙特征及岩溶要描述裂隙特征及岩溶要描述裂隙特征及岩溶发发育特征育特征育特征育特征 （裂隙（裂隙（裂隙（裂隙+ +溶洞）溶洞）溶洞）溶洞） 1 1 1 1）岩溶发
23、育方向）岩溶发育方向）岩溶发育方向）岩溶发育方向 2 2 2 2）溶蚀率）溶蚀率）溶蚀率）溶蚀率-钻孔岩溶发育程度钻孔岩溶发育程度钻孔岩溶发育程度钻孔岩溶发育程度 3 3 3 3）溶洞（方向、规模等）溶洞（方向、规模等）溶洞（方向、规模等）溶洞（方向、规模等）2.1.3 溶穴溶穴 地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo溶穴溶穴（solution cavitysolution cavity） cavern cavern 2.1.3 溶穴溶穴 以岩溶率以岩溶率以岩溶率以岩溶率K Kk k表示表示表示表示K Kk k= = 式式式式中中中中： V VK K：溶溶溶溶穴穴
24、穴穴体体体体积积积积 V V：包包包包含含含含溶溶溶溶穴穴穴穴在在在在内内内内的的的的可可可可溶溶溶溶岩体积岩体积岩体积岩体积地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo空隙特征的比较空隙特征的比较空隙特征的比较空隙特征的比较 含含含含水水水水介介介介质质质质由由由由各各各各类类类类空空空空隙隙隙隙所所所所构构构构成成成成的的的的岩岩岩岩石石石石称称称称为为为为含含含含水水水水介介介介质质质质，也也也也称称称称为为为为介介介介质质质质场场场场。含含含含水水水水介介介介质质质质的的的的空空空空间间间间分分分分布布布布与与与与连连连连通通通通特特特特征征征征（孔孔孔孔隙隙隙
25、隙含含含含水水水水介介介介质质质质、裂裂裂裂隙隙隙隙含含含含水水水水介介介介质质质质、溶溶溶溶质质质质含含含含水水水水介介介介质质质质）是是是是不不不不同同同同的的的的，三三三三种种种种主主主主要要要要类类类类型型型型的的的的含含含含水水水水介质比较：介质比较：介质比较：介质比较： 连连连连 通通通通 性性性性 孔隙介质最好，其它较差孔隙介质最好，其它较差孔隙介质最好，其它较差孔隙介质最好，其它较差 空间分布空间分布空间分布空间分布孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，
26、溶穴极不均匀 孔隙大小均匀，裂隙大小孔隙大小均匀，裂隙大小孔隙大小均匀，裂隙大小孔隙大小均匀，裂隙大小悬悬殊，溶穴极殊，溶穴极殊，溶穴极殊，溶穴极悬悬殊殊殊殊 空隙比率空隙比率空隙比率空隙比率孔隙介质最大，裂隙最小孔隙介质最大，裂隙最小孔隙介质最大，裂隙最小孔隙介质最大，裂隙最小 空空空空隙隙隙隙渗渗渗渗透透透透性性性性孔孔孔孔隙隙隙隙介介介介质质质质- -各各各各向向向向同同同同性性性性，裂裂裂裂隙隙隙隙与与与与溶溶溶溶穴穴穴穴- -各各各各向向向向异异异异性性性性造造造造成成成成空隙介质上述差异的主要原因：空隙介质上述差异的主要原因：空隙介质上述差异的主要原因：空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的沉积物形成和空隙形成的沉积物形成和空隙形成的沉积物形成和空隙形成的环境环境环境环境 2.1.4 空隙特征的对比空隙特征的对比地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件Company Logo思考题思考题： 1 1）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？ 2 2）粘性土孔隙度大）粘性土孔隙度大是含水层吗？是含水层吗？ 第二章第二章 第一第一节节 结结束束岩石中的空隙岩石中的空隙思考题思考题地下水概论第2部分岩石中的孔隙与水分（上课件
