1、Fundamentals of Hydrogeology水文地質學水文地質學第二章第二章 巖石中的空隙與水巖石中的空隙與水The Interstices and Water in Rocks本章內容本章內容2.1 巖石中的空隙巖石中的空隙2.2 空隙中的水空隙中的水 2.3 巖石的水理性質巖石的水理性質2.1巖石中的空隙巖石中的空隙v 巖石巖石水文地質學中指堅硬的巖石和松散的土層。水文地質學中指堅硬的巖石和松散的土層。v 空隙空隙巖、土中各種類型孔隙的總稱。巖、土中各種類型孔隙的總稱。v 空隙空隙是地下水賦存場所（是地下水賦存場所（places)和運移通道（和運移通道（conduits)v 空

2、隙分為空隙分為1.孔隙（孔隙（pore)unconsolidated soil（第四紀地質學第四紀地質學）2.裂隙（裂隙（fissure) hard rock（構造地質學構造地質學）3.溶穴（溶穴（cavity) dissoluble rock（巖溶地貌學巖溶地貌學）工程地質學工程地質學是從土層的物理力學指標（性能）來討是從土層的物理力學指標（性能）來討論，如土的壓縮性和強度變形。論，如土的壓縮性和強度變形。 下邊以孔隙為例，討論描述空隙性有關的概念，參數下邊以孔隙為例，討論描述空隙性有關的概念，參數（指標）和分析方法。（指標）和分析方法。2.1.1 孔隙孔隙孔隙（孔隙（pore,void）土

3、體孔隙的描述有：孔隙大小、多少、形狀、連通情況土體孔隙的描述有：孔隙大小、多少、形狀、連通情況松散土體宏觀上分為松散土體宏觀上分為2 2大類：砂性土類和粘性土類大類：砂性土類和粘性土類1 1、砂礫石孔隙大小及影響因素、砂礫石孔隙大小及影響因素v 試樣試樣aa礫石、試樣礫石、試樣b b砂土樣品、試樣砂土樣品、試樣c c砂礫混合樣品砂礫混合樣品 ？問題：試樣問題：試樣a a和和b b哪種孔隙大？哪種孔隙小？孔隙大小有關？哪種孔隙大？哪種孔隙小？孔隙大小有關？v 簡單歸納：砂礫石土的孔隙大小與什么有關？簡單歸納：砂礫石土的孔隙大小與什么有關？ 顆粒顆粒大小、排列大小、排列（立方體或四面體）、（立方體

4、或四面體）、等等v 孔隙大小特征的描述：孔隙大小特征的描述： 設松散巖石顆粒為等粒圓球設松散巖石顆粒為等粒圓球, ,顆粒直徑為顆粒直徑為D,D,則則 孔喉（孔喉（d d）d=0.414D (d=0.414D (孔隙通道最細小部分孔隙通道最細小部分) ) 孔腹（孔腹（d)d=0.732D (d)d=0.732D (孔隙通道最寬大部分孔隙通道最寬大部分) ) 下圖表示不同粒度等粒巖石的孔隙大小及排列形式下圖表示不同粒度等粒巖石的孔隙大小及排列形式孔隙與粒徑關系孔隙與粒徑關系立方體排列與立方體排列與四面體排列四面體排列2.1.1孔隙孔隙2 2、砂礫石的孔隙度（、砂礫石的孔隙度（porositypor

5、osity）及其影響因素）及其影響因素孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標v 定義：定義：某一體積巖石（包括顆粒骨架與空隙在內）中孔隙所占的比某一體積巖石（包括顆粒骨架與空隙在內）中孔隙所占的比例。通常用例。通常用n n表示表示v ？問：孔隙度的大小與什么有關？問：孔隙度的大小與什么有關？與顆粒的大小有關？與顆粒的大小有關？a a、與排列有關、與排列有關緊密與疏松緊密與疏松理想最疏松孔隙度為理想最疏松孔隙度為47.64%47.64%，最緊密排列孔隙度為，最緊密排列孔隙度為25.95%25.95%b b、與分選有關、與分選有關下邊試樣哪個孔隙度大，哪個小？下邊

6、試樣哪個孔隙度大，哪個小？試樣：礫石砂石混合樣試樣：礫石砂石混合樣v 完全混合試樣時：孔隙度完全混合試樣時：孔隙度n n混混n n砂砂n n礫礫v影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度)(n)100%n空隙的體積(V孔隙度松散巖石的總體積(V)孔隙與粒徑關系孔隙與粒徑關系2.1.1孔隙孔隙v 自然界中松散巖石的孔隙度與上述討論的有些不同自然界中松散巖石的孔隙度與上述討論的有些不同松散巖石孔隙度參考值松散巖石孔隙度參考值v 矛盾之一：與粒徑的關系不是愈大則愈大嗎？矛盾之一：與粒徑的關系不是愈大則愈大嗎？v 矛盾之二：孔隙度超過最疏松排列的矛盾之二：孔隙度

7、超過最疏松排列的47.64%達到達到70%巖石名稱巖石名稱礫石礫石砂砂粉砂粉砂粘土粘土孔隙度孔隙度25-40%25-50%35-50%40-70%2.1.1孔隙粘土孔隙粘土3、粘性土的孔隙與孔隙度v粘土顆粒粘土顆粒v粘土孔隙粘土孔隙 粘性土如同海綿、蜂窩、絮狀結構粘性土如同海綿、蜂窩、絮狀結構l粘性土是指土體顆粒直徑粘性土是指土體顆粒直徑0.005mm的直徑的直徑l粘性土由于顆粒細小，比表面積大，連續力強粘性土由于顆粒細小，比表面積大，連續力強l粘粒在懸浮推移接觸時，就會聯接起來形成粘粒在懸浮推移接觸時，就會聯接起來形成“粘粒團粘粒團”l細小粘粒集合（團）構成（成為）顆粒集合體細小粘粒集合（團

8、）構成（成為）顆粒集合體l集合體與集合體結合構成集合體與集合體結合構成粘性土粘性土的沉積結構特征的沉積結構特征l結構孔隙結構孔隙集合體與集合體、粘粒與粘粒之間集合體與集合體、粘粒與粘粒之間l次生孔隙次生孔隙蟲蟲孔孔、根孔、裂隙裂痕、根孔、裂隙裂痕蒙脫石、片狀粘土礦物蒙脫石、片狀粘土礦物淤泥粘土淤泥粘土粘性土的結構，不同比例電鏡掃描片粘性土的結構，不同比例電鏡掃描片分選好，排列松的砂分選好，排列松的砂分選良好，排列緊密的砂分選良好，排列緊密的砂含泥砂礫石含泥砂礫石部分膠結的砂巖部分膠結的砂巖結構性孔隙粘土結構性孔隙粘土經過壓縮的經過壓縮的粘土粘土具有裂隙的巖石具有裂隙的巖石溶隙、溶穴的可溶巖溶隙

9、、溶穴的可溶巖松散孔隙松散孔隙粘土孔隙粘土孔隙裂隙溶隙裂隙溶隙2.1.2裂隙裂隙v裂隙（裂隙（fissure fracture）固結的堅硬巖石中，一般僅殘存很少的孔隙，而存在有固結的堅硬巖石中，一般僅殘存很少的孔隙，而存在有各種內外地質應力作用而產生的裂隙（裂縫）各種內外地質應力作用而產生的裂隙（裂縫）裂隙：裂隙：是縱向延伸長、橫向延伸短的是縱向延伸長、橫向延伸短的“餅狀空隙餅狀空隙”，單，單個裂隙是獨立的。個裂隙是獨立的。v 裂隙巖體裂隙巖體：從水的賦存和運移角度，裂隙描述包括：從水的賦存和運移角度，裂隙描述包括1）裂隙的連通性（組數、產狀、長度、密度）裂隙的連通性（組數、產狀、長度、密度）

10、2）張開性（裂隙寬度）張開性（裂隙寬度）3）裂隙率等）裂隙率等r)(K )100%r裂隙的體積(V裂隙率巖石的總體積(V)2.1.2裂隙裂隙按成因：成巖裂隙、構造裂隙、風化（卸荷）裂隙按成因：成巖裂隙、構造裂隙、風化（卸荷）裂隙S 成巖裂隙：成巖裂隙：成巖中冷凝收縮、固結干縮產生成巖中冷凝收縮、固結干縮產生( (巖漿巖巖漿巖) )S 構造裂隙：構造裂隙：構造變動中受力產生的構造變動中受力產生的( (具有方向性具有方向性) )S 風化裂隙：風化裂隙：風化營力作用下產生的風化營力作用下產生的( (地表附近地表附近) )巖石名稱巖石名稱裂隙率裂隙率%巖石名稱巖石名稱裂隙率裂隙率%各種砂巖各種砂巖3.

11、215.2正長巖正長巖0.5-2.8石英巖石英巖0.008-3.4輝成巖輝成巖0.6-2.0各種片巖各種片巖0.5-1玢巖玢巖0.4-6.7片麻巖片麻巖0-2.4玄武巖玄武巖0.6-1.3花崗巖花崗巖0.02-1.9玄武巖流玄武巖流4.4-5.6不同巖石裂隙率變化不同巖石裂隙率變化風化裂隙、成巖裂隙、構造裂隙風化裂隙、成巖裂隙、構造裂隙砂巖巖芯中的空隙砂巖巖芯中的空隙2.1.3溶穴溶穴在裂隙的基礎上，水流對可溶巖進一步作用的結果在裂隙的基礎上，水流對可溶巖進一步作用的結果是擴大了的裂隙是擴大了的裂隙溶穴：溶穴：溶蝕的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等溶蝕的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等巖溶巖體：巖溶巖體：

12、要描述裂隙特征及巖溶發育特征要描述裂隙特征及巖溶發育特征（裂隙溶洞）裂隙溶洞）1 1）巖溶發育方向）巖溶發育方向2 2）溶蝕率）溶蝕率鉆孔巖溶發育程度鉆孔巖溶發育程度3 3）溶洞（方向、規模等）溶洞（方向、規模等）2.1.4孔隙特征對比孔隙特征對比空隙特征比較空隙特征比較v 含水介質含水介質由各類空隙所構成的巖石稱為含水介質，也稱由各類空隙所構成的巖石稱為含水介質，也稱為介質場。含水介質的空間分布與連通特征（為介質場。含水介質的空間分布與連通特征（孔隙含水介質、孔隙含水介質、裂隙含水介質、溶質含水介質裂隙含水介質、溶質含水介質）不同，三種主要類型的含水）不同，三種主要類型的含水介質比較：介質比較：v 連通性連通性孔隙介質最好，其它較差孔隙介質最好，其它較差v 空間分布空間分布孔隙介質分布均勻，裂隙不均勻，溶穴極不均勻孔隙介質分布均勻，裂隙不均勻，溶穴極不均勻v 孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊v 孔隙比率孔隙比率孔隙介質最大，裂隙最小孔隙介質最大，裂隙最小v 空隙滲透性空隙滲透性孔隙介質各性同性；裂隙與溶穴各向異性孔隙介質各性同性；裂隙與溶穴各向異性造成空隙介質上述差異的主要原因造成空隙介質上述差異的主要原因是是沉積物形成和空隙形成沉積物形成和空隙形成的環境的環境巖石中空隙思考題巖石中空隙