水文地质学基础课件——第二章 岩石中的孔隙与水
2水文地质学岩石中的空隙与水
= αL
f
L
式中： 式中：α－表面张力系数，单位为dyn(达 表面张力系数，单位为dyn(达 dyn( 因）/cm（1dyn=1×10-5N) /cm（1dyn=1×
毛细现象的产生与表面张力有关
附加表面压强 Pc 定义：表面张力的作用，使液面呈弯曲状，弯曲 定义：表面张力的作用，使液面呈弯曲状， 的液面将对液面以内的液体产生附加表面压强。 的液面将对液面以内的液体产生附加表面压强。附加表面压强的作 用方向总是指向液体表面的曲率中心方向：凹进的弯液面， 用方向总是指向液体表面的曲率中心方向：凹进的弯液面，对液体 附加一个负 的表面压强 (图a)； a)； 凸起的弯液 面，对液体 附加一个正 的表面压强 （图b）。
2.1.4 空隙特征的对比
三种主要类型的含水介质比较： 三种主要类型的含水介质比较： 连通性— 孔隙介质最好， 连通性— 孔隙介质最好，其它较差 空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀， 空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴 极不均匀；孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊 极不均匀；孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊， 空隙比率—孔隙介质最大， 空隙比率—孔隙介质最大，裂隙最小 渗透性—孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴渗透性—孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴-各向异性 造成空隙介质上述差异的主要原因： 造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形 成的环境
孔隙与粒径关系
松散砂砾石孔隙大小与分选的关系—好、坏？ 松散砂砾石孔隙大小与分选的关系 好
颗粒排列方式与孔隙大小关系
立方体排列
四面体排列
d’
立方体排列的理想等径园球颗粒 孔隙大小特征的描述：孔喉(d) 孔隙大小特征的描述：孔喉(d) d=0.414D 孔腹(d’) d’=0.732D 孔腹(d’)
《水文地质基础》第二章 岩石中的空隙与水分
松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙； 坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉积岩往 往存在大量的原生孔隙，其数量可大大超过裂隙与溶穴。
第1节 岩石中的空隙—三者比较
不同地区岩性空隙度比较
地区
岩性
孔隙度（%） 裂隙率（%）
中国北京西山 地区
美国斯普拉贝 尔油田
前苏联斯涅别 林斯基油田
慢。
第2节 岩石中水的存在形式— （矿物表面）结合水
– 溶解盐类能力较弱 – 冰点为-15℃ – 有一定的粘滞性和抗剪强度 – 在一定条件下（饱水带）可传递静水压力 – 弱结合水的外层能被植物吸收利用
第2节 岩石中水的存在形式— 毛细水(capillary water)
概念
依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。 毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的 孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
岩石中的空隙 岩石中的水分 岩石的水理性质 含水层与含水系统
第1节 岩石中的空隙
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。
孔隙 – 松散沉积物中的空隙 裂隙 – 坚硬岩石地层中的空隙 溶穴 – 可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙
毛细现象及实质
将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升 到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛 细现象。 其实质是毛细张力的作用。
形弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强，称毛细负压。
毛细上升高度hc(capillary height)和毛细上 升速度
式中D的单位为mm，Pc为毛细压力。 对主曲率半径分别为R1和R2的毛细空隙，拉普拉斯公式：
第二章岩石中的空隙与水分
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：①岩石的孔隙；②硬岩石的裂隙；③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V n所占的比例。
n＝V n／V n＝V n／V·１００％空隙比（L）—岩石中孔隙的体积V n与固体颗粒体积V s的比值。
即：ξ=V n/V s 或ξ=V n/V s·１００％∵V= V n+V s ∴V s =V—V n∵n＝V n／V∴V n＝n·V∵ξ＝V n/V s＝( n·V) / (V—V n) ＝nV／V—V n＝nV／V（１－n）＝n / (n－1)即：ξ= n / (1—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：①颗粒的分选程度（均匀程度）；N d1 = 40% 混N d2 = 50%则N（混）= 40%×50% = 20%②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。
岩石中的空隙与水PPT.
颗粒排列方式与孔隙大小关系 立方体排列
四面体排列
d’
立方体排列的理想等径园球颗粒 孔隙大小特征的描述：孔喉(d) d=0.414D
孔腹(d’) d’=0.732D
四面体排列的理想等径园球颗粒 孔喉(d) d=0.155D
砂砾石土孔隙大小与什么有关？
颗粒大小、排列（立方体或四面体）、分 选、胶结与充填等。
溶孔 溶隙 溶洞
孔隙特征的对比
空隙特征的比较 含水介质——由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，
也称为介质场。 含水介质的空间分布与连通特征（孔隙含水介质、裂隙
含水介质、溶质含水介质）是不同的。
空隙特征的对比
三种主要类型的含水介质比较： 连通性— 孔隙介质最好，其它较差 空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不
孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标,通常用n 表示 案例：三十年来，大世界科技公司的图书馆一直由塞尔马管理。然而近年图书管理工作的变化使她闷闷不乐。尽管她是个娴熟的打字
员，但她适应不了电脑和日益加速的现代生活节奏。她感到自己该退休了。与塞尔马不同，电脑维修部门的凯文是个踌躇满志的年轻
人，他对该工作岗位提出了申请。他认为公司需要的是一个精通电脑的“知识型管理员”而非普通的图书管理员。在这一岗位工作的人 不仅应为公司员工查找图书资料和从因特网上获得信息提供方便，而且还要将公司各部门信息汇总，使公司所有雇员都可以看到。凯
师：上午体内的热量消耗大，需要得到补充，而且还要为下午的学习活动 做准备，所以午餐要吃饱。而晚餐吃的太多，会引响睡眠。
所以不要吃的太饱。但如果晚上有很多事情要做，要帮妈妈洗碗扫地，还要学习，那晚餐要吃得较好。
第 2、四溺部水a分的. 急与劳救动方排安法全列有关——紧密与疏松
水文地质学 第二章 岩石中的空隙与水分1.
注意： 图示三种颗粒直径不同的等粒岩石，排列
方式相同时，孔隙度完全相同。
② 颗粒的分选性（颗粒的均匀程度）
((aa))
（a）等径圆球按立方体排列， 孔隙度为47.64%；
(b()b)
（b）圆球按立方体排列， 空隙为小颗粒所充填， 孔隙度大为下降。
③ 颗粒的形状
颗粒形状愈是不规则，棱角越是明显，突出 部分互相接触，会使颗粒架空，通常排列就越松 散，n也越大。
故有：
V —岩石总体积(包括孔隙在内用）孔隙比；
ε＝n/（1－n）
孔隙比（ε）：
而涉及水的储容与 流动时，则采用孔隙
ε＝ Vn / Vs
或ε＝ Vn
/
V
s
度。
×100％
式中：Vs —固体颗粒的体积
2.影响孔隙度的因素
孔隙度的大小取决于以下因素： ① 颗粒的排列情况（即岩石的密实程度） ② 颗粒的分选性（颗粒的均匀程度） ③ 颗粒的形状 ④ 颗粒的胶结充填情况 ⑤ 结构孔隙及次生空隙（对粘性土）
岩溶率
衡量溶隙多少的定量指标。可用下式表示：
KK
VK V
或
KK
VK V
100%
式中: Kk ——岩石岩溶率；Vk ——岩石中溶隙或溶穴的体积； V ——岩石总体积。（包括溶隙在内）
注意： 自然界岩石中空隙的发育状况要复杂得多. 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。
综上所述，岩石越松散，分选越好，
圆度和胶结程度越差时，n越大。
3.孔喉，孔腹：
孔喉：孔隙通道最细 小的部分
孔腹：最宽大的部分
孔喉对水流动的 影响更大，讨论孔隙 大小时可以用孔喉直 径进行比较。
4.影响孔隙大小的因素
水文地质学-第2章岩石中的空隙与水份
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第二章 岩石中的空隙与水分
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第二章 岩石中的空隙与水分
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四、岩石中的空隙小结
1、岩石中的空隙是研究地下水的基础 2、分布特点：孔隙主要分布于松散堆积物中，分布广 泛，联通均匀 裂隙分布于坚硬岩石中，分布不均 溶穴分布可溶性岩石中，分布不均 3、孔隙度，运用范围广；裂隙率、岩溶率受到地区限 制，运用不广，代表性不强。三者定义也各不相同。 4、裂隙率和岩溶率可以直接评价赋水性，孔隙度加孔 隙大小才可评价。 5、孔隙度及其影响因素。 按岩层的空隙类型分为三种类型地下水：①孔隙水；② 裂隙水；③岩溶水。
§2.3 与水储容及运移有关的岩石性质
四、透水性 1、透水性：岩石允许水透过的能力叫做透水性。 2、定量指标：渗透系数 3、影响透水性的因素： 1）空隙的大小和联通情况，特别是最小空隙直 径的影响，平均孔隙直径。 2）孔隙度：粘土和砂砾石孔隙度的区别。 颗粒的分选性，决定孔隙的变化和曲折性。
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水文地质学
第二章 岩石中的 空隙与水分
第二章 岩石中的空隙与水分 §2.1 岩石中的空隙
岩石的空隙是地下水储存和运移的先决 条件，空隙的多少、大小、形状、联通状况 和分布规律，决定着地下水的埋藏、分布和 运动。 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，坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的 溶穴。
第二章 岩石中的空隙与水分
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在花岗岩闪长岩岩体边坡上，分布大量陡于80°倾角的 构造裂隙。
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第二章 岩石中的空隙与水分
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§2.1.3 溶穴
1、溶穴：起因于水的溶蚀，在可溶岩（白云 岩、岩盐、石膏、石灰岩等）中形成的空洞 （溶隙）。 （cavity）-- soluble rock 2、岩溶率：Kk=Vk/V 特点：岩溶率的变化范围很大，且在相邻很近 地点处岩溶率完全不同，同一地点的不同深 度处岩溶率也有很大变化。
水文地质学 第二章__岩石中的空隙与水分
第二章 岩石中的空隙与水分2．1 岩石中的空隙空隙：void ，interspace ，space地壳岩石中的空隙为地下水的赋存提供了必要的空间条件。
按维尔纳茨基的形象说法“地壳表层就好象是饱含着水的海绵”。
岩石空隙是地下水存储场所和运动通道，空隙的多少、大小、连通情况对地下水的分布和运动具有很重要的影响。
岩石空隙可分为三类：a. 松散岩石中的孔隙；b. 坚硬岩石中的裂隙；c. 可溶岩石中的溶穴（隙）。
1．孔隙（pore ）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––––孔隙。
岩石中孔隙体积的多少是影响其储容地下水能力大小的重要因素。
孔隙体积的多少可用孔隙度表示：孔隙度（porosity ）（n ）––––指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。
即：VV n n =式中：V n ––––岩石中孔隙的体积；V ––––包括孔隙在内的岩石体积； n ––––孔隙度，用小数或百分数表示。
另外一个概念：孔隙比（void ratio ）（ε）––––指某一体积岩石内孔隙的体积（V n ）与固体颗粒体积（V s ）之比。
即sn V V =ε因为V=V n +V s ，所以n 与ε关系为：nn -=1ε。
应用时：a. 涉及变形时（工程地质）→ε（采用孔隙比较方便）；b. 涉及水的储容与运动时（水文地质）→n （采用孔隙度方便）。
影响因素：a. 分选程度：分选程度好，n 大；分选程度差，n 小；b. 颗粒的排列情况：立方体排列时n =47.64%，四面体n =25.95% ；c. 颗粒的形状：形状愈不规则，棱角愈明显，n 愈大；d. 胶结充填情况：充填程度高，n 小。
孔隙度的测定方法：a. 饱和含水率：n =θs （θs 饱和含水率）；b. 抽水试验；c. 形态学方法：成象、扫描→借助与计算机处理（研究领域的前沿课题）。
粘土孔隙度较高的原因：a. 颗粒表面带有电荷，构成颗粒集合体，形成较大的结构孔隙；b. 粘性土中往往发育有虫孔、根孔、干裂缝等次生孔隙。
第二章 岩石中的孔隙与水
第二章岩石中的孔隙与水第一节岩石中的空隙地壳表层十余公里范围内，都或多或少存在着空隙，特别是深部1~2km以内，空隙分布较为普遍。
按维尔纳茨基的形象说法，“地壳表层就好象是饱含着水的海绵”。
岩石——在水文地质学中包括坚硬的岩石（基岩）及松散的土层。
空隙——是指岩石（岩土）中各种类型的空洞的总称。
研究空隙的意义：空隙是地下水的赋存场所（places）和运移通道（conduits）。
空隙依据成因分为三类，即：松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。
学习了解空隙的多少、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。
本节以孔隙为例，讨论描述空隙特征的有关概念、指标和分析方法。
图2—1 岩石中的各种空隙〔据迈因策尔修改补充〕1—分选良好，排序疏松的砂；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—经过压缩的粘土；7—具有裂隙的岩石；8—具有溶隙及溶穴的可溶岩一、孔隙土体孔隙特征主要描述孔隙的大小、多少、形状、连通性与胶结等。
松散土体宏观上可以分为两大类：砂砾石土和粘性土。
（1）砂砾石孔隙大小及其影响因素首先，请大家比较以下三种砂砾石试样的孔隙大小试样为理想的圆球组成的a—砾石（模型）、b—砂样、c—砂砾混合样砾石（模型） b—砂样 c—砂砾混合样请回答：以上三种试样所构成的孔隙哪类大？哪类小？请总结影响砂砾石土孔隙大小的因素。
简单归纳，影响砂砾石土孔隙大小的主要因素有：①颗粒大小：与构成砂砾石土的颗粒粒径成正比（由上述插图2-1理解）②颗粒排列：立方体（疏松）、四面体（紧密）由图2-2可以总结出，颗粒呈立方体排列为最疏松的排列方式，颗粒呈四面体排列为最紧密的排列方式。
因此，颗粒排列的紧密程度，影响孔隙大小。
图2-2 颗粒的排列形式(参照格雷通)A—立方体排列（疏松）； B—四面体排列（紧密）③试样的分选：试样的分选是指样品的颗粒粒径的级配情况。
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
影响孔隙大小的因素：
孔隙大小与岩石颗粒的分选程度的关系： ？ 问：下列2种试样哪种孔隙大？
a—砂砾混合样
b—砾
a试样的孔隙为细颗粒形成的小孔石隙。
分选愈差，细粒占的比例愈大，孔隙愈小！ 胶结程度越好，充填物越多，孔隙愈小！
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
影响孔隙大小的因素：
孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标 定义：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所 占的比例。通常用 n 表示
n Vn 100 % VT
？问：孔隙度的大小与什么有关？——与颗粒大小有关？ a. 与排列有关——紧密与疏松 理想最疏松孔隙为47.64%，最紧密排列孔隙为25.95%。 b. 与分选有关——下面试样哪个孔隙度大？哪个小？ 试样：①砾石 ②砂石 ③混合样
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
颗粒排列方式对孔隙度的影响 理想最疏松排列（立方体）：孔隙度为 47.64%； 理想最紧密排列（四面体）：孔隙度为 25.95%。 排列愈紧密孔隙度愈小。
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
粘性土的孔隙与孔隙度
粘土颗粒（指直径<0.005mm的颗粒）； 粘性土颗粒细小，比表面积大，连结力强；颗粒表面带 电，
达到70%
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
这里与粒径的关系是：粒径愈小，孔隙度愈大！
与以上分析有矛盾！为什么？ 砂样与砾石样混合时，砾石样中孔隙体积变小，因此 孔隙度变小。 当粗细颗粒完全混合时，混合样的孔隙度：
n混=n粗×n细 因此影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度， 分选愈差，孔隙度愈小！ 为何粘性土的孔隙度超过最疏松排列的47.64%可达 70%？
第1节 岩石中的空隙—孔隙
概念：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。
孔隙度（n）：
或 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
分选、胶结填充、排列、 思考：孔隙大小与哪些因素有关？颗粒大小、多少、形状等
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
影响孔隙大小的因素：
小结：
3.影响孔隙度大小的因素主要有： 颗粒排列 分选 胶结充填程度 结构及次生孔隙 分选愈好，排列愈疏松，胶结充填程度愈差， 孔隙度愈大； 反之愈小；粘性土的孔隙度还 取决于其结构及次生孔隙。
–颗粒形状 形状越不规则，棱角越明显，排列越疏松，n越 大。反之则越小。 –胶结程度 胶结越好，n越小。马克西蒙维齐，54松散砂样 和46紧密砂样测定结果： 松散砂样：26.4%~50.9% 平均35%； 压密砂样：11.2%~29.5% 平均25%
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素
颗粒大小；颗粒排列；分选及胶结充填程度
颗粒愈粗，分选愈好，排列愈疏松，胶结充填程度愈差，孔 隙愈大； 反之愈小
2、天然松散岩石的孔隙特征：
大小不同、形状各亦，弯曲程度不同，沿程变化的通道构成 的复杂的空隙网络。
宏观上——均质各向同性的连续的空隙网络；
微观上——非均质各向异性的连续的空隙网络。
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
3
第1节 岩石中的空隙
分选好，排列疏松的砂
分选好，排列紧密的砂
分选不好，含泥砂的砾石
部分胶结的砂岩
4
第1节 岩石中的空隙
有结构空隙的粘土
经过压缩的粘土
裂隙发育的岩石
有溶隙和溶穴的可溶岩
5
第1节 岩石中的空隙—孔隙
Outwash sand and gravel in a gravel pit
6
完全混合试样时，孔隙度 n混=n砾×n砂 （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。
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
砂砾石的孔隙度(porosity)及其影响因素
？下面试样哪个孔隙度大？哪个小？
试样：a—砾石，b—砂石，c—砂砾混合样
a—砾石(模型)
b—砂土样
c—砂砾混合样
假设a与b为等粒的理想圆球体，经计算：n砂=n砾
粘粒在悬浮、推移、互相接触时，易连结起来形成粘 粒团，细小粘粒集合（团）构成颗粒集合体。颗粒集合 体在重力作用下沉积下来，形成峰窝或絮状结构。 粘土孔隙
结构孔隙—集合体与集合体、粘粒与粘粒之间的空 隙; 如同海绵、峰窝，或呈絮状结构。
次生孔隙—虫孔、根系孔、干裂缝等。
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小结：
1、影响孔隙大小的因素主要有：
颗粒的排列方式：
等体积球作立 方体排列，是最疏 松排列
n = 47.64% 等体积球作四 面体排列，是最紧 密排列
n = 25.95%
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颗粒排列方式对孔隙大小的影 响 孔隙大小特征的描述： 孔喉(d)与孔腹 (d’) 孔喉对水流影响更大，孔隙大 小可用孔喉直径进行比较。 立方体（最松散）排列：
d=0.414D 四面体（最紧密）排列：Βιβλιοθήκη 说明：孔隙度与颗粒大小无关！
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的还有些 不同
表2--1 松散岩石孔隙度参考数值
岩石名称 砾石 砂 粉砂 粘土
孔隙度 25-40% 25-50% 35-50% 40-70%
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47.64%—
d=0.155D 颗粒排列愈紧密，孔隙越小！
AC O
B
A
O
B
C
D
9
第1节 岩石中的空隙—孔隙
影响孔隙大小的因素： 孔隙大小与颗粒大小的关系：
岩石颗粒愈粗，孔隙愈大；颗粒愈细，孔隙愈小!
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第1节 岩石中的空隙—孔隙
颗粒大小对孔隙大小的影响： 理论上讲（按等体积球），n与颗粒大小无 关，但实际上则无理想的等体积颗粒，大 小必不相等，甚至大小悬殊。一般颗粒越 大，则n越大。但由于分选性的影响，往往 孔隙度反而减小。实际n值可大于47.64%或 小于25.95%。最常见的为二者之间取其平 均值为37%。
水文地质学基础
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第二章 岩石中的孔隙与水分
第1节 岩石中的空隙 第2节 岩石中水的存在形式 第3节 岩石的水理性质 第4节 有效应力原理
2
第1节 岩石中的空隙
岩石——水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层 空隙——岩、土中各种类型的空洞的总称 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。 孔隙 – 松散沉积物中的空隙 裂隙 – 坚硬岩石地层中的空隙 溶穴 – 可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙