岩石中的空隙与水分-水文地质学.ppt

绪 言,,研究对象：,研究内容,研究地下水的科学,研究与岩石圈、地幔、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律，以及对各个圈层所产生的影响；,并研究如何运用这些规律和影响去兴利除害，为人类服务,,,,赋存于地面以下岩石空隙中的水,水文地质学概念,（土层）,（任务）,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松散岩石中的孔隙,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：,可溶岩石中的溶穴,坚硬岩石中的裂隙,,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,,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,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,,卸荷裂隙,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,,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。

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,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,,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饱水岩石体在重力作用下自由释出的水的体积,,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,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,,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,＞,第三章 地下水的赋存,3.2 含水层、隔水层（弱透水层）,含水层,隔水层,,透水性能好空隙大的岩层代表】卵石、砾石、粗砂的沉积物（孔隙）；富含裂隙的岩层；岩溶发育的岩层,aquifer ['ækwifə],定义：能够透过并给出相当数量水的岩层,定义：不能透过与给出水，或者透过给出的水量微不足道的岩层,【代表】致密的基岩；压实性强的粘性土层aquiclude ['ækwiklu:d],,,第三章 地下水的赋存,3.2 含水层、隔水层（弱透水层）,,对于一些渗透性相当差的岩层，在一般的供水排水中他们所能提供的水量微不足道，视乎可以看作隔水层； 但是，当发生越流（相邻含水层通过其间的弱透水层发生水量交换）时，由于驱动水流的水力梯度大且发生渗透的过水断面很大，越流交换的水量相当可观，此时，再称作隔水层就不合适了代表】在平原区：粉质粘土层，粉质亚粘土层，淤泥质粉质粘土层和亚砂土层等； 在坚硬岩石地区：一些微裂隙、节理发育的泥岩层、页岩层、砂砾岩层等。

弱透水层（相对隔水层）,,第三章 地下水的赋存,含水层、隔水层概念的相对性（岩层渗透性能的相对性）,①利用地下水的工作——供水水源（需要水量） A）在利用地下水供水时，某一岩层能够给出的水量较小，对于水源丰沛、需水量很大的地区，由于远不能满足供水需求，而被视为隔水层； B）在水资源匮乏、需水量较小的地区，就可以被视为含水层②排除地下水的工作——工程防渗（杜绝水量） 如某种岩层的渗透性较低，从供水的角度来说，它被视作隔水层；但是从水库渗漏的角度出发，这种渗漏量就不容忽视，依旧视作隔水层就不合适了第三章 地下水的赋存,③时间尺度：,m3,,m3/s,m/s,m/s,m2,s,s,m2,s,,在讨论油气二次运移这种时间尺度很大的水文地质过程时，流体能够穿越所有的地层从整体上说，地层具有水力连续性如上图： 有5个含水层被4个弱透水层所阻隔 当在含水层3中抽水时，短期内相邻的含水层2与4的水位均未变动，图中所示a的范围构成一个有水力联系的单元 当抽水持续时，最终影响将波及图中b所示范围，这时5个含水层与4个弱透水层构成一个发生统一水力联系的单元。

第三章 地下水的赋存,,④岩石的各向异性： 以沉积岩为例，由于不同岩性层的互层，有的层次发育裂隙或溶穴，垂直方向上是隔水的，但在顺层的方向上都是透水的 例如，薄层页岩和石灰岩互层时，页岩中裂隙接近闭合，灰岩中裂隙与溶穴发育，便成为典型的顺层透水而垂直层面隔水的岩层 下为示意图,第三章 地下水的赋存,,第三章 地下水的赋存,,构成含水层必须具备的3个条件,岩层必须有储水空间 即应有孔隙、裂隙和溶隙（穴）等空隙这是储存地下水的前提条件第三章 地下水的赋存,,含水层存在的意义,具备保存住地下水的地质构造（储水构造） 在透水性良好的岩层下有隔水层（弱透水层）的存在，以免重力水向下全部漏失； 或在水平方向上有隔水层阻挡，以免全部漏空要有足够的水源（良好的补、排条件） 使储水空间能不断地获得补给，方能成为含水层第三章 地下水的赋存,3.3 地下水分类,广义：指赋存于地面以下岩土空隙中的水,狭义：指赋存于饱水带岩土空隙中的水——重力水,包括：包气带及饱水带中所有含于岩石空隙中的水,地下水概念的从“狭义”→“广义”,从只研究“重力水”→研究“包气带水&重力水”,水文地质学从研究“地壳浅层地下水”→研究“地下水圈”,,,第三章 地下水的赋存,,3.4 潜水,1）概念,①潜水：饱水带中第一个具有自由表面且有一定规模的含水层中的水称作潜水。

　潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板,②潜水面：潜水的表面为自由水面，称作潜水面,③潜水含水层厚度：从潜水面到隔水底板的距离,④潜水理藏深度：潜水面到地面的距离,第三章 地下水的赋存,,2）补给,3）排泄： ①径流排泄 ②蒸发排泄,潜水与大气圈及地表水圈的密切联系性，潜水与大气圈及地表水圈的联系通道是包气带，影响包气带水分的因素都影响潜水气象、水文因素对潜水影响显著4）动态变化,第三章 地下水的赋存,,5）潜水特征,①没有隔水顶板，具有自由的水面,②潜水分布区与补给区常常一致,湿润气候（补给丰富）及地形切割强烈（利于径流）的地区，有利于潜水的径流排泄，往往形成含盐量不高的淡水 干旱气候下，由细颗粒组成的盆地平原，潜水的蒸发排泄为主，常形成含盐高的咸水④易污染,③潜水的水位、水量、水质等动态变化与气象水文、地形等因素密切相关，动态变化明显。