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岩石中的空隙与水分.pptx
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1、第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙意义意义:岩石空隙是地下水:岩石空隙是地下水储存场所储存场所和和运动通道运动通道。空隙的。空隙的多多少、大小、形状、连通情况和分布规律少、大小、形状、连通情况和分布规律,对地下水的,对地下水的分布分布和和运动运动具有重要影响。具有重要影响。分类分类:将岩石空隙作为地下水:将岩石空隙作为地下水储存场所储存场所和和运动通道运动通道研究时,研究时,可分为可分为三类三类,即:,即:松散岩石中的松散岩石中的孔隙孔隙,坚硬岩石中的坚硬岩石中的裂隙裂隙,可溶岩石中的可溶岩石中的溶穴溶穴。1.分选良好,排列分选良好,排列疏松疏松
2、的砂;的砂;2.分选良好,排分选良好,排列列紧密紧密的砂的砂3.分选不良的,分选不良的,含泥、含泥、砂砂的砾石;的砾石;4.经过部分经过部分胶结胶结的砂岩的砂岩5.5.具有具有结构性孔隙结构性孔隙的的粘土粘土6.6.经过压密的粘土经过压密的粘土7.7.具有具有裂隙裂隙的岩石的岩石8.8.具有具有溶隙溶隙及及溶穴溶穴的可的可溶岩溶岩岩石中的各种空隙岩石中的各种空隙第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 d10 土中土中小于此粒径小于此粒径的土的质量占总土质量的的土的质量占总土质量的10%,也称也称有效粒径有效粒径;d60 土中土中小于此粒径小于此粒径的土的质量占总土质量的的土的质量占
3、总土质量的60%,也称也称限制粒径限制粒径。粒径分布的均匀程度由粒径分布的均匀程度由不均匀系数不均匀系数Cu表示:表示:Cu愈大,土愈不均匀,也即土中粗、细颗粒的大小相愈大,土愈不均匀,也即土中粗、细颗粒的大小相差愈悬殊。差愈悬殊。反之,反之,Cu愈小,愈小,d60与与d10相距愈近,曲线愈陡,表示土相距愈近,曲线愈陡,表示土中的粒组变化范围窄,中的粒组变化范围窄,土粒均匀土粒均匀。第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1.1 孔隙孔隙 定义定义:松散岩石是由大小不等的颗粒组成的,:松散岩石是由大小不等的颗粒组成的,颗粒或颗粒或颗颗粒集合体粒集合体之间的之间的空隙空隙,称为孔隙
4、。,称为孔隙。意义意义:孔隙:孔隙体积的多少体积的多少是影响岩石储容地下水能力大小是影响岩石储容地下水能力大小的重要因素。的重要因素。孔隙度孔隙度:指某一体积岩石(包括孔隙在内)中孔隙体积:指某一体积岩石(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例。所占的比例。其中,其中,n n 表示岩石的表示岩石的孔隙度孔隙度,V V 表示表示包括孔隙在内的包括孔隙在内的岩石体积岩石体积,V Vn n 表示表示岩石中孔隙的体积岩石中孔隙的体积。第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分分选程度分选程度胶结充填情况胶结充填情况颗粒排列情况颗粒排列情况第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1.1
5、 孔隙孔隙 次生孔隙次生孔隙:在碳酸盐岩层中,除粒间孔隙或晶粒间孔隙:在碳酸盐岩层中,除粒间孔隙或晶粒间孔隙所构成的所构成的原生孔隙外原生孔隙外,还有由,还有由孔洞、裂隙、白云岩化所构孔洞、裂隙、白云岩化所构成成的次生孔隙。的次生孔隙。颗粒形状颗粒形状结构孔隙结构孔隙:粘性土颗粒表面带:粘性土颗粒表面带有的电荷,在沉积过程中粘粒聚有的电荷,在沉积过程中粘粒聚合,构成颗粒集合体,形成直径合,构成颗粒集合体,形成直径比颗粒本身还大的结构孔隙。比颗粒本身还大的结构孔隙。第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1.1 孔隙孔隙 孔隙度的影响因素孔隙度的影响因素:孔隙度的大小主要取决于孔隙
6、度的大小主要取决于分选程度分选程度及及颗粒排列颗粒排列情况,情况,另外另外颗粒形状颗粒形状及及胶结充填情况胶结充填情况也影响孔隙度。对于粘性土,也影响孔隙度。对于粘性土,结构结构及及次生孔隙次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。常是影响孔隙度的重要因素。岩石名称岩石名称砾石砾石砂砂粉砂粉砂粘土粘土孔隙度孔隙度变化区间变化区间25%40%25%50%35%50%40%70%松散岩石孔隙度参考数值松散岩石孔隙度参考数值 1.分选良好,排列分选良好,排列疏松疏松的砂;的砂;2.分选良好,排分选良好,排列列紧密紧密的砂的砂3.分选不良的,分选不良的,含泥、含泥、砂砂的砾石;的砾石;4.经过部分经过部分胶结
7、胶结的砂岩的砂岩5.5.具有具有结构性孔隙结构性孔隙的的粘土粘土6.6.经过压密的粘土经过压密的粘土7.7.具有具有裂隙裂隙的岩石的岩石8.8.具有具有溶隙溶隙及及溶穴溶穴的可的可溶岩溶岩岩石中的各种空隙岩石中的各种空隙第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1.2 裂隙裂隙 固结的固结的坚硬岩石坚硬岩石,包括沉积岩、岩浆岩和变质岩,一般,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,而主要发育不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙,而主要发育各各种应力作用下种应力作用下岩石破裂变形产生的岩石破裂变形产生的裂隙裂隙。成岩成岩裂隙裂隙构造构造裂隙裂隙风化风化裂隙裂
8、隙裂隙率裂隙率:体体裂隙率、裂隙率、面面裂隙率、裂隙率、线线裂隙率裂隙率第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 野外研究裂隙时,野外研究裂隙时,应注意测定裂隙的应注意测定裂隙的方向方向、宽度宽度、延伸长度延伸长度、充填充填情况情况等。等。因为这些都对因为这些都对地下地下水的运动水的运动具有重要影响。具有重要影响。?第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1.3 溶穴溶穴 可溶的沉积岩,如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等,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,这种空隙称为在地下水溶蚀下会产生空洞,这种空隙称为溶穴溶穴(隙)。(隙)。岩溶率岩
9、溶率录像录像图片图片 2010年年9月月14日消息,一支水下洞穴潜水员团队日消息,一支水下洞穴潜水员团队10日日至至13日在西班牙波索阿苏尔创造了一项新的世界纪录。日在西班牙波索阿苏尔创造了一项新的世界纪录。他们潜入了一个尚未开发的洞穴他们潜入了一个尚未开发的洞穴5.5英里英里(约(约8825 米)米)深,打破了之前由美国人创造的深,打破了之前由美国人创造的4.8英里(约英里(约7800米)世米)世界纪录。界纪录。这支由这支由3名英国人和名英国人和1名荷兰人组成的业余潜水队伍花名荷兰人组成的业余潜水队伍花了两天半的时间完成了这一壮举。了两天半的时间完成了这一壮举。珠穆朗玛峰,高度珠穆朗玛峰,高
10、度8844.438844.43米,为世界第一高峰。米,为世界第一高峰。西太平洋的阿里亚纳海沟,深西太平洋的阿里亚纳海沟,深1100011000米米第二章第二章 岩石中的空隙与水分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。的发育状况远较上面所说的复杂。总结与比较总结与比较 松散岩石松散岩石固然以固然以孔隙为主孔隙为主,但某些,但某些粘土粘土干缩后可产生干缩后可产生裂裂隙隙,而这些裂隙的水文地质意义,甚至远远超过其原有的,而这些裂隙的水文地质意义,甚至远远超过其原有的孔隙。孔隙。固结程度不高的固结程
11、度不高的沉积岩沉积岩,往往,往往既有孔隙既有孔隙,又有裂隙又有裂隙。可溶岩石,由于溶蚀不均一,有的部分可溶岩石,由于溶蚀不均一,有的部分发育溶穴发育溶穴,而有,而有的部分则为的部分则为裂隙裂隙,有时还可保留,有时还可保留原生的孔隙与裂缝原生的孔隙与裂缝。第二章第二章 岩石中的空隙与水分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际资料,在事实的基础上分析空隙空隙的的形成原因形成原因及及控制因控制因素素,查明其,查明其发育规律发育规律。岩石中的空隙,必须以一定方式连接起来构成岩石中的空隙,必须以一定方式连接
12、起来构成空隙、空隙、网络网络,才能成为地下水有效的,才能成为地下水有效的运移通道(运移通道()和储容空)和储容空间间和。松散岩石、坚硬基岩和可溶岩石中的空隙网络具和。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。的分布与运动特点。孔隙水孔隙水、裂隙水裂隙水和和岩溶水岩溶水总结与比较总结与比较 第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.2 岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式地壳岩石中存在着以下各种形式的水:地壳岩石中存在着以下各种形式的水:第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩
13、石中的空隙与水分2.2.0 岩石岩石“骨架骨架”中的水(矿物结合水)中的水(矿物结合水)沸石水沸石水(也沸石结晶水)(也沸石结晶水)沸石的特点:具有架状结构,在它们的晶体内,分沸石的特点:具有架状结构,在它们的晶体内,分子像搭架子似地连在一起,中间形成很多子像搭架子似地连在一起,中间形成很多空腔空腔。在这些。在这些空腔里还存在很多水分子,因此它们是含水矿物。空腔里还存在很多水分子,因此它们是含水矿物。这些水分在遇到高温时会排出来,比如用火焰去烧这些水分在遇到高温时会排出来,比如用火焰去烧时,大多数沸石便会膨胀发泡,像是沸腾一般。沸石的时,大多数沸石便会膨胀发泡,像是沸腾一般。沸石的名字就是因此
14、而来。名字就是因此而来。沸石的一般结构式为沸石的一般结构式为A(AlO2)x(SiO2)yn(H2O)其中:其中:A为为Ca、Na、K、Ba、Sr等阳离子,等阳离子,x为为Al原子数,原子数,y为为Si原子数,(原子数,(y/x)通常在通常在15之间。之间。第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 在矿物晶格中在矿物晶格中占有确定位置占有确定位置的中性的中性水分子水分子H2O,水分,水分子的数量与该化合物中其他组分之间有一定的比例。子的数量与该化合物中其他组分之间有一定的比例。由于在不同的矿物的晶格中,水分子结合的紧密程度由于在不同的矿物的晶格中,水分子结合的紧密程度不同,因此结晶水
15、脱离晶格所需的温度也就不同,但一般不同,因此结晶水脱离晶格所需的温度也就不同,但一般不超过不超过600。通常为。通常为100200。当结晶水逸出时,原。当结晶水逸出时,原矿物晶格便被破坏,其他原子可重新组合,形成矿物晶格便被破坏,其他原子可重新组合,形成另一种化另一种化合物合物。结晶水结晶水例如例如 生石膏生石膏Ca(SO4)2H2O,将石膏加热到,将石膏加热到150-170时,时,大部分结晶水失去,变成大部分结晶水失去,变成熟石膏熟石膏2CaSO4H2O;第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分结晶水结晶水 生石膏生石膏Ca(SO4)2H2O,加热时存在加热时存在3个排出结晶个排出
16、结晶水阶段:水阶段:105180,首先排出,首先排出1个水分子,随后立即排出半个个水分子,随后立即排出半个水分子,转变为烧石膏水分子,转变为烧石膏CaSO40.5H2O,也称熟石膏或,也称熟石膏或半水石膏。半水石膏。200220,排出剩余的半个水分子,转变为,排出剩余的半个水分子,转变为型硬型硬石膏石膏CaSO4H2O(0.060.11)。约约350,转变为,转变为型石膏型石膏CaSO4。1120时进一步转变为时进一步转变为型硬石膏。型硬石膏。熔融温度熔融温度1450。第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分五水硫酸铜晶体失水分三步:五水硫酸铜晶体失水分三步:图中两个仅以配位键与铜离
17、子结合的水分子最先失去,大图中两个仅以配位键与铜离子结合的水分子最先失去,大致温度为致温度为102。两个与铜离子以配位键结合,并且与外部的一个水分子以两个与铜离子以配位键结合,并且与外部的一个水分子以氢键结合的水分子随温度升高而失去,大致温度为氢键结合的水分子随温度升高而失去,大致温度为113。第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 最外层水分子最难失去,因为它的氢原子与周围的硫酸根最外层水分子最难失去,因为它的氢原子与周围的硫酸根离子中的氧原子之间形成氢键,它的氧原子又和与铜离子配位离子中的氧原子之间形成氢键,它的氧原子又和与铜离子配位的水分子的氢原子之间形成氢键,总体上构成一种
18、稳定的环状的水分子的氢原子之间形成氢键,总体上构成一种稳定的环状结构,因此破坏这个结构需要较高能量。失去最外层水分子所结构,因此破坏这个结构需要较高能量。失去最外层水分子所需温度大致为需温度大致为258。第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 呈呈H+、OH,H3O+等形式参加矿物晶格的离子。这等形式参加矿物晶格的离子。这些离子在晶格中占有确定的位置,数量上与其他元素成一些离子在晶格中占有确定的位置,数量上与其他元素成一定的比例,只有在较高的温度(一般在数百摄氏度到定的比例,只有在较高的温度(一般在数百摄氏度到1000之间)下,当之间)下,当晶格破坏晶格破坏时,它们才组成水分子从矿
19、时,它们才组成水分子从矿物中析出。物中析出。含有结构水的矿物中以含含有结构水的矿物中以含OH的为最常见的为最常见 如纤铁矿如纤铁矿FeO(OH),高岭石,高岭石Al4(Si4O10)()(OH)8结构水结构水第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.2.1 结合水结合水结合水与重力水结合水与重力水椭圆形小粒代表水分子,结合水部椭圆形小粒代表水分子,结合水部分的水分子带正电荷一端朝向颗粒分的水分子带正电荷一端朝向颗粒箭头代表水分子所受合力方向箭头代表水分子所受合力方向第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分定义定义:受固相表面的引力受固相表面的引力大于大于水分子自身重力水分
20、子自身重力的那部分水,此的那部分水,此部分水束缚于固相表面,不能在自身重力影响下运动。部分水束缚于固相表面,不能在自身重力影响下运动。固相表面的引力固相表面的引力:松散岩石的颗粒表面及坚硬岩石空隙壁面均:松散岩石的颗粒表面及坚硬岩石空隙壁面均带有带有电荷电荷,水分子又是,水分子又是偶极体偶极体,由于静电吸引,固相表面具有,由于静电吸引,固相表面具有吸附水分子的能力。吸附水分子的能力。库伦定律库伦定律 离固相表面离固相表面近近的水分子受到的静电引力的水分子受到的静电引力大大;随着;随着距离增距离增大,引力减弱大,引力减弱,受重力的影响就愈显著。,受重力的影响就愈显著。由于固相表面对水分子的吸引力
21、自内向外逐渐减弱,结由于固相表面对水分子的吸引力自内向外逐渐减弱,结合水的物理性质也随之发生变化。因此,将最接近固相表面合水的物理性质也随之发生变化。因此,将最接近固相表面的结合水称为的结合水称为强结合水强结合水,其外层称为,其外层称为弱结合水弱结合水。第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分强结合水强结合水(又称吸着水):厚度,不同研究者说法不一,一(又称吸着水):厚度,不同研究者说法不一,一般认为相当于几个般认为相当于几个水分子的厚度水分子的厚度;也有人认为,可达几百个;也有人认为,可达几百个水分子厚度。水分子水分子厚度。水分子排列紧密排列紧密,其密度平均达,其密度平均达2g/c
22、m3左右。左右。弱弱结合水结合水(又称薄膜水又称薄膜水):):处于强结合水的外层,受到固相处于强结合水的外层,受到固相表面的引力比强结合水弱,但仍存在表面的引力比强结合水弱,但仍存在范德华尔斯引力范德华尔斯引力和强结和强结合水最外层水分子的静电引力的合力的影响,不同学者认为合水最外层水分子的静电引力的合力的影响,不同学者认为其其厚度厚度为几十、几百或几千个水分子厚度。为几十、几百或几千个水分子厚度。水分子水分子排列排列不如强结合水规则和紧密,不如强结合水规则和紧密,溶解盐类的能力较溶解盐类的能力较低低。弱结合水的外层能被植物吸收利用。弱结合水的外层能被植物吸收利用。水分子厚度水分子厚度:1.9
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