Составитель: Н.В. Осинцева

Источники:Всеволжский В.А. Основы гидрогеологии. М.: Изд-во МГУ, 2007.- 448 с.Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. М.: Недра, 1996. – 423 с.Леонова А.В. Основы гидрогеологии и инженерной геологии. Томск: Изд-во ТПУ, 2011.- 147 с.

Водно-коллекторские свойства горных пород.

Водоносные горизонты, бассейны и комплексы

конспект лекций

Скважность (пустотность)Скважность горных пород – наличие в них свободного пространства, не занятого минеральным веществом:

O ПорыO ТрещиныO Каверны Коэффициент скважности (nС):

nС=VП/VЭ•100%,

где VП– общий объем всех пустот, содержащихся в данном элементе горной породы, VЭ– объем всей породы (образца).

пористость ≠ скважность

Открытая скважностьnО=VО/VЭ•100%,

где VО– общий объем открытых (сообщающихся между собой) пустот, VЭ– объем всей породы (образца).

Активная (динамическая) скважностьnа=VA/VЭ·100%,

где VA– общий объем открытых пустот, по которым может происходить движение гравитационной воды (сообщающиеся пустоты за исключением пустот, занятых физически связанной водой, газом), VЭ– объем всей породы.

Виды скважности (пустотности) горных пород в зависимости от

размеров пустот(Справочное руководство…, 1979)

Вид скважности Диаметр пустот,

мм

Ширина пустот, мм

Соотношение открытой и активной

скважностиСубкапиллярная менее

0,0002менее 0,0001 nа <<nО; nа≈nО

Капиллярная 0,0002–0,5 0,0001–0,25 nа <nО

Сверхкапиллярная

более 0,5 более 0,25 nа ≈nО

Поры – это пустоты в горных породах изометрической

формы, диаметром менее 1,0 мм

Образование пор в горных породах может быть связано

с процессами: неплотной упаковки зерен минерального скелета, остывания магматических горных пород (уменьшение объема), перекристаллизации, выщелачивания растворимых

минералов, разуплотнение при уменьшении давления и

др.

Горные породы Средняя пористость,

%Свежие осадки

Илы глинистыеТорфПочвы

50,080,055,0

Породы верхней части зоны выветривания

ПескиЛесс, лессовидные суглинкиПокровные суглинкиГлины

35,045,0

35,0

35,0Осадочные породы

Пески рыхлыеПесчаникиГлиныГипсМелОпока

25,0–35,010,0–20.020,0–40,01,030,035,0

Метаморфические породы

Сланцы глинистыеКварциты, гнейсы, мрамор

4,0

2,0

Магматические породы

ПорфиритыГраниты, сиенитыЭффузивыИнтрузивы

2,01,0

2,01,0

Значения коэффициента пористости горных пород

(Справочное руководство…, 1979)

Характер и виды скважности горных пород(по О. Мейнцеру, 1933, В.А. Всеволжскому, 2007)

1 – хорошо отсортированные осадки с высокой пористостью2 – плохо отсортированные осадки с малой пористостью3 – осадки, пористость которых уменьшена в связи с частичной цементацией свободного пространства4 – высокопористые осадки, сложенные частицами чешуйчатой или листовидной формы5 – то же при уплотнении с резко уменьшенной пористостью6 – слабопористые осадки с базальным типом цемента7 – породы с пустотностью, определяемой процессами выщелачивания (кавернозностью)8 – породы с пустотностью, связанной с наличием трещиноватости

Трещины – это линейные пустоты, у которых длина во

много раз превышает

ширину.

Образование трещин может быть связано с экзогенными процессами (эрозия), эндогенными процессами (тектонические нарушения, складкообразование), в процессе литификации осадочных пород (цементация, уплотнение), при остывании и уменьшении объема магматических горных пород.

Каверны – это крупные (более 5

мм) изометрические пустоты

Формируются главным образом в результате выщелачивания легкорастворимых соединений.

Формирование крупных каверн может быть также связано с уменьшением объема магматических пород при остывании, с механическим разрушением стенок трещин в узлах их пересечения

Часто формируются в гипсах, известняках. Как правило, сопровождаются

другими типами скважности

Влагоемкость горных пород

Влагоемкость – способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды.

По степени влагоемкости горные породы бывают:

O Весьма влагоемкие – торф, ил, суглинок, глина.

O Слабо влагоемкие – мергели, мел, рыхлые песчаники, лесс, мелкие пески.

O Невлагоемкие – массивные извержения, галечник, гравий, песок.

Влагоемкость горных пород

Полная влагоемкость (ωmax) – максимально возможное количество воды всех видов (vп) при полном заполнении свободного пространства в минеральном скелете горной породы (VЭ - объем горной породы).

ωmax= vп/VЭ

Гравитационная влагоемкость (ωг) – отношение максимально возможного объема свободной гравитационной воды (vг) к объему горной породы (VЭ).

ωг =vг/VЭ

Наименьшая влагоемкость (водоудерживающая способность) (ωmin)– отношение максимального объема связанной воды (vc) к объему горной породы (VЭ).

ωmin = vc /VЭ

Влажность горных породВлажность – количество воды, содержащееся в горной породе.

Объемная влажность (W) – отношение объема воды, содержащейся в породе (VВ), к объему этой породы (VЭ)

W= VВ/ VЭ

Относительная влажность (коэффициент влажности) (nw) – отношение объемной влажности (W) к скважности (nс)

nw= W / nс

Естественная влажность (WE) – влажность горных пород в их естественном залегании

Максимальная влажность (Wmax) – влажность горной породы, соответствующая полной влагоемкости.

Wmax= ωп

Дефицит (недостаток) насыщения (µ') – разность между максимальной Wmax и естественной влажностью(WE)

µ'= Wmax– WE

Водоотдача (гравитационная емкость) (µ) – способность водонасыщенных горных пород отдавать гравитационную воду путем ее свободного вытекания. Разница между полной и наименьшей влагоемкостью.

µ = ωmax– ωmin

Удельная водоотдача (Ϻ) – количество гравитационной воды, которое можно получить из 1 м3 горной породы. Отношение водоотдачи к объему горной породы.

Ϻ= µ/VЭ

ПроницаемостьO Водопронцаемость (фильтрационная

способность) – способность горных пород пропускать через себя воду под действием силы тяжести или перепада давления.

O Коэффициент фильтрации (К) – проницаемость образца горной породы, зависящая от свойств породы (открытая пористость, удельная поверхность пор, размер пор), а также от свойств фильтрующейся жидкости (вязкость, плотность). Измеряется как скорость (см/с, м/сут).

O Коэффициент водопроницаемости (КП) – коэффициент фильтрации, зависящий только от свойств горной породы и не зависящий от свойств фильтрующейся жидкости.

Проницаемость некоторых горных пород(по Н.А. Плотникову, В.А. Всеволжскому)

Группа

Характеристика пород Коэффициент проницаемости мкм2

Коэффициент фильтрации, м/сут

Гравитационная ёмкость (водоотдача), м3

I Очень хорошо проницаемые галечники и гравий с крупным песком, сильно закарстованные известняки, сильно трещиноватые скальные породы

100–1000 Более 100 0,20–0,300,01–0,15

II Хорошо проницаемые галечники и гравий, частично с мелким песком, крупный песок, чистый среднезернистый песок, трещиноватые скальные породы (песчаники, граниты, базальты)

10–100 10–100 0,20–0,250,03–0,05

III Проницаемые галечники и гравий, засоренные мелким песком и частично глиной, среднезернистые и мелкозернистые пески, слабозакарстованные, малотрещиноватые породы

1,0–10 0,1–10 0,15–0,200,01–0,05

IV Слабопроницаемые тонкозернистые пески, супеси, валунные суглинки, глины песчанистые, слаботрещиноватые скальные породы

0,1–1,0 0,01–0,1 0,01–0,050,01–0,03

V Весьма слабопроницаемые суглинки, глины, слаботрещиноватые породы, метаморфические и интрузивные породы при глубинах залегания более 500–800 м

0,001–0,1 0,00001–0,01 <0,01

VI Практически непроницаемые плотные глины, плотные мергели, гипс-ангидритовые толщи при глуб. залегания более 500 м, соляные пласты

<0,001 <0,00001 <0,01

Проницаемость зависит не от скважности, а от размера пор!

Проницаемость песка (скважность 30%) вышепроницаемости глин (скважность 60%).

Экспериментальными оценками установлено (Г.М. Березкина и др.), что проницаемость горной породы связана со средним радиусом пор зависимостью

КП=f•rс3/16

где КП– коэффициент проницаемости; f– удельная поверхность минерального скелета породы; rс– средний радиус пор.

Проницаемость горной породы значительно резче, чем общая пористость, возрастает с увеличением среднего радиуса пустот.

Практически непроницаемыми являются: скальные горные породы при отсутствии трещиноватости, мерзлые горные породы.

По степени водопроницаемости все горные породы делятся на три большие группы

O Водопроницаемые – галечники, гравий, песок, рыхлые песчаники, сильно трещиноватые породы

O Полупроницаемые – глинистые пески, лессы, известняки, песчаники, слабо трещиноватые породы

O Практически не проницаемые – глины, суглинки, массивные кристаллические породыВодопроницаемые и полупроницаемые породы образуют в земной коре систему водоносных горизонтов. Непроницаемые горные породы образуют горизонты водоупоров.

Водоносный горизонт – водопроницаемый пласт горной породы, насыщенный водой, находящейся в постоянном движении благодаря гидравлической связи и перепаду давления, существующих во всем пласте, и ограниченный водонепроницаемыми породами снизу и сверху или только снизу.

Пласт, подстилающий водоносный горизонт – подошва водоносного горизонта

Пласт, перекрывающий водоносный горизонт – почва (кровля) водоносного горизонта

Поверхность, образованная подземными водами – зеркало подземных вод

Водоносные горизонты

Безнапорные

Не перекрываются водонепроницаемыми породами

Испытывают только атмосферное давление

Питание атмосферными осадками происходит по всей площади

Напорные

Перекрыты труднопроницаемыми горными породами

Характеризуются давлениями, превышающими атмосферное

Питание осуществляется на отдельных участках, не перекрытых водоупорами

Имеют пьезометрическую поверхность - поверхность, на которой гидростатическое давление равно атмосферному, на которой устанавливается уровень воды при вскрытии горизонта скважиной

Типовая схема залегания водоносных горизонтов(по П.П. Климентову и др., 1977)

1 - водоносные горизонты: а – грунтовые воды, б – межпластовые безнапорные, в – артезианские

2 – водоупорные породы

3 – уровень безнапорных вод

4 – пьезометрический уровень напорных вод

5 – направление движения подземных вод

6 – родник грунтовых вод

Гидроизогипсы – изображают на картах зеркало подземных вод

Гидроизопьезы – изображают на картах пьезометрическую поверхность

Карта гидроизогипс водоносного комплекса четвертичных отложений Или-Балхашского и Алакольского бассейнов подземных вод (Веселов В.В. и др. http://www.unesco.kz/water/bal_ch_5_r.htm)

Гидроизогипсы изображены синими линиями. Цифры – абсолютные отметки уровня подземных вод

Элементы водоносного

горизонта(Шварцев С.Л., 1996)

1 – глины2 – пески3 – свободный уровень подземных

вод4 – пьезометрическая поверхность

Области: А – питания, В –

распространения (напора), С –

разгрузкиH1,H2 – пьезометрические напоры

Область питания — зона, в пределах которой атмосферные осадки могут проникать в подземные воды. Преобладающие направления движения подземных вод – нисходящее вертикальное и частично горизонтальное.

Область распространения (напора) — промежуточная зона между областью питания и разгрузки, является основной по площади развития. Преобладающее направление движения подземных вод - горизонтальное.

Область разгрузки — зона, в пределах которой подземные воды выходят на поверхность земли или переливаются в другой водоносный горизонт (скрытая разгрузка). Направления движения подземных вод могут быть вертикальными восходящими или нисходящими.

Водоносный комплекс – группа гидравлически связанных между собой водоносных горизонтов, одинаковых или разных по литологическому составу, разделенных слабо водопроницаемыми породами относительно небольшой мощности и имеющих близкие условия питания и разгрузки

1 – водопроницаемые породы2 – водоупорные породы3-5 – пьезометрические уровни I, II, III горизонтов6 – направление движения подземных вод7 - область питания водоносного комплекса8 – родник нисходящий (зона разгрузки)

Типовая схема строения водоносного комплекса(Климентов П.П. и др., 1977)

O Бассейн подземных вод - система водоносных комплексов, связанная единой областью питания и разгрузки. Широко развиты в пределах различных геологических структур: синеклиз, мульд, краевых и предгорных прогибов, межгорных впадин, грабенах, зонах тектонических разломов и т.д. Бассейны, заполненные напорными водами, называются артезианскими.

O Гидрогеологический этаж/ водоносная формация - самое крупное подразделение гидрогеологической стратификации. В нее объединяются водосодержащие литологически и генетически однородные, хотя часто и разновозрастные бассейны, характеризующиеся близкими условиями залегания, распространения, питания и разгрузки подземных вод.