如何寻找地下水?搞清楚岩石空隙中这三种情况,精准定位地下水!

2022-12-06
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地下水存在于岩石空隙之中,地壳表层至地下十余公里深度范围内,都或多或少存在着空隙,特别是浅部1000-2000米深度范围内的空隙分布较为普遍。按照维尔纳茨基形象的说法,“地壳表层就好像是饱含着水的海绵”。

岩石空隙既是地下水的储容场所,又是地下水的运动通路。空隙的多少、大小及其分布规律,决定着地下水分布与运动的特点。

将空隙作为地下水储容场所与运动通路研究时,可以分为三类:

松散岩石中的孔隙,坚硬岩石中的裂隙,以及易溶岩层中的溶穴(溶洞)。


所以,我们必须重视一点:不管是哪种类型的地下水,在地下的分布均有一定的面积或长度,在物探找水的时尽可能把剖面做长,剖面数量做多,会更有效地找到出水大的地下水。


1.孔隙:松散岩石是由大大小小的颗粒组成的,在颗粒或颗粒的集合体之间普遍存在空隙;空隙相互连通,呈小孔状,故称作孔隙。

孔隙的多少用孔隙度表示。孔隙度乃是某一体积岩石(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例。如以P表示孔隙度,Vp,表示孔隙体积,V表示岩石体积,则得 P=Vp/V 或P=Vp/V×100%,孔隙度可以百分数或小数表示。

孔隙度的大小主要取决于颗粒排列情况及分选程度;另外,颗粒形状及胶结情况也影响孔隙度。

为了说明颗粒排列方式对孔隙度的影响,我们可以设想一种理想的情况,即颗粒均为大小相等的圆球。当这些理想颗粒作立方体排列时(图2a),


可算得其孔隙度为47.64%;作四面体排列时(图2b),孔隙度仅为25.95%。颗粒受力情况发生变化时,通过改变排列方式而密集程度不同(图3)。


上述两种理论上最大与最小的孔隙度平均起来接近37%,自然界中松散岩石的孔隙度与此大体相近。

应当注意,我们在上述计算中并没有规定圆球的大小;因为孔隙度是一个比例数,与颗粒大小无关。

自然界并不存在完全等粒的松散岩石。分选程度愈差·,颗粒大小愈不相等,孔隙度便愈小。因为,细小颗粒充填于粗大颗粒之间的孔隙中,自然会大大降低孔隙度(图3)。我们可以假设一种极端的情况:如果一种等粒砾石的孔隙度P₁等于40%,另一种等粒的极细砂的孔隙度P₂也等于40%,而极细砂完全充填于砾石孔隙中,则此混合砂砾的孔隙度. P₃=P₁×P₂=16%。

自然界中也很少有完全呈圆形的颗粒。颗粒形状愈是不接近圆形,孔隙度就愈大。因为这时突出部分相互接触,会使颗粒架空。

粘粒表面常带有电荷,颗粒接触时便连结形成颗粒集合体,形成结构孔隙(图3—5)。由于这个缘故,粘土的孔隙度可以超过理论上的最大孔隙度。

松散岩石受到不同程度胶结时,由于胶结物质的充填,孔隙度有所降低(图3—4)。

孔隙大小对水的运动影响极大,影响孔隙大小的主要因素是颗粒大小。颗粒大则孔隙大,颗粒小则孔隙小。需要注意的是,对分选不好、颗粒大小悬殊的松散岩石来说,孔隙大小并不取决于颗粒的平均直径,而主要取决于细小颗粒的直径。原因是,细小颗粒把粗大颗粒的孔隙充填了(图3-3)。除此以外,孔隙大小还与颗粒排列方式、颗粒形状以及胶结程度有关。


2.裂隙:固结的坚硬岩石,包括沉积岩、岩浆岩与变质岩,其中不存在或很少存在颗粒之间的孔隙;岩石中的空隙主要是各种成因的裂隙,即成岩裂隙、构造裂隙与风化裂隙(图3-7)。

成岩裂隙是岩石形成过程中由于冷却收缩(岩浆岩)或固结干缩(沉积岩)而产生的。成岩裂隙在岩浆岩中较为发育,如玄武岩的柱状节理便是。构造裂隙是岩石在构造运动过程中受力产生的,各种构造节理、断层即是。风化裂隙是在各种物理的与化学的因素的作用下,岩石遭破坏而产生的裂隙,这类裂隙主要分布于地表附近。

裂隙的多少以裂隙率表示之。裂隙率即裂隙体积V1,在包括裂隙在内的岩石体积V中所占的比例,即:Kr=V1/V×100%

裂隙率可在野外或在坑道中通过测量岩石露头求得,也可以利用钻孔中取出来的岩芯测定。在测定裂隙率时,一般还应测定裂隙的方向、延伸长度、宽度、充填情况等。因为这些都对水的运动有很大影响。

裂隙发育一般并不均匀,即使在同一岩层中,由于岩性、受力条件等的变化,裂隙率与裂隙张开程度都会有很大差别。因此,进行裂隙测量应当注意选择有代表性的部位,并且应当明了某一裂隙测量结果所能代表的范围。


3.溶穴(溶洞):易溶沉积岩,如岩盐、石膏、石灰岩、白云岩等,由于地下水的溶蚀会产生空洞,这种空隙就是溶穴。溶穴体积VK,在包括溶穴在内的岩石体积V中所占的比例数即为岩溶率 Kₖ, 即:Kk=Vk/V×100%

岩溶发育极不均匀。大者可宽达数百米、高达数十米乃至上百米、长达数十公里或更多;小的只有几毫米直径。并且,往往在相距极近处岩溶率相差极大。例如,在具有同一岩性成分的可溶岩层中,岩溶通道带的岩溶率可以达到百分之几十,而附近地区的岩溶率都几乎是零。

将孔隙率、裂隙率与岩溶率作一对比,可以得到以下结论。虽然三者都是说明岩石中空隙所占的比例的,但在实际意义上却颇有区别。

松散岩石颗粒变化较小,而且通常是渐次递变的,因此,对某一类岩性所测得的孔隙率具有较好的代表性,可以适用于一个相当大的范围。

坚硬岩石中的裂隙,受到岩性及应力的控制,一般发育颇不均匀,某一处测得的裂隙率只能代表一个特定部位的状况,适用范围有限。

岩溶发育极不均匀,利用现有的办法,实际上很难测得能够说明某一岩层岩溶发育程度的岩溶率。即使求得了某一岩层的平均岩溶率,也仍然不能真实地反映岩溶发育的情况。因此,岩溶率的测定方法及其意义,都还值得进一步探讨。

岩石空隙的发育情况,实际上远比上面所讨论的复杂。例如,松散岩石固然主要发育孔隙,但某些粘性土失水干缩后可以产生裂隙;这些裂隙的水文地质意义,往往超过其原有的孔隙。成岩程度不十分高的沉积岩,往往既有裂隙,又有孔隙。易溶岩层在同一岩层的不同部位,由于溶蚀强度不均一,有的部分主要发育裂隙,有的部分主要发育溶穴。

因此,进行工作时必须从实际出发,注意观察、收集事实,在事实基础上分析空隙的形成原因及控制因素,弄清其发育规律。只有这样,才有利于分析地下水储存与运动条件。


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