Пористость и трещиноватость для гидрогеологии

Говоря о гидрогеологиче­ских свойствах зернистых горных пород, приходится преж­де всего иметь в виду их пористость, так как от количества пор и от их размера зависят и влагоемкость и водоотдача этих пород.

Пористость пород должна выражаться в процентном отношении объели пустот (пор) к общему объему породы:

Определение пористости зернистых пород производится обычно следующими приемами.

В цилиндрическую мензурку емкостью в 200 см³ нали­вают 100 мл воды, в другую мензурку емкостью 100 см³ насыпают  исследуемое вещество до отметки 100 и затем пересыпают его осторожно и постепенно в мензурку с водой (но ни в коем случае не обратно во избежание того, чтобы в породе не остались пузырьки воздуха). Вода в мензурке поднимается, но не до отметки 200, а ниже, предположим до высоты 165. Разность 200—165 = 35 дает в процентах пористость. Если на мензурке нанести на приклеенной полоске бумаги обратные обозначения, в верхней ее части поместив 0 против 200, тогда можно просто по стоянию уровня воды в мензурке отсчитывать пористость в процен­тах. Если количество воды и сыпучего тела берутся другие, тогда для получения процента пористости надо сделать соответствующие перечисления.

Схема рыхлого и плотного расположения шаров

где а — по системе куба, б — по системе четырехгранной пирамиды, в —по системе трехгран­ной пирамиды, г — в плане.

Пористость твердых тел устанавливается расчетным путем по формуле:

где п — пористость, δ — объемный вес породы; γ — удель­ный вес породы.

В данном случае задача сводится к определению объем­ного и удельного веса породы.

Удельный вес породы определяется обычным способом при помощи пикнометра, а объемный вес — путем измере­ния объема образца в его естественной структуре и его взвешивания в сухом виде. Для монолитных пород опреде­ление объемного веса не представляет затруднений. Если образцу придана какая либо правильная форма, то объем определяется простым линейным измерением. Если же рыхлообломочная порода неустойчива, легко рассыпается и т. д., то грунтоведы применяют парафинирование образца с последующим учетом объема и веса использованного количества парафина.

А.  Газеном и Ч. Слихтером были сделаны попыт­ки изучить пористость искусственной породы, в которой зерна были представлены геометрически правильными шарами. Заполняя объем шарами определенного диаметра, они заметили, что количество шаров, вмещающееся в дан­ном объеме, может быть различным в зависимости от того, какое им придать расположение, причем колебание в пори­стости искусственной породы достигло 26—47,6%.

Если укладывать шары так, что центры их будут пред­ставлять вершины куба, то мы получим наиболее рыхлое (47,6%) расположение шаров. Если укладывать шары таким образом, что центры их будут вершинами тетраэдра, то мы получим наиболее плотное сложение шаров с пори­стостью 26%. Возможны промежуточные поло­жения, в которых пористость будет укладываться между этими предельными цифрами. Так, Е. С. Федоров указал, что расположение шаров по системе гексагональ­ной призмы дает пористость 39,5%, а расположение их по системе притупленного октаэдра — 32%.

Разрез через пору

где а — при кубическом расположении шаров, б — при тетраэдрическом расположении шаров.

Каких бы размеров шары мы ни брали, если все они одного и того же диаметра, то результат укладки шаров по определенной системе останется одним и тем же. Други­ми словами, пористость породы не зависит от размеров шаров (зерен), а зависит исключительно от способа их укладки. Смешивая различные шары, большие и малень­кие, мы можем получить весьма малую пористость, так как отдельные поры между крупными шарами будут запол­нены мелкими шарами.

Природные пески, конечно, не состоят из таких идеаль­ных геометрически правильных шаров, поэтому сложение их в большей или меньшей степени случайно. Замечено, что чем мельче пески, тем зерна их более шарообразны, и чем они грубее, тем зерна больше по своей форме отли­чаются от шара. В этом случае возможны всякие совершен­но случайные расположения песчинок в отношении друг друга, и в отдельных частях одной и той же породы пори­стость может быть различной. В природных условиях пористость более или менее однородных песков около 30—35%, а галечников с песком около 15—20%.

Трещиноватость массивных пород зависит от системы трещин, которые в них развиты. Следует различать породы свежие, которые нормально обладают минимальным коли­чеством трещин, и породы, подвергшиеся интенсивному выветриванию. В последних количество трещин может воз­расти значительно. Для примера можно привести следую­щие цифры трещиноватости для различных пород:

Так как 1% пористости соответствует 10 л объема в 1 м³, то, следовательно, 1 м³ мелкозернистого гранита может содержать от 0,5 до 7 л, базальтовая лава — от 44 до 56 л, а мел — от 144 до 439 л воды в 1 м³ породы.