ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД.
Важнейшими свойствами горных пород в отношении к подземным водам являются их водопроницаемость и влагоемкость.
Водопроницаемость. Свойство породы пропускать сквозь себя воду, отнесенную к категории гравитационной, называется водопроницаемостью. Последняя определяется наличием пустот в породе, т. е. пористостью у зернистых пород и скважистостью или трещиноватостью у пород массивных. Водонепроницаемость представляет собой обратное свойство.
Под пористостью понимают сумму объемов пустот в породе. В зависимости от размера пор выделяют: крупные поры (не капилляры), диаметр которых превышает 1 мм; капилляры с диаметром отверстий от 0,5 до 1 мм; субкапилляры до 0,002 мм в диаметре.
Пористость определяется следующим методом: кусок породы взвешивают в воздушно-сухом состоянии; затем породу насыщают водой и снова взвешивают. Разница весов даст представление об объеме воды, заполнившей поры, а следовательно, и о пористости данной породы.
Пористость измеряется в процентах по отношению к объему взятого образца породы. Она зависит не только от величины зерен, но также и от их взаиморасположения, упаковки, степени уплотненности. Если зерна песка занимают вершины и центр куба, то пористость достигнет 47,6%; если песчинки того же диаметра занимают вершины тетраэдра (трехгранная пирамида), то пористость снижается до 24,5%.
В разнозернистых песках с угловатыми мелкими зернами пористость уменьшается, так как мелкие зерна могут заполнять поры между крупными. Для гидрогеолога поэтому необходимо определять гранулометрический состав породы, т. е. степень крупности слагающих ее зерен. Его принято выражать в виде процентного содержания в породе зерен различной крупности.
Разработаны различные методы гранулометрического или механического анализа рыхлых горных пород, при котором составляющие породу частицы разделяются на фракции по крупности зерна. Наиболее крупные фракции — валуны, гальку, песок— разделяют с помощью металлических сит, имеющих отверстия разного диаметра. Таким способом можно успешно разделять лишь частицы больше 0,25 мм в поперечнике. Для разделения более мелких частиц применяют различные методы размучивания и отстаивания в воде. При этом исходят из того, что рыхлые горные породы состоят преимущественно из минералов, близких по удельному весу, и скорость падения их частиц в воде можно приближенно считать пропорциональной их размерам или, что то же, диаметрам.
Если принять средний удельный вес минеральных частиц за 2,7 (уд. вес кварца), то скорость их падения в воде при диаметре 0,25 мм приближается к 10 см/сек; при диаметре 0,1 мм — к 2 см/сек; при диаметре 0,05 мм — к 0,8 см/сек и т. д.
Н. А. Сабанин еще в 1903 г. предложил простейший метод разделения фракций: в цилиндрическом стеклянном сосуде, наполненном водой, размачивается порода (песок, суглинок, глина). Взмученную смесь отстаивают в течение одной секунды. За это время частицы более 0,25 мм в диаметре успеют осесть на 10 см ниже поверхности воды. Посредством сифона сливают этот верхний слой с оставшимися в нем во взвешенном состоянии более мелкими частицами породы.
Эту операцию повторяют до тех пор, пока сливаемая вода не станет совсем прозрачной. Оставшуюся на дне смесь крупных частиц и воды выпаривают и взвешивают. Таким образом, получают представление о процентном содержании в породе крупных частиц или крупной фракции зерен, которую, если надо, затем разделяют на ситах.
Слитую сифоном смесь вновь взмучивают и дают ей отстояться в течение большего времени, чем в первом опыте. На дно сосуда осядут частицы менее крупные, чем оказавшиеся в первой фракции. Снова определяется процентное содержание второй фракции в породе. Опыт повторяется несколько раз с последующим увеличением времени на отстаивание. Удается разделить на фракции частицы более 0,01 мм в диаметре. Для более мелких частиц приходится прибегать уже к иным методам.
Существуют специальные таблицы, помогающие определять пористость по гранулометрическому составу. Хотя такие определения и мало точны, но для рыхлых пород ими часто приходится пользоваться, так как другими способами их пористость не всегда можно установить.
Горных пород, не имеющих пустот, не существует или они очень редки. Различные породы обладают следующими величинами пористости и скважистости (в %):
Водопроницаемость. Свойство породы пропускать сквозь себя воду, отнесенную к категории гравитационной, называется водопроницаемостью. Последняя определяется наличием пустот в породе, т. е. пористостью у зернистых пород и скважистостью или трещиноватостью у пород массивных. Водонепроницаемость представляет собой обратное свойство.
Под пористостью понимают сумму объемов пустот в породе. В зависимости от размера пор выделяют: крупные поры (не капилляры), диаметр которых превышает 1 мм; капилляры с диаметром отверстий от 0,5 до 1 мм; субкапилляры до 0,002 мм в диаметре.
Пористость определяется следующим методом: кусок породы взвешивают в воздушно-сухом состоянии; затем породу насыщают водой и снова взвешивают. Разница весов даст представление об объеме воды, заполнившей поры, а следовательно, и о пористости данной породы.
Пористость измеряется в процентах по отношению к объему взятого образца породы. Она зависит не только от величины зерен, но также и от их взаиморасположения, упаковки, степени уплотненности. Если зерна песка занимают вершины и центр куба, то пористость достигнет 47,6%; если песчинки того же диаметра занимают вершины тетраэдра (трехгранная пирамида), то пористость снижается до 24,5%.
В разнозернистых песках с угловатыми мелкими зернами пористость уменьшается, так как мелкие зерна могут заполнять поры между крупными. Для гидрогеолога поэтому необходимо определять гранулометрический состав породы, т. е. степень крупности слагающих ее зерен. Его принято выражать в виде процентного содержания в породе зерен различной крупности.
Разработаны различные методы гранулометрического или механического анализа рыхлых горных пород, при котором составляющие породу частицы разделяются на фракции по крупности зерна. Наиболее крупные фракции — валуны, гальку, песок— разделяют с помощью металлических сит, имеющих отверстия разного диаметра. Таким способом можно успешно разделять лишь частицы больше 0,25 мм в поперечнике. Для разделения более мелких частиц применяют различные методы размучивания и отстаивания в воде. При этом исходят из того, что рыхлые горные породы состоят преимущественно из минералов, близких по удельному весу, и скорость падения их частиц в воде можно приближенно считать пропорциональной их размерам или, что то же, диаметрам.
Если принять средний удельный вес минеральных частиц за 2,7 (уд. вес кварца), то скорость их падения в воде при диаметре 0,25 мм приближается к 10 см/сек; при диаметре 0,1 мм — к 2 см/сек; при диаметре 0,05 мм — к 0,8 см/сек и т. д.
Н. А. Сабанин еще в 1903 г. предложил простейший метод разделения фракций: в цилиндрическом стеклянном сосуде, наполненном водой, размачивается порода (песок, суглинок, глина). Взмученную смесь отстаивают в течение одной секунды. За это время частицы более 0,25 мм в диаметре успеют осесть на 10 см ниже поверхности воды. Посредством сифона сливают этот верхний слой с оставшимися в нем во взвешенном состоянии более мелкими частицами породы.
Эту операцию повторяют до тех пор, пока сливаемая вода не станет совсем прозрачной. Оставшуюся на дне смесь крупных частиц и воды выпаривают и взвешивают. Таким образом, получают представление о процентном содержании в породе крупных частиц или крупной фракции зерен, которую, если надо, затем разделяют на ситах.
Слитую сифоном смесь вновь взмучивают и дают ей отстояться в течение большего времени, чем в первом опыте. На дно сосуда осядут частицы менее крупные, чем оказавшиеся в первой фракции. Снова определяется процентное содержание второй фракции в породе. Опыт повторяется несколько раз с последующим увеличением времени на отстаивание. Удается разделить на фракции частицы более 0,01 мм в диаметре. Для более мелких частиц приходится прибегать уже к иным методам.
Существуют специальные таблицы, помогающие определять пористость по гранулометрическому составу. Хотя такие определения и мало точны, но для рыхлых пород ими часто приходится пользоваться, так как другими способами их пористость не всегда можно установить.
Горных пород, не имеющих пустот, не существует или они очень редки. Различные породы обладают следующими величинами пористости и скважистости (в %):
Гранит (скважистость) .............................. 0,05—2
Базальт (скважистость) ............................. 0,5—1,3
Песчаник (скважистость и пористость) ...... 3—27
Песок (малая цементация) .......................... 30—42
Мел .................................................................. 14-45
Глины ........................................................... 45—55
При этом обращает на себя внимание большая величина пористости глин. Обладая такой большой пористостью, глины в то же время являются породами водонепроницаемыми. Объясняется это тем, что водопроницаемость зависит не от общей пористости, а определяется размерами пор. Пористость песка падает иногда до 30% и тем не менее это хорошо водопроницаемая порода, так как поры в ней крупные. Но чем мельче частицы породы, тем тоньше и поры, их разделяющие. В глинах имеются уже только капиллярные и субкапиллярные поры, по которым движение гравитационной воды невозможно.
