Тема 3. Водно-физические свойства горных породГидрогеология изучает подземные воды, способные перемещаться через пустоты горных пород. Горные породы характеризуются двумя ключевыми водно-физическими (коллекторскими) свойствами:
- ёмкостью (способностью вмещать воду);
- проницаемостью (способностью пропускать воду).
Ёмкостные свойства
Основная характеристика ёмкости горных пород – это пустотность (скважность), которая количественно выражается общей пустотностью (n):
$n = \frac{V_0}{V_п}$
где $V_0$ – объём пустот, $V_п$ – общий объём породы.
Типы пустотности горных пород:
1. Пористость – характерна для рыхлых осадочных пород (пески, глины). Пористость зависит от плотности упаковки, гранулометрического состава и формы частиц. Максимальная пористость достигается при наименее плотной упаковке частиц (до 47,6%), минимальная – при плотной упаковке (около 26%).
Формула для пористости кубической упаковки:
$n = 1 - \frac{\pi}{6} \approx 47.6\%$
2. Трещиноватость – типична для кристаллических магматических и метаморфических пород. Трещины могут возникать в результате различных процессов (тектонических, экзогенных).
3. Кавернозность – образуется при растворении легкорастворимых пород (карстовые процессы).
Виды пустот по размерам:
- Сверхкапиллярные (> 0,5 мм);
- Капиллярные (0,002–0,5 мм);
- Субкапиллярные (< 0,002 мм).
Активная пористость ($n_a$) – часть общей пористости, доступная для свободного движения воды:
$n_a = \frac{V_a}{V_п}$
Влажность и влагоемкость пород
Влажность – это текущее содержание воды в породе. Различают объёмную и весовую влажность:
$\omega = \frac{V_в}{V_п}, \quad \omega_в = \frac{m_в}{m_с}$
где $V_в$, $m_в$ – объём и масса воды, $m_с$ – масса минеральной части породы.
Влагоёмкость – максимально возможное количество воды в породе, выражаемое разными типами:
- Гигроскопическая – вода, прочно удерживаемая адсорбцией.
- Молекулярная – суммарное содержание прочно и рыхлосвязанной воды.
- Капиллярная – общая величина связанной и капиллярной воды.
- Полная – суммарная ёмкость всех видов воды.
Недостаток насыщения ($\mu_н$) – показывает количество свободного пространства, доступного для воды:
$\mu_н = \omega_0 - \omega_e$
где $\omega_0$ – полная влагоёмкость, $\omega_e$ – естественная влажность.
Водоотдача ($\mu$) – характеризует максимальный объём воды, который может свободно гравитационно вытечь:
$\mu = \frac{V_Г}{V_П}$
где $V_Г$ – объём воды, свободно вытекающей, $V_П$ – общий объём породы.
Балансовая формула водоотдачи:
$\mu = \omega_0 - \omega_n$
где $\omega_n$ – наименьшая влагоёмкость.
Проницаемость горных пород
Проницаемость характеризует способность породы пропускать воду под действием силы тяжести и давления.
Основные параметры проницаемости:
- Коэффициент фильтрации (k, м/сут);
- Коэффициент проницаемости (k\_П, м²).
Связь коэффициента фильтрации и коэффициента проницаемости:
$k = k_П \frac{\rho g}{\eta}$
где $\rho$ – плотность воды, $g$ – ускорение свободного падения, $\eta$ – вязкость жидкости.
Классификация пород по водопроницаемости:
- Очень хорошо проницаемые: k = 100–1000 м/сут (галечники);
- Хорошо проницаемые: k = 10–100 м/сут (крупнозернистые пески);
- Проницаемые: k = 1–10 м/сут (мелкозернистые пески);
- Слабопроницаемые: k = 0,1–1 м/сут (глинистые пески);
- Почти непроницаемые: k < 0,001 м/сут (глины);
- Абсолютно непроницаемые: k = 0 (каменная соль).
Эмпирическая зависимость между водоотдачей и коэффициентом фильтрации для песчаных пород (формула Бецинского):
$\mu = 0,117 \sqrt{k}$
Таким образом, водно-физические свойства горных пород существенно определяют гидрогеологические условия и процессы, оказывая влияние на возможность хранения и движение подземных вод.