ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СТРАТИФИКАЦИИ

КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Водные свойства горных пород зависят от их минерального и гранулометрического состава, строения (структуры), сложения (текстуры), трещиноватости (скважности) и пористости. Выделяют коллекторские и водные свойства. К основным коллекторским свойствам горных пород относят гранулометрический состав, плотность породы, пористость, трещиноватость и скважность.

Трещиноватость — это совокупность трещин — линейных, прямых или изогнутых разрывов сплошности пород. Трещиноватость может быть первичной, тектонической, вызванной силами давления, литогенетической, связанной с формированием пород, вторичной, связанной с выветриванием, растворением, усыханием и т.д. Различают трещины открытые (большие разрывы) и закрытые, заполненные каким-либо материалом. Трещины являются путями движения подземных вод. При выходе на дневную поверхность пород с большими трещинами происходит втекание атмосферных вод в толщу земной коры, называемое инфлюацией.

Гранулометрический состав показывает процентное содержание (по массе) частиц различного размера, слагающих данную рыхлую породу. Для определения гранулометрического состава производят механический (гранулометрический) анализ. Обломочную породу расчленяют на группы частиц более или менее одинакового размера (фракции) и определяют процентное (по массе) содержание в ней отдельных фракций. Обычно определяют содержание крупнообломочных (размером > 2 мм; в зависимости от их размера выделяют валуны, гальку, гравий), песчаных (0,05—2 мм), пылеватых (0,005-0,05 мм) и глинистых (< 0,005 мм) частиц.

В зависимости от процентного соотношения различных фракций устанавливают классификационное название породы (глина, суглинок, супесь, песок, щебень, дресва и т.д.). Гранулометрический состав породы определяет многие ее свойства: скважность, пористость, водопроницаемость, сжимаемость, высоту капиллярного поднятия, пластичность, усадку, набухание и др. Его необходимо знать для выбора фильтрационных обсыпок к фильтрам скважин, сеток фильтров, шага проволочной обмотки и т.д.

Скважность и пористость пород в значительной степени влияют на водопроницаемость, теплопроводность, прочность (сжимаемость) и другие их свойства. Под скважностью породы Ф.П. Сава- ренский предложил понимать совокупность пустот всех размеров и форм. По размеру пустот скважность делится на капиллярную (пористость) и некапиллярную. Граничные размеры капиллярных и некапиллярных пустот в горных породах в зависимости от их форм приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Подразделение различных пустот в горных породах

Пористость количественно характеризует объем пустот (пор, трещин, полостей и т.п.) в объеме горной породы. Она выражается двумя показателями: коэффициентом пористости п и коэффициентом приведенной пористости е. Коэффициент пористости п представляет собой отношение объема пустот V„ к объему всей породы V, а коэффициент приведенной пористости е — отношение объема пустот V_a к объему скелета породы V_c, т.е. п = V_n / V и e = VJV_c.

Как видно из этих формул, коэффициенты пористости и приведенной пористости — величины безразмерные (измеряются в долях единицы или %). Коэффициент пористости всегда меньше единицы, а коэффициент приведенной пористости может ее превышать. В частности, у некоторых глинистых пород, обладающих высокой пористостью, коэффициент приведенной пористости может быть намного больше единицы.

Соотношение между пористостью и коэффициентом пористости можно выразить формулами:

Скважность в грунтах колеблется в широких пределах, причем наименьшей скважностью обычно обладают магматические, метаморфические и плотные осадочные породы. Ниже приведена пористость некоторых пород, %: граниты, гнейсы, кварциты — 0,02—2; известняки, мергели — 1,5—22; песчаники — 2—38; пески — 35—42; глины каменноугольного возраста — 35—37; глины верхнеюрские — 40—46; глины четвертичные — 50—54; лёссы — 52—56. Пористость глин высокая (до 54%), однако поры у них очень тонкие, чешуйчатые, что делает их непроницаемыми для воды. У песков пористость меньше (35—42%), но поры у них округлые, хорошо проницаемые для воды. Характерные значения общей пористости для различных типов горных пород приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Характерные значения общей пористости для различных типов горных пород [20]

Пористость грунтов обычно вычисляется по плотности частиц грунта, плотности грунта и его влажности. Точность вычисления зависит от качества определения этих величин в лаборатории. Данные о пористости используются при построении компрессионных кривых и определении коэффициента уплотнения. С помощью последнего рассчитывается величина осадки грунта под сооружением. Кроме того, по величине пористости можно судить о плотности пород, она может быть использована для вычисления коэффициента фильтрации песков по эмпирическим формулам [20].

Показатели пористости, определяемые лабораторным или расчетным путем, являются важными характеристиками горных пород, так как от пористости зависят водопроницаемость, водоотдача, сжимаемость, плотность, влагоемкость и другие свойства пород. Многие из этих свойств зависят также от размеров пор, трещин и пустот. Например, фильтрация подземных вод возможна лишь при наличии сверхкапиллярных пор и трещин (размером > 0,5 мм). Капиллярные (0,5—0,002 мм) и субкапиллярные (< 0,002 мм) поры заполнены капиллярной и физически связанной водой (пленочной и гигроскопической), что делает их практически водонепроницаемыми. В частности, глинистые породы, пористость которых может достигать 60%, водонепроницаемы. Поэтому в гидрогеологии выделяют еще эффективную (активную) пористость, характеризующую объем пор, по которым возможна фильтрация подземных вод. Естественно, что активная пористость всегда меньше общей пористости, характеризуемой коэффициентом пористости п.