Пористость, водопроницаемость и удельная водоотдача

Пористость рыхлых осадков изменяется от минимального значения около 20% для крупнозернистого плохо отсортированного аллювия до 90% для пластичных мелкозернистых грунтов и сухой породы органического происхождения, однако наиболее типична пористость от 25 до 65% (табл. 9.1). Удельная водоотдача изменяется от величины, близкой к нулю, до 50%. Значения удельной водоотдачи, характерные для тонких пылеватых осадков и глин, не превышают 10%; для гравия и крупнозернистого песка эти значения более 20%. В противоположность довольно близким величинам пористости значения водопроницаемости различных рыхлых отложений самые различные. Наиболее высокая известная водопроницаемость этих пород более чем в 109 раз превышает самую низкую их водопроницаемость. Несмотря на такой широкий диапазон значений можно сделать некоторые приближенные оценки водопроницаемости рыхлых отложений, основываясь на данных об их происхождении. Этот вопрос рассмотрен более подробно в последующих разделах.

Пористость, удельная водоотдача и водопроницаемость зависят от формы частиц, слагающих рыхлую породу, характера их упаковки, гранулометрического состава и начальной цементации. Сильно угловатые частицы обычно расположены беспорядочно, под острыми углами друг к другу, вследствие чего увеличивается пористость, водопроницаемость и удельная водоотдача породы при данном диаметре частиц. При слабой окатанности частиц обеспечивается их плотная упаковка и порода становится максимально уплотненной. Хорошо окатанные частицы не обеспечивают такого состояния породы, поэтому ее пористость, водопроницаемость и удельная водоотдача близки к этим характеристикам породы, сложенной сильно угловатыми частицами. Кроме угловатости большое влияние на упаковку частиц оказывает их форма. Пластинчатые частицы склонны образовывать прямоугольные трещины, особенно в случае тонкозернистого материала, когда незначительные силы сцепления противостоят малому весу самих частиц, в результате чего последние перемещаются и образуют более плотную упаковку (рис. 9.1). Теоретически идеальные сферические частицы могут быть упакованы до пористости от 25,95 до 47,64%, пластинчатые частицы — до пористости от нуля до почти 100%.

Таблица 9.1 Пористость и водопроницаемость некоторых рыхлых отложений

Примечание: Образцы 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6, 8 и 1- парные образцы, взятые в идентичных условиях.

Условия отложения породы оказывают известное влияние на характер упаковки ее частиц. Например, у валунных глин, отлагающихся под толщей ледника, более низкая пористость, чем у грязевых потоков такого же гранулометрического состава. Пески, отложившиеся с подветренной стороны дюн, имеют большую пористость, чем эти же пески, отложившиеся на отмели. Глубина погребения породы также влияет на упаковку ее частиц вследствие· естественного увеличения давления (рис. 9.2). Среднее уменьшение пористости с глубиной в пределах верхней тысячи футов должно достигать нескольких процентов, хотя изучение кернов показывает большую изменчивость данных и даже локальные увеличения пористости с глубиной, что объясняется различным размером частиц и их формой. Значительное уменьшение пористости в результате погребения наблюдается у глин и глинистых сланцев, а также у песков и гравелитов, хотя и в меньшей степени. Уменьшение пористости объясняется главным образом отсутствием упругости при взаимном перемещении частиц. При этом происходит и некоторая упругая деформация частиц породы, поэтому при лабораторных исследованиях необходимо учитывать увеличение объема керна, извлеченного с глубины более 100—200 футов.

Рис. 9.1. Неплотная и плотная упаковка сферических и пластинчатых частиц. Цифры указывают величину наибольшей и наименьшей пористости при устойчивом расположении

Рис. 9.2. Увеличение плотности глинистого сланца с глубиной по данным изучения керна в штате Оклахома.

Рис. 9.3. Гранулометрический состав некоторых типов пород, охарактеризованных в табл. 9.1. Значение гранулометрического состава для определения водопроницаемости породы видно из сопоставления медианных размеров частиц с величинами водопроницаемости. Нумерация кривых соответствует нумерации образцов в табл. 9.1.

Рис. 9.4. Резкие различия в пористости вследствие разной отсортированности материала. Цифры указывают величину пористости.

Пористость, удельная водоотдача и водопроницаемость сильно зависят от размера частиц породы, ее гранулометрического состава, или отсортированности. Размером частиц определяется действие сил поверхностного натяжения и более слабых молекулярных сил, удерживающих воду в порах. Размер частиц позволяет также определить диаметр пор, оказывающих преобладающее влияние на водопроницаемость (рис. 9.3) и удельную водоотдачу. От отсортированности породы зависит возможность заполнения крупных пор более мелкими частицами (рис. 9.4). При прочих равных условиях плохо отсортированные отложения имеют меньшие значения пористости, водопроницаемости и удельной водоотдачи. Крамбейн и Монк исследовали роль размера частиц и отсортированности породы на искусственно приготовленных песчаных смесях. Результаты их исследования можно выразить следующим полуэмпирическим уравнением:

(9-1)

где k — водопроницаемость, дарси; d* — средний геометрический диаметр частиц, мм; е — безразмерная постоянная, равная 2,718; δ — логарифм среднего квадратичного отклонения гранулометрического состава (безразмерная величина); 760 — множитель для перевода единиц водопроницаемости в дарси. Это уравнение выведено только для одного типа породы, однако в общем виде оно справедливо и для других отложений.

Почти все рыхлые отложения содержат известное количество цементирующего материала, даже если по внешнему виду они выглядят совершенно несцементированными. Глина и коллоидальный материал, которые имеются во всех отложениях, за исключением наиболее отмытых, образуют оболочку на поверхности более крупных частиц и систему открытых отверстий у более мелких фракций. Глинистые оболочки развиваются больше всего в почвенном горизонте В (рис. 9.5), водопроницаемость которого может уменьшиться до незначительной доли первоначальной величины водопроницаемости материнской породы. Поскольку глина расширяется в объеме при увлажнении, водопроницаемость отложений, сцементированных глинистым материалом, сильно зависит от влажности породы. Кремнезем, кальцит, лимонит и другие цементирующие вещества, обычно присутствующие в осадочных породах, оказывают относительно небольшое влияние на водопроницаемость и водоотдачу рыхлых отложений.

Рис. 9.5. Шлиф почвы. Глинистые частицы (показаны точками) обволакивают песчинки.