1

Własności hydrogeologiczne skał

i metody ich oznaczania

Jarosław Kania

Akademia Górniczo-Hutnicza

Katedra Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej

Podstawowe własności hydrogeologiczne skał:

◙ zdolność skał do gromadzenia wody –

porowatość

;

◙ zdolność skał do przewodzenia wody –

wodoprzepuszczalność

;

◙ zdolność skał do oddawania wody –

odsączalność

;

Skały wodonośne

– skały mające zdolność do gromadzenia,

przewodzenia i oddawania wody wolnej.

2

POROWATOŚĆ

Porowatość wynika z obecności w skałach pustek: por, szczelin i
kawern W zależności od rodzaju próżni i pustek rozróżniamy:

kawern. W zależności od rodzaju próżni i pustek rozróżniamy:

porowatość

,

szczelinowatość

,

krasowatość

. W szerokim pojęciu mówi

się o

porowatości

w odniesieniu do wszystkich rodzajów próżni i pustek.

Charakteryzuje przede wszystkim osadowe skały okruchowe, które
cechują się strukturą ziarnistą.

Podział porów (szczelin)

ze względu na ich wielkość

i sposób poruszania się w nich wody oraz

oddziaływanie sił międzycząsteczkowych

Charakter fizyczny

porów

Pory w kształcie rurek,

średnica w [mm]

Pory w kształcie szczelin,

szerokość w [mm]

Nadkapilarne

> 0,5

> 0,25

Kapilarne

0,5

÷0,0002

0,25

÷0,0001

Subkapilarne

< 0,0002

< 0,0001

3

Czynniki rządzące porowatością:

◙ jednorodność (równomierność) uziarnienia;

◙ kształt ziarn;

◙ sposób ułożenia ziarn;

◙ stopień scementowania ziarn;

Przykłady porowatości

(wg Meinzera, 1923)

A – dobrze wysortowana skała okruchowa o bardzo wysokiej porowatości
B – słabo wysortowana skała okruchowa o niskiej porowatości, mniejszej od „a”
C – skała okruchowa o podwójnej porowatości
D – porowatość zmniejszona przez wytrącanie się w porach substancji

mineralnych (spoiwo)

E – pustki krasowe powstałe przez rozługowanie skał
F – porowatość szczelinowa

4

Rodzaje porowatości ze względu na skomunikowanie por

między sobą oraz możliwość przepływu wody:

◙

porowatość ogólna (całkowita) n

– wynikająca z obecności

całkowitej przestrzeni porowej

j p

p

j

◙

porowatość otwarta (odkryta) n

o

– w przypadku pustek

kontaktujących się ze sobą i dostępnych dla wody

◙

porowatość zamknięta (zakryta) n

z

– w przypadku pustek

niepołączonych i niedostępnych dla wody

◙

porowatość aktywna (efektywna) n

a

– tworzy ją przestrzeń porowa

biorąca udział w przepływie (filtracji) wody. Jest to parametr
stanowiący podstawę rozważań i obliczeń hydrogeologicznych.

Porowatość ogólna i odkryta

5

Porowatość aktywna

Najczęściej stosowane metody oznaczania

współczynnika porowatości skał:

◙ Laboratoryjne określanie porowatości odkrytej no;

◙ Laboratoryjne określanie porowatości aktywnej na;

◙ Polowe metody oznaczania porowatości aktywnej;

6

Wyznaczanie współczynnika porowatości odkrytej –

metody laboratoryjne

Wyznaczanie współczynnika porowatości aktywnej –

metody laboratoryjne

7

< 1 %

Skały szczelne

1 – 5 %

Skały o niskiej porowatości

5 – 15 %

Skały o średniej porowatości

Podział skał wg współczynnika porowatości ogólnej

(wg Pazdro, Kozerski, 1990)

> 15 %

Skały o dużej i bardzo dużej

porowatości

Podział skał wg stopnia spękania (szczelinowatości)

(wg Liszkowski, Stochlak, 1973)

< 0,05 %

Skały niespękane

0,05 – 2 %

Skały słabo spękane

2 – 25 %

Skały silnie spękane

> 25 %

Skały bardzo silnie spękane

Współczynniki porowatości ogólnej różnych rodzajów skał

(wg Pazdro, Kozerski, 1990)

Rodzaj skały

Współczynnik

porowatości w [%]

Rodzaj skały

Współczynnik

porowatości w [%]

Gleba

45 – 65

Żwiry

20 – 55

Torf

76 – 89

Margle łąkowe

20 – 32

Torf

76 89

Margle łąkowe

20 32

Węgiel

0,1 – 6,0

Margle ilaste

20 – 49

Muły świeże

50 – 90

Kreda pisząca

3 – 55

Iły plastyczne

35 – 70

Wapienie

i dolomity zbite

0,2 – 7,0

Iły zwarte

18 – 35

Martwice

wapienne

20 – 32

Iłołupki

0,5 – 15,0

Fyllity

0,5 – 10,0

Gliny

24 42

Marmury

0 1 6 0

Gliny

24 – 42

Marmury

0,1 – 6,0

Lessy gliniaste

25 – 35

Kwarcyty

0,008 – 3,5

Lessy

40 – 65

Gnejsy

0,02 – 2,5

Piaski

20 – 48

Bazalty

0,2 – 3,0

Piaskowce

0,9 – 28,0

Porfiry

0,4 – 6,0

Szarogłazy

0,4 – 1,0

Granity

0,2 – 2,2

8

Rozkład współczynnika porowatości – przykład

Model konceptualny warunków krążenia wód podziemnych

w utworach fliszowych

9

Wskaźnik szczelinowatości powierzchniowej n

F

Metody wyznaczania współczynnika filtracji:

◙ metody wzorów empirycznych;

◙ metody laboratoryjne;

◙ metody polowe;

10

Przykłady wzorów empirycznych do wyznaczania

współczynnika filtracji

Wykres uziarnienia na podstawie analizy granulometrycznej

11

Wyznaczanie współczynnika filtracji – metody laboratoryjne

Liniowa zależność pomiędzy gradientem hydraulicznym

a prędkością filtracji

12

Pozorna i rzeczywista prędkość filtracji

Wyznaczanie współczynnika filtracji – metody laboratoryjne

13

Wyznaczanie współczynnika filtracji – metody laboratoryjne

Rurka Kamieńskiego

Utwory hydrogeologiczne

14

Charakter przepuszczalności

Współczynnik

filtracji w [m/s]

Współczynnik

przepuszczalności

w [darcy]

Bardzo dobra:
rumosze, żwiry, żwiry piaszczyste, gruboziarniste i
równoziarniste piaski, skały masywne z bardzo

t

i i d b

h

li

> 10

-3

> 100

Klasyfikacja skał pod względem przepuszczalności

gęstą siecią drobnych szczelin

Dobra:
piaski

gruboziarniste,

nieco

ilaste,

piaski

różnoziarniste, piaski średnioziarniste, kruche, słabo
spojone gruboziarniste piaskowce, skały masywne z
gęstą siecią szczelin

10

-3

÷10

-4

100

÷10

Średnia:
piaski drobnoziarniste, równomiernie uziarnione,
less

10

-4

÷10

-5

10

÷1

Słaba:

Słaba:
piaski pylaste, gliniaste, mułki, piaskowce, skały
masywne z rzadką siecią drobnych spękań

10

-5

÷10

-6

1

÷0,1

Skały półprzepuszczalne:
gliny, namuły, mułowce, iły piaszczyste

10

-6

÷10

-8

0,1

÷0,001

Skały nieprzepuszczalne:
iły, iłołupki, zwarte gliny ilaste, margle ilaste, skały
masywne niespękane

< 10

-8

< 0,001

Współczynnik przepuszczalności k

p

15

Metody określania współczynnika odsączalności

◙ metody wzorów empirycznych;

◙ metody laboratoryjne:

¾

metoda wysokich kolumn,

¾

metoda odwirowywania;

y

;

◙ metody polowe:

¾

próbne pompowanie,

¾

analiza naturalnych wahań zwierciadła wód podziemnych;

Wyznaczanie współczynnika odsączalności – metody laboratoryjne

16

Współczynnik odsączalności

Orientacyjne wartości współczynnika odsączalności grawitacyjnej

Rodzaje utworów

Współczynnik odsączalności

gra itac jnej

grawitacyjnej

Piaski zaglinione

0,005

÷ 0,05

Piaski pylaste

0,05

÷ 0,10

Piaski drobnoziarniste

0,10

÷ 0,17

Piaski średnioziarniste

0,17

÷ 0,25

Piaski gruboziarniste, żwiry, rumosz skalny

0,25

÷ 0,35

Wapienie szczelinowate i skrasowane

0,001

÷ 0,10

Piaskowce spękane

0,02

÷ 0,03

17

Odsączalność, a pojemność (zasobność) wodna

F=1m

2

F=1m

2

F=1m

2

Współczynnik pojemności wodnej S=

ΔV/(ΔH‚F)

Dla warstwy naporowej:
S = S

s

=(m‚n

o

‚

β

w

‚

ρ

w

‚

g) + (m‚

β

s

‚

ρ

s

‚

g ‚C) = µ*

Dla warstwy o swobodnym zwierciadle wody:
S = S

s

+ µ

≅ µ