wlasnosci skal







 
Własności hydrogeologiczne skał:


Porowatość- charakterystyczna
dla skał okruchowych i piroklastycznych, które maja strukturę
ziarnistą- jest to porowatość międzyokruchowa lub intergranularna
charakteryzująca się występowaniem wolnych przestrzeni między
poszczególnymi ziarnami mineralnymi- porowatość podwójna - np. w
żwirach lub zlepieńcach, które składają się z otoczaków będących same w
sobie porowate- w skałach krystalicznych też wystepuje porowatość,
lecz jest ona znikoma i bez znaczenia dla hydrogeologii- ziarna skał
okruchowych mają różne kształty toteż kształt porów jest różny i nie
przejawia żadnych prawidłowości- podział porów ze względu na
wielkość i ruch wody: - nadkapilarne o średnicy >0,5
umożliwiające poruszanie się wody pod wpływem siły ciężkości-
kapilarne 0,5-0,0002 mm, woda może odbywać ruch kapilarny-
subkapilarne <0,0002 mm, woda związana siłami
czÄ…steczkowymi

-
współczynnik porowatości - jest to stosunek
objętości porów do objętości całej próbki skalnejV = Vp + Vz [cm3] gdzie: V - objętość próbki
skalnejVp - obj. porów w próbceVz - obj. ziaren w próbce
n = [(V-Vz) / V] 100 = (Vp / V) 100% [%]
-
wskaźnik porowatości - określony literką p,
jest to stosunek objętości porów do objętości ziarn w skalee = Vp / Vz [%}
- zależność między współczynnikiem:n = e / (1+e) e = n /
(1-n)- współczynnik i wskaźnik określa się labolatoryjnie przez
określenie gęstości właściwej ?s i gęstości objętościowe ?o skały
suchej przy zachowaniu naturalnej objętości-s = ms /Vz [g/cm3]
(stosunek masy próbki do jej obj. bez porów)-o = ms /V (stosunek
masy próbki do jej obj. łącznie z porami)Vz = ms / ?s V = ms /
?o
n=
[(?s - ?o)/ ?s]100% e = (?s - ?o)/ ?o
- porowatość różnych rodzajów skał
(k):

·
torfy 76-89%· iÅ‚y 35-70%· gliny 24-42%· piaski
20-48%· piaskowce 0,9-28%· żwiry 20-55%· wapienie i
dolomity zbite 0,2-7%· marmury 0,1-6%· granity
0,2-2,2%
- podział skał ze względu na skupienie
porowatości:

k<1% skały niezwykle szczelne1-5% porowatość
mała5-15% porowatość średnia> 15% porowatość duża i
bardzo duża
- czynniki decydujące o porowatości:

·
jednorodność uziarnienia - równoziarniste mają większą porowatość
niż różnoziarniste· ksztaÅ‚t ziarn - wiÄ™ksza dla skaÅ‚y zbudowanej
z ziarn okrągły niż zbudowanej z ziarn ostrokrawędzistych,
pÅ‚ytkowych czy tabliczkowych· sposób uÅ‚ożenia ziarn - przy
sześciennym ułożeniu k jest równe 47,64%, a przy romboedrycznym
25,95%· wielkość ziaren nie wpÅ‚ywa na porowatość!· piaski
młode leżące blisko powierzchni ziemi mają większą porowatość niż te
leżące niżej, bo uległy kompakcji - porowatość maleje wraz ze
wzrostem gÅ‚Ä™bokoÅ›ci· zależy od stopnia scementowania ziarn -
spoiwo wypełnia pory i powoduje zmniejszenia icg objętości- pory
mogą być otwarte lub odkryte, gdy łączą się za pomocą sieci
kanalików, umożliwiają przepływ wody przez skały - porowatość
otwarta- pory zamknięte albo zakryte są otoczone całkowicie
powierzchnią skalną i nie łączą się z innymi porami - porowatość
zamknięta- porowatość efektywna - objętość porów w skale, która
bierze czynny udział w przepływie wody podziemnej- porowatość
miarolityczna - próżnie (miarole) występujące w skałach magmowych, w
których uwięzione zostały gazy; są to bardzo małe pory i
zamknięte- porowatość pęcherzykowa - w lawach wulkanicznych
krzepnących szybko na powierzchni ziemi, drogi uchodzących gazów
mogą być utrwalone w postaci pęcherzyków np. pumex, pory
zamknięte- porowatość gąbczasta - powtaje wtedy, gdy pęcherzyki,
kanaliki i inne próżnie łączą się ze sobą umożliwiając przepływ wody
przez skałę np. trawertyny czy martwice
wapienne
Szczelinowatość- skały zbite i masywne mają niski współczynnik porowatości
pierwotnej, ale mogą być dobrymi akumulatorami wody podziemnej jeśli w
yniku różnych procesów geol. ulegną popękaniu - powstają szczeliny
(rozwarcia masy skalnej)
- ze
względu na mechanizm dziłających sił szczeliny dzielimy na: tensyjne (z
rozerwania), kompresyjne (ze ścinania)
- ze
względu na genezę dzielimy je na:

· syngenetyczne - tworza siÄ™ w wyniku
dziłania sił wewnętrznych w czasie powstania skał np. w czasie
krzepniecia magmy następuje zmniejszenie objętości i wówczas powstają
szczeliny zwane synklazami, które mogą być utajone lub jawne, biegną
regularnie i ujawniaja się szczególnie przy wietrzeniu; cios -
rozpadanie się skał na bloki różnych kształtów;na skutek sił
tensyjnych w bazaltachw skałach osadowych w wyniku wysychania
pierwotnie mokrego osadu· tektoniczne -
powstają w skałach w wyniku ciśnień zewnętrznych występujących w
czasie ruchu skorupy ziemskiej; można je podzielić na diaklazy i
paraklazydiaklazy - szczeliny, wzdłuż których nie nbastąpiło
przesunięcie skał, w skałach poziomych i pofałdowanych; w strefach
ściskania krzyżują się prawie pod kątem prostym i są uajone, na
grzbietach antyklin tez szczeliny ale tensyjnemegadiaklazy to
takie, które przecinaja większe serie warstwparaklazy - szczeliny,
wzdłuż których nastąpiło przesunięcie warstw skalnych -
uskoki· wietrzeniowe - powstaja w
wyniku wietrzenia fizycznego przez wpływy termiczne i dziłanie mrozu i
wody zamarzającej; siegają do 20m poniżej powierzchni
terenu
-
dla przepływu wody znaczenie ma rozwarcie szczelin tj. ich
szerokość:

· nadkapilarne - o szer. >0,25mm·
kapilarne - o szer. 0,25-0,0001 mm· subkapilarne - o szer.
<0,0001 mm
-
szczeliny widoczne gołym okiem to makroszczeliny, niewidoczne
mikroszczeliny- szczeliny im głębiej tym są węższe, bo ciśnienie
powoduje ściskanie- drożność szczelin zależy też od stopnia
wypełnienia materiałem skalnym- gęstość liniowa szczelin - stosunek
liczby szczelin n przecinajÄ…cych wybrana poziomÄ… liniÄ™ pomiarowÄ… do jej
długości l; z reguły linia pomiarowa prostopała do biegu szczelinGl
= n / lA gdy linia pomiarowa nie jest prostopadła do biegu szczelin
to wzór ma takÄ… postać:Gl = n / l sin? sinß gdzie: ? - kÄ…t upadu
płaszczyzny szczelin- kąt między linią kierunku szczelin a linią,
wzdłuż której dokonuje się pomiaru- wspólczynnik gęstości szczelin -
stosunek sumarycznej długości wszystkich szczelin do powierzchni pola,
na które one wychodząGp = ? l / F- współczynnik szczelinowatości
- stosunek sumarycznej powierzchni szczelin wychodzÄ…cych na badane pole
pomiarowe do jego powierzchnid = bs ?l / F [%] gdzie: bs - średnia
szerokość szczelin- zespół szczelin - gdy szczeliny tworzą układ
równoległy lub prawie równoległy- system szczelin - dwa lub trzy
zespoły wzajemnie przecinające się
Krasowatość- występowanie próżni skalnych powstałych wskutek ługowania
łatwo rozpuszczalnych skał (sól, gips, wapienie) CaCO3 + H2O + CO2 >
Ca2+ + 2HCO3- muszą w skale istnieć spękania, którymi woda może
migrować i ługować- formy krasowe:- strefa wadyczna - ruch wody
pionowy i powstają między innymi lejki, kominy studnie i przepaści
krasowe- strefa poziomych przepływów - powstają między innymi
jaskinie, pieczary
przepuszczalność hydrauliczna - zdolność skały do
przewodzenia wody wolnej tzn. umożliwia ruch wody w skale w przypadku
ciśnień hydrostatycznych; ruch zachodzi tylko wtedy, gdy pory są ze soba
skomunikowane tworząc splot przewodów hydraulicznych,- od
przepuszcalności zależy ilość wody przepływającej przez skały a co za
tym idzie zasoby- zależy od: -wielkości próżni (a wymiary porów
zależą od srednicy ziarn) - więcej wody przewodzą skały o większych
porach,w skałach zbudowanych z wydłużonych ziarn jest zależność
przepuszczalności od tekstury - przepuszczalność większa w kierunku
dłuższych osi ziarn- lepkości (miarą współczynnik lepkości w
puazach) i temperatury wody - lepkość maleje wraz ze wzrostem temp.
toteż wody cieplejsze przemieszczają się w skałach łatwiej- Stopień
przepuszczalności - określa objętość wody, jaka przepływa w jednostce
czasu przez określony przekrój skały i przy określonej różnicy ciśnień
hydrostatycznych.Q = F v gdzie: Q - obj. cieczy przepływającejF
- przekrójv - prędkość płynącej cieczy- miarą przepuszczalności
jest współczynnik filtracji oznaczany literą k ,
miarodajna średnica ziarn (efektywna) i wspólczynnik
nierównomierności uziarniania- w skałach okruchowych
decydującym czynnikiem przepuszczalności jest wymiar ziarn i procentowy
udział w skale ziarn o określonych średnicach, w tym celu wykonuje się
analizę granulometryczną - rozdział poszczególnych frakcji o określonych
średnicach ziarn
-
podział frakcji:

- kamienista O ziarn >40 mm- żwirowa O
40-2 mm- piaskowa O 2-0,05 mm- pyłowa O 0,05-0,002 mm -
iłowa O < 0,002 mm
- do
analizę wykonuje się metodą sitową: zestaw 8 sit z oczkami o średnicy
25-10-2-1-0,5-0,25-0,1-0,071próbkę skały się suszy (temp.
105-110oC), waży, przesupuje przez sita a następnie waży pozostałości
poszczególnych frakcji i oblicza procentowy udział każdej frakcji:a
= (ms / mc) 100% gdzie: a - procentowa zawartość frakcjims - masa
frakcji zatrzymanej na siciemc - masa całej analizowanej próbki-
wyniki tych obliczeń przedstawiamy przedstawiamy w postaci
granulometrycznej krzywej kumulacyjnej (w skali półlogarytmicznej, na
osi odciętych logarytmy średnic zastępczych, na rzędnych procenty
wagowe) i wyznaczamy parametry do obliczenia współczynnika
filtracji:- średnica miarodajna de -
określana z krzywej kumulacyjnej; wg Hazena skała różnoziarnista
wykazuje taka samą przepuszczalność jak idealna skała jednorodna złożona
z kulistych ziarn o określonej średnicy (to średnica miarodajna)jest
to średnica poniżej której zawartość ziarn w składzie granulometrycznym
skały stanowi 10% masy, a 90% powyżej- wspólczynnik nierównomierności uziarnienia -U =
d60 / de gdzie: d60 - średnica tak że 60% mniejsze ziarna a 40%
większeIm U bliższe jedności tym bardziej równomierne uziarnienie i
lepsza przepusczalność skaÅ‚y.Ze wzglÄ™du na U skaÅ‚y dzielimy na:·
U<5 równomiernie uziarnione· 5-15 nierównomiernie uziarnione·
> 15 bardzo nierównomiernir uziarnionenajwyższe wartości U: iły,
iły piaszczyste, gliny zwałowe, piaski gliniaste i
mułkowatenajniższe: piaski i żwiry morskie, a także lessy- dla
skał o ziarnach o średnicy mniejszej od 0,1 mm de = d20 , U = d70 / d20
- oznaczanie średnicy miarodajnej dla skał z U>5 - de odpowiada
średnicy ziarn idealnej skały, której powierzchnia jednostkowa jest taka
sama jak powierzchnia jednostkowa badanej skały rzeczywistej (wzór 24
str. 83 książka)- obliczanie współczynnika filtracji (wzór
Hazena):k = c de2 (0,7 + 0,03t) [m/dobe] gdzie: k - współczynnik
filtracjic - empiryczny współczynnik zależny od Ut - temp. z
reguły 10oCjeśli U = 1 to c = 1200,jeśli U 2-4 to c =
800,jeśli U = 5 to c = 400.
wodochłonność - zdolność skały do pochłaniania i gromadzenia wody-
wodochłonność całkowita - obejmuje wszystkie wody w skale, zarówno wolne
jak i związane- wodochłonność odpowiada skała porowatym, im większa
sumaryczna obj. porów tym więcej wody może skała wchłonąć-
potencjalna wodochłonność to stosunek obj. próżnych przestrzeni w skale
do całkowitej jej objętościW = (Vp / V)
100% lub W = [(mn- ms) / ms] 100%
gdzie: mn - masa skały nasyconej wodąms - masa skały suchejW
= n (w skałach porowatych)- całkowita wodochłonność zostanie
osiągnięta, gdy wszystkie próżnie zostaną wypełnione wodą wówczas skała
osiągnie stan pełnego nasycenia wodą, czyli saturacji- wodochłonność
20-30% - skały b. wodochłonnewodochłonność powyżej 30% - skały b.
silnie wodochłonne- stopień nasycenia skały wodą jest stosunkiem
obj. wody wypełniającej pory do całkowitej ich objętościKw = Vw / Vp
przy pełnym nasyceniu V=1- polowe badania wodochłonności - wiercenia
w terenieQ = f (H) gdzie: H - ciśnienie w jakim wtłaczana jest
wodaQ - wodochÅ‚onnośćW = Q / (H · t · l) gdzie: Q - ilość
wtłoczonej wody w litrach w czasie tH - ciśnienie pod jakim wtłacza
się wodę w att - czas wtłaczania w min.l - długość badanej
strefy w metrach
odsączalność - zdolność do oddawania przez nasyconą skałe wody wolnej pod
wpływem sił grawitacji- miara jest współczynnik odsączalności

stosunek obj. wody odsÄ…czonej ze skaÅ‚y do objÄ™toÅ›ci tej skaÅ‚yµ = Vo / V [w uÅ‚amku albo w %]- ilość
odsączonej wody zależy od wielkości porów - im one większe tym
odsączalność większa, w skałach drobnoziarnistych odsączalność jest b.
maÅ‚a; najwiÄ™kszÄ… majÄ… grube i ®Ã³wnoziarniste żwiry
piasek
muÅ‚kowaty µ = 0,12piasek drobnoziarnisty µ = 0,17piasek
Å›rednioziarnisty µ =0,19piasek gruboziarnisty µ = 0,22żwir µ =
0,26rumosz skalny µ = 0,26skaÅ‚y masywne skrasowiaÅ‚e lub
szczelinowate µ = 0,01- wyznaczanie współczynnika
odsączalności:- wzory empiryczne na podstawie wyników analiz
granulometrycznych, bo odsÄ…czalność zależy od uziarnieniaµ = f (d10
/ pirwiastekU2) gdzie: U2 = d60/d5gdy 0,04 < d10 / pierwiastekU2
< 0,35 to µ = 0,027 + 0,342 N0,174 gdzie: N= d10 /
pierwiastekU2
µ =
0,117 7pierwiastek 7stk
k
[m/dobe]- badanie metodą Kinga zw. wysokich kolumn, do luźnych skał
klastycznych; stosuje siÄ™ szklane, metalowe lub plastykowe cylindry wys.
60-100cm i śr. 10-12cmcylindry napełnia się skałą, którą zagęszcza
się przez lekkie ubijanieod dołu doprowadza się wodę, która wypiera
powietrze i napełnia porypo całkowity nasyceniu mierzymy wodę
ściekającą grawitacyjnie i obliczamy odsączalność według pierwszego
wzoru- metoda odwirowania - dla skał zwięzłych, polega nie na
grawitacyjnym ściekaniu, a skała jest umieszczona w wirówce; i obliczamy
według pierwszego wzoru- metoda Clarka - oparta na próbnym
pompowaniu wody z otworu wiertniczego w warstwie wodonośnej, w czasie
pompowania powstaje lej depresyjny, który jest objętością skały
opróżnionej z wody wolnej, wadą jest to, że dopływają wody z poza
lejaµ = Vp / VR gdzie: Vp - obj. wody wypompowanej w czasie
tworzenia siÄ™ depresji VR - obj. leja depresyjnego
porowatość efektywna- wiąże się z
odsączalnością i jest to ta część objętości porów, przez którą odbywa
się ruch wody wolnej- współczynnik porowatości efektywnej - stosunek
obj. porów czynnej w czasie przepływu wody do objętości skałyne = Ve / V- porowatość efektywna niekiedy
utożsamiana jest z odsączalnością, różnica polega na tym, że w czasie
przepływu woda wypełnia pory całkowicie, a w czsie odsączalności tylko
na początku, bo potem odsączona- porowatość zależy też od spadku
hydraulicznegone = (k J)/ W gdzie: k - współczynnik filtracji w
m/sJ - spadek hydraulicznyW - rzeczywista prędkość ruchu wody w
m/s- rodzaje porowatości efekt.:- p. e. dynamiczna przy max.
spadkach hydraulicznych- p. e. dynamiczna przy naturalnych
spadkach- p. e. odciekowa = odsączalność- polowa metoda
wyznaczania porowatości efekt. opracowana przez Płotnikowa:konieczne
dwa otwory badawcze usytuowane w kierunku przepływu wody (jeden
piezometr, drugi do pompowania), zaczynamy pompować wodę a do piezometru
wprowadzamy znacznik i mierzymy czas kiedy pojawi siÄ™ on w otworze
pompowanym (rys. 57 i 58, książka s.95-96)
ne= [Q t] / [pi (x2 - r2) m] gdzie: Q - wydatek w
czsie pompowania w m3/st - czas od momentu wprowadzenia wskaźnika do
pojawienia się jego w otworze badawczym w sx - odległość między
otworami w mr - promień otwory pompowanego w mm - miąższość
warstwy wodonośnejdla wód o zwierciadle swobodnym wzór ma taką
postać:
ne= [Q t] / [pi (h+hx) (x2 - r2)] gdzie: h -
wys. zwierciadła wody ponad warstwą nieprzepuszczalną w czasie
pompowania w m w otworze pompowanymhx - jak wyżej, ale w
piezometrze
-
metoda labolatoryjna opracowana przez Kleczkowskiego i Mularza; polega
na wysuszeniu próbki skał w temp 105-110oC, a następnie nasyceniu jej
naftą, próbka nasycona jest ważona kolejno w nafcie i w powietrzu i
wylicza siÄ™ ze wzoru
ne =
[(mp - ms) / (mp - mn)] 100% gdzie: mp - masa próbki nasyconej w
powietrzumn - masa próbki nasyconej w nafciems - masa próbki
suchej
zbiorowiska wód podziemnych- są to wody wolne
znajdujące się w strefie saturacji w utworze skalnym- skały
wodonośne i warstwy wodonośne- warstwa wodonośna ograniczona jest od
spodu stropem warstwy nieprzepuszczalnej, która uniemożliwia wsiąkanie w
dół - jest to podstawa warstwy wodonośnej; górną granicą może być
zwierciadło wody lub spąg wyżej leżącej warstwy nieprzepuszczalnej-
odległość między tymi granicami to miąższość warstwy wodonośnej-
wody podziemne mogą mieć charakter rzek podziemnych w utworach
skrasowiałych