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岩石的观察与描述及实例 岩浆岩的观察和描述 对各类岩浆岩的观察和描述,要从以下方面入手: l.颜色 岩浆岩的颜色大致可分为浅色、中色和暗色几种。观察时,应分出原生色(即新鲜面的颜色) 及次生色(即经过次生变化后风化面的颜色)。原生色可反映岩石的成分及形成环境,次生色可反映岩石的经历过程。 深成岩的颜色深浅,是暗色矿物含量和浅色矿物含量比率的反映。辉长岩、撖榄岩为深色; 闪长岩为中色;花岗岩、霞石正长岩为浅色。 浅成岩的颜色深浅,多受矿物拉度大小。结晶程度的影响,如微晶和隐晶质岩石比相同成分 的深成岩颜色深。 喷出岩的颜色深浅,则受到岩石成分、次生变化、结晶程度等方面的影响。此外,还受到强 烈氧化燃烧作用的影响。通常玄武岩类多呈黑、黑绿色、蚀变后呈中绿~浅绿色;安山岩类呈深灰、暗紫~紫红色;流纹岩类呈浅灰~粉红色。 描述岩石颜色时,应分出新鲜面(原生色),风化面(次生色),分别加以描述。 2.结构 显晶质岩石,其主要造岩矿物粒度大致相等时,应写出粒度与习惯用结构名称。如中粒辉长 结构、粗粒花岗结构、中粒二长结构、粗粒半自形结构等; 隐晶质至玻璃质岩石,应写明隐晶质结构或半晶质结构,或玻璃质结构。 具隐晶质至玻璃质的岩石,以及其它显微结构的岩石,只有在岩石薄片鉴定的情沉下,才能 定出其具体结构。 3.构造 最常见的岩浆岩构造的种类不多,只须准确描述即可。侵入岩多具块状、斑杂状、条带状构 造;喷出岩则多具气孔、杏仁、流纹构造等。 4.矿物成分 对矿物成分的观察和描述应包括以下内容:矿物名称、物性特点、粒度大小、百分含量等。 对显晶质等粒结构的岩石,应描述主要矿物、次要矿物、副矿物、次生矿物。描述时应按含 量多的先描述,含量少的后描述,即“先多后少”的顺序。 对矿物特征的描述应包括以下几方面:颜色、形态及鉴定特征(包括可反映岩石的结构、构 造等特征)、粒度、目估百分含量等。 岩石具斑状或似斑状结构时,应首先指明斑晶矿物在整个岩石中的目估百分含量,然后以斑 晶矿物含量“先多后少”的顺序描述其特征。接着描述基质中矿物的特征,如矿物粒度呈细粒时, 其描述顺序与要求同前述。当基质粒度小于细粒时,只要求指明主、次要矿物.不要求作详细描述。 玢岩和斑岩的区别:由基性斜长石和暗色矿物作斑晶的岩石称为:××玢岩;以钾长石和石 英作斑晶的岩石称为:××斑岩。 1、灰白色厚层细粒石英岩: 风化面灰色,新鲜面灰白色,细粒粒状变晶结构,块状构造,厚层状构造。主要矿物成份:石英,无色透明,他形粒状,粒度<1mm,含量95%左右;长石、绢云母约占5%。 2、灰褐色含绢云石英岩: 风化面灰色,新鲜面灰褐色,细粒粒状变晶结构,块状构造。主要矿物成份:石英,无色透明,他形粒状,粒度<1mm,含量80%左右;绢云母,鳞片状,片径0.5mm左右,含量15%左右;长石矿物约占5%。 3、灰色薄层绢云石英片岩: 风化面灰黑色,新鲜面灰色,细粒鳞片粒状变晶结构,片状构造。主要矿物成份由石英、绢云母、长石等组成。石英,他形粒状,粒径<1mm,含量50%左右;绢云母,鳞片状,片径0.5mm左右,含量35%左右;长石,粒状,粒径1mm左右,含量<10%;绿泥石、黑云母等矿物约占5%。 4、灰绿色绢云绿泥石英片岩: 风化面灰黑色,新鲜面灰绿色,细粒鳞片粒状变晶结构,片状构造。主要矿物成份由石英、绢云母、绿泥石、长石等组成。石英,他形粒状,粒径<1mm,含量45%左右;绿泥石,细小鳞片状,片径0.5mm左右,含量25%左右;绢云母,鳞片状,片径0.5mm左右,含量20%左右;长石,粒状,粒径1mm左右,含量<10%。 5、灰白色薄层二云石英片岩: 风化面灰黑色,新鲜面灰白色,细粒鳞片粒状变晶结构,片状构造。主要矿物成份由石英、白云母、黑云母、长石等组成。石英,他形粒状,粒径<1mm,含量45%左右;白云母,片状,片径0.5mm左右,含量25%左右;黑云母,片状,片径0.5mm左右,含量20%左右;长石,粒状,粒径1mm左右,含量<10%。 6、灰色十字石二云石英片岩: 风化面灰黑色,新鲜面灰白色,细粒鳞片粒状变晶结构,片状构造。主要矿物成份由石英、白云母、黑云母、长石等组成。石英,他形粒状,粒径<1mm,含量45%左右;白云母,片状,片径<1mm,含量25%左右;黑云母,片状,片径<1mm,含量20%左右;长石,粒状,粒径1mm左右,含量5%左右。见有特征矿物十字石,多呈半自形短柱状,大小不等,多在5mm左右,含量约5%。 7、褐灰色白云母石英片岩: 风化面灰黑色,新鲜面褐灰色,细粒鳞片粒状变晶结构,片状构造。主要矿物成份由石英、白云母、长石等组成。石英,他形粒状,粒径<1mm,含量50%左右;白云母,片状,片径<1mm,含量35
水文与水资源工程专业 勘查技术与工程专业 (水文地质与环境地质方向)
吉林大学环境与资源学院 2006 年 2 月
0.3 地下水动力学的研究内容
Dupuit 假设及 Dupuit 公式。 (3)1901 年,P. Forchheimer 等研究了更复杂的渗流问题,从而奠定了地下水稳定理论 的基础。 (4)1906 年,提出了 Thiem 公式。 (5)1928 年,O.E. Meinzer ()注意到地下水运动的不稳定性和承压含水层 的贮水性质。 以上为稳定流发展情况,时至今日,稳定流理论仍然有广泛的应用。 Boulton,1972 年 S.P. Neuman 研究了潜水含水层中水井的非 稳定流理论。 0.4.3 实验-电网络模拟技术阶段() 年,研究了大范围含水层系统的电网络模拟技术,电模拟技术到 20 世纪 80 年代在我国还被较广泛应用。 0.4.4 计算机数值模拟技术阶段(1965~今) 1965
目前,可视化、仿真性、虚拟技术正被开发利用。
0.5 今后应重点突破的新课题
(8)随机理论在水流和溶质运移研究中的应用; (9)在含多组分溶质的水流中 Darcy 定律的表达形式。 百多年来,解地下水运动问题的解析法有了很大发展。目前,解析法主要有分离变量法、 积分变换法(Laplace 变换、HankeI 变换、Fourier 变换)、保角映射法、速端曲线法、Green 函 数法和其它方法(如镜象法、Boltzmann 变换等)。数值法也发展了多种方法。
0.6 地下水动力学的应用
(3)水工建筑:解决库周、坝(堤)基及坝(堤)体的渗漏量、回水浸没范围等,为正 确选择坝址、坝体结构提供依据。 (4)农业工程:农田灌溉中确定灌排沟渠的合理间距、排灌水量、时间及地下水动态预 报。 (5)环境地质:水质污染及净化趋势的预报、地面沉降、岩溶塌陷、边坡稳定、海水入 侵、地下水储能(贮能)以及人工补给。
1.1.2 渗透与渗流 1.1.2.1 渗透 渗透 (Seepage) 是地下水在岩石空隙或多孔介质中的运动, 这种运动是在弯曲的通道中, 运动轨迹在各点处不等。为了研究地下水的整体运动特征,引入渗流的概念。 1.1.2.2 渗流 渗流(seepage flow) :具有实际水流的运动特点(流量、水头、压力、渗透阻力) ,并连 续充满整个含水层空间的一种虚拟水流;是用以代替真实地下水流的一种假想水流。其特点 是: (1)假想水流的性质与真实地下水流相同; (2)充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间; (3)运动时所受的阻力与实际水流所受阻力相等; (4)通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与实际水流相同。 渗流场(flow domain) :假想水流所占据的空间区域,包括空隙和岩石颗粒所占的全部空 间。 1.1.2.3 典型单元体 典型单元体(REV,Representative Elementary Volume)又称代表性单元体,是渗流场中 其物理量的平均值能够近似代替整个渗流场的特征值的代表性单元体积。 REV 具备两个性质: (1) 其体积和面积, 大于个别空隙而小于渗流场, 其中的渗流可以从一点连续运动到另一 点; (2) 通过单元体的运动要素(流量 Q、水头 h、压力 p、实际水头受到的阻力 R)与真实 水流相等,运动要素是连续变化的。 REV 的作用: (1) 把物理性质看作是坐标的函数,孔隙度 n、导水系数 T、给水度?和渗透系数均连续。 (2) 渗流的要素可以微分、积分,可以用微分方程来描述渗流要素。 1.1.2.4 渗流速度 (1)过水断面(Cross-sectional area)是渗流场中垂直于渗流方向的任意一个岩石截面, 包括空隙面积(Av)和固体颗粒所占据的面积(As),A= Av + As。渗流平行流动时为平面,弯 曲流动时为曲面。 (2)渗流量(Seepage discharge)是单位时间内通过过水断面的水体积,用 Q 表示,单 位 m3/d。 (3)渗流速度(Specific discharge/seepage velocity)又称渗透速度、比流量,是渗流在 过水断面上的平均流速。它不代表任何真实水流的速度,只是一种假想速度。它描述的是渗
流具有的平均速度,是渗流场空间坐标的连续函数,是一个虚拟的矢量。单位 m/d,表示为
(4)实际平均流速(Mean actual velocity)是多孔介质中地下水通过空隙面积的平均速 度;地下水流通过含水层过水断面的平均流速,其值等于流量除以过水断面上的空隙面积, 量纲为 L/T。记为 u 。它描述地下水锋面在单位时间内运移的距离,是渗流场空间坐标的离散 函数。表示为:
若确定渗流场中任一点的渗流速度,可以按以下方法进行讨论: 设以 P 点为中心的 REV 的平均渗流速度矢量为 v,令 REV 的体积为?V0,其中空隙体积 为 n?V0,在空隙中的不同地点,流速 u 不同,将 u 在全部空隙体积 n?V0 中求积分,再除以 REV 体积?V0,即为渗流速度,表示为
通常称为渗流水头。 在水力学中定义总水头(total head):
压力水头(pressure head) :含水层中某点的压力水头(h)指以水柱高度表示的该点水的 压强,量纲为 L,即:h =P/ γ,式中 P 为该点水的压强;γ为水的容重, γ = ρg 。
速度水头(velocity head) :在含水层中的某点水所具有的动能转变为势能时所达到的高 度,量纲为 L,即 hv =
u2 ,式中 u 为地下水在该点流动的速度;g 为重力加速度。 2g
由于在地下水中水流的运动速度很小,故速头
u2 可以忽略,所以 h 近似等于 H,即 2g
意义:渗流场中任意一点的水头实际上反映该点单位质量液体具有的总机械能,地下水 在运动过程中不断克服阻力,消耗总机械能,因此沿地下水流程,水头线是一条降落曲线。 (2) 水力坡度[水力梯度](hydraulic gradient) :在渗流场中大小等于梯度值,方向沿等 水头面的法线并指向水头下降方向的矢量,用 J 表示。
等水头面:渗流场中水头值相同的各点相互连接所形成的一个面。可以是平面也可为曲 面。 等水头线(groundwater contour) :等水头面与某一平面的交线。 等水头面上任意一条线上的水头都相等。等水头面(线)在渗流场中是连续的,不同大 小的等水头面(线)不能相交。 1.1.4 地下水运动特征分类 (1)渗流运动要素(Seepage elements)是表征渗流运动特征的物理量,主要有渗流量 Q、 渗流速度 V、压强 P、水头 H 等。 地下水运动方向(Groundwater flow direction)为渗透流速矢量的方向。 (2)层流与紊流 层流(laminar flow) :水流流束彼此不相混杂、运动迹线呈近似平行的流动。 紊流(turbulent flow) :水流流束相互混杂、运动迹线呈不规则的流动。 根据
; 式中: υ ―地下水的渗流速度(cm/s) d―含水层颗粒的平均粒径(cm); d0―含水层颗粒的有效粒径 (cm);
ν ―地下水的运动粘度(粘滞系数)(cm2/s);
若 Re<Re 临界,则地下水处于层流状态,此时液体质点互不混杂,呈有秩序地层状运动; 若 Re>Re 临界,则地下水处于紊流状态,此时液体质点无秩序地相互混杂地流动。 Re 临界≈ 150~300。天然地下水多处于层流状态。 (2)稳定流与非稳定流 根据渗流运动要素是否与时间有关而进行的划分。 稳定流(steady flow) :渗流运动要素不随时间变化;在一定的观测时间内水头、渗流速 度等渗透要素不随时间变化的地下水运动。 非稳定流(unsteady flow) :渗流运动要素随时间变化;水头、渗透速度等任一渗透要素 随时间变化的地下水运动。 (3)一、二、三维流 根据渗流方向与所选坐标轴方向之间的关系来划分。 一维流运动:当地下水沿一个方向运动,将该方向取为坐标轴,此时地下水的渗透速度 只有沿该坐标轴的方向有分速度,其余坐标轴方向的分速度为 0。 一维流(one-dimensional flow) ,也称单向运动,指渗流场中水头、流速等渗流要素仅随 一个坐标变化的水流,其速度向量仅有一个分量、流线呈平行的水流。 二维流运动:若地下水的渗透速度沿两个坐标轴方向都有分速度,仅一个坐标轴方向的 分速度为 0。 二维流(two-dimensional flow) ,也称平面运动,地下水的渗透流速沿空间二个坐标轴 方向都有分速度、仅仅一个坐标轴方向的分速度为零的渗流;水头、流速等渗流要素随两个 坐标变化的水流,其速度向量可分为两个分量,流线与某一固定平面呈平行的水流。 平面二维流(Two-dimensional flow in plane) ,由两个水平速度分量所组成的二维流。 剖面二维流(two-dimensional flow in section) ,由一个垂直速度分量和一个水平速度分量 组成的二维流。 单宽流量(Discharge per unit width) :渗流场中过水断面单位宽度的渗流量,等于总流量 Q 与宽度 B 之比。即 q=Q/B。 总渗流量 Q 为单宽流量 q 与宽度 B 的乘积,Q=qB。 三维流运动:地下水的渗透流速沿空间三个坐标轴的分量均不为 0。 三维流(three-dimensional flow) ,也称空间运动,地下水的渗透流速沿空间三个坐标轴 的分量均不等于零的渗流;水头、流速等渗流要素随空间三个坐标而变化的水流。 (1-11)
§1.2 渗流基本定律
其中 Q――渗透流量(出口处流量) ,亦即通过过水断面(砂 柱各断面)A 的流量(m3/d);volumetric flow rate.
K――多孔介质的渗透系数(m/d); 2 A――过水断面面积(m ) ;cross-sectional area of flow. H1、H2――上、下游过水断面的水头(m); L――渗透途径 (m); J――水力梯度(J = (H1-H2)/L) ,等于两个计算断面之间的水头差除以渗透途径,亦即渗
V 与 I 的一次方成正比;当 K 一定时,当 V 增大时,水头差增大,表明单位渗透途径上 被转化成热能的机械能损失越多,即 V 与机械能的损失成正比关系;当 V 一定时,K 越小, 水头差越大,即 K 与机械能的损失成反比关系。 (3) 达西公式适用范围 Re<1-10,层流,适用,地下水低速运动,粘滞力占优势;
Re>10-100,层流,不适用,地下水流速增大,为过渡带,由粘滞力占优势的层流转变为 以惯性力占优势的层流运动; Re>100,紊流,不适用。 达西定律的下限:地下水在粘性土中运动时存在一个起始水力坡度 J0。当时及水力坡度 J< J0 时,几乎不发生运动。 1.2.2 渗透系数、渗透率与导水系数 (1)渗透系数(K)(hydraulic conductivity)
V=KI ,当 I=1 时,V=K,即 K 在数值上等于渗流速度,具有速度的单位,它又可以称
K 的影响因素: ① 岩石的性质:粒度、成分、颗粒排列、充填状况、裂隙性质及其发育程度等,空隙大 小起主导作用; ② 流体的物理性质:容重、粘滞性等。 (2)渗透率(intrinsic permeability) 达西定律可表示为:
k ――描述多孔介质本身的渗透性能的常数,表示介质能使流体通过其本身的性能,它
达西(D)的定义:当液体的动力粘滞度为 0.001Pa?s,压强差为 101325Pa 的情况下,通 过面积为 1cm2、长度为 1cm 岩样的流量为 1cm3/s 时岩样的渗透率,记为 D。 尺度效应是指渗透系数与试验范围有关,随着试验范围的增大而增大的现象,K=K(x)。 亦即抽水时间 t 长、降深 s 大的群孔抽水试验所得 K 较抽水时间 t 短、降深 s 小的抽水试验所 得 K 大。
1.2.4 变水头试验 当土样的透水性较差时,由于流量太小,加上水的蒸发,使量测非常困难,此时宜采用 变水头试验测定 k 值。
变水头渗透试验过程演示
变水头试验的过程可参见其动画演示。试验时试样(截面面积为 A)置于圆筒内,圆筒 上端与一根细玻璃量管连接,量管的过水断面积为 A
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