Гідрогеологічні властивості гірських порід

Здатність гірських порід поглинати й утримувати воду має назву вологоємності, яка визначається об’ємом порожнин у породі або її пористістю. Пористість визначають у процентах за формулою

n= Vn/V 100%, (4.1)

де n – процент пористості;

Vn – об’єм пор у зразку, що досліджується;

V – об’єм зразка.

Пористість гірських порід коливається у широких межах (табл. 4.1).

Таблиця 4.1 – Пористість деяких гірських порід

Водопроникність гірських порід – їх здатність пропускати крізь себе воду. Вода в породах може переміщатися під впливом сили тяжіння (гравітаційний рух), зовнішнього тиску, капілярних сил (капілярний рух), адсорбційних сил, капілярно-осмотичних сил за наявності різниці концентрацій розчинених у воді речовин у різних ділянках породи (осмотичний рух), електричного струму за різниці потенціалів (електроосмос), температурного градієнта (конвекція, термоосмос), випарення, замерзання, тиску флюїдів (газів, пари, рідини) тощо.

Водопроникні породи, які здатні акумулювати і під дією природних перепадів тисків фільтрувати воду чи інші флюїди (нафту, газ) через наявні порожнини (пори), перешаровуються з породами, пори яких представлені, головним чином, субкапілярними каналами діаметром менше ніж 2 мкн і за природних перепадів тиску є практично непроникними для флюїдів. Такі породи називаються водотривкими (водотривами, флюїдотривами). Вони переважно складаються глинами, аргілітами, щільними карбонатними й силікатними породами та солями.

Рух підземних вод у літосфері може бути турбулентним або ламінарним. Турбулентний рух притаманний водам карстових чи відкритих макротріщинних систем. Основним видом руху вільних підземних вод є ламінарна фільтрація. З огляду на велику внутрішню поверхню пор, їхні невеликі поперечні перетини і неоднорідність, при фільтрації виникають великі опори рухові води, чим пояснюється невелика їх швидкість та підпорядкованість закону Дарсі.

Рідина, що фільтрується, утворює фільтраційний потік – умовний потік рідини через пористе або пористо-тріщинне середовище (водоносний пласт). При цьому умовно вважається, що фільтрація охоплює всю товщу породи, хоча насправді потік реалізується тільки через пори і тріщини, що з’єднані між собою.

До елементів фільтраційного потоку належать: п’єзометричний напір, напірний градієнт, гідроізоп’єзи (умовні лінії рівних напорів), умовні лінії фільтрації, швидкість фільтрації, витрати потоку.

Лінійний потік фільтрації (закон Дарсі) можна записати у вигляді

Q= , (4.2)

де Q – витрати потоку;

k_ф – коефіцієнт фільтрації, величина якого залежить від властивостей фільтраційного середовища і рідини, що фільтрується;

F – площа поперечного перетину фільтраційного середовища;

_∆Н – градієнт напору на шляху напору фільтраційного потоку _∆l.

У гідрогеології дуже важливим є питання про нижню межу коректності застосування закону Дарсі для опису руху підземних вод, тобто про мінімальні проникності середовища, мінімальні гідравлічні градієнти й швидкості фільтрації та максимальні величини в’язкості рідини, що фільтрується (як води, так і розсолу), при яких їхній рух підпорядковується закону Дарсі у його «класичному» вигляді.

Коефіцієнт фільтрації – величина, що характеризує ступінь водопроникності гірських порід, значення якого дорівнює швидкості ламінарного руху через породи за умов, що п’єзометричний ухил дорівнює одиниці. Його розмірність – см/с, м/доб. та ін. У порід з високою проникністю (галечник, гравій, грубозернистий пісок) коефіцієнт фільтрації перевищує 10 м/доб, у слабководопроникних порід (супіски, суглинки) – 0,01 – 0,001 м/доб.

Породи з низьким коефіцієнтом фільтрації (нижче ніж 0,001 м/доб.) уважаються водонепроникними, або водотривкими.

Водопроникні породи характеризуються здатністю віддавати воду – водовіддачею. Водовіддача визначається коефіцієнтом, який вираховується як співвідношення об’єму води, що бере участь у процесах фільтрації, до об’єму водоносної породи. Чим більшими є розміри каналів фільтрації (пор, тріщин), тим вищим є коефіцієнт водовіддачі.

Гідрогеологічні властивості гірських порід мають суттєвий вплив на формування підземних вод, їх динаміку, режим та експлуатаційні властивості.