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

Породи	Пористість, %
мінімальна	максимальна
Граніти і гнейси	0,02	0,60
Мармури	0,20	0,40
Глинисті сланці	0,50	7,5
Кременисті сланці	0,85	0,90
Вапняки	0,50	13,50
Доломіти	1,05	22,0
Туф вапняковий	20,2	32,2
Пісковики	3,5	28,5
Піски	35,0	42,0
Глини	25,0	55,0
Леси	40,0	55,0

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.