III POGLAVLJE FIZIČKA I HIDROGEOLOŠKA SVOJSTVA STENA

Transcript

1 Osnovi hidrogeologije III POGLAVLJE FIZIČKA I HIDROGEOLOŠKA SVOJSTVA STENA

2 POJAM I VIDOVI STENA Stena predstavlja sistem koji se sastoji od: čvrstih mineralnih čestica koje izgrađuju skelet stene, međuprostora između čestica skeleta različitih itih veličina ina i geneze (pore, prsline, pukotine, kaverne), vodenog rastvora u međuprostorima između čvrstih čestica koji su u različitim itim agregatnim stanjima (tečnom, čvrstom, fizički vezanom), u uzajamnom dejstvu sa česticama skeleta i vodene pare i gasova u međuprostorima koji nisu zauzeti vodom (slika III-1). Po svojim mehaničkim svojstvima sve stene se mogu podeliti na tri grupe: čvrsto vezane, slabo vezane i nevezane (rastresite). Slika III-1. Šema rasporeda vode i vazduha u porama krupnozrne stene 1 - vodeni rastvor; 2 - vodena para i gasovi; 3 - čvrste mineralne čestice Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

3 FIZIČKA SVOJSTVA STENSKIH MASA Osnovna hidrogeološka svojstva stena (vlažnost, kapilarnost, vodopropusnost i izdašnost nost) zavise od mnogih faktora,, pre svega od fizičkih svojstava stena kao što su: granulometrijski sastav, gustina čvrstih čestica, gustina stena i poroznost stenskih masa. GRANULOMETRIJSKI SASTAV Za određivanje granulometrijskog sastava,, u zavisnosti od vrste stena, koriste se sledeće metode: metoda prosejavanja, metoda sedimentacije (metoda hidrometrisanja, metoda centrifuge, metoda pipete) ) i kombinovana metoda. Metoda prosejavanja. Primenjuje se za određivanje granulometrijskog sastava rastresitih zrnastih stena, tj. stena većih od 0.06 mm. Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

4 Postupak hidrometrisanja zasniva se na određivanju brzine padanja čestica raznih veličina ina kroz mirnu vodu. Rezultati granulometrijskih analiza mogu se izraziti tabelarno, težinskim ili procentualnim sadržajem ajem odgovarajućih frakcija (tabela III-1), i grafički - u vidu histograma (slika III-2), integralnim krivama granulometrijskog sastava, odnosno granulometrijskim krivama u običnoj noj,, a najčešće u semilogaritamskoj podeli (slika III-3) i trokomponentnog (trouglog) dijagrama (slika III-4). Slika III-2. Histogram granulometrijskog sastava (Castany, 1967) d (mm) - prečnik zrna; q (%) - procenat učešća frakcije Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

5 Tabela III-1. Proračun frakcija na osnovu prosejavanja preko USA sita (Stojadinović, 1984) Broj USA stand. sita Otvor okca Ukupna masa Zadržano na situ Ukupno zadržano Ukupno prošlo mm m s = 2 kg kg % kg % kg % m s m si - m si - m s -m si % dno Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

6 Slika III-3. Integralna kriva granulometrijskog sastava u semi-logaritamskoj podeli (Filipović, 1980) Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

7 Slika III-4. Trokomponentni dijagram granulometrijskog sastava Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

8 Za ocenu raspodele čestica u steni koriste se karakteristični prečnici zrna na krivoj granulometrijskog sastava (d 10 i d 60 ). Na osnovu njih može se odrediti koeficijent jednorodnosti ili uniformnosti,, a služe i za određivanje koeficijenta filtracije. Podela rastresitih sedimenata na osnovu franulometrijskog sastava: a) Stene krupnozrnog sastava, Blokovi Drobina Šljunkovi krupan srednji sitan 2000 mm 200mm 60 mm 20 mm 6-2 mm b) Stene sitnozrnog sastava, Osnovi hidrogeologije (Prof. Dr Veselin Dragišić)

9 GUSTINA ČVRSTIH ČESTICA Gustina čvrstih čestica stene (ρ s ) predstavlja masu čvrstih čestica u jedinici njihove zapremine bez pora. Gustina čvrstih čestica stena direktno zavisi od gustine pojedinih minerala koji izgrađuju stenu. Ona se izražava ava sledećim odnosom: gde su: m s V s ρ s = m V s s (g/cm - masa čvrstih čestica (g) i - zapremina stene bez pora (cm 3 ). 3 )

10 GUSTINA STENA Gustina stene (ρ) predstavlja odnos mase stene u jedinici zapremine stene, pri čemu su pore u steni ispunjene vodom i vazduhom: ρ = m V (g / cm 3 ) gde su: m - masa stene u prirodnom stanju (g) i V - zapremina stene zajedno s porama u prirodnom stanju (cm 3 ). Osnovi hidrogeologije Prof. Dr Veselin Dragišić))

11 Ako je stena u suvom stanju, gustina stene (ρ d ) predstavlja odnos mase uzorka suve stene i njene zapremine, pri čemu su pore u steni ispunjene samo vazduhom. s 3 ρ d = m (g / cm ) V gde su: m s V - masa stene u suvom stanju (g) i - zapremina stene zajedno sa porama (cm 3 ). Gustina stene u zasićenom stanju (ρ z ) predstavlja odnos mase vlažne stene u jedinici zapremine stene, pri čemu su pore u steni ispunjene vodom: z 3 ρ z = m (g / cm ) V gde su: m z V - masa vlažne stene (g) i - zapremina stene s porama ispunjenim vodom (cm 3 ).

12 POROZNOST STENA Pojam i vidovi poroznosti Stena, po svom nastanku i naknadnom dejstvu sekundarnih procesa (fizičko ko- hemijsko raspadanje, tektonski pokreti i dr), obično ne predstavlja monolit, već u sebi sadrži i određene međuprostore (pore, pukotine ili šupljine), različitog itog oblika i veličine. ine. Svi međuprostori u steni koji nisu zauzeti čvrstom mineralnom materijom, bez obzira na način postanka, oblik, veličinu inu i međusobnu povezanost,, predstavljaju ukupnu poroznost. Treba napomenuti da pod pojmom poroznosti velik broj autora podrazumeva pore, tj. prostore prostore između zrna kod rastresitih sedimentnih stena (porna poroznost), a ostale vidove imenuje kao ispucalost i karstifikovanost.

13 Pasivne pore su međusobno razdvojene u steni i nemaju uticaja na akumuliranje e i kretanje podzemnih voda. Aktivne pore obuhvataju sve međuprostore u steni koji su povezani i sa atmosferom i koji omogućavaju kretanje i akumuliranje podzemnih voda. Od pojma ukupne poroznosti treba razlikovati pojam efektivne poroznosti,, koja k obuhvata one međuprostore u steni ispunjene samo slobodnom (gravitacionom) vodom, zanemarujući i međuprostore zauzete fizički vezanim i kapilarnim vodama. Oblik i veličina ina poroznosti Po svom obliku, međuprostori u steni mogu biti različitog itog, najčešće nepravilnog, oblika, tako da im je teško dati odgovarajući naziv. Najčešće se u stenskim masama sreću okruglaste, cevaste, crevaste, elipsoidne, izdužene ene, različito ito izdvojene i potpuno nepravilne pore.

14 Slika III.5. Tipovi poroznosti po Meinzeru (Milojević, 1967) A - dobro sortiran aluvijalni materijal; B - loše sortiran aluvijalni materijal, mala poroznost; C - dobro sortiran materijal od poroznih valutaka, vrlo velika poroznost; D - dobro sortiran materijal, ali je poroznost smanjena usled cementacije; E - stene sa kavernoznom poroznošću; F - stene sa pukotinskom poroznošću; A, B, C, D - primarna poroznost; E, F - sekundarna poroznost

15 Sve pore se mogu razvrstati prema veličini ini na makropore, koje se vide golim okom,, i mikropore, koje se vide uvećane pod lupom ili mikroskopom. Osim ove, izvršena je podela prema prečniku pora i širini pukotina, na subkapilarne, kapilarne i superkapilarne pore i pukotine, odnosno na nekapilarnu (kaverne, pukotine, izuzetno krupnozrne rastresite stene i subkapilarnu i kapilarnu poroznost (kapilari i subkapilari) ) (tabela( III-4). Tabela III-4. Podela pora u odnosu na veličinu Vid poroznosti Nekapilarna Kapilarna Vrsta pora Razmera pora Prečnik okruglastih pora (mm) Širina pukotina (mm) Kaverne, pukotine, izuzetno krupnozrne rastresite stene >2.0 >2.0 Superkapilari Kapilari Subkapilari <0.002 <0.0001

16 Koeficijent poroznosti Koeficijent poroznosti stena (e) predstavlja odnos zapremine pora prema zapremini čvrste faze, odnosno čvrstih čestica. Koeficijent poroznosti pokazuje gustinu stene, odnosno tla. Ukoliko je koeficijent e veći, utoliko je gustina stena manja a samim tim veća poroznost i obrnuto. Tipovi poroznosti Prema poreklu pora, poroznost može biti: primarna i sekundarna. Za mnoge stene karakteristično je prisustvo i primarne i sekundarne poroznosti (složeni tip poroznosti). Primarna poroznost Sekundarna poroznost.

17 Struktura poroznosti stenskih masa je kompleksna prostorna osobina njihove poroznosti. Nju ujedno čine preovlađujući oblik pora u njenoj stenskoj masi, njihov raspored i način njihove spojenosti u porne agregate (Stepanović,, 1962). Glavni, odnosno najrasprostranjeniji, tipovi poroznosti su: međuzrnska, pukotinska i kavernozna. Osim ovih, javljaju se i neki ređe zastupljeni tipovi poroznosti kao što su: sunđerasta i crevasta.

18 Međuzrnska poroznost Međuzrnski tip poroznosti najčešće je karakterističan an za klastične sedimente: šljunkove, peskove, gline, drobine i sl. Javlja se, ali ređe,, i kod drugih stenskih masa (magmatskih, metamorfnih i sedimentnih), i to u zoni raspadanja u površinskom i pripovršinskom inskom delu rasprostranjenja. Foto III-1. Međuzrnska poroznost

19 Poroznost stena sastavljenih od zrna istog prečnika (jednorodne) stene zavisi od međusobnog položaja tih zrna. Raspored zrna istog prečnika može biti takav da postiže maksimalnu poroznost n max. = 47, 64 % (kubni( kubni), odnosno minimalna n min. = % (tetraedarski( tetraedarski). Slika III-6. Kubni (a) i tetraedarski (b) raspored zrna u poroznoj sredini

20 Pukotinska poroznost Karakteristična je za magmatske, metamorfne i čvrste sedimentne stene. Ovu poroznost čine pukotine različitih itih dimenzija koje presecaju stenu na najrazličitije itije načine ine.. U ogromnom broju slučajeva pukotine su neravnomerno raspoređene u stenskoj masi.. One su češće i šire bliže površini ini,, a s povećanjem dubine ređe i uže. Pukotine u steni su uslov za kretanje podzemnih voda. Pukotinska poroznost u stenskim masivima stvara se usled dejstva tektonskih napona, skupljanja mineralne supstance zbog hlađenja magme (kontrakcija), usled gubljenja vode (dehidratacija), fizičkog i hemijskog raspadanja, dejstva mraza, gravitacije, miniranja i drugog. Pukotine i ostali diskontinuiteti u stenskim masama obično se ne javljaju usamljeno.. One većinom čineine skupine koje nazivamo: familije i sistemi pukotina.

21 Familiju pukotina čini grupa pukotina istih osnovnih karaktersitika, koje su nastale tokom istog genetskog procesa. Pukotine iste familije su međusobno paralelne, tj. imaju iste ili skoro iste elemente pružanja i pada. Sistem pukotina je veća skupina diskontinuiteta koja obuhvata odgovarajućem području stenske mase. Njega čine dve ili više međusobno mrežasto ukrštaju taju. sve pukotine familija, koje u se Klasifikacija pukotina. Pukotine su prisutne u svim čvrstim stenama koje izgrađuju zemljinu koru: magmatskim, metamorfnim i sedimentnim. Postoji više klasifikacija pukotina koje su vršene za različite ite potrebe u domenu geoloških nauka. Genetska klasifikacija. U genetskom pogledu, sve pukotine u stenskim masama mogu se podeliti na: tektonske, petrogene, pukotine fizičkog i hemijskog raspadanja, gravitacione i tehnogene.

22 Foto III-2. Pukotinska poroznost u granitskim stenama

23 Foto III-3. Primer pukotinske poroznosti u serpentinitima klisure Ibra (Ušće)

24 Foto III-4 i 5. Tehnogene pukotine (pukotine miniranja)

25 Kavernozna poroznost Kavernozna ili disoluciona poroznost predstavlja sekundarni tip poroznosti, koji se javlja u stenama rastvorljivim u vodi (krečnjaci, dolomiti, mermeri, haloidi,, gips, anhidrit i sl). Kavernoznoj poroznosti prethodi pukotinska poroznost. Pukotine i prsline u stenama rastorljivim u vodi bivaju proširene fizičko ko-hemijskim dejstvom vode na stenu, pri čemu nastaju vrlo velike šupljine, kanali i kaverne u kojima se skuplja i kreće voda. Stene sa kavernoznim tipom poroznosti predstavljaju značajne ajne rezervoare podzemnih voda. Ovaj tip poroznosti dobio je ime po latinskoj reči caverna, što znači šupljina, odnosno pećina ina.

26 Karst je sveukupnost geoloških procesa i njima stvorenih pojava u zemljinoj kori i na njenoj površini ini, izazvanih hemijskim raspadanjem stena, izraženih u obrazovanju raznovrsnih šupljina u zemljinoj kori, te obrazovanju posebnih uslova cirkulacije i režima podzemnih voda, karakterističnog reljefa terena i hidrografske mreže. e. Zavisno od vrste stena rastvorljivih u vodi, razlikujemo karbonatni, gipsni i soni karst. Pored pomenutih tipova karsta,, na površini zemlje zastupljen je i termokarst. Karstifikacija nastaje kao posledica prodora voda u vodopropusne i rastvorljive stene duž sistema pukotina, odnosno duž tektonskih i drugih diskontinuiteta.

27 Foto III-6 i 7. Karstifikacija u krečnjacima

28 Foto III.8. Ulaz u pećinu

29 Foto III.9. Podzemnii oblici karsta (pećina sa nakitom)

30 Foto III.10. Podzemnii oblici u karstu

31 Foto III.11. Podzemnii oblici karsta Foto III.12. Podzemni morfološki oblici u karstu

32 Sunđerasta poroznost Sunđerasta poroznost, koja se često naziva i šupljikava, karakteristična je za bigar, neke krečnjake i lave. Crevasta poroznost Ova poroznost je karakteristična uglavnom za neke glinovito-peskovite stenske mase,, u kojima je nastala bušačkim dejstvom raznih životinjskih i biljnih organizama (na primer u lesu, glinama, laporima). Javlja se i u bigru, gde nastaje hemijskom sedimentacijom.

33 Određivanje veličine ine poroznosti i koeficijenta poroznosti Iz definicije pojma poroznosti: zapremina svih pora u jedinici zapremine stene, može se odrediti poroznost (slika III. II.7): n Vp = = V Vp V + V 100% p s gde su: N - poroznost stena, V p - zapremina svih pora, V s - zapremina čvrstih čestica stene i V - ukupna zapremina stene. Slika III.7. Šematski prikaz zapremine pora u jedinici zapremine stene

34 Određivanje poroznosti vrši se i u laboratoriji na osnovu ispitivanja gustine čvrstih čestica i gustine stena na sledeći način in: n ρ ρ s d = n = d 1 100% ρ s ρs ρ gde su: n - poroznost stene ρ s - gustina čvrstih čestica ρ d - gustina stene u suvom stanju Poroznost glinovitih stena najčešće se određuje po sledećoj formuli: n = 1 ρ s ρ ( W) 100% gde su: ρ - gustina stene u prirodnom stanju W - vlažnost stene u prirodnom stanju ρ s - gustina čvrstih čestica

35 Iz definicije: odnos zapremine pora prema zapremini čvrste faze, odnosno čvrstih čestica, može se odrediti koeficijent poroznosti (e): e = V V p s n = V V p = V p V p + V s e = n 1 n Određivanje koeficijenta poroznosti (e) vrši se u laboratoriji na osnovu određivanja vrednosti gustine čvrstih čestica (ρs) i gustine stene u suvom stanju (ρd): e ρ = s 1 ρ d

36 GLAVNA HIDROGEOLOŠKA SVOJSTVA STENA VLAŽNOST STENA Prema mehanizmu apsorbovanja (upijanja)) i zadržavanja avanja vode u stenama, razlikujemo sledeće vidove vlažnosti nosti: higroskopnu vlažnost (Wh), maksimalnu molekularnu vlažnost (Wm, max.), kapilarnu vlažnost (Wk) i potpunu vlažnost (Wz). KAPILARNOST STENA

37 H k = r 2σ ρ g w cosα gde su: H k - visina kapilarnog penjanja, σ - površinski napon na granici tečne i gasovite faze, α - ugao kvašenja enja, R - radijus (poluprečnik) krivine meniska, ρ w - gustina vode i G - ubrzanje zemljine teže. Slika III.8. Šema kapilarnog podizanja Iz date formule sledi da je visina kapilarnog podizanja u kapilarnoj cevi Hk upravo proporcionalna površinskom naponu σ i kosinusu ugla kvašenja, a obrnuto proporcionalna radijusu kapilara r, gustini vode i ubrzanju zemljine teže. Za čistu vodu (bez primesa) u čistoj čaši na t = 20 o C, σ = N/m i ρw = 1 g/cm 3, visina kapilarnog podizanja se može aproksimirati formulom: H = 0.15 k r

38 Visina kapilarnog podizanja zavisi od granulometrijskog sastava stena, odnosno od prečnika kapilara (slika IV-9). Tako je visina kapilarnog podizanja znatno veća u sitnozrnim stenama nego kod krupnozrnih, što je potvrđeno laboratorijskim i terenskim opitima (tabela III-11). Slika III.9. Šema kapilarnog podizanja vode u cevima različitog prečnika

39 VODOPROPUSNOST I PROPUSTNOST Vodopropusnost Vodopropusnost predstavlja svojstvo stena da kroz svoje pore propuštaju slobodnu (gravitacionu) vodu. Vodopropusnost zavisi od veličine ine pora, njihove strukture i povezanosti. Tako, stene koje imaju veoma veliku poroznost mogu biti potpuno nepropusne za vodu, kao na primer gline (tabelatabela III.10). Vodopropusnost stena određuje se koeficijentom vodopropusnosti odnosno koeficijentom filtracije Kf (m/dan, m/s,, cm/s). Veličina ina koeficijenta vodopropusnosti zavisi,, pre svega, od razmere i strukture pora, kao i od fizičko ko-hemijskih svojstava tečnosti nosti.

40 Propusnost stena Propusnost stena. Propusnost stena je njihova sposobnost da propuštaju različite ite vrste fluida ili gasa, pri postojanju gradijenta pritisaka. Izražava ava se brojčano ano, koeficijentom propusnosti: K p = Q μ L F Δp gde su: Kp - koeficijent propusnosti stene (darsi), Q - proticaj tečnosti kroz poprečni presek stene (cm 3 /s), m - dinamički koeficijent viskoznosti (Pa*s), L - dužina puta filtracije (cm), F - površina poprečnog preseka porozne sredine zasićene fluidom (cm 2 ) i Δp - razlika pritisaka (bar).

41 Za merenje propusnosti stena koristi se jedinica darsi. Jedan darsi ravan je proticaju 1 cm 3 tečnosti viskoznosti 1 mpa s, kroz stenu površine 1 cm 2, dužine 1 cm za 1 sekundu, pri pritisku od 1 bara,, a pri kretanju tečnosti laminarnim režimom (slika III-10). Slika III.10. Šematski prikaz jedinice darsi

42 Zavisno od kvantitativnog i kvalitativnog sastava faza fluida (žitka i gasovita), propusnost može biti različitih itih vidova: apsolutna (fizička) efektivna (fazna) relativna Koeficijent filtracije (Kf)) i koeficijent propusnosti (KP) nalaze se u sledećoj zavisnosti: K f = K P ρw g μ gde su: ρ w - gustina vode, g - ubrzanje zemljine teže i m - koeficijent dinamičke viskoznosti.

43 IZDAŠNOST I RETENCIJA STENA Izdašnost Izdašnost stena. Izdašnost stena predstavlja sposobnost stena zasićenih vodom da pri sniženju nivoa vode odaju slobodnu gravitacionu vodu. Karakteriše se koeficijentom gravitacione izdašnosti (μ): μ = V v V gde su: μ - izdašnost stena (delovi jedinice), Vv - zapremina vode koja nakon zasićenja može isteći pod uticajem gravitacije i V - zapremina stene zasićene gravitacionom vodom. Količina ina vode koja se može dobiti iz 1 m 3 stene predstavlja specifičnu izdašnost stene. Izdašnost stena (μ) može se brojno predstaviti i kao razlika potpune (Wz)) i maksimalne molekularne vlažnosti (Wm,max): μ = W z W m,max

44 Kod peskovito-šljunkovitih rastresitih stena izdašnost (μ) može se predstaviti kao razlika između ukupne poroznosti (n) i maksimuma molekularne vlažnosti (Wm,max): μ = n W m,max odnosno, izdašnost je brojčano ravna efektivnoj poroznosti. Osim toga, izdašnost nost stena može se odrediti ako su poznate vrednosti koeficijenta vodoprovodnosti stena (T) i koeficijenta nivoprovodnosti (a): μ = T a Krupnozrni peskovi i šljunkovi, tj. krupnozrne rastresite stene, kao i stene sa krupnim pukotinama i kavernama, imaju veliku izdašnost nost. Glinovite stene (gline, treset i sl), imaju izuzetno male vrednosti izdašnosti nosti. Voda iz glinovitih stena može biti odstranjena ili pod presom ili centrifugiranjem. Po mehanizmu odavanja vode,, pored gravitacione, razlikujemo i elastičnu izdašnost stena.

45 Retencija Retencija stena. Retencija predstavlja svojstvo stene da u svojim porama zadržava ava vodu nakon zasićenja enja, protivno sili gravitacije. Količina ina vezane vode u poroznoj sredini, izražena u procentima zapremine stene, označava ava specifičnu retenciju. Ona, pre svega, zavisi od veličine ine i oblika čestica, odnosno tipa poroznosti. Tako se glinovite stene, bogate kapilarnim i subkapilarnim porama, odlikuju znatnom retencijom. Brojčano je jednaka maksimalnoj molekularnoj vlažnosti (Wm, max.). Kao i specifična izdašnost nost,, i specifična retencija se može odrediti na više načina ina: laboratorijskim ispitivanjima na uzorcima stena koja obuhvataju zasićenje i njihovo dreniranje pod uticajem sile gravitacije, proračunima na osnovu granulometrijskih ispitivanja, analizom podataka dobijenih crpenjem vode iz bunara i dr.