5.2 岩石中赋存的水分
5.2.1 岩石中的空隙
空隙是指岩石中没有被固体颗粒占据的空间。岩石中的空隙是地下水储存和运移的先决条件，空隙的多少、大小、形状、联通状况和分布规律，决定着地下水的埋藏、分布和运动。将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类，即松散岩石中的孔隙、坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。
5.2.2 岩石中水的存在形式
岩石中存在着各种形式的水。存在于岩石空隙中的有结合水、重力水及毛细水，另外还有气态水和固态水。组成岩石的矿物中则有矿物结晶水。
5.2.2.1 结合水
松散岩类的颗粒表面及坚硬岩石的裂隙壁面均带有电荷，水分子受静电作用在固体表面受到强大的吸力，排列较紧密，随着距离增大，吸力逐渐减弱，水分子排列渐为稀疏。受到固体表面的吸力大于其自身重力的那部分水便是结合水。结合水被束缚在固体表面，不能在重力作用下自由运动。
结合水也叫吸附水，通过结合水可以形成矿物颗粒之间的黏结力、内聚力，颗粒越小这种作用越大。砂土颗粒比较大，黏聚力很小；黏土颗粒很小，黏结力就比较突出。黏结力大小与岩体矿物成分和含水量关系密切，含水量越少，黏结力越大；含水量越大水分子吸引作用愈弱，黏聚力也就变小了。由于水分子愈靠近颗粒表面受到的分子吸引力愈大，所以当岩土湿度较低时，周围有水分子存在时，通过分子吸引力很快将水分子吸附到颗粒周围，形成结合水使颗粒周围水膜增厚这就是结合水运动的基本规律。由于这种原因黏性土往往容易引起收缩和膨胀。
结合水又可划分为吸着水（强结合水）和薄膜水（弱结合水）两种类型。
吸附在矿物颗粒周围形成极薄的水膜叫吸着水，其吸附力高达1万个大气压。也称强结合水。该水的密度比普通水大一倍左右，可以抵抗剪切，但不传递静水压力，在-78℃的低温下也不结冰。在外界压力作用下吸着水不能移动，但在105℃下保持恒温可将吸着水从矿物颗粒周围排除。黏土质仅含吸着水时呈固体状态。砂土有少量吸着水。
受分子吸引力作用，包围在吸着水周围的一层薄膜叫薄膜水，也称弱结合水。它的运动属于分子引力作用，不受重力作用影响，薄膜水在外界作用下可以变形，可以从水薄膜厚处向水薄膜薄处移动，但不能在重力作用下自由移动，其抗剪强度很小，在蒸发作用下薄膜水可由颗粒周围挥发掉，也可以被植物吸收。
5.2.2.2 重力水
距离固体表面更远的那部分水分子，重力影响大于固相表面的吸引力，因而能在自身重力作用下自由运动，这部分水就是重力水（图5.1）。就是通常所说的地下水。它不受水分子吸引力影响，能传递静水压力，不抗剪。地下水的静水压力遵循巴斯加原理，即地下水一定位置深度h处的静水压力p：
γw为水的密度，通常取1，说明岩土体中的地下水具有浮力作用。这个浮力也就是孔隙水压力。在它的作用下，土体内的颗粒之间接触面压力减少，土体颗粒间的实际接触压力Cc
式中 γh——土的自重压力；
γwh——地下水浮力或孔隙水压力，实际接触压力也称为有效压力，这个概念在土力学应用十分广泛。
图5.1 结合水与重力水
5.2.2.3 毛细水
松散岩类中细小孔隙通道可构成毛细管。在毛细力的作用下，地下水沿着细小孔隙上升到一定高度，这种既受重力又受毛细力作用的水，称为毛细水。毛细水广泛存在于地下水面以上的包气带中。当毛细管力大于重力时，毛细管水就上升，因此地下水面以上普遍存在一层毛细管水带，毛细管水能够垂直上下移动，能传递静水压力，为便于浸没调查工程地质分析，将常见土的毛细管上升高度水列于表5.1。
表5.1 常见土的毛细管水上升高度
5.2.2.4 气态水、固态水和液态水
气态水在地球外围的大气层中，充满了大量的水汽，它们以云或雾的形式，飘浮在空中，这就是气态水。气态水的数量微乎其微，仅占地球总水量的十万分之一。
固态水：包括冰川和永久冻土两种存在形式。
液态水：分为海洋水和陆地水两大类，其中陆地水又分为河流水、湖泊水、沼泽水、土壤水、地下水。在地球表面水的各种存在形式中，液态水所占比重最大。
地球上的水，以气态、固态、液态3种形式存在于大气层、海洋、河流、湖泊、沼泽、土壤、冰川、永久冻土、地壳深处以及动植物体内。它们相互转化，共同组成一个包围地球的水圈，总水量有14亿km3。
岩石空隙中的这部分水含量很少。其中气态水存在于包气带中，可以随空气流动，即使空气不流动它也会从水汽压力大的地方向水汽压力小的地方移动。气态水在一定温度、压力下可与液态水相互转化，两两之间保持动态平衡。
岩石的温度低于0℃时，空隙中的液态水转为固态。我国北方冬季常形成冻土。青藏高原冻土地区，有部分岩石中赋存的地下水多年保持固态。
5.2.2.5 矿物中的水
在很多矿物中，水是很重要的化学组成之一，并且它对矿物的许多性质有很重要的影响。但是，水在矿物中的存在形式并不相同。按水在矿物中的存在形式和它在晶体结构中作用，可将水分为吸附水、结晶水、结构水三种基本类型。
5.2.2.6 岩石的水理性质
1.容水性
容水性：岩石的孔隙具有容纳地下水的性质。
容水度：岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积之比。Sc=Vw/V。一般说来，容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。
2.含水性
含水量：表征某一时刻岩石孔隙中的实际水量多少的指标。该指标说明松散岩石实际保留水分的状况。分重量含水量及体积含水量。
重量含水量（wg）：岩石孔隙中所含的水重量（Gw）与干燥岩土重量（Gs）的比值，即wg=Gw/Gs。
体积含水量（wv）：岩土含水的体积（Vw）与包括空隙在内的岩土体积（V）的比值，即wv=Vv/V。
当水的密度为1g/cm3，岩石的干容重（单位体积干土的重量）为γd时，重量含水量与体积含水量的关系为：wv=wg×γd。
3.给水性
含水岩石在重力作用下能释放出水的性质。一般用给水度衡量。
给水度：在重力作用下岩石所能释放出水体积与岩石总体积的比值。μ=Vw/V。
野外识别：地下水水位下降一个单位深度，从地下水水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出水的体积，称为给水度。
注意：野外地层的给水度为一变值，室内试验中给水度为定值。
给水度的影响因素：①岩性：主要是孔隙的大小与多少；②初始地下水埋藏深度；③地下水下降速率；④地下水下降幅度。给水度在理想数值上等于容水度减去持水度。
4.持水性
饱水岩石在重力作用下失水，依赖静电引力和毛细力依然能保持水的性质。
持水度：地下水水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称作持水度（Sr）。
给水度、持水度与孔隙度的关系：μ+Sr=n。
5.透水性
透水性是指岩石允许水透过的能力叫做透水性。定量指标：渗透系数。