تخلخل در علوم زمین و سازه

تخلخل در علوم زمین و سازه:
تخلخل مفهومی است که در زمین شناسی، هیدروژئولوژی، علوم خاک و سازه مورد استفاده قرار می گیرد. برای نشان دادن این مفهوم می توان از علائم ϕ یا n استفاده کرد.

تخلخل نسبت فضای تو خالی به حجم کلی در یک محیط متخلخل (سنگ یا رسوب) را توصیف می کند:

VV: حجم فضای توخالی (حاوی سیال)؛ VT: حجم کل ماده (جمع فضای جامد و توخالی)

تخلخل نسبتی بین 0 تا 1 است که محدوده آن معمولاً از مقادیر کمتر از 0.01 برای گرانیت تا بیشتر از 0.5 برای پوده و رس تغییر می کند. در برخی از مواقع این نسبت با درصد نیز بیان می شود.

بررسی میزان تخلخل سنگ یا لایه رسوبی، اهمیت بالایی در ارزیابی قابلیت ذخیره سازی آب یا هیدروکربن دارد. تخلخل یک سنگ رسوبی، تابع پیچیده ای از عوامل متعددی نظیر عمق، جنس سیالات محبوس، جنس رسوبات ته نشین شده و غیره است.

«آتی» (Athy) در سال 1930 یکی از معادلات پرکاربرد برای تعیین رابطه بین تخلخل و عمق را به صورت زیر ارائه کرد:

ϕ0: تخلخل سطحی؛ k: ضریب تراکم بر حسب معکوس متر (m-1)؛ z: عمق بر حسب متر (m)

یکی دیگر از روش ها محاسبه میزان تخلخل، استفاده از چگالی حجمی، چگالی اشباع سیال و چگالی ذره است:

ρbulk: چگالی حجمی؛ ρfluid: چگالی اشباع سیال؛ ρparticle: چگالی ذره

در صورتی که فضای خالی با هوا پر شده باشد، از رابطه زیر برای تعیین تخلخل استفاده خواهد شد:

چگالی نرمال ذره به طور تقریبی 2.65 گرم بر سانتی متر مکعب (g/cm3) در نظر گرفته می شود. اگرچه با ارزیابی لیتولوژی ذرات می توان تخمین بهتری از این چگالی را به دست آورد.

رابطه بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی:
معمولاً رابطه بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی به صورت متناسب در نظر گرفته می شود. دو سفره آب زیرزمینی مشابه متشکل از ماسه سنگ را در نظر بگیرید.

سفره ای با تخلخل بیشتر معمولاً دارای هدایت هیدرولیکی بیشتر (فضای بازتر برای جریان سیال) است. با این وجود، در رابطه بین این دو پارامتر پیچیدگی های زیادی وجود دارد که در ادامه به معرفی آن ها می پردازیم:

• تناسب بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی به صورت شهودی و غیر مستقیم است.
• تناسب مشخصی بین شعاع دهانه حفره ها و هدایت هیدرولیکی وجود دارد.
• شعاع دهانه حفره ها و حجم حفره ها با هم متناسب هستند.
• در صورت وجود تناسب بین شعاع دهانه حفره ها و تخلخل، تخلخل و هدایت هیدرولیکی نیز متناسب خواهند بود.
• با کاهش اندازه ذرات یا دانه بندی، تناسب بین شعاع دهانه حفره ها و تخلخل به تدریج از بین می رود. بنابراین در این شرایط، تناسب بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی نیز از بین خواهد رفت.

برای درک بهتر پیچیدگی های موجود در رابطه بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی، خاک رس را در نظر بگیرید. خاک رس در حالت عادی دارای هدایت هیدرولیکی بسیار کمی است.

این مسئله به شعاع کوچک دهانه حفره ها در این نوع خاک مربوط می شود. در طرف مقابل، خاک رس به دلیل ساختار ذاتی کانی های رسی، تخلخل زیادی دارد. بنابراین می تواند حجم زیادی از آب را درون خود ذخیره کند.

با این وجود، هدایت هیدرولیکی پایین مانع از خروج سریع آب خواهد شد. این مثال، رابطه معکوس بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی در خاک رس را نمایش می دهد.

رابطه بین تخلخل و دانه بندی:
مواد دارای دانه بندی خوب (ذراتی با اندازه تقریباً یکسان) نسبت به مواد مشابه با دانه بندی ضعیف، تخلخل بیشتری دارند.

ذرات کوچک در مواد دارای دانه بندی ضعیف، فضای بین ذرات بزرگ تر را پر می کنند. در تصویر زیر، نحوه پر شدن فضای حفره های درون یک آبرفت توسط ذرات ریز نمایش داده شده است. این مسئله باعث کاهش شدید تخلخل و هدایت هیدرولیکی می شود.

تخلخل سنگ:
سنگ های محصورشده ای مانند ماسه سنگ، شیل، گرانیت یا سنگ آهک در مقایسه با رسوبات آبرفتی، به طور بالقوه دارای تخلخل دوگانه پیچیده تری هستند. این نوع تخلخل را می توان به دو گروه تخلخل متصل یا غیر متصل تقسیم بندی کرد.

تخلخل متصل از طریق حجم گاز یا مایع درون سنگ به سادگی قابل اندازه گیری است؛ در صورتی که هیچ راهی برای دسترسی سیالات به حفره های غیر متصل وجود ندارد.

تخلخل، نسبت حجم حفره ها به حجم کلی سنگ است. این نسبت توسط عواملی نظیر نوع سنگ، توزیع حفره ها، سیمانی شدن (مواد پرکننده)، دیاژِنِز و میزان تراکم کنترل می شود. تخلخل به اندازه ذرات سنگ وابسته نیست؛ چراکه حجم بین فضای ذرات تنها به نحوه کنار هم قرار گرفتن آن ها بستگی دارد.

تخلخل سنگ ها معمولاً با افزایش سن و عمق کاهش می یابد. به عنوان مثال، ماسه سنگ های دوره ترشیاری نسبت به ماسه سنگ های دوره کامبرین متخلخل تر هستند؛ البته در برخی از مواقع به دلیل وضعیت عمق و تاریخچه حرارتی، موارد مستثنا نیز وجود دارند.

تخلخل خاک:
میزان تخلخل در خاک های سطحی معمولاً با افزایش اندازه ذرات کاهش می یابد. دلیل این امر، تشکیل توده خاک هنگام اعمال فرآیندهای بیولوژیکی بر روی خاک های سطحی دانه ریز است. در طی فرآیند تشکیل توده خاک، چسبندگی بین ذرات و مقاومت در برابر تراکم بیشتر می شود.

چگالی حجمی خاک شنی معمولاً بین مقادیر 1.5 تا 1.7 گرم بر سانتی متر مکعب (g/cm3) است. میزان تخلخل برای این شرایط بین 0.43 تا 0.36 برآورد می شود. چگالی حجمی خاک رس نیز معمولاً بین 1.1 تا 1.3 گرم بر سانتی متر مکعب و تخلخل آن بین 0.51 تا 0.58 گرم بر سانتی متر مکعب قرار دارد.

این مقادیر غیر منطقی به نظر می رسند؛ چراکه خاک رس به عنوان یک خاک سنگین (اشاره به تخلخل پایین تر) شناخته می شود.

ظاهراً، عبارت سنگین در اینجا به تأثیر گرانشی آب محتوا و نیروی مورد نیاز بیشتر برای شخم زدن خاک رس مرطوب نسبت به شن مرطوب اشاره می کند.

تخلخل خاک های زیرسطحی به دلیل تراکم ناشی از جاذبه، پایین تر از تخلخل خاک های سطحی است.

برای سنگ ریزه های دانه بندی نشده در اعماق پایین تر از نواحی «بیوتروبیک» (Bioturbation)، تخلخل 0.20 عادی محسوب می شود. برای مواد ریزتری که در معرض تأثیر مراحل تشکیل خاک قرار دارند، مقدار تخلخل از تقریب 0.20 به دست می آید.

تخلخل خاک موضوع پیچیده ای است. مدل های مرسوم، تخلخل را به صورت یک مفهوم پیوسته در نظر می گیرند. این مسئله باعث نادیده گرفتن ویژگی های غیر عادی و به دست آوردن نتایج تقریبی می شود.

به علاوه، مدل سازی تأثیر عوامل محیطی مؤثر بر هندسه حفره ها در این رویکرد امکان پذیر نیست. مدل های پیچیده زیادی از قبیل «فراکتال» (Fractal)، «تئوری حباب» (Bubble Theory)، «تئوری ترک خوردگی» (Cracking Theory)، «آرایش کروی» (Packed Sphere) و مدل های متعدد دیگری برای تخلخل خاک ها معرفی شده اند.