水文地質(zhì)基礎(chǔ)(第十章)

1、第十章 巖溶水,第十章 巖溶水 內(nèi)容提要與學(xué)習(xí)目的 本章主要介紹巖溶發(fā)育的條件和影響因素，巖溶水各方面的特征，巖溶水的富集規(guī)律。通過本章教學(xué)，使學(xué)生在充分理解巖溶發(fā)育的基本條件與影響因素的基礎(chǔ)上，掌握巖溶發(fā)育的基本特征和基本規(guī)律；巖溶水埋藏、分布和富集規(guī)律、動(dòng)態(tài)特征；了解不同氣候條件下巖溶發(fā)育及巖溶水的差異。 儲(chǔ)存和運(yùn)移于可溶巖層空隙（溶穴）中的地下水稱為巖溶水。巖溶水的分布較之孔隙水和裂隙水有更大的不均勻性。,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,第一節(jié) 巖溶空隙的形成和發(fā)育特征 巖溶空隙也稱溶穴。溶穴就是由巖溶作用形成的各種空隙，包括溶洞、溶蝕裂隙和溶孔等。它們發(fā)育在石灰?guī)r、白云

2、巖、大理巖等可溶性巖石中。 一、巖溶空隙的類型與特征 巖溶空隙按其大小和形態(tài)分為溶洞、溶蝕裂隙和溶孔三種。其中以溶洞的導(dǎo)水能力最強(qiáng)，溶蝕裂隙次之，溶孔較弱。 1.溶洞 溶洞是地下水沿著可溶性巖石的各種不連續(xù)面（斷層、節(jié)理、層面裂隙等），特別是它們的交叉處，進(jìn)行化學(xué)溶蝕與機(jī)械侵蝕作用而形成的地下大空洞。,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,位于地下水面以下的溶洞，被地下水完全充滿，地下水在其中的運(yùn)動(dòng)屬于管道流性質(zhì)；位于地下水位變動(dòng)帶的溶洞，地下水一般只占據(jù)溶洞的下半部，地下水在其中的運(yùn)動(dòng)屬于明渠流性質(zhì)。隨著地下水位的降低，上部的一些溶洞完全暴露在地下水位以上，就成為無水的干洞。 2.

3、溶蝕裂隙 溶蝕裂隙是被地下水溶蝕擴(kuò)大了的巖石裂隙。它在某種程度上仍然保持著巖石的裂隙形態(tài)，但縫隙已被溶蝕擴(kuò)大，相互間的連通性大大加強(qiáng)。溶蝕裂隙進(jìn)一步發(fā)展，則成為溶洞。溶蝕裂隙的形成以化學(xué)溶蝕作用為主，溶蝕裂隙的規(guī)模比溶洞小。但它的連通性仍然很好，導(dǎo)水能力一般比構(gòu)造裂隙大得多，所以它的含水性也常常是很好的。,2020年10月2日10時(shí)2分,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,3.溶孔 溶孔是指可溶性巖石中微小的溶蝕孔隙或孔穴。溶孔主要是由地下水的溶蝕作用形成的。溶孔的導(dǎo)水能力比溶洞小得多，也比溶蝕裂隙小。溶孔有針孔狀、蜂窩狀、網(wǎng)格狀等各種形態(tài)。 二、巖溶發(fā)育的基本條件 巖溶又稱“喀斯

4、特”，它是具有溶解能力的水在不斷交替運(yùn)動(dòng)中對(duì)透水的可溶性巖石進(jìn)行以溶蝕作用為主，并伴有侵蝕、沖蝕作用的地質(zhì)現(xiàn)象。 可溶巖的存在是巖溶發(fā)育的先決條件，巖溶發(fā)育必須具備四個(gè)基本條件。,第十章 巖溶水,1.巖石的可溶性。即巖石必須是可溶的，因?yàn)閹r石可溶才可能被溶蝕而發(fā)育巖溶。 巖石的可溶性主要取決于巖石的成分、巖石結(jié)構(gòu)、可溶巖層與非可溶巖層的組合關(guān)系、可溶巖分布范圍大小、產(chǎn)狀等。 2.巖石的透水性。即巖石必須是透水的，因?yàn)閹r溶的形成以化學(xué)溶蝕作用為主，巖石透水才可能給地下水及滲水提供賦存和運(yùn)動(dòng)的空間與可溶巖廣泛接觸，進(jìn)行溶蝕作用形成巖溶。 巖石的透水性主要取決于裂隙的發(fā)育程度。在各種裂隙中，構(gòu)造裂隙

5、對(duì)巖溶發(fā)育具有控制作用。構(gòu)造裂隙的方向和密度，控制巖溶發(fā)育的方向和程度。,2020年10月2日10時(shí)2分,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,3.水的溶蝕性。即水必須是具有侵蝕性的。因?yàn)镃aCO3+ CO2 +H2OCa2+2HCO3-，正說明侵蝕CO2 的存在并參與巖溶發(fā)育的溶蝕過程，如果CO2達(dá)到平衡狀態(tài),則巖溶不再繼續(xù)發(fā)育。這是巖溶發(fā)育程度的一個(gè)重要條件。此外，水中H+、SO42-的 大量存在，使PH值降低，則更促使溶蝕速度加快。 水對(duì)碳酸鹽類的溶蝕能力，主要取決于水中侵蝕性CO2 、H+、SO42-的含量。一般它們的含量愈高，水對(duì)可溶巖的溶蝕能力愈強(qiáng)，巖溶愈發(fā)育。 4.水的

6、流動(dòng)性。即水必須是流動(dòng)的。因?yàn)樗髟娇?水交替條件越好,不但起到稀釋水中的Ca2+、HCO3-濃度的作用,而且不斷補(bǔ)充CO2,使巖溶繼續(xù)發(fā)育。 水的流動(dòng)起到稀釋水溶液及不斷補(bǔ)充CO2的作用，使巖溶繼續(xù)發(fā)育。水的流動(dòng)是加強(qiáng)巖溶不斷發(fā)育的必要條件。只有水,第十章 巖溶水,流動(dòng)的比較迅速，才能使含有侵蝕性CO2的水，源源不斷地替換原來的水流，使水對(duì)可溶巖的侵蝕作用得以持續(xù)的進(jìn)行，巖溶就能更發(fā)育。 三、巖溶發(fā)育規(guī)律 地下巖溶的發(fā)育主要受巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文與氣候等因素的控制。因此，巖溶分布具有以下幾個(gè)特征。 1.巖溶多沿厚層純灰?guī)r地層分布 可溶性巖石是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。巖石的可溶性越強(qiáng)，就越有利

7、于巖溶發(fā)育。在各種碳酸鹽類巖石分布地區(qū)，巖溶主要沿著厚層純灰?guī)r發(fā)育。 質(zhì)純、厚層、分布面積廣的可溶巖，巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)。,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,在碳酸鹽類巖石中，不溶于酸的物質(zhì)（粘土、二氧化硅、瀝青等）含量越多，巖石的可溶性就越低，巖溶就不易發(fā)育。 此外，當(dāng)存在有非可溶性巖石夾層時(shí)，對(duì)巖溶發(fā)育也不利。 2.巖溶多沿著構(gòu)造破碎帶分布 構(gòu)造裂隙的延伸方向常?？刂浦叵聨r溶的發(fā)展方向。 （1）巖溶沿?cái)鄬悠扑閹Оl(fā)育 可溶巖層的斷層破碎帶，特別是張性斷層破碎帶，地下巖溶特別發(fā)育，常發(fā)育有地下河或強(qiáng)巖溶帶，在斷層交叉的部位形成大型溶洞、地下河天窗及地下湖池等。 （2）巖溶沿著褶

8、曲軸部發(fā)育 可溶巖層褶曲構(gòu)造的軸部，因?yàn)榭v張裂隙較多，有利于地下水活動(dòng)，巖溶發(fā)育。地下水易沿著張裂隙溶蝕擴(kuò)展，形成溶蝕裂隙和溶洞，發(fā)展成為強(qiáng)巖溶帶或地下河。,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,（3）巖溶沿著層面構(gòu)造裂隙發(fā)育 可溶巖層的層面裂隙也為巖溶發(fā)育提供了條件，這些層面構(gòu)造裂隙是地下水活動(dòng)的通道，巖溶很容易沿著它們發(fā)育起來。在包氣帶中，由地面下滲的水，順著層面傾斜方向運(yùn)移，促使巖溶沿著層面傾斜方向發(fā)育。在飽水帶中，地下水多沿層面裂隙順著巖層走向運(yùn)移，所以溶洞和溶蝕裂隙也順巖層走向發(fā)育。 巖溶沿?cái)鄬悠扑閹АⅠ耷S部、層面構(gòu)造裂隙發(fā)育巖溶，富集巖溶水。,2020年10月2日10時(shí)

9、2分,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,3.巖溶多沿著可溶巖層與非可溶層接觸帶分布 碳酸鹽類巖石與非可溶性巖層或巖體的接觸帶，由于地下水流常在這里集中并沿著接觸帶流動(dòng)，所以巖溶常沿著可溶巖層與非可溶巖層的接觸帶發(fā)育。在可溶巖與非可溶巖、強(qiáng)可溶巖與弱可溶巖接觸部位富集巖溶水。 4.巖溶多沿地下水強(qiáng)烈交替帶分布 水的溶蝕能力是巖溶發(fā)育不可缺少的條件。它的大小主要取決于水中侵蝕性CO2的含量及水交替的程度。近地表處水中CO2較多，水的溶蝕能力較強(qiáng)。地下水只有在不斷交替更新的條件下，才能始終保持其較大的溶蝕能力。所以水交替積極的地方，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈；水交替遲緩的地方，巖溶發(fā)育弱；水停滯的地

10、方，巖溶不發(fā)育。,第十章 巖溶水,5.硫化礦體氧化帶附近巖溶發(fā)育 硫化礦體易于氧化。硫化礦物氧化后產(chǎn)生大量硫酸根離子，使地下水呈酸性反應(yīng)，對(duì)碳酸鹽類巖石有很大的侵蝕性，導(dǎo)致巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。 酸性水不僅使碳酸鹽類巖石裂隙迅速溶蝕擴(kuò)大，而且也使巖石內(nèi)部產(chǎn)生大量微孔隙，也給巖溶進(jìn)一步發(fā)育創(chuàng)造了有利的條件。然而，由于硫化礦體氧化帶的分布并不普遍，所以它對(duì)碳酸鹽類巖層的巖溶發(fā)育影響也是局部的。 四、巖溶發(fā)育的成層性 地殼升降活動(dòng)對(duì)巖溶發(fā)育有很大的影響。地殼間歇性升降運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，便在大厚度碳酸鹽類巖分布區(qū)形成多層巖溶帶。這就是巖溶分布的成層性征。,2020年10月2日10時(shí)2分,2020年10月2日10時(shí)2

11、分,第十章 巖溶水,五、巖溶發(fā)育的地帶性 巖溶發(fā)育特征受自然地理?xiàng)l件，特別是氣候條件的影響很大，同時(shí)也與區(qū)域的地質(zhì)條件有關(guān)。隨著這些條件的不同，巖溶發(fā)育表現(xiàn)出明顯的地帶性特征。我國南、北方巖溶也具有不同的特點(diǎn)和發(fā)育程度。 我國南方的碳酸鹽類巖層分布區(qū)，地表和地下巖溶均很發(fā)育。地表上的巖溶洼地、落水洞、巖溶漏斗、峰林、天生橋、干谷等巖溶現(xiàn)象普遍分布。地下巖溶以溶洞、地下河、地下湖為主，溶洞多而大，常形成地下河系。 我國北方巖溶化程度比南方低，地表巖溶不發(fā)育，漏斗、溶井、落水洞、溶蝕洼地等現(xiàn)象都很罕見，而以巖溶泉、干谷為主。地下巖溶則以互相連通的溶蝕裂隙為主，發(fā)育深度較大。溶洞少而小，常形成巖溶徑

12、流帶，地下河比較少見。,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,第二節(jié) 巖溶水的特征 一、巖溶水分布的不均一性 巖溶水的不均一性是指巖溶含水系統(tǒng)中不同塊段富水的差異性和水力聯(lián)系的各向異性。 1.巖溶水富水性在水平和垂直方向變化大。 巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的塊段，其滲透性變化大；而在巖溶不發(fā)育地段其滲透性變化不大。導(dǎo)致相距很近的鉆孔或泉水其水質(zhì)、水量有很大的差異。 2.巖溶含水層中不同地段，地下水之間水力聯(lián)系有明顯的各向異性。 沿著大的溶蝕裂隙及管道的延伸方向水力聯(lián)系密切，而在其他方向上則聯(lián)系微弱。,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,二、巖溶水的徑流特征 巖溶含水系統(tǒng)中多重含水介質(zhì)并

13、存，導(dǎo)致巖溶水的運(yùn)動(dòng)異常復(fù)雜多變。 1.層流和紊流并存 在溶孔、溶蝕裂隙中，地下水緩慢地滲流，水流屬于層流狀態(tài)；而在溶洞、暗河等巖溶管道中，地下水流速大，常處于紊流狀態(tài)；在介于兩者之間的大溶蝕裂隙中則多顯示過渡的混合流狀態(tài)。 2.有壓流和無壓流并存 巖溶水的運(yùn)動(dòng)往往在有些地段為無壓流（有天窗與地表相通，或地下大洞廳沒被地下水完全充滿時(shí)），而在別一些地段又受到孤立管道的束縛，為有壓流。,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,3.統(tǒng)一水流與孤立水流并存 由于巖溶發(fā)育的不均一性，含水介質(zhì)之間水力聯(lián)系程度變化較大，在許多情況下地下水流線互相穿過而沒有混合，造成水力聯(lián)系密切的具有統(tǒng)一水位面的水

14、流與個(gè)別封閉孤立管道水流并存的現(xiàn)象。 4.明流與伏流并存 在強(qiáng)烈?guī)r溶化地區(qū)，地表河流常常被地下暗河所襲奪而潛入地下；當(dāng)它在下流動(dòng)一段距離后，受通道發(fā)育條件的限制又流至地表并繼續(xù)以河流形式流動(dòng)。在地表的河段為明流，潛入地下流動(dòng)的地段被稱為伏流。這種明流與伏流交替出現(xiàn)的現(xiàn)象許多巖溶區(qū)都是十分常見的。,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,三、巖溶水的補(bǔ)給、排泄、動(dòng)態(tài)特征 1.巖溶水的補(bǔ)給 （1）巖溶水的補(bǔ)給來源：主要有大氣降水和地表水的補(bǔ)給，其次是其它含水層中地下水的補(bǔ)給及人工補(bǔ)給。 （2）巖溶水的補(bǔ)給方式：一種是沿可溶巖的細(xì)小溶蝕裂隙滲入地下；另一種是沿溶井、落水洞等寬大的溶隙直接流入

15、或灌入地下。 2.巖溶水的排泄 （1）巖溶水排泄的最大特點(diǎn)：以集中大流量的形式排泄（集中地通過一個(gè)大泉或大的泉群及地下河出口進(jìn)行排泄。） (2)巖溶水的排泄方式：以泉或泉群形式排泄、向河流排泄、向其它含水層排泄、人工排泄。,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,3.巖溶水的動(dòng)態(tài)特征 對(duì)降水的反映敏感性強(qiáng)，水位、流量變化幅度大，但在不同地區(qū)，動(dòng)態(tài)變化不同。 （1）在裸露型或淺覆蓋型潛水區(qū)： 潛水動(dòng)態(tài)對(duì)降水反映迅速，水位、流量變化幅度大，動(dòng)態(tài)曲線呈劍峰狀。 （2）在埋藏型巖溶承壓區(qū)： 巖溶承壓水的動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)曲線一般呈圓滑狀，水位、流量曲線的峰谷較降水曲線對(duì)應(yīng)的峰谷遲后一段時(shí)間。 四

16、、巖溶水的化學(xué)特征 巖溶水的化學(xué)特征與水的補(bǔ)給交替強(qiáng)度密切相關(guān)。在補(bǔ)給區(qū)受降雨稀釋作用，一般礦化度較小；隨著向深部或排泄區(qū)運(yùn)動(dòng)，礦化度不斷增大，水化學(xué)類型也可能轉(zhuǎn)變?yōu)镾O4-HCO3-Ca型水。,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,五、巖溶水的埋藏條件分類 根據(jù)巖溶水的出露和埋藏條件不同，巖溶水可以被劃分為下列三種類型： 1.裸露型巖溶水 巖溶化地層廣泛出露于地表，其特點(diǎn)是以潛水為主。巖溶水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，地下水循環(huán)交替快，常以泉和地下河形式排泄。動(dòng)態(tài)變化大，化學(xué)成分簡單，礦化度低。 2. 覆蓋型巖溶水 巖溶含水層之上有松散巖層覆蓋，根據(jù)覆蓋層厚度不同，可分為兩個(gè)亞型。,2020年10月2日10時(shí)2分,第十章 巖溶水,（1）淺覆蓋亞型：上覆第四紀(jì)系松散沉積物，厚度一般不超過30m。其特點(diǎn)是：賦存潛水，但有承壓現(xiàn)象。埋藏受基巖面形態(tài)及地貌控制。接受降水、地表水及淺部地下水補(bǔ)給。有類似裸露型巖溶水的徑流、排泄及動(dòng)態(tài)特征，但變化幅度較小。 （2）深覆蓋亞型：上覆第四紀(jì)系松散沉積物的厚度大于30m。其特點(diǎn)是：分布范圍較大，賦存承壓水或部分自流水。補(bǔ)給來源較廣泛，徑流條件復(fù)雜，天然排泄點(diǎn)