地下水的地质作用.ppt

第六章地下水的地质作用,1.地下水的贮存2.地下水运动特点3.地下水的潜蚀作用4.地下水的搬运作用与沉积作用5.地下水的其它地质作用,第一节地下水的贮存,一岩石中的空隙地壳浅部的岩石，不论是松散的沉积物，还是固结的基岩，皆存在着大小不等和形状各异的空隙，不含空隙的岩石自然界是不存在的。正是这些空隙为地下水的贮存提供了必要的空间条件。岩石中的空隙是地下水贮存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。（一）、岩石空隙的类型,1、松散岩石中的孔隙,2、坚硬岩石中的裂隙,3、可溶岩石中的溶穴,1、孔隙在颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。岩石中孔隙体积的多少影响其储容地下水能力大小的重要因素。孔隙体积的多少，可用孔隙度表示，它是指某一体积岩石中孔隙体积所占的比例（用n表示）。nVnV(V表示包括孔隙在内的岩石体积,Vn表示孔隙体积)1、颗粒的分选程度和排列情况孔隙度的大小主要取决于：2、颗粒的形状3、颗粒胶结充填情况分选程度愈差，n愈小；形状愈不规则，棱角愈明显，n愈大；胶结充填程度越差，n越大；,2、裂隙,固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩、和变质岩，主要发育各种应力作用下岩石破裂产生的裂隙。按裂隙成因可分为：成岩裂隙、构造裂隙和分化裂隙。KrVrV(Kr表示裂隙度),3、溶穴,在地下水溶蚀下会产生洞，这种空隙称作溶穴或溶隙。KkVKV(Kk表示岩溶率)溶穴大小十分悬殊。,（二）、岩石的透水性岩石的透水性是指岩石允许水透过的能力。1、孔隙的大小大，则透水性好好坏取决于：2、孔隙度越大，则透水性愈好3、连通情况空隙之间相互连通，透水性愈好岩层按其透水性分为：透水层与不透水层,二、地下水的存在形式,1、结合水,结合水是指受松散岩石颗粒表面及坚硬岩石孔隙壁面的静电引力大于水分子自身的重力的那部分水。接近固相表面的结合水称为：强结合水，不能流动，可转化为气态而流动。其外层称为：弱结合水，溶解盐类的能力较低，其外层能被植物吸收。,2、重力水,重力水是指距离固相表面较远的那部分水分子，重力对它的影响大于固体表面对他的静电引力，因而能在自身重力作用下运动。,3、毛细水,毛细水是指存在于地下水以上松散岩石中细小孔隙中的水。这部分水由于毛细力的作用，水从地下水沿着细小孔升到一定高度形成了毛细水带，其受地下水面支持，随着地下水面的升降上下移动。,4、气态水与固态水,在未饱和水的空隙中存在着气态水。它能随空气流动，也能从水汽压力大的地方向小的地方移动。气态水在一定的温度、压力条件下，与液态水相互转化，两者保持动态平衡。岩石温度0，液态水转化为固态水。,三、地下水的基本类型,埋藏条件,（一）、按埋藏条件,1、包气带水在地表以下一定深度，岩石中的空隙被重力水所充满，形成地下水面。其上为包气带；其下为饱水带。贮存于包气带中的地下水为包气带水，其包括：气态水、结合水和毛细水。2、潜水潜水是指埋藏于地面以下第一个稳定隔水层以上，具有自由表面的重力水。包气带接受大气降水1、流入其它含水层地表水潜水排泄2、流到低洼处，以泉或泄流形式排泄（径流排泄）其它3、土面蒸发或植物蒸腾形式（蒸发排泄）潜水分布：松散沉积物的孔隙中、裸露基岩浅部的裂隙和溶穴中。潜水埋深度：相差大。潜水影响因素：气象和水文因素的变化。潜水的水质主要取决于：气候、地形及岩性条件。3、承压水充满于上、下两个稳定隔水层之间的含水层中的，称为承压水。承压性是其重要特征。承压水是在岩性、地质构造、地形等因素相互配合的条件下形成的，其中地质构造是决定作用。较适宜形成承压水的地质构造主要是向斜盆地、单斜盆地。承压水参与水循环都不如潜水积极。承压水的水质取决于埋藏条件及其与外界联系的程度，可以是淡水，也可以是含盐量很高的卤水。如其补给、排泄条件好，水的循环快，承压水的水质就愈接近入渗的大气降水与地表水，含盐量低，反之则高。,（二）、按含水质不同,1、孔隙水孔隙水主要赋存于松散沉积物颗粒构成的孔隙中。孔隙水通常以连续层状分布，与裂隙水、岩溶水相比，其含水量分布均匀，构成具有统一水力联系的层状含水层。其分布状况、补给、径流、排泄与水质等均有所差异。2、裂水隙裂隙水系指贮存于岩石裂隙中的地下水。由于岩石裂隙成因不同，致使岩石的裂隙率大小、裂隙的张开程度、连通情况常常差异颇大，裂隙通道在空间上的展布具有明显的方向性，因而裂隙水的分布一般很不均匀。与孔隙水相比，裂隙水表现出强烈的不均匀性和各向异性。3、岩溶水岩溶水特指贮存于可溶岩石的溶蚀裂隙、溶穴、暗河中的地下水。它的分布较裂隙水更不均匀，常常相对集中且流动迅速，可能承压亦不能承压。很多情况下，它的水量比较丰富，常可作为大型供水水源。,四、地下水的化学成分和物理性质,地下水部是化学纯的H2O,而是一种复杂的溶液。地下水中含有各种气体、离子、胶体物质、有机质和微生物等。气体主要由O2、N2、CO2、CH4及H2S等；地下水中含有70多种元素，但其含量一般都很少。其中分布最广、含量较多的离子有7种：Cl-、SO4、Na、K、Ca、Mg、HCO3,这些离子之和通常占水中溶解盐量的90%上。地下水的物理性质包括透明度、颜色、嗅味、味道和温度。通常地下水是无色、无味、无臭且透明的，但含较多悬浮物时，透明度下降；含有H2S会有臭鸡蛋气味；含硫酸盐多时会变苦。地下水的温度受其贮存与循环处所的地温控制。,2-,-,+,+,2+,2+,五、地下水的补给、径流与排泄,地下水通过补给、径流与排泄，不断地参与着地球浅部层圈的水文循环，并与外界进行着水分与盐分的交换，这种交换决定着含水层的水量与水质在空间和时间上的变化规律。补给来源最重要的事大气降水，其次是地表水。农田灌溉水及来自其它含水层的水也有补给作用。排泄有线状排泄（向河、湖）、人工排泄（钻孔或井抽）、面状排泄（蒸发和蒸腾）、点状排泄（地表成泉）。,第二节、地下水运动的特点,地下水在岩石空隙中是不断流动的，这种运动通常称为渗流。当其在具狭小空隙的岩石中流动时，重力水受介质的吸引力较大，水的质点排较有秩序，互不混杂，称作层流流动；反之称作湍流运动。地下水渗流与地表水的水流相比，有许多不同特点，主要表现在：a、实际水流通道的空间形态与方向是相当复杂的，这就使得地下水沿程流动时质点运动速度的大小与方向都在不断地变化着；b、地下水的运动要素往往不是空间的连续函数，这一特点在裂隙介质与岩溶介质中更为明显由于地下水渗流的这些特点，目前对地下水运动有两种不同的研究方法1、微观地研究水流质点在各类介质中的运动规律，这对于查明地下水化学成分的形成与分布，追溯某些污染源及根据地下水的化学异常寻找原生矿体等许多实际问题都很有意义；2、用比较简单的方法，即用平均化的方法研究地下水运动的可光规律。这就是在渗透流量、渗透压强以及渗流阻力保持等效的原则下，把实际渗流平均到包括固体骨架在内的整个渗流场中，就是用一种假想的渗流来代替复杂的实际渗流，如图这样一来，就可以将假想渗流作为连续水流看待。法国水力学家达西地下水运动线性渗规律。,第三节、地下水的潜蚀作用,地下水对地壳岩石圈产生剥蚀作用，由于其在地下进行，故常称为潜蚀作用。按作用方式可分为机械冲刷和化学溶蚀。一、机械冲刷地下水在运动过程中其机械冲刷作用可使岩石或松散物强度减弱、结构变松，带走细小的矿物颗粒，使其空隙逐步扩大。可能造成管涌、流沙、或地表塌陷等危害工程设施的不良现象。影响机械冲刷作用的主要是地下水的水力梯度、岩土结构、颗粒成分与致密程度。通常，水力梯度愈大，土石结构愈松散，颗粒大小愈悬殊，愈有利于机械冲刷的进行。二、化学溶蚀作用及岩溶地貌地下水通过对岩石、矿物的溶解所产生的破坏作用，即化学溶蚀作用。以下从岩溶作用与岩溶地貌两个方面予以讨论。（一）岩溶发育的基本条件与影响因素岩溶发育必不可少的两个基本条件是：岩石具有可溶性及地下水具有侵蚀能力。应具备四个条件：可溶岩的存在、可溶岩必须是透水的、具有侵蚀能力的水及水石流动的。,1、可溶岩性质的影响碳酸盐岩类的溶蚀强度收起成分与构架影响，碳酸盐岩有不同比例的方解和白云石组成，有时还会有泥质、硅质等杂质。实验表明，纯方解石的溶解速度约为纯白云石的两倍，硅质与泥质灰岩最难溶蚀。大部分碳酸盐岩属浅海沉积，通常包含有粒度相当于粉粒到砾的粒屑，粒度细小的泥晶，以化学沉淀方式充填于颗粒之间的方解石亮晶和生物碎屑。2、可溶岩透水的影响可溶岩具有一定透水性，是进行溶蚀作用不可缺少的条件。可溶岩经受构造变动并发育构造裂隙，是岩溶发育的良好条件。3、地下水溶蚀能力的影响碳酸盐岩、水与二氧化碳之间的相互作用是一个涉及固、液、气三相的复杂化学体系。其它酸类同样会离解产生H+而提高水中碳酸盐岩的溶解量。4、地下水流动的影响地下水流动是岩溶发育的主要因素。只有当地下水不断流动，水中溶蚀的物质被带走，富含CO2的渗入水不断补充更新，水才能经常保持侵蚀性，溶蚀作用才能持续进行。地下水径流条件好坏事孔子岩溶发育的最活跃因素。控制岩溶发育的各种自然地理、地质构造，在很大程度上正是通过影响地下水的径流起作用。我国南方的岩溶发育远远超过北方，重要原因之一是气候因素。,（二）、地下岩溶发育的不均一性和分带性1、可溶岩的差异性溶蚀作用造成地下岩溶发育的不均一性在岩溶发育之前，可溶岩中分布着张开程度和密度不等的构造裂隙，具有侵蚀性的水在裂隙中流动，溶解隙壁上的固相CaCO3，使裂隙逐渐扩大。这为宽大裂隙的进一步发展创造了有利条件最终发展成为溶蚀管道。由此造成在碳酸盐岩分布区，岩溶发育空间分布的嫉妒不均一性。2、地下岩溶发育的分带性在一个裸露碳酸盐岩分布的岩层中，岩溶发育与地下水流动的相适应。地下水的流动可分为包气带中的流动、局部地区的流动及区域流动。地下水面以下一定深度在局部侵蚀基准面控制下，形成局部地区的流动。（三）、岩溶地貌常见岩溶形态各异的如峰丛，峰林、溶蚀盆地、溶斗、落水洞、竖井及发育较为完整的地下河系等地貌。,第四节、地下水的搬运作用与沉积作用,一、地下水的搬运作用包括机械搬运作用和化学搬运作用（一）、机械搬运作用当地下水在岩石孔隙、裂隙中流动时，因其流速十分缓慢，搬运能力较弱，只能搬运少量泥质、粉质或粉砂砾等细粒物质。在某些情况下，地下水的搬运能力会增强。地下水的搬运能力增强，极易形成管涌冒沙，危及河堤安全。（二）、化学搬运作用地下水的化学搬运作用极为普遍，其搬运的物质主要来自地下水对围岩的溶蚀，少部分来源于岩石的风化。这些物质包括各种离子和胶体。地下水渗流携带的溶解物质的成分和数量，取决于渗流的岩石性质与风化程度。在湿热气候区风化作用强烈，地下水搬运的溶质中可含有大量胶体物质。,二、地下水的沉积作用包括机械沉积作用和化学沉积作用（一）、机械沉积作用具有一定流动速度的地下水携带不同粒径的颗粒物质，当其流动至开阔地段时，因地下水流速降低，动能减弱，部分颗粒物质就会沉积下来。（二）、化学沉积作用按沉积物出现的场所可分为溶洞沉积物、泉华沉积物和裂隙中的沉积物。1、溶洞沉积物水从洞顶下滴，因边滴边沉淀，可逐步形成自洞顶向下垂直生长的锥状CaCO3，沉积物，称为石钟乳。2、泉华沉积物在泉水出口处，也出现溶洞中渗水裂隙出口处的类似情况，饱含溶解态矿物质的泉水溢出地表时，因环境变化，CO2大量逸出，溶液中的矿物质迅速达到饱和而沉淀下来，在泉口附近形成泉华。3、裂隙和孔隙中的沉积物饱含溶解态矿物质的地下水，在裂隙中渗流的过程中，由于环境发生变化，同样可以使矿物质产生沉淀。（三）其它沉积作用一是在呗覆盖的碳酸盐岩分化壳中亦常见此类残留堆积物。二由于古代动物和古人类常以溶洞作为栖息场所，所以在洞穴堆积物中常能发现古动物化石及古人类化石，有时还保存有人类活动的文化遗迹。,第五节、地下水的其它地质作用,一、地下水在岩浆活动和岩石变质过程中的作用参与火山活动的水有两部分：一是地壳浅部形成，为密度不大的蒸汽，具有酸性或极酸性凝聚物；二是地下深部层圈形成，属岩浆源内生水，溶有大量碱金属及金属卤化物。由于水有很强活化能力，水的参与对岩浆系统的相平衡及硅酸盐熔体的物理性质有重要影响。由不同成因地下水组成的变质溶液时参与变质作