水文地质学基础第十二章

水文地质学基础,FundamentalsofHydrogeology,第十二章岩溶水,12.1岩溶发育的基本条件与影响因素12.2岩溶水系统的演变12.3岩溶水的特征12.4我国南北方岩溶及岩溶水的差异,岩溶(喀斯特),定义：水(主要是地下水)对可溶岩石进行化学溶解，并伴随以冲蚀作用及重力崩坍，在地下形成大小不等的空洞，在地表造成各种独特的地貌现象以及特殊的水文现象，上述作用及由此产生的各种现象，称为岩溶(喀斯特)。作用过程：包括溶解、迁移、沉积。岩溶作用：溶蚀、冲蚀、侵蚀。结果：形成各种岩溶形态：地下：暗河、溶洞、溶隙等地表：石林、孤峰、坡立谷沟通地表和地下的：漏斗、落水洞、竖井等。,岩溶水：,赋存并运移于岩溶化岩层中的水，称为岩溶水（喀斯特水）。,研究岩溶水的意义：,供水水源，水量丰富；水量丰富的岩溶含水系统是理想的供水水源。旅游资源：岩溶区的奇峰异洞与大泉，是宝贵旅游资源。如桂林山水；岩溶充水威胁采矿安全、增大采矿成本。水量大，分布不均匀。蓄水、引水工程的渗漏。易于发生渗漏的岩溶化岩层则给修建水利工程带来复杂的问题。我国可溶岩分布约占全国面积的三分之一，岩溶及岩溶水的研究具有很大的实际意义。,桂林岩溶地貌,桂林岩溶地貌,桂林岩溶,桂林岩溶,桂林岩溶,12.1岩溶发育的基本条件与影响因素,岩溶是水与可溶性岩石相互作用的产物，岩溶化过程是水作为营力对可溶岩层的改造过程。因此，岩溶发育必不可少的两个基本条件是：岩层具有可溶性及地下水具有侵蚀能力。考虑到其相互作用，又将两者一分为二，故基本条件有四个。即：可溶性的岩石；岩石具有透水性；具有侵蚀能力的水；水是流动的。,（一）岩溶发育的基本条件,可溶性岩石卤化物岩(岩盐、钾盐、镁盐)，硫酸盐岩(石膏等)：分布不广，岩体较小碳酸盐岩(石灰岩、白云岩、大理岩等)。分布广、岩体大，有普遍意义。岩石成分对其溶解的影响泥质含量比较高的岩石往往表现出较强的塑性，形成的裂隙张开宽度比较小，延伸性也比较差，不利于岩溶的发育。成份不很纯的岩层一般沉积间断比较多，多呈中厚层至中薄层，构造裂隙往往密集、短小而均匀，有利于形成溶蚀比较均匀的岩溶含水层。巨厚的纯灰岩形成的构造裂隙往往比较稀疏、宽而长，有利于形成大型岩溶洞穴，岩溶发育不均匀。碳酸盐岩由不同比例的方解石和白云石组成，并含有泥质、硅质等杂质。实验表明，纯方解石的溶解速度约为白云石的两倍，故纯灰岩要比白云岩容易溶蚀，硅质与泥质灰岩最难溶蚀。,岩石结构对其溶蚀作用的影响生物礁岩最易溶蚀，它主要由生物碎屑组成，孔隙大且多。泥晶粒屑碳酸盐岩及泥晶碳酸岩次之。亮晶碳酸岩，尤其是经过重结晶作用的亮晶碳酸盐岩，孔隙度小，最不易溶蚀。经受白云岩化的白云质灰岩、灰质白云岩等，虽然增加了较难溶的白云岩，但是，由于方解石白云岩化后体积变小，孔隙度增大，有利于发育分布均匀的溶蚀小孔，多形成岩溶中等发育的均一含水层。,岩石的透水性碳酸盐岩的初始透水性取决于它的原生孔隙（细小）与次生裂隙，但主要取决于构造裂隙的发育程度。厚层质纯的灰岩，构造裂隙发育很不均匀，部分初始透水性差别很大，溶蚀作用集中于水易于进入与流动的裂隙发育部位，这是岩溶发育极不均匀的一个重要原因。薄层的碳酸盐岩通常裂隙发育比较均匀，连通性好的层面裂隙尤其发育。但由于其层厚限制了水的流动，且一般含杂质较多，故岩溶发育比较均匀而不强烈，主要表现为溶蚀裂隙。泥质灰岩的构造裂隙张开性及延伸性较差，不溶的泥质充填裂隙会阻碍水的循环流动，不利于溶蚀作用。总之，可溶岩经受构造变动并发育构造裂隙是岩溶发育的一个必要条件。,水的侵蚀能力水对碳酸盐岩的溶蚀能力，主要取决于其所含的CO2。在CO2参与下，水对碳酸盐岩的溶解作用反应如下：CaCO3+H2O+CO2=Ca2+十2HCO3-（1）Ca(HCO3)2的溶解度相当大，故Ca2+和HCO3-均以离子状态存在于水中。此反应是可逆的，当反应达到平衡，溶解作用便不再进行。如果条件发生变化（压力降低，温度升高），水中CO2逸出，则反应向左进行，重新沉淀出CaCO3。水呈酸性时，下列反应向左进行，将促使更多的CaCO3溶解。CO2+H2O=HCO3-+H+（2）因此含有机酸较多的水，溶蚀能力较强。同理，当水流经含有黄铁矿的岩层时，由于铁矿氧化生成H2SO4，水中H+浓度加大，溶蚀能力也加强，岩溶往往格外发育。富含CO2的水，在溶解CaCO3的过程中，CO2逐渐消耗减少，侵蚀性逐渐减弱以至完全消失；另一方面，水在流动过程中，由于温度和压力等条件发生变化，CO2也可能重新从水中逸出，沉淀出CaCO3。逸出的CO2一般在地下不易散失，最终仍将进入水中，使水的侵蚀性部分恢复，所以地下水经过相当长的流程以后，仍可具有一定的溶解能力。,地下水径流强度岩溶发育的一个必要条件是水的流动。在水流停滞的条件下，随着水中的侵蚀性CO2不断消耗，最终完全丧失其侵蚀能力，溶蚀作用便告终止。只有当地下水不断流动，富含CO2的渗入水不断得到补充更新，水才能经常保持侵蚀性，溶蚀作用才能持续进行。因此，地下水的径流条件是控制岩溶发育最活跃最关键的因素。总之，不同地区，具有不同的岩性、构造、地壳运动条件及补给条件，故水交替条件各不相同；同一地区，在不同的时期，水交替作用也有变化；水交替条件在时间和空间上的变化，正是岩溶发育在时间和空间上不均一的主要原因；而分析水交替条件则是研究岩溶形成和发育的关键。,（二）岩溶发育的影响因素,气候因素通过补给而影响水流条件，从而影响岩溶的发育。我国南方降水充沛，年降水量1000mm/a以上，北方地区一般均小于700mm/a。降水愈多，水交替条件愈好，水的侵蚀性强，作为溶蚀营力的水量也越多，岩溶就越发育。因而多雨的南方岩溶普遍比干燥寒冷的北方发育。此外，南方气温高，有利于溶解作用的进行，并促使植被发育的土壤中有机质易于分解，为入渗降水及地表水提供大量的CO2和较高的氢离子浓度，从而提供了强大的溶蚀营力。地形因素地形条件有利于汇集降水的地方，岩溶往往也比较发育。地形往往决定着补给区与排泄区的分布，决定了水流的去向，从而控制岩溶管道以至地下河系的主要发育方向。在一定的气候背景之上，各种自然地理及地质因素主要通过区内地下水的径流而控制岩溶的发育。,地质因素可溶岩与非可溶岩相间分布时，在接近下伏非可溶岩的界面上，可溶岩中岩溶格外发育。这是由于下渗水流阻隔于界面上，水流在此集中，溶蚀作用特别强烈。岩溶受构造的控制也很明显。褶皱轴部，断层带等裂隙发育的部位，岩溶常较发育。断层带岩体破碎，有利于地下水汇流，常成为骨干地下河的前身。,12.2岩溶发育与岩溶水的分带性,可溶岩分布地区，在有关因素的控制下，不同部位的水交替与水流状况不同，岩溶发育及岩溶水的动力条件均显示分带性。（一）垂直分带在厚层裸露石灰岩分布区，局部的侵蚀基准面控制着地下水的流动状况，在垂直剖面上，从地表向下，可以划分为四个带：,包气带：位于地表以下，地下水高水位以上，此带中水流不是经常性的。大气降水沿裂隙垂直向下渗流，常形成垂向分布的溶斗、落水洞及竖井等。溶蚀通道之间相互连通性差，多呈孤立状态。本带厚度取决于当地气候与地形条件，最大厚度可达数百米。,地下水位季节变动带：位于高水位与低水位之间。低水位期本带地下水主要作垂直运动，高水位期基本呈水平运动。因此，本带既有水平方向的，也有垂直方向的溶洞。本带厚度取决于地区的潜水位变化幅度，由几米到几十米。,饱水带：位于最低水位以下，经常处于饱水状态，常年有水向局部侵蚀基准面排泄，多发育互相连通的水平方向的溶蚀通道。河谷附近的岩溶通道往往指向河谷，表现出局部承压现象。,深循环带：位于局部侵蚀基准面以下一定深度，地下水运动不受当地河流的影响，在地质构造条件的控制下，向更远更低的区域侵蚀基准面运动。此带位置较深，水交替迟缓，除局部构造断裂等径流特别有利部位外，岩溶发育很弱。更向深部则径流停滞，无溶蚀现象。,（二）水平分带厚层裸露石灰岩分布区，岩溶发育除了垂直分带，还有水平分带：,河流中上游及远离河谷的分水岭地区，地势较为高峻。降水入渗后作垂直运动，多发育垂直岩溶，如漏斗、落水洞、溶蚀竖井等。地表多呈峰林地形。到达地下水面以后，水流作水平运动，形成水平溶洞。由于水流分散且不经常存在，故岩溶发育较弱，溶蚀通道相互连通性较差，形成较为孤立的水流，常缺乏统一的地下水面，但地下水面总的倾向于河谷及下游。接近河流下游及河谷地带，以发育水平岩溶为主，水流集中而经常，溶蚀作用强烈，由于洞穴扩大导致坍塌，多出现溶蚀洼地、孤峰等。地下多形成暗河，有统一地下水面，水位线，岩溶泉在此集中排泄。,（三）岩溶发育过程,理想的岩溶水系统发育演化的整个过程：,当最初在可溶岩中形成局部与区域地下水流动系统时，地下水在原有的孔隙裂隙中流动。随着差异性溶蚀的进行，当裂隙溶蚀扩展到一定程度，便形成与局部地下水流动系统相适应的多个地下管道系统（地下河）。,侵蚀基准较低的地下河势能较低，构成较强的势汇，吸引较多的水流，使地下水分水岭不断向另一侧迁移。溯源溶蚀不断发展，地下河系的流域不断扩展。当低地势主干地下河扩展到与另一侧的地下河相通时，便袭夺后者使之成为低势地下河系的一个部分。,岩溶水系统的流域不断扩展、溶蚀作用不断进行，地下洞穴不断增加，介质导水能力不断加强，介质场的演化又反馈作用于渗流场，使岩溶水水力坡度变小，岩溶水水位降低，使一部分原先位置较高与局部地下水流动系统相适应的岩溶洞穴管道悬留于岩溶水水位之上而干涸。而原先径流缓慢的区域地下水流动系统则水流循环加速，最终发育成为范围包括整个碳酸盐岩体的形态完整的地下河系。岩溶水系统演变的结果，是使由不同地下水流动系统造成的地下河统一成范围广大、排泄集中的地下河系。,12.3岩溶水的特征,（一）含水介质特征1.空间分布极不均匀尺寸不等的多级次的空隙系统在最典型的情况下，包含下列尺寸不等的空隙：（1）岩溶管道，通常直径数十厘米到数米，其中还可能包括体积十分巨大的溶洞。（2）各级构造裂隙，宽大者溶蚀显著，细小者溶蚀微弱。(3)成岩过程中形成的各种原生孔隙与缝隙包括粒间孔隙，生物体腔孔，干根空，晶间孔隙；潮湿环境下形成的碳酸盐岩，在成岩过程中与淡水接触，还可发育各种溶蚀孔道。(4)充填溶洞的松散沉积物的空隙。,上述成因与尺寸不等的空隙，按一定序次组合，构成宏观上具有统一水力联系的岩溶含水介质。广泛分布的细小孔隙与裂隙，导水性差而总容积相当大，是主要的贮水空间；大的岩溶管道及开阔的溶蚀裂隙，主起着导水通道的作用；规模介乎上述两者之间的不同级次裂隙构成的网络，兼具贮水空间与导水通道的作用，联系着主要导水通道与主要贮水空间。当钻孔或坑道揭露主要导水通道时，广大范围储水空间中的水，通过贮水导水网络逐级汇集到溶蚀管道，水量极大。只揭露少数规模不大的裂隙时，汇集水量有限。打在导水通道与裂隙网络之外的钻孔与坑道，由于细小孔隙与裂隙导水性差，往往干涸无水。由此可见，岩溶水的宏观统一水力联系和局部水力联系不好，水量分布的极不均匀等特点，是岩溶含水介质的极度不均质性及多级次性决定的。,（二）岩溶水的运动特征（1）层流紊流共存裂隙网络与较小的溶蚀管道中的水作层流运动。巨大的干流通道中洪水期流速高达每昼夜数公里，呈紊流运动。大岩溶通道像河流（瀑涨瀑落），小溶隙滞后（类似于孔隙水）。（2）无压流与承压流并存岩溶水可以是潜水，也可以是承压水。然而，即使赋存于裸露的巨厚纯质碳酸盐岩块中的岩溶潜水，也与松散沉积物中典型的潜水不同，岩溶管道断面沿流程变化很大，部分管道往往完全充水而局部承压。（3）裂隙管道径流并存岩溶管道与周围裂隙网络中的水流并不是同步运动的。雨季，通过地表的落水洞、溶斗，岩溶管道迅速大量地吸收降水及地表水，水位抬升快，形成水位高脊(图127a)，在向下游流动的同时，还向周围裂隙网络散流。枯水期，管道中形成水位凹槽(图127b)，而周围裂隙网络保持高水位，沿着垂直于管道流的方向向其汇流。在岩溶含水系统中，局部流向与整体流向是不一致的。,（4）存在独特的径流形式虹吸式径流虹吸现象虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的,即利用水柱压力差,使水上升后再流到低处.由於管口水面承受不同的大气压力,水会由压力大的一边流向压力小的一边,直到两边的大气压力相等,容器内的水面变成相同的高度,水就会停止流动.利用虹吸现象很快就可将容器内的水抽出.另外还有明流/伏流并存，地下河系和袭夺等。,（三）岩溶水补给、排泄与动态特征(1)岩溶水补给特征a.降水入渗系数大。我国南方的岩溶区，降水入渗常达降水量的80以上，北方一般为4050%。b.水位瀑涨瀑落。降水通过落水洞、溶斗等直接流入或灌入，在短时内，通过顺畅的途径，迅速补给岩溶水，水位瀑涨瀑落。c.流入岩溶地区的河流，往往全部转入地下。多瑙河流经德国岩溶地区后，一年中除去几个星期有水外，全部河水漏失，补给12km以外的阿赫泉，然后汇入莱因河。(2)岩溶水排泄特征集中排泄是岩溶水排泄的重要特征。地下河系化的结果，使成百甚至成千公里范围内的岩溶水，集中地通过一个大泉或泉群排泄。泉流量可达1m3/s以上，洪水季节甚至达100m3/s以上，是名副其实的地下河。,(3)岩溶水动态特征由于岩溶水集中补给与排泄，水位、水量的变幅大，变化迅速而缺乏滞后。其原因是灌注式的补给，在主干管的畅通径流与局部的径流不畅，以及空隙率（给水度）较低引起。水位动态的陡缓与大小溶（洞）隙的比例有关。,美国宾夕法尼亚洲在1972年6月对当地暴雨