地质基础知识

1、供水水文地质供水水文地质Hydrogeology of Water Supply Engineering 本课程教学目的本课程教学目的 通过本课程的学习，使学生具备一定的水文地质知通过本课程的学习，使学生具备一定的水文地质知识，能阅读和利用水文地质勘测成果资料，并能分析和识，能阅读和利用水文地质勘测成果资料，并能分析和解决有关给排水工程中的水文地质问题，进行简单的水解决有关给排水工程中的水文地质问题，进行简单的水文地质计算。同时具备地下水取水工程的基础知识，正文地质计算。同时具备地下水取水工程的基础知识，正确地选择水源地和合理地设计取水构筑物。确地选择水源地和合理地设计取水构筑物。教学内容教学

2、内容 本课程按分为基础地质，地下水储存、循环、运动、本课程按分为基础地质，地下水储存、循环、运动、物理和化学性质，地下水的分布，地下水评价，地下水物理和化学性质，地下水的分布，地下水评价，地下水污染，水文地质勘察及地下水资源管理等内容。其中地污染，水文地质勘察及地下水资源管理等内容。其中地质基础知识、地下水储存与循环、地下水的运动和不同质基础知识、地下水储存与循环、地下水的运动和不同地貌区地下水的分布特征等为重点内容。地貌区地下水的分布特征等为重点内容。绪绪 论论 绪绪 论论什么是水文地质？什么是水文地质？ 水文地质是研究地下水运动规律的一门学科，水文地质是研究地下水运动规律的一门学科，研究土

3、壤孔隙中水的物理、化学及热力学作用及能量的研究土壤孔隙中水的物理、化学及热力学作用及能量的传递、化学组分的迁移转化。传递、化学组分的迁移转化。 Domenico and Schwartz，1997什么是供水水文地质？什么是供水水文地质？ 供水水文地质则是以供水为目的研究地下水的形成与供水水文地质则是以供水为目的研究地下水的形成与埋藏、物理和化学性质特征、开采条件下的动态变化、埋藏、物理和化学性质特征、开采条件下的动态变化、水资源评价内容和方法、供水水源地勘察及其选择、地水资源评价内容和方法、供水水源地勘察及其选择、地下水资源的合理开发利用与科学管理。下水资源的合理开发利用与科学管理。开发地下水

4、资源的必要性开发地下水资源的必要性我国的水资源短缺状况尤为严重。我国的水资源短缺状况尤为严重。解决问题的途径是进一步开发与合理利用陆上地表及地解决问题的途径是进一步开发与合理利用陆上地表及地下水资源。下水资源。据美国专家据美国专家Luna B，Leopold等人的计算，地球上仅在地等人的计算，地球上仅在地面以下面以下800米深度内的地下水体积即达米深度内的地下水体积即达417104km3(800米米以下尚存有同等数量的地下水资源以下尚存有同等数量的地下水资源)，其含水量大约是世，其含水量大约是世界河流、淡水湖、水库和内陆咸水总储量的界河流、淡水湖、水库和内陆咸水总储量的17.5倍。倍。据有关资

5、料显示，我国总人口的据有关资料显示，我国总人口的75饮用地下水。饮用地下水。 Global Water Volumes & Fluxes (km3)地下水作为供水水源的优点地下水作为供水水源的优点地下水在地层中渗透经过天然过滤，水质透明无色，一地下水在地层中渗透经过天然过滤，水质透明无色，一般不需净化处理。般不需净化处理。地下水地下水(特别是深层地下水特别是深层地下水)因有上部岩层作为天然屏障，因有上部岩层作为天然屏障，一般不易受地表污物的污染，卫生条件较好。一般不易受地表污物的污染，卫生条件较好。地下水温较低，常年变化不大，特别适宜于冷却和空调地下水温较低，常年变化不大，特别适宜于冷却和空调

6、用水。用水。地下水取水构筑物可适当地靠近用水户，输水管道较短，地下水取水构筑物可适当地靠近用水户，输水管道较短，构筑物较简单，基建费用较低，占地面积也小。构筑物较简单，基建费用较低，占地面积也小。水量、水质受气候影响较小，一般能保持较稳定的供水水量、水质受气候影响较小，一般能保持较稳定的供水能力能力可利用含水层调蓄多余的地下水可利用含水层调蓄多余的地下水 第一章第一章 地质基础知识地质基础知识 本章内容本章内容第一节第一节 地球的构造与形态地球的构造与形态第二节第二节 矿物与岩石矿物与岩石第三节第三节 岩层的地质时代岩层的地质时代第四节第四节 地质构造地质构造 第一节第一节 地球的构造与形态地

7、球的构造与形态地球的内部分圈地球的内部分圈 地球外圈特征地球外圈特征大气圈大气圈F包围着地球的气体，厚度在几万公里以上包围着地球的气体，厚度在几万公里以上F由于受地心引力的作用，地球表面的大气最稠密，向外由于受地心引力的作用，地球表面的大气最稠密，向外 逐渐稀薄，大气压力随高度而递减。逐渐稀薄，大气压力随高度而递减。水圈水圈 指的是地球表面附近的水体。指的是地球表面附近的水体。生物圈生物圈 指地球上生物（动物、植物和微生物）生存和活动的范围。指地球上生物（动物、植物和微生物）生存和活动的范围。2.地球表面的形态特征地球表面的形态特征2.1地壳表面特征地壳表面特征 2.2 陆地地形陆地地形山地山

8、地: 是低山、中山是低山、中山及高山的统称。及高山的统称。海拔高度在海拔高度在5001000m的的叫低山，叫低山，10003500m的叫中山，的叫中山，3500m以上的以上的叫高山。我国叫高山。我国是多山的国家，是多山的国家，山地分布很广。山地分布很广。丘陵：丘陵：指地表起伏不超指地表起伏不超过过200m的低矮地的低矮地形。形。平原：平原：地球上地势宽广乎地球上地势宽广乎坦或略有起伏的地坦或略有起伏的地区。区。海拔高程在海拔高程在200m以以下的叫低平原；下的叫低平原；海拔高程在海拔高程在200一一600m的叫高平原。的叫高平原。高原：高原：海拔高程在海拔高程在600m以上、表面较宽阔以上、表

9、面较宽阔平坦或稍有起伏、平坦或稍有起伏、四周常有崖壁与较四周常有崖壁与较低的地形单元分界低的地形单元分界的地区。的地区。盆地：盆地：四周是高四周是高原或山地、原或山地、中央是低中央是低平地的地平地的地区。区。刚果盆地位于非洲刚果盆地位于非洲中部，大部分在刚中部，大部分在刚果民主共和国境内，果民主共和国境内，小部分在刚果共和小部分在刚果共和国境内。面积为国境内。面积为337万平方公里，万平方公里，是世界上最大的盆是世界上最大的盆地。盆地南北均为地。盆地南北均为高原，东部为东非高原，东部为东非大裂谷，缺口在西大裂谷，缺口在西部即刚果河下游和部即刚果河下游和河口地段。周围的河口地段。周围的高原山地海

10、拔超过高原山地海拔超过1000米。刚果河的米。刚果河的许多支流都到盆地许多支流都到盆地内汇进干流，因此，内汇进干流，因此，这里水系发达这里水系发达 洼地：洼地：高程在海平高程在海平面以下的低面以下的低洼地带洼地带热溶洼地热溶洼地 2.3 海底地形海底地形 海底地形起伏很大，变化复杂，不亚于大陆，而且海底地形起伏很大，变化复杂，不亚于大陆，而且高差之大远超过陆地。根据海底地形特征，可进一步把高差之大远超过陆地。根据海底地形特征，可进一步把海底分为大陆架、大陆坡、大陆基、海沟、岛弧、深海海底分为大陆架、大陆坡、大陆基、海沟、岛弧、深海(大洋大洋)盆地、洋中脊等单元。盆地、洋中脊等单元。 大陆架大陆

11、架是指紧邻陆地的、地势乎坦的浅海水底平原。是指紧邻陆地的、地势乎坦的浅海水底平原。一殷坡度小于一殷坡度小于0.1度，深度各地不等，通常是指水深在度，深度各地不等，通常是指水深在200m以内的水域，平均深度以内的水域，平均深度133m。我国沿海有宽阔的大。我国沿海有宽阔的大陆架，渤海、黄海以及东海西部、南海大部组成了亚洲陆架，渤海、黄海以及东海西部、南海大部组成了亚洲东部巨大的陆缘浅海，是世界上最大的大陆架之一，宽东部巨大的陆缘浅海，是世界上最大的大陆架之一，宽度由度由100多多km到到500km以上，水深一般为以上，水深一般为50m，最大水深，最大水深180m，当前已成为世界关注的石油天然气贮

12、藏地区。，当前已成为世界关注的石油天然气贮藏地区。中国海底地形中国海底地形第二节第二节 矿物与岩石矿物与岩石 一、主要造岩矿物的特征一、主要造岩矿物的特征矿物是地壳中各种地质作用的自然产物，具有一定的化学矿物是地壳中各种地质作用的自然产物，具有一定的化学成分和内部构造，因而也就有一定的物理和化学性质。个成分和内部构造，因而也就有一定的物理和化学性质。个别矿物可以由一种元素组成，如：自然硫和金；但大多数别矿物可以由一种元素组成，如：自然硫和金；但大多数的矿物是几种元素的化合物，如：盐、石英、赤铁矿等。的矿物是几种元素的化合物，如：盐、石英、赤铁矿等。矿物是地壳的基本组成部分，是矿石和岩石的组成单

13、位。矿物是地壳的基本组成部分，是矿石和岩石的组成单位。矿物绝大部分呈固态，少数呈液态矿物绝大部分呈固态，少数呈液态(如水、水银等如水、水银等)和气态和气态(如天然气、硫化氢等如天然气、硫化氢等)，自然界的矿物种类很多，目前已，自然界的矿物种类很多，目前已知的有知的有3000余种。余种。各种矿物都有一定的外部形态和物理性质，这些特征是肉各种矿物都有一定的外部形态和物理性质，这些特征是肉眼鉴定矿物的主要依据。矿物的主要物理性质有：晶形、眼鉴定矿物的主要依据。矿物的主要物理性质有：晶形、颜色、光泽、条痕、硬度、解理和断口、比重等。颜色、光泽、条痕、硬度、解理和断口、比重等。二、岩石的分类二、岩石的分

14、类 (一一)岩浆岩岩浆岩 岩浆沿着地壳岩石的裂隙上升到地壳范围内或喷出地岩浆沿着地壳岩石的裂隙上升到地壳范围内或喷出地表，热量逐渐散失，最后冷却凝固而成的岩石就叫岩浆表，热量逐渐散失，最后冷却凝固而成的岩石就叫岩浆岩，又称火成岩岩，又称火成岩。岩浆岩岩浆岩火成岩火成岩岩浆岩结构岩浆岩结构晶粒状结构：即岩石中的矿物全是较大的结晶颗粒。晶粒状结构：即岩石中的矿物全是较大的结晶颗粒。斑状结构：即岩石中较大的矿物品粒被细粒的、隐品斑状结构：即岩石中较大的矿物品粒被细粒的、隐品质的或玻璃质的基质所包围。质的或玻璃质的基质所包围。玻璃质结构；岩石中的成分皆未结晶，此结构多见于玻璃质结构；岩石中的成分皆未结

15、晶，此结构多见于喷出岩。喷出岩。构造构造块状构造：各种矿物成分在岩石中均匀分布，无定向块状构造：各种矿物成分在岩石中均匀分布，无定向排列。排列。流纹构造：岩石中有不同颜色的条纹，是熔岩流动时流纹构造：岩石中有不同颜色的条纹，是熔岩流动时物质成分沿流动方向所作的定向排列。物质成分沿流动方向所作的定向排列。气孔构造：岩石中有许多大小不一的气孔。气孔构造：岩石中有许多大小不一的气孔。杏仁构造：喷出岩的气孔被后来的次生矿物所充填。杏仁构造：喷出岩的气孔被后来的次生矿物所充填。(二二)沉积岩沉积岩沉积岩是在地表环境中已经形成的岩石沉积岩是在地表环境中已经形成的岩石(岩浆岩、早期沉岩浆岩、早期沉积岩、变质

16、岩积岩、变质岩)经过风化、剥蚀、熔解等外力地质作用的经过风化、剥蚀、熔解等外力地质作用的破坏而产生的岩石碎屑、溶质等物质，在原地或经过搬破坏而产生的岩石碎屑、溶质等物质，在原地或经过搬运在适宜的环境运在适宜的环境(如山麓、湖沼、海洋中如山麓、湖沼、海洋中)沉积起来，再经沉积起来，再经过成岩作用而形成的岩石。过成岩作用而形成的岩石。沉积岩多成沉积岩多成层状分布层状分布，这是沉积岩的重要特征之一。，这是沉积岩的重要特征之一。沉积岩沉积岩分布颇广分布颇广，从数量上看虽然只占地壳的，从数量上看虽然只占地壳的5却覆却覆盖了地球表面盖了地球表面75的面积。自然界常见的沉积岩有：砾的面积。自然界常见的沉积岩

17、有：砾岩、砂岩、页岩、泥岩、石灰岩、凝灰岩、白云岩、盐岩、砂岩、页岩、泥岩、石灰岩、凝灰岩、白云岩、盐岩等。其中分布最多的是页岩、砂岩、石灰岩，这三种岩等。其中分布最多的是页岩、砂岩、石灰岩，这三种沉积岩几乎占了沉积岩类总量的沉积岩几乎占了沉积岩类总量的95以上。以上。砂岩砂岩石灰岩石灰岩松散岩石松散岩石半松散岩石半松散岩石松散岩石松散岩石l沉积岩类还包括近代形成的未经压固、胶结的碎屑堆积沉积岩类还包括近代形成的未经压固、胶结的碎屑堆积物，称为松散岩石或第四纪松散堆积物，物，称为松散岩石或第四纪松散堆积物，如：粘土、粉如：粘土、粉质粘土、粉土、砂、砾石、卵石，及其混合堆积物砂砾质粘土、粉土、砂

18、、砾石、卵石，及其混合堆积物砂砾石、砂卵石等。石、砂卵石等。l松散堆积物广泛覆盖于地壳表面，对地下水的形成和存松散堆积物广泛覆盖于地壳表面，对地下水的形成和存储更有更直接的关系。储更有更直接的关系。l松散岩石的颗粒大小变化很大松散岩石的颗粒大小变化很大l松散堆积物由不同粒径颗粒的混合体。松散堆积物由不同粒径颗粒的混合体。 上一页上一页（三）变质岩（三）变质岩 由于地壳运动、岩浆活动等地质作用的影响，使早由于地壳运动、岩浆活动等地质作用的影响，使早期的岩石处于新的物理化学环境之下，岩石的矿物成分期的岩石处于新的物理化学环境之下，岩石的矿物成分和结构，构造就必然发生相应的变化，所形成的新的岩和结构

19、，构造就必然发生相应的变化，所形成的新的岩石就称作变质岩。石就称作变质岩。 常见到的构造有：常见到的构造有：-片状构造片状构造-片麻状构造片麻状构造-千枚状构造千枚状构造-板状构造板状构造-块状构造块状构造第三节第三节 岩层的地质年代岩层的地质年代一、地质时代的划分一、地质时代的划分 地质时代有两种：地质时代有两种：一种是地壳的岩层从形成到现在的延续时间，以年为单一种是地壳的岩层从形成到现在的延续时间，以年为单位。（绝对）位。（绝对） 岩石的绝对年龄是利用放射性元素恒定的蜕变速度来计岩石的绝对年龄是利用放射性元素恒定的蜕变速度来计算岩石形成后所经历的时间。算岩石形成后所经历的时间。一种岩层形成

20、的先后顺序和新老关系（相对）一种岩层形成的先后顺序和新老关系（相对） 相对地质年龄根据生物演变和地壳运动等重大变化来划相对地质年龄根据生物演变和地壳运动等重大变化来划分的。分的。二、地质年代表二、地质年代表: 见教材见教材p16表表1-21 第四节第四节 地质构造地质构造一、地壳运动简述一、地壳运动简述升降运动升降运动水平运动水平运动二、岩层产状的概念二、岩层产状的概念 将沉积岩层在变动前后的位置相形态作为标志加以对将沉积岩层在变动前后的位置相形态作为标志加以对比。比。一般假定沉积岩层形成时构造比较简单，岩层近于水一般假定沉积岩层形成时构造比较简单，岩层近于水平，后来的构造运动才使岩层变得倾斜

21、、直立、甚至倒转。平，后来的构造运动才使岩层变得倾斜、直立、甚至倒转。岩层在空间位置上的状况通常是用岩层产状来表示的，岩岩层在空间位置上的状况通常是用岩层产状来表示的，岩层的产状包括走向、倾向、倾角三个要素。层的产状包括走向、倾向、倾角三个要素。 三、岩层的接触关系三、岩层的接触关系 (一一)整合接触：表现为新老岩层大致平行。整合接触：表现为新老岩层大致平行。 (二二)平行不整合与角度不整合接触：先后沉积的两套岩层的时平行不整合与角度不整合接触：先后沉积的两套岩层的时代可能相隔很远，中间的地层缺失也可能很大，这种接触关系代可能相隔很远，中间的地层缺失也可能很大，这种接触关系称为不整合接触。不整

22、合接触有平行不整合和角度不整合。平称为不整合接触。不整合接触有平行不整合和角度不整合。平行不整合是上、下岩层的产状彼此平行，但岩层之间有侵蚀特行不整合是上、下岩层的产状彼此平行，但岩层之间有侵蚀特征。角度不整合是上、下岩层的产状不一致，且岩层之间有侵征。角度不整合是上、下岩层的产状不一致，且岩层之间有侵蚀特征。蚀特征。(三三)火成接触：凡火成岩与其它岩层接触统称为火成接触。火成接触：凡火成岩与其它岩层接触统称为火成接触。表示岩浆的活动时期在其围岩的地质时代之后。表示岩浆的活动时期在其围岩的地质时代之后。 (四四)断层接触：时代不同的岩层，由于被断层错断而直接断层接触：时代不同的岩层，由于被断层

23、错断而直接接触叫断层接触。它们的接触面即为断层面，表示岩层断接触叫断层接触。它们的接触面即为断层面，表示岩层断裂的发生晚于断层面两侧岩层形成的时代。裂的发生晚于断层面两侧岩层形成的时代。研究岩层的接触关系，不仅有助于确定岩层的时代和构造，研究岩层的接触关系，不仅有助于确定岩层的时代和构造，同寻找地下水也有密切的关系。同寻找地下水也有密切的关系。不整合接触的岩层之间往不整合接触的岩层之间往往保留一层古风化壳，利于地下水储存；火成接触和断层往保留一层古风化壳，利于地下水储存；火成接触和断层接触部位也常为富水地段。接触部位也常为富水地段。 四、褶曲四、褶曲( (一一) )褶曲要素及褶曲的基褶曲要素及

24、褶曲的基本类型本类型核：核：褶曲的中心部分褶曲的中心部分(a)(a)；冀：冀：指褶曲核部两侧的岩指褶曲核部两侧的岩层；两翼岩层的倾角称为层；两翼岩层的倾角称为翼角翼角轴面：轴面：两翼的近似对称面，两翼的近似对称面，是褶曲中假想的面。轴面是褶曲中假想的面。轴面实际上通常是不规则的面，实际上通常是不规则的面，它随着袍曲形态局部变化它随着袍曲形态局部变化而改变其产状；而改变其产状；轴：轴：轴面与水平面的交线；轴面与水平面的交线； 转折端；转折端；褶曲中弯曲最强褶曲中弯曲最强烈的部位，即为褶曲一冀烈的部位，即为褶曲一冀转到另一冀的弯曲部分；转到另一冀的弯曲部分；枢纽：枢纽：褶曲中同一岩层的褶曲中同一岩

25、层的层面与轴面的交线，它可层面与轴面的交线，它可以是水平的、倾斜的或波以是水平的、倾斜的或波状起伏的。状起伏的。脊线：脊线：顶点的连线顶点的连线褶曲的基本类型是背斜褶曲和向斜褶曲。褶曲的基本类型是背斜褶曲和向斜褶曲。背斜在形态上是岩层排列向上呈拱形的弯曲，核部为较老背斜在形态上是岩层排列向上呈拱形的弯曲，核部为较老岩层，外部为较新岩层岩层，外部为较新岩层向斜是岩层排列向下凹陷的弯曲，核部为较新岩层，外部向斜是岩层排列向下凹陷的弯曲，核部为较新岩层，外部为较老岩层。为较老岩层。背斜和向斜在地壳中往往不是孤立存在背斜和向斜在地壳中往往不是孤立存在，大多是连在一，大多是连在一起使岩层呈波浪状。多个褶

26、曲的组合称为褶皱。起使岩层呈波浪状。多个褶曲的组合称为褶皱。确定背斜、向斜的基本原则有二：确定背斜、向斜的基本原则有二：(1)根据两翼产状确定根据两翼产状确定为褶曲岩层；为褶曲岩层；(2)核部两端的岩层一定是对称重复出现；核部两端的岩层一定是对称重复出现；核部为老岩层，两侧为新岩层时应为背斜，反之则为向核部为老岩层，两侧为新岩层时应为背斜，反之则为向斜。斜。 五、断裂构造五、断裂构造 断裂构造是岩石受力作用超过强度极限时岩石所发断裂构造是岩石受力作用超过强度极限时岩石所发生的破裂，同时产生一些破裂面，使岩石丧失了连续完生的破裂，同时产生一些破裂面，使岩石丧失了连续完整性。断裂构造可由地壳内部构

27、造作用力引起，也可由整性。断裂构造可由地壳内部构造作用力引起，也可由地质外营力引起。地质外营力引起。 (一一)裂隙裂隙(节理节理) 裂隙是岩层没有发生显著位移的破裂，也称为节理，裂隙是岩层没有发生显著位移的破裂，也称为节理，它在空间的位置是由产状来表示的。它在空间的位置是由产状来表示的。张裂隙：是岩石受到张应力作用形成的，它常具有张开张裂隙：是岩石受到张应力作用形成的，它常具有张开的裂口；裂隙面粗糙，不平直；大都延伸不远。张裂隙的裂口；裂隙面粗糙，不平直；大都延伸不远。张裂隙常出现在榷曲的核部及脆性岩层中，是储存地下水的良常出现在榷曲的核部及脆性岩层中，是储存地下水的良好场所。好场所。剪裂除：

28、是岩石受剪切应力形成的，裂隙面较光滑且多剪裂除：是岩石受剪切应力形成的，裂隙面较光滑且多呈闭合状；分布较平直，延伸较远；往往交叉成呈闭合状；分布较平直，延伸较远；往往交叉成“x”状状分布。分布。1-横裂隙; 2-斜裂隙;3-纵裂隙; 4-层面裂隙; 5-顺层裂隙 (二二)断层断层 岩层断裂后沿断裂面两侧发生了显著的位移，这种构造岩层断裂后沿断裂面两侧发生了显著的位移，这种构造叫断层。叫断层。断层的分类方法很多，所以有各种不同的类型。根据断层两盘相对位断层的分类方法很多，所以有各种不同的类型。根据断层两盘相对位移的情况，可以分为下面三种移的情况，可以分为下面三种 （1） 正断层正断层（图图1-2

29、2a）上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的）上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层。断层。 正断层一般是由于岩体受到水平张应力及重力作用，正断层一般是由于岩体受到水平张应力及重力作用， 一般规一般规模不大，断层线比较平直，断层面倾角较陡，常大于模不大，断层线比较平直，断层面倾角较陡，常大于45。 （2） 逆断层逆断层（图（图1-22b）上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的）上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的断层。断层。 逆断层一般是由于岩体受到水平方向强烈挤压力的作用。逆断层一般是由于岩体受到水平方向强烈挤压力的作用。 断层面从陡倾角至缓倾角都有。断层面从陡倾角至缓倾角都有。 其中断层面倾角大于其中断层面倾角大于45的称为冲断的称为冲断层；层； 介于介于2545之间的称为逆掩断层（图之间的称为逆掩断层（图1-22d） 小于小于25的称为辗掩断层，逆掩断层和辗掩断层常是规模很大的区域的称为辗掩断层，逆掩断层和辗掩断层常是规模很大的区域性断层。性断层。 （3） 平推断层平推断层（图（图1一一22c）由于岩体受水平扭应力作用，使两盘）由于