水文地质学课件ppt版 学思交流董红志

学思交流223办公室：董红志翻译：地下水作为地质营力的论证——原理、演化、表征综述作者:约瑟夫·托特水文地质学杂志（1999）7:1-14研究发展史地下水作为地质作用的研究始于20世纪60、70年代；60年代初期，人们致力于研究小型盆地中的重力流系统，研究表明地形控制了水流的范围和流动形式，地下水在特定小盆地内的流动形式具有可预见性，不用的径流系统造就的自然现象千差万别；60年代末期到70年代初期，人们开始研究大型盆地水流系统的研究，研究成果如下：A.岩石格架间的液压连续性有利于大型交错地下径流系统的形成；B.时间的作用滞后于流动模式；C.能源物质可能有多种形式的径流系统所携带。D.尽管在很多方面与小盆地不同，大型盆地内的广泛地质现象依然与径流系统休戚相关。两个根本原因三个作用过程六种表现形式文章概要：两个根本原因（一）地下水能够与其周边环境发生相互作用（二）径流系统具有系统化、空间化分布的特点

地下水和周边环境发生相互作用的能力所衍生出的四项能力：（1）聚集、贮存物质和能量（2）运输物质和能量（3）对岩石格架间的不整合面进行润滑（4）形成一定的空隙压力，并对其进行调节。系统化的径流好比是一条传送带源区——调配和装载中间——物质和能量环境相对稳定终端——物质或能量沉积重力流系统在潜水域的影响和表现形式（据托特1980年图10，略有修改）图示左侧显示的是一个理想化的单一径流盆地，右侧是复杂地形内的区域性径流；径流系统不论其位置如何都有源头区、补给区和承压区；（1）在从补给区流向排泄区的过程中，流体静力分别表现为高于、等于、低于正常的水头压力。（2）在补给区，地表水和土壤水分相对较少（负水平衡），在排泄区出现水盈（正水平衡）现象，可能形成湿地；将上述情况与盆地的水平衡均值进行对比，可知只有降水和蒸腾能导致该现象；（3）随着径流系统的延伸和深度的增加，水中的阴离子相带发生系统化的变化，从HCO3到SO4再到CL；（4）在汇集区内由于化学淋滤作用，土壤和近地表岩石内的化学成分降低，但径流系统终点处的含盐量却不断的增加，这可能是土壤盐渍化或商业盐矿形成的原因；图示说明：（5）在湿地环境中若盐度密集则形成盐水沼泽；（6）地温及低温梯度，在上升流中表现为正异常，在下降流中表现为负异常；（7）近地表环境下的补给区表现为氧化条件，排泄区表现为还原条件；（8）由于径流系统中地下水的流入和流出所携带的养分和水质存在差别，所以相应的植被类型和植被覆盖的质量存在显著不同；（9）排泄区内，由于土壤和岩石机制的脆性加剧（如水土流失、滑塌、土体移动、山体滑坡）有可能发展成为主要的特征地貌，如冲沟和曲河流；（10）运移矿物如金属离子（铀、硫化物），碳氢化合物以及人为污染物的积累主要集中在水流汇集成流区域（液压圈闭）或在与流动性的混溶流体（石油、天然气）相关的最低流体势区，如：晶粒边界或吸附性矿物的岩石内部。三个作用过程（1）化学相互作用（2）物理相互作用（3）动力相互作用(一)化学相互作用溶解：是地下水化学作用中最有效也是最普遍的一种，及影响固体又影响气体；地下水溶解气体的典型区域——土层、包气带及油气聚集区；与地下水相互作用较为频繁的气体：N2、Ar、O2、H2、He、CO2、NH3、CH4、H2S；气体的溶解是水呈现出弱酸性，即化学腐蚀性；溶解量取决于矿物质本身的溶解度、溶液所很的离子量及温度和压力等因素；最易溶解的岩石包括：石灰岩（CaCO3）、白云岩（CaMgCO3）、石膏（CaSO4）、钠盐（NaCL）、钾盐（KCL）,是水中离子的主要来源；硅酸盐类和其他难容物质的溶解为水体提供微量元素。水化：是指水分子渗透到矿物的格架之中或水分子吸附在溶解的离子之上，是矿物质风化的第一步；水解：是指任何物质与水发生的反应（一种离子物质与水结合产生氢离子或氢氧根的过程），直接影响了水溶液的酸碱度；氧化还原：是指电子从以个原子转移到另一个原子的化学反应，主要改变水质在包气带中尤为重要；化学沉淀：离子与岩石格架间的其他离子发生反应，温度和压力改变，与氧气接触后物质成分改变溶解度降低等，都可能成为沉淀的原因。离子交换：离子交换能力最强的物质是粘土矿物，如：高岭土、蒙脱石、伊利石、绿泥石、蛭石、沸石、氧化铁和有机质等各种化学反应都会在一定程度上影响地下水的矿化度（TDS）,与此同时矿化度还受到降水量、蒸发量以及矿物质本身的溶解度的影响（二）物理相互作用对岩石格架间的不整合面进行润滑，减小摩擦；改变空隙压力（三）动力相互作用水及非水物质的运输和加热流动的地下水和岩石格架间的热交换律可以用Pe数来表示：在这个公式中，Pe<1时由于水流缓慢，热散失将占据主导地位，水及岩石间的温差最终达到平衡；相反，如果Pe>1代表平流，即移动的地下水携带的热量，将打破平衡，最终产生一定的温差且保持稳定。这一作用将在高渗透性的不连续中得到强化，诸如：断层、断裂带、溶洞以及溶解性的凹槽，这些被认为是形成温泉、水热矿物沉积、及其他形式地热能源的主要因素。六种表现形式（1）水文和水力学特征（2）化学和矿物现象（3）植被特征（4）土壤和岩石机制（5）地貌（6）运输与积累（1）水文水力特征径流系统在垂直方向上的组分和潜水带的深度变化（水位的年波动量）；水流在正地貌形态特征中向下流动，然而在地形洼地下方水流通常向上涌；与排泄区相比补给区的水位更低且水位的年变化量更高与承压区相比，补给区的土壤湿度条件较差，排泄区的土壤湿度条件较好；（2）化学和矿物现象沿水流方向，随着深度的加深矿化度（TDS）逐渐增大；地下水的盐相改变，从完全的硫化有机碳化物改变为完全的氯化物；二氧化碳和自由氧的溶解量减少；氧化还原环境改变，从氧化环境转变为还原环境；酸碱性改变，由酸性变为碱性；在补给区矿物质的溶解和析出占主导地位，在排泄区矿物质的沉淀和积累占主导地位；（3）植被特征一个地方的土壤湿度和盐碱度直接决定了该地的植被覆盖情况，而土壤湿度和盐碱度受到当地地下水的影响，因此植被覆盖或直接或间接的受到了地下水的影响。植被的种类和数量对地下水的状况非常敏感，由于每个地方的土壤湿度和酸碱度（以及天气）不同，每个地方都有其代表性的草本和木本植物。在土壤湿度相对较低的补给区植被类型取决于土壤湿度，在排泄区则情况相反。几种能反应极端干旱、中性、潮湿环境的植被分别被称为：旱生植物、中生植物和喜水植物，耐盐性植物被称为盐生植物。（4）土壤和岩石机制地下水地质作用的土壤和岩石机制的表现形式包括软土湿度弱化、沙土液化、泥石流和山体滑坡。水流引起的孔隙水压力的增加减低了土壤颗粒间的有效应力，然而相对较高的水位加强了土壤颗粒间的润滑。这两个作用综合作用的结果是土壤剪切强度变弱，土壤脆性增加水土流失加剧。（5）地貌地下水活动造就的地貌形态既有显著的也有隐约的。在石灰岩、石膏岩、盐岩由于地下水的长期