第八章 地下水的地质作用

第八章地下水的地质作用学习目的：1.熟悉地下水的基本特征。2.理解地下水的剥蚀、搬运与沉积作用的方式。3.学会对岩溶发育条件进行分析。引言

地下水是指存在于地表以下松散堆积物和岩石空隙中的水。地下水也有气态、液态、固态之分。地下水的来源主要是降水、冰雪融水和地面流水，次要来源有大气的凝结水、埋藏水或岩浆水等等。地下水不仅是一种宝贵的水资源，而且也是改造地表的动力之一。第一节地下水的基本特征一.地下水的储存条件地下水在重力、表面张力或热力等的作用下，可以在岩石和堆积物内流动，其流动性能与岩石空隙有关。岩石空隙包括孔隙、节理和洞穴。孔隙指松散堆积物和岩石颗粒之间的空间；洞穴则为出现于易溶岩石内大小、形状、方向均不规则的空洞。岩石空隙的种类

地下水的分布、储量、及运动均由岩石空隙的数量、大小、形状及其连通情况所决定。空隙度是岩石内空隙的体积与总体积之比。空隙连通的岩层，地下水可在其中流动，称为透水层。有的岩层虽有很高的孔隙度但孔隙过小而且连通情况极差，例如粘土层和页岩层，地下水很难在其中流动，称为不透水层或隔水层。透水层如果被地下水所饱和就成为含水层。二.地下水类型与运动

水分子是偶极体,碎屑表面和岩石裂隙壁面带有电荷能吸附一部分水,水膜很薄时不受重力的驱动,相反水分受毛细作用可向上移动,称毛细作用。由这种作用可形成一个水与空气混合的毛细带，称包气带。当水膜增厚，受重力影响能向下流动时，称重力水。重力水向下运移受阻于第一个隔水层，并在其上的透水层中汇聚起来填满空隙形成饱和带，该带的水称为潜水。潜水水层有一个自由表面称为潜水面。

潜水面的高度随季节和降水量大小而变化，在空间上还随地形高低而起伏，只是起伏程度较地形小。潜水面的起伏特性十分重要，它造成水头势能差而产生横向运动。潜水运动的另一个特性是主要发生在潜水上部的潜水面附近，其流动速度也最大，越向深部流速越小。含于石灰岩溶洞或地下管道中的地下水其运动则随通道断面的大小和连通情况而异，有些石灰岩溶洞水量集中，可能成为地下河或称暗河，甚至可能由错综复杂的暗河组成地下水系。潜水面及其与地形的关系

处于两个隔水层中间的水，称层间水。这种水因其具有封闭管道的性质，常具有一定的水头压力，故又称承压水。

承压水具有以下特点：（1）层间含水层在高处出露,以获取水源补给；（2）另一端受到封闭，使水得以存储。层间水在地面低于水头的部位可循自然裂隙或通道，也可循人工开凿的井、孔喷出地表，形成自流井或喷泉。地下水类型与垂直分带三.地下水的温度与成分

通常情况下，地下水的温度接近或低于当地年平均温度，称为冷水。但深层地下水或因局部接近热源的潜水温度常高于当地年平均温度称为热水。地下水出露地表时，叫做泉。据温度可分为冷泉和温泉。地下水的在岩石裂隙或孔隙内运动，可溶解岩石中的某些成分，使地下水中含有多种矿物质，如Br、I、H2S、CO2、F、Rn等，当其流出地表，可形成矿泉。四.地下水是改造地壳表层的一种动力

地下水改造地壳表层的能力是不可忽视的，它依靠自己特殊的运动和内在力量，它能破坏和带走可溶性岩石中的某些成分，促进广泛的岩石循环；同时也塑造出风格迥异的地貌景观。地下水的这种作用主要通过溶蚀完成，我国统称为岩溶作用，国际上统称为喀斯特作用。岩溶作用不仅是溶解过程，同时也包括搬运和沉积过程及其产物。第二节地下水的剥蚀作用

地下水是通过化学和机械两种方式破坏岩石的，在两种方式中尤以化学溶蚀最为典型和重要。一.地下水的溶蚀作用及其产物

地下水中普遍溶有一定数量的CO2、Cl2、SO42-、HNO3以及有机酸等，因而具有较大的溶蚀能力，地下水中所含的CO2及HNO3的溶蚀能力最强，尤其对可溶性岩石具有很的破坏力。所以地下水的剥蚀作用集中的反映在碳酸岩类岩石发育地区，化学反应式如下：CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2CaCO3+2HNO3Ca(NO3)2+H2O+CO2

上述反应能够在常温常压下进行，所以地下水的溶蚀作用随时随地可以发生，化学反应是向右还是向左受控于温度和压力，特别是CO2表现尤为突出，温度升高或压力减小CO2溶解度会降低，反应式向左进行，CaCO3可以从水溶液中沉淀出来；温度降低或压力增大，反应式向右进行，CaCO3被分解为Ca2+及HCO3-，随水被带走。

从地面到潜水面之间，地下水主要是竖直方向的下渗或流动，喀斯特作用主要也是垂直方向上进行。最初，由雨水或片流对碳酸盐类岩石进行差异溶蚀，可形成无数起伏不大的沟纹，称溶纹；进而起伏加大，形成深为数十厘米、甚至数十米的沟槽，称为溶沟；纵横交错的溶沟之间的突出部分，称为石芽；大的石芽发育区，似剑峰矗刺林立，称为石林；溶沟通常是循岩石的节理发育而成的,在适当部位可沿一定通道向地下渗流，可溶蚀成垂向发育的管洞系统，称为落水洞。落水洞可深达潜水面附近。落水洞的地面出口处因片流汇聚剥蚀形成漏斗状，称为溶斗；溶斗大小不等，口宽数米至数百米，一般深度小于宽度，陡坡上满布溶沟和石芽。溶斗发育区，地面呈蜂窝状，使耕地极为缺乏。

大致沿水平方向渗流的潜水，同时也进行着水平方向的溶蚀作用。由于潜水流速以潜水面附近最大，溶蚀作用也最强，因此能在潜水面附近塑造出横向洞穴，称为溶洞。由于岩性、裂隙发育状况及落水洞的连通情况等不同，各处的溶蚀作用有一定的差异，因而形成的溶洞很不规则，经常是窄的管道连接着大厅，在长度方向呈不规则节状，沿着横向的溶洞系统常伴随着地下河的发育。岩溶地形示意图北京房山云水洞平剖面图

溶洞发育程度视潜水面在固定高度上停留时间的长短而定，潜水面保持稳定的时间受该地区地壳运动情况的控制，当一个地区的地壳稳定相当长的一段时期，此时期可形成一个溶洞层，以后如发生上升运动，然后又稳定一段时间，这时由于河流下切，潜水面下降至另一个水平面上稳定下来，可溶蚀出一个新的溶洞层，上面一层溶洞系统沦为干洞层。这种多层溶洞的发育规模、形式以及洞层之间的距离等特征，记录了这个地区地壳阶段性的上升和相对稳定期的历史，是地质学调研的珍贵资料。随着落水洞和溶洞的扩大和发展（特别是地下的溶洞），将引起溶洞顶层规模不等的岩溶塌陷，陷落部分形成塌陷溶斗，当其继续扩大，底部被泥沙填平形成大型洼地时称溶蚀洼地。洼地常呈串珠状连接构成大型溶蚀谷。洼地和谷地是喀斯特发育地区最珍贵的土地，因为只有这里才是唯一的可耕之所。洼地和谷地之间是残留下来的溶蚀残丘、残峰或残