水文学第8章-水文地质基础

第8章水文地质基础1.地球的形状1975年，国际大地测量和地球物理协会公布的地球形状数据为：赤道半径：6378.160km两级半径：6356.755km平均半径：6371.017km§8-1地球概述地球的物质具有一定的塑性。在地球自转离心力作用下，地球物质从两极向赤道缓慢移动。地球内部的可塑性物质存在大范围的物质对流，地球是一个不完全对称梨状球体，而不是完全对称的旋转椭球体。2.地球表面形态特征地球表面分为大陆和海洋两部分。海洋占地球面积的70.8%。海底平均深度3.9km.最深的海沟是马里亚纳海沟，深度11.022km.海底的山脉称为海岭。比较高的海岭称为洋脊。海底中的长条形洼地称为海槽。较深的海槽称为海沟。海沟的深度普遍超过6000m。海底比较平坦的地方称为大洋盆地，它占海底面积的45%。海洋靠近大陆的浅海海底称为大陆边缘。大陆边缘的面积占海洋总面积的15.3%。大陆边缘包括大陆架、大陆坡和大陆基。大陆架是大陆岸边附近的浅水台地，平均水深50~70m。大陆架外侧的海底斜坡称为大陆坡，大陆坡与大洋盆地的过渡地带称为大陆基。3.地球的内部构造揭示地球内部构造的方法：地震波分析法，测量地震波在地球不同深处的传播速度，就可以推算出地球内部物质的密度。地球的构造可分为地壳、地幔、地核三个部分。地壳：地球表面部分，由岩石组成。地壳厚度与地球半径比为1/400。大洋地壳厚度约5~10km，大陆的地壳厚度约35km。地壳分上、下两层。上层为花岗岩，是富含硅铝的岩浆岩。下层为玄武岩，是富含铁镁的岩浆岩。地幔：地幔的厚度约2800km。分为上地幔和下地幔两层。上地幔厚度约900km。由超基性岩组成。密度为3500kg/m3。温度1200~2000℃。压力达0.4GPa（4000个大气压）。下地幔厚度1900km。主要成分为硅酸盐、金属氧化物和硫化物。密度为5100kg/m3。温度2000~2700℃。压力达150GPa（150万个大气压）。地核：半径3470km的球体。分内核、过渡层和外核。主要成分为含铁、镍成分的熔融液体和固体。密度为13000kg/m3。温度3500~4000℃。压力达360GPa（360万个大气压）。岩石圈和软流圈的概念：在上地幔厚度900km的范围内，还可以分为三层。上层100km的范围是高温高压高密度的固体的基岩固体，称为上地幔岩石圈，它与地壳组成地球的外表壳体。地幔上层的下方是软基层，其厚度为300km，由接近熔融的软性岩石组成，称为地幔的软流圈。其下方是上地幔的下层，厚度约500km。地球板块理论地质学家认为，地壳分为六大板块：欧亚板块、太平洋板块、美洲按快、印度澳洲板块和南极板块。板块漂移理论1881年，英国费希尔认为地幔的熔融岩石存在热对流现象。20世纪30年代英国地质学家霍姆斯用地幔热对流来解析板块漂流的机理。1968年，法国法国地质学家勒皮雄与麦肯齐、摩根等人提出的一种完整的大陆漂移学说，他们认为六大板块各以特定的方向在地幔上作水平移动，从而产生各种地质构造现象。4.地球的内力地质作用在地球内部能源动力的驱动下，地表形状发生变化，岩石圈的成分和构造也发生变化。地球内的这种作用称为内力地质作用。包括地壳运动、岩浆作用、变质作用和地震作用。地壳运动包括水平运动和升降运动。水平运动引起岩石圈的挤压，形成褶皱山脉和裂谷。升降运动引起地球表面大面积的上升和沉降，形成大型的隆起和凹陷。岩浆运动是地下岩浆在巨大的压力下，沿着构造软弱带或大裂隙上升，最后冷凝成火成岩。变质作用是地壳岩石在各种地质条件和物理化学条件下发生成分和结构的改变，形成所谓变质岩。地震作用是大地的快速颤动或震动。其成因是地球板块的互相挤压，使得地层沿断层发生快速错动、断裂。5.地球的外力地质作用地球外部的能源动力所引起的地址作用称为外力地质作用，包括风化作用和地表水的冲刷及搬运作用。§8.2地壳的岩石地表岩石可分为岩浆岩（火成岩）、沉积岩、变质岩三大类。在地面上，沉积岩分布最广，约占陆地表面积的75%。岩浆岩和变质岩约占25%。而地下20km深处，沉积岩仅占5%，沿江沿河变质岩占95%。主要岩石特征表序号矿物硬度形状颜色1滑石1片状、块状白、灰2高岭土1~1.5块状白3石膏2板状白4云母2.5~3片状白、黑5方解石3菱柱形白6褐铁矿5块状褐色7辉石6柱状白序号矿物硬度形状颜色8赤铁矿6块状砖红色9正长石6柱状白10斜长石6.5柱状白11橄榄石7粒状橄榄绿12石英7块状无色1.岩浆岩（火成岩）岩浆岩的主要物质成分：SiO2，Al2O3，Fe2O3

，FeO，MgO，CaO，K2O。岩浆岩的主要矿物成分：石英、长石、辉石、云母等。常见的岩浆岩：花岗岩，呈肉色，风化后呈黄色。花岗斑岩，其斑晶由石英、长石构成。正长石，微红色或浅黄色。玄武岩，呈黑色、褐色或深灰色。2.沉积岩沉积岩是地表岩石遭受外力地质作用进过风化、流水搬运、海洋沉积和硬化固结而形成的岩层。沉积岩的结构：碎屑结构、泥质结构、结晶状结构。沉积岩的分类：碎屑岩，粘土岩、生物化学岩砾。地下水主要储存于沉积岩中。主要沉积岩分类表类型名称结构成分碎屑岩砾岩砾状（粒径>2mm）石英角砾岩砾状（粒径>2mm）成分复杂砂岩砂状（粒径0.05~2mm）石英长石粉砂岩砂状（粒径0.005~0.05mm）石英粘土岩泥岩泥质（粒径<0.005mm）粘土矿物页岩粘土矿物生物化学岩石灰岩隐晶状方解石白云岩结晶粒状白云石泥灰岩微粒状或泥质方解石白云石3.变质岩由于发生地壳运动和岩浆运动，造成高温高压条件，使得地壳中原已形成的火成岩、沉积岩的成分、结构和构造发生变化，形成新种类的岩石，称为变质岩。常见的变质岩：板岩：由页岩变质而成，深灰色。片岩：具有片状结构，由云母、石英组成。石英岩：由石英砂岩和硅质岩变质而成，质地坚硬，呈白色。主要变质岩分类表名称构造矿物成分片麻岩片麻状主要为长石和石英。还有云母、辉石片岩片状云母、绿泥石、滑石、角闪石千枚岩千枚状粘土矿物、云母、绿泥石板岩板状云母、绿泥石大理岩块状方解石、云母石石英岩块状石英。含少量云母、长石碎裂岩块状由原岩的碎屑和矿物碎屑组成§8.3地质年代地质年代是指地层形成的的年代。1.地质年代的确定方法有绝对年代法和相对年代法。绝对年代法使用C14同位素的衰变规律确定岩层形成倒现在的实际年数。用放射性元素测得格陵兰西南部的片麻叶沿具有40多一年的历史。地球的历史有46亿年。相对年代法是用岩石标本比对法确定岩层的形成年代。同一年代的地质条件基本相同，所形成的沉积岩的成分、结构相同，而且保存着那个年代特有的古生物化石。将这种具有年代特征的岩石用作标本，采用比对法就可以确定某种岩层形成的年代。2.地质年代表地质年代分为5个代：新生代、中生代、古生代、元古代、太古代。代以下分纪，纪以下分世。共有12纪，32世。较新的世延续约10~30万年。较故的世延续约150~200万年。按从今到古的排列，有如下的地质年代表地质年代表代纪世绝对年代百万年我国地史

新

生

代Kz第四纪Q全新世Q4晚更新世Q3中更新世Q2早更新世Q12现代地貌形成，近代松散堆积物、黄土形成，人类出现第三纪R上新世N2中新世N125我国大陆基本形成，台湾岛、喜马拉雅山形成。哺乳动物、被子植物繁盛渐新世E3始新世E2古新世E170代纪世绝对年代百万年我国地史中生代Mz白垩纪K晚白垩纪K2早白垩纪K1135大爬虫灭亡哺乳动物出现侏罗纪J晚侏罗纪J3中侏罗纪J2早侏罗纪J1180我国东部造山运动激烈，恐龙繁盛，我国大部分已上升为陆地。三叠纪T晚三叠纪T3中三叠纪T2早三叠纪T1225恐龙发育，华北为陆相，华南为浅海。代纪世绝对年代百万年我国地史古生代Pz晚古生代Pz1二迭纪P晚二迭纪P2早二迭纪P1270哺乳动物出现，华北为陆地，华南为浅海。石炭纪C晚石炭纪C3中石炭纪C2早石炭纪C1350两栖动物繁茂，华北时海时陆，华南为浅海。泥盆纪D晚泥盆纪D3中泥盆纪D2早泥盆纪D1400华北为陆相沉积，华南为浅海。鱼类繁茂。代纪世绝对年代百万年我国地史古生代Pz早古生代Pz2志留纪S晚志留纪S3中志留纪S2早二叠纪S1440陆地生物出现，华北为陆地，华南为浅海。奥陶纪O晚奥陶纪O3中奥陶纪O2早奥陶纪C1500华北逐渐上升为陆地，华南仍为浅海。寒武纪Є晚寒武纪Є3中寒武纪Є2早寒武纪Є1600我国大部分为海相沉积。生物初步发展。代纪世绝对年代百万年我国地史远古代Pt震旦纪Z晚震旦纪Z2早震旦纪Z1800藻类出现，造山运动强烈。华北为未变质岩的海相岩。滹沱纪2500太古代Ar4000太古构造运动频繁。岩浆活动强烈。侵入岩分布广。地球最初发育阶段4600地壳运动强烈§8.4地质构造地质构造：在地球外力的作用下，地壳不停地作水平运动和升降运动，形成了不同的构造形状，如褶皱、断裂等，这些构造形状称为地质构造。1.岩层及其产状岩层产状：岩层的层面的延伸方向机倾斜角度。产状三要素：走向、倾倾角。作一水平面与岩层相交，交线为走向线。对于交线上任一点分别在水平面上合眼层面上作交线的垂直线。在水平面上的垂线称为倾向线，在岩层面上的垂线称为倾斜线。走向：走向线所指示的方向。倾向：倾向线所指示的方向。倾角：倾向线与倾斜线的夹角。倾向倾角的表示法象限法：走向、倾角、倾向三要素用象限法表示。以北或南为零度。N30°E∠27°SE：走向为北偏东30°，倾角为27°，倾向为南偏东。方位角法：倾向、倾角用方位角表示，以北为零度，顺时钟方向测量角度。215°∠32°：倾向为215°，倾角为32°。在地质图上，用符号表示岩层的产状。倾斜岩层平面与坡面交线的特征倾斜岩层平面与坡面交线的特征2.褶皱构造褶皱：岩层受到地球内力作用，局部发生隆起或凹陷，地层发生的弯曲变形，称为褶皱。褶皱的两种基本型态：背斜褶皱和向斜褶皱。背斜褶皱的特征：岩层隆起，在地面上，中心部分岩层年代比较古老，两侧岩层年代依次变新。向斜褶皱的特征：岩层凹陷，在地面上，中心部分岩层年代比较新，两侧岩层年代依次变老。3.断裂构造岩体受到地球内部应力作用而发生的岩层断裂或错动，称为断裂构造。断裂构造分两类：节理和断层。节理：岩体发生较小的位移和错动。断层：岩体发生较大的位移和错动。褶皱、断层的地质符号§8.5地质图地质图的阅读和分析方法：1.查看图名和比例尺。2.阅读图例。3.分析地形地貌，内容：山川形势，相对高差，地形起伏，地貌特征。4.分析岩层，包括：岩层年代，岩层分布及产状。5.分析地质构造，内容：褶皱，断层。读地质图1.地质图比例尺1：10000。覆盖黑山寨地区面积1.2km×1.4km≈1.7km2。2.地形地貌本地区西北高，最高处高程约560m。东南部低，最低处高程约120m。地势从北向南倾斜。东部有个小山，高程300m。3.岩层本区岩层从新到老有：新生代第三纪R，中生代白垩纪K，中生代三叠纪，晚T3，中T2

，早T1

。晚古生代的石炭纪，中C2

，早C1

。泥盆纪，晚D3，中D2

，早D1

。4.地质构造西北部的第三纪岩层R为水平层。白垩纪岩层K和三叠纪岩层T产状为330°∠35°。可能为向斜褶皱。西南部有向斜褶皱，中心为C2

，北翼为C1

，产状为170°∠34°。南翼依次有C1

，D3，D2

。南部有一个向斜褶皱，其构造与西南部的向斜褶皱结构相同，应属同一褶皱。中心为C2

，北翼为C1

，产状为180°∠32°。南翼依次有C1

，D3，D2

。产状为350°∠58°。显然是断层F1将此褶皱错开了。南部还有一个背斜褶皱，中心岩层为D2

，两侧为D3。东北部有背斜褶皱，中心处岩层为D1

，其南翼岩层D2，D3

，C1

的产状为160°∠33°。北翼岩层有D3，D2

，D1

，产状为330°∠35°。东南部有背斜褶皱，中心处岩层为D1

，其北翼岩层D2的产状为350°∠56°。南翼岩层有D2

，D3，C1

的产状为180°∠50°。本区褶皱发生在早石炭纪之后，早三叠纪之前。本区有两条大断层F1和F3

。此外还有两条小断层F2和F4

。宁陆河地区地形地质图宁陆河地区地形图宁陆河地区地质图宁陆河地形地质图1.本图表示宁陆河地区4.5km×2.5km范围的地形、地质。2.宁陆河自西北流入东南。河的两岸为高山。北部的二龙山，东西走向，海拔824m。比河谷高出约500m。西南部的扁担峰和东部的红石岭，均为南北走向，海拔约为700m。南部的白云山海拔600m。十里沟位于宁陆河谷，海拔约为400m。3.本区出露的岩层，多为南北走向。自西向东的岩层依次为：P，D3，S，D3

，P，T1-2，P，D3

。河谷地区地表覆盖第四纪松散沉积层。由于有大断层F3

，因此，南北的岩层分布发生错开。4.本区有三个褶皱构造。十里沟褶皱，白玉山褶皱和红石岭褶皱。5.十里沟褶皱的轴部在十里沟附近，为背斜褶皱，岩层自西向东的分布次序为P，D3，S，D3

，P。受大断层F3的影响，十里沟褶皱轴部向北偏移至宁陆河的北端河谷。6.白云山褶皱为向斜褶皱，其轴部从白云山向北延伸至二龙山。岩层自西向东的分布次序为D3，P，T1-2，P，D3。7.红石岭有向斜褶皱，岩层自西向东的分布次序为J，K，J。红石岭褶皱形成于白垩纪后期，其地质年代晚于十里沟褶皱和白云山褶皱。8.区内由三条断层。F1为东西走向。绿辉石熔岩沿着断裂层侵入二叠纪P和三叠纪T1-2岩层。绿辉石火成岩形成的地质年代，应在三叠纪T1-2之后，侏罗纪J之前。9.断层F2呈南北走向。形成于二叠纪P以后。10.断层F3是本区的最大断层。呈东西走向。形成于三叠纪T1-2之后，侏罗纪J之前。§8.6地下水基础知识1.岩层的孔隙率各类岩层内部存在的大小不等、形状各异的空隙，称为岩层的孔隙。孔隙是地下水能够储存的空间。松散岩层由大小不等的颗粒组成。颗粒与颗粒之间的空间就是孔隙。孔隙体积与岩层总体积的比值称为孔隙率。常见沉积岩层的孔隙率沉积岩孔径，mm孔隙率，%砾石>230~40粗砂2~0.240~50细砂0.2~0.0230~50粉土0.02~0.00240~50粘土<0.00245~55坚硬岩石的颗粒致密，但存在裂缝。坚硬岩石的裂缝空隙称为裂隙。裂隙体积与岩体体积的比值称为裂隙率。岩石裂隙率%岩石裂隙率%砂岩3~15玄武岩0.5~1.5片麻岩1.5~2.4正长岩0.5~2.5玢岩0.5~7.5花岗岩0.05~2.02.含水层以及地下水的分类含水层是能够渗透并能储存重力水的岩层。构成含水层的三个条件：岩层孔隙良好，有隔水层，有水源补给。隔水层是不能渗透不能储存重力水的岩层。岩层孔隙率越大，储存地下水的能力就越强。隔水层是地下水能够储存在某处的必备条件。垂直方向的地下深处总是有不透水的基岩存在的。因此，要构成含水层，还必须有阻隔地下水沿水平方向流动的隔水层。按照多孔介质含水层的构造特点，将地下水分成三种：孔隙水、裂隙水、岩溶水。按照地下水是否与大气相通，将地下水分成潜水、承压水。3.潜水潜水是指具有（通过孔隙）与地表和大气相通的自由表面的地下水。地下水的自由表面称为潜水面。一个区域的潜水面的形状用潜水面等高线表示。一个断面的潜水面的形状用潜水面剖面图表示。潜水面的形状基本上与地形倾斜程度一致，但比地形平缓。潜水面水位图的判读判读内容：(1)流向：地下水的流向就是潜水面等高线法线方向(2)地下水单宽流量砂砾土的渗透系数k=8×10-6m/s。A-A’断面上的地下水单宽流量的计算式为：(3)地下水面埋深点号水面埋深B8m-4.5m=3.5mC14.8m-13.5m=1.3mD25m-17m=8m4.承压水充满于两个隔水层之间的含水层的地下水称为承压水。承压含水层上部的不透水岩层称为隔水顶板，下部的不透水岩层称为隔水底板。承压水的特点：静压水头线高于顶板。水流从高压区流向低压区。承压地下水的特点用等压线描述。蓝奥地区水文地质图1.地面地形蓝奥地区是个盆地地形，最低处高程115m，在东、西、北方向地势逐渐抬高。东北处最高