水文地质基础(第十章)

第十章岩溶水第十章岩溶水内容提要与学习目的本章主要介绍岩溶发育的条件和影响因素，岩溶水各方面的特征，岩溶水的富集规律。通过本章教学，使学生在充分理解岩溶发育的基本条件与影响因素的基础上，掌握岩溶发育的基本特征和基本规律；岩溶水埋藏、分布和富集规律、动态特征；了解不同气候条件下岩溶发育及岩溶水的差异。储存和运移于可溶岩层空隙（溶穴）中的地下水称为岩溶水。岩溶水的分布较之孔隙水和裂隙水有更大的不均匀性。*第十章岩溶水第一节岩溶空隙的形成和发育特征岩溶空隙也称溶穴。溶穴就是由岩溶作用形成的各种空隙，包括溶洞、溶蚀裂隙和溶孔等。它们发育在石灰岩、白云岩、大理岩等可溶性岩石中。一、岩溶空隙的类型与特征岩溶空隙按其大小和形态分为溶洞、溶蚀裂隙和溶孔三种。其中以溶洞的导水能力最强，溶蚀裂隙次之，溶孔较弱。1.溶洞溶洞是地下水沿着可溶性岩石的各种不连续面（断层、节理、层面裂隙等），特别是它们的交叉处，进行化学溶蚀与机械侵蚀作用而形成的地下大空洞。*第十章岩溶水位于地下水面以下的溶洞，被地下水完全充满，地下水在其中的运动属于管道流性质；位于地下水位变动带的溶洞，地下水一般只占据溶洞的下半部，地下水在其中的运动属于明渠流性质。随着地下水位的降低，上部的一些溶洞完全暴露在地下水位以上，就成为无水的干洞。2.溶蚀裂隙溶蚀裂隙是被地下水溶蚀扩大了的岩石裂隙。它在某种程度上仍然保持着岩石的裂隙形态，但缝隙已被溶蚀扩大，相互间的连通性大大加强。溶蚀裂隙进一步发展，则成为溶洞。溶蚀裂隙的形成以化学溶蚀作用为主，溶蚀裂隙的规模比溶洞小。但它的连通性仍然很好，导水能力一般比构造裂隙大得多，所以它的含水性也常常是很好的。**第十章岩溶水3.溶孔溶孔是指可溶性岩石中微小的溶蚀孔隙或孔穴。溶孔主要是由地下水的溶蚀作用形成的。溶孔的导水能力比溶洞小得多，也比溶蚀裂隙小。溶孔有针孔状、蜂窝状、网格状等各种形态。二、岩溶发育的基本条件岩溶又称“喀斯特”，它是具有溶解能力的水在不断交替运动中对透水的可溶性岩石进行以溶蚀作用为主，并伴有侵蚀、冲蚀作用的地质现象。可溶岩的存在是岩溶发育的先决条件，岩溶发育必须具备四个基本条件。第十章岩溶水1.岩石的可溶性。即岩石必须是可溶的，因为岩石可溶才可能被溶蚀而发育岩溶。岩石的可溶性主要取决于岩石的成分、岩石结构、可溶岩层与非可溶岩层的组合关系、可溶岩分布范围大小、产状等。2.岩石的透水性。即岩石必须是透水的，因为岩溶的形成以化学溶蚀作用为主，岩石透水才可能给地下水及渗水提供赋存和运动的空间与可溶岩广泛接触，进行溶蚀作用形成岩溶。岩石的透水性主要取决于裂隙的发育程度。在各种裂隙中，构造裂隙对岩溶发育具有控制作用。构造裂隙的方向和密度，控制岩溶发育的方向和程度。**第十章岩溶水3.水的溶蚀性。即水必须是具有侵蚀性的。因为CaCO3+CO2+H2O→Ca2++2HCO3-，正说明侵蚀CO2的存在并参与岩溶发育的溶蚀过程，如果CO2达到平衡状态,则岩溶不再继续发育。这是岩溶发育程度的一个重要条件。此外，水中H+、SO42-的大量存在，使PH值降低，则更促使溶蚀速度加快。水对碳酸盐类的溶蚀能力，主要取决于水中侵蚀性CO2、H+、SO42-的含量。一般它们的含量愈高，水对可溶岩的溶蚀能力愈强，岩溶愈发育。4.水的流动性。即水必须是流动的。因为水流越快,水交替条件越好,不但起到稀释水中的Ca2+、HCO3-浓度的作用,而且不断补充CO2,使岩溶继续发育。水的流动起到稀释水溶液及不断补充CO2的作用，使岩溶继续发育。水的流动是加强岩溶不断发育的必要条件。只有水第十章岩溶水流动的比较迅速，才能使含有侵蚀性CO2的水，源源不断地替换原来的水流，使水对可溶岩的侵蚀作用得以持续的进行，岩溶就能更发育。三、岩溶发育规律地下岩溶的发育主要受岩石性质、地质构造、水文与气候等因素的控制。因此，岩溶发育具有以下几个特征。1.岩溶多沿厚层纯灰岩地层发育

可溶性岩石是岩溶发育的物质基础。岩石的可溶性越强，就越有利于岩溶发育。在各种碳酸盐类岩石分布地区，岩溶主要沿着厚层纯灰岩发育。质纯、厚层、分布面积广的可溶岩，岩溶发育，富水性强。*第十章岩溶水在碳酸盐类岩石中，不溶于酸的物质（粘土、二氧化硅、沥青等）含量越多，岩石的可溶性就越低，岩溶就不易发育。此外，当存在有非可溶性岩石夹层时，对岩溶发育也不利。2.岩溶多沿着构造破碎带发育

构造裂隙的延伸方向常常控制着地下岩溶的发展方向。（1）岩溶沿断层破碎带发育可溶岩层的断层破碎带，特别是张性断层破碎带，地下岩溶特别发育，常发育有地下河或强岩溶带，在断层交叉的部位形成大型溶洞、地下河天窗及地下湖池等。（2）岩溶沿着褶曲轴部发育

可溶岩层褶曲构造的轴部，因为纵张裂隙较多，有利于地下水活动，岩溶发育。地下水易沿着张裂隙溶蚀扩展，形成溶蚀裂隙和溶洞，发展成为强岩溶带或地下河。*第十章岩溶水（3）岩溶沿着层面构造裂隙发育

可溶岩层的层面裂隙也为岩溶发育提供了条件，这些层面构造裂隙是地下水活动的通道，岩溶很容易沿着它们发育起来。在包气带中，由地面下渗的水，顺着层面倾斜方向运移，促使岩溶沿着层面倾斜方向发育。在饱水带中，地下水多沿层面裂隙顺着岩层走向运移，所以溶洞和溶蚀裂隙也顺岩层走向发育。岩溶沿断层破碎带、褶曲轴部、层面构造裂隙发育岩溶，富集岩溶水。**第十章岩溶水3.岩溶多沿着可溶岩层与非可溶层接触带发育碳酸盐类岩石与非可溶性岩层或岩体的接触带，由于地下水流常在这里集中并沿着接触带流动，所以岩溶常沿着可溶岩层与非可溶岩层的接触带发育。在可溶岩与非可溶岩、强可溶岩与弱可溶岩接触部位富集岩溶水。4.岩溶多沿地下水强烈交替带发育

水的溶蚀能力是岩溶发育不可缺少的条件。它的大小主要取决于水中侵蚀性CO2的含量及水交替的程度。近地表处水中CO2较多，水的溶蚀能力较强。地下水只有在不断交替更新的条件下，才能始终保持其较大的溶蚀能力。所以水交替积极的地方，岩溶发育强烈；水交替迟缓的地方，岩溶发育弱；水停滞的地方，岩溶不发育。第十章岩溶水5.硫化矿体氧化带附近岩溶发育硫化矿体易于氧化。硫化矿物氧化后产生大量硫酸根离子，使地下水呈酸性反应，对碳酸盐类岩石有很大的侵蚀性，导致岩溶强烈发育。酸性水不仅使碳酸盐类岩石裂隙迅速溶蚀扩大，而且也使岩石内部产生大量微孔隙，也给岩溶进一步发育创造了有利的条件。然而，由于硫化矿体氧化带的分布并不普遍，所以它对碳酸盐类岩层的岩溶发育影响也是局部的。四、岩溶发育的成层性地壳升降活动对岩溶发育有很大的影响。地壳间歇性升降运动的结果，在大厚度碳酸盐类岩分布区形成多层岩溶带。这就是岩溶分布的成层性特征。**第十章岩溶水五、岩溶发育的地带性岩溶发育特征受自然地理条件，特别是气候条件的影响很大，同时也与区域的地质条件有关。随着这些条件的不同，岩溶发育表现出明显的地带性特征。我国南、北方岩溶也具有不同的特点和发育程度。我国南方的碳酸盐类岩层分布区，地表和地下岩溶均很发育。地表上的岩溶洼地、落水洞、岩溶漏斗、峰林、天生桥、干谷等岩溶现象普遍分布。地下岩溶以溶洞、地下河、地下湖为主，溶洞多而大，常形成地下河系。我国北方岩溶化程度比南方低，地表岩溶不发育，漏斗、溶井、落水洞、溶蚀洼地等现象都很罕见，而以岩溶泉、干谷为主。地下岩溶则以互相连通的溶蚀裂隙为主，发育深度较大。溶洞少而小，常形成岩溶径流带，地下河比较少见。*第十章岩溶水第二节

岩溶水的特征一、岩溶水分布的不均一性岩溶水的不均一性是指岩溶含水系统中不同地段富水的差异性和水力联系的各向异性。1.岩溶水富水性在水平和垂直方向变化大。岩溶强烈发育的块段，其渗透性变化大；而在岩溶不发育地段其渗透性变化不大。导致相距很近的钻孔或泉水其水质、水量有很大的差异。2.岩溶含水层中不同地段，地下水之间水力联系有明显的各向异性。沿着大的溶蚀裂隙及管道的延伸方向水力联系密切，而在其他方向上则联系微弱。*第十章岩溶水二、岩溶水的径流特征岩溶含水系统中多重含水介质并存，导致岩溶水的运动异常复杂多变。1.层流和紊流并存在溶孔、溶蚀裂隙中，地下水缓慢地渗流，水流属于层流状态；而在溶洞、暗河等岩溶管道中，地下水流速大，常处于紊流状态；在介于两者之间的大溶蚀裂隙中则多显示过渡的混合流状态。2.有压流和无压流并存岩溶水的运动往往在有些地段为无压流（有天窗与地表相通，或地下大洞厅没被地下水完全充满时），而在别一些地段又受到孤立管道的束缚，为有压流。*第十章岩溶水

3.统一水流与孤立水流并存由于岩溶发育的不均一性，含水介质之间水力联系程度变化较大，在许多情况下地下水流互相穿过而没有混合，造成水力联系密切的具有统一水位面的水流与个别封闭孤立管道水流并存的现象。4.明流与伏流并存在强烈岩溶化地区，地表河流常常被地下暗河所袭夺而潜入地下；当它在下流动一段距离后，受通道发育条件的限制又流至地表并继续以河流形式流动。在地表的河段为明流，潜入地下流动的地段被称为伏流。这种明流与伏流交替出现的现象许多岩溶区都是十分常见的。*第十章岩溶水三、岩溶水的补给、排泄、动态特征1.岩溶水的补给（1）岩溶水的补给来源：主要有大气降水和地表水的补给，其次是其它含水层中地下水的补给及人工补给。（2）岩溶水的补给方式：一种是沿可溶岩的细小溶蚀裂隙渗入地下；另一种是沿溶井、落水洞等宽大的溶隙直接流入或灌入地下。2.岩溶水的排泄（1）岩溶水排泄的最大特点：以集中大流量的形式排泄（集中地通过一个大泉或大的泉群及地下河出口进行排泄。）(2)岩溶水的排泄方式：以泉或泉群形式排泄、向河流排泄、向其它含水层排泄、人工排泄。*第十章岩溶水3.岩溶水的动态特征对降水的反映敏感性强，水位、流量变化幅度大，但在不同地区，动态变化不同。（1）在裸露型或浅覆盖型潜水区：潜水动态对降水反映迅速，水位、流量变化幅度大，动态曲线呈剑峰状。（2）在埋藏型岩溶承压区：岩溶承压水的动态较稳定，动态曲线一般呈圆滑状，水位、流量曲线的峰谷较降水曲线对应的峰谷迟后一段时间。四、岩溶水的化学特征岩溶水的化学特征与水的补给交替强度密切相关。在补给区受降雨稀释作用，一般矿化度较小；随着向深部或排泄区运动，矿化度不断增大，水化学类型也可能转变为SO4-HCO3-Ca型水。*第十章岩溶水五、岩溶水的埋藏条件分类根据岩溶水的出露和埋藏条件不同，岩溶水可以被划分为下列三种类型：1.裸露型岩溶水岩溶化地层广泛出露于地表，其特点是以潜水为主。岩溶水主要接受大气降水入渗补给，地下水循环交替快，常以泉和地下河形式排泄。动态变化大，化学成分简单，矿化度低。2.覆盖型岩溶水岩溶含水层之上有松散岩层覆盖，根据覆盖层厚度不同，可分为两个亚型。*第十章岩溶水（1）浅覆盖亚型：上覆第四纪系松散沉积物，厚度一般不超过30m。其特点是：赋存潜水，但有承压现象。埋藏受基岩面形态及地貌控制。接受降水、地表水及浅部地下水补给。有类似裸露型岩溶水的径流、排泄及动态特征，但变化幅度较小。（2）深覆盖亚型：上覆第四纪系松散沉积