普通地质学—地下水及其地质作用

第十三章地下水及其地质作用第一节地下水概述一、地下水的赋存条件地下水：指存在于地表以下松散堆积物或基岩空隙中的水。1、岩石的空隙：地下水储存在岩石空隙中。空隙包括孔隙、裂隙、洞穴。孔隙：岩石颗粒之间的空隙。裂缝：岩石的裂隙。洞穴（溶洞）：可溶性岩石受溶蚀后形成的孔洞。孔隙的数量用孔隙度表示。孔隙度：某一体积岩石或沉积物（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。地下水的分布、储量及运动均受岩石空隙的多少（空隙度）支配。以n表示空隙度，VP表示空隙体积，V表示岩石体积，则n=VP/V。即孔隙度=岩石中孔隙的体积/岩石总体积决定孔隙度大小的主要因素包括：①颗粒的粗细；②分选程度；③颗粒的性状；④胶结程度；2、岩石的透水性透水性：岩石的透水能力。透水性强的岩石，出水量大，反之则小。不透水层（隔水层）：岩石空隙细微，其孔隙数量虽多，水却难以甚至无法透过的岩层。如淤泥和黏土。透水层：岩石空隙粗大并相互连通，水能自由透过的岩层。含水层：透水层中饱含地下水。3、地下水面水井挖掘到某一深度，水自井壁和井底渗出，汇成一个水面。相邻水井的水面构成一个连续的面，即地下水面。包气带：地下水面以上的岩石其空隙被气体充滞，液态水不饱和。饱水带：地下水面以下的岩石其空隙充满水。二、地下水的化学成分地下水通常无色无味，含有多种元素。各种元素在地下水中主要以离子形式存在。这些离子决定了地下水化学成分的基本类型。矿化度：地下水所含各种元素的离子、分子和化合物的含量。根据矿化度的大小，可分为五种类型的水：1、淡水：矿化度小于1g/L；2、弱咸水：1-3；3、咸水：3-10；4、强咸水：10-50；5、卤水：大于50。三、地下水的补给与排泄地下水一方面在流逝排泄，一方面在补充补给。补给：含水层从外界获得水。补给来源：1、大气降水；2、水位高于地下水面的河流与湖泊。排泄：含水层失去水。排泄渠道：1、泉；2、蒸发；3、人工排泄与开采。泉：地下水的天然露头。上升泉：具有压力而向上运动的泉。如喷泉。下降泉：不具有压力、仅受重力驱使而向下运动的泉。地下径流：从补给区向排泄区流动的地下水。第二节地下水的类型一、根据地下水埋藏条件的划分1、包气带水包气带中的水是以气体状态存在的气态水，或是因静电引力而吸附于颗粒、裂痕、溶洞表面的结合水，或是因毛细管作用而存在的毛细管水，以及“过路”重力水。上层滞水：包气带中如有局部隔水层存在，隔水层以上的透水层中的局部蓄水。它能自由流动，可为人们取用，但水量随季节性变化。2、潜水：指地面以下第一个稳定隔水层上面的饱和水。潜水面：潜水层的顶面。即地下水面。潜水层厚度：潜水面和下伏隔水层顶板之间的距离。潜水埋藏深度：潜水面到地面的距离。3、承压水：指充满于上、下两个稳定隔水层间的含水层中的水。承压水因被围限在两个隔水层之间，承受着静水压力。如钻孔打穿隔水层顶板，水便能沿着钻孔上升，甚至喷出地表，称为自流井。从总体看，承压水因含水层的面积较大、水量较丰富、排泄范围有限且动态比较稳定，因而是比较理想的地下水源。二、根据含水层空隙性质的划分1、孔隙水：多呈均匀而连续的层状体分布，构成具有统一水力联系的含水层。2、裂隙水：存在于岩石裂隙中。3、喀斯特水：存在于可溶性岩石的溶蚀裂隙、洞穴、暗河中。第三节地下热水地下热水：温度高的地下水。分为：1、低温热水：20-40℃2、中温热水：40-60℃3、高温热水：60-100℃4、过热水：100℃温泉：地下热水出露地表。地热田：富集有大量地下热水并可供开采利用的地区。第四节地下水的地质作用一、地下水的剥蚀作用及喀斯特1、剥蚀（潜蚀）作用（1）冲刷地下水流分散，流速缓慢，冲刷力微弱。但是长时间的冲刷，也可造成大型空洞并引起地表塌陷。规模较大的洞穴和裂隙中的地下水流速较快，冲刷力较强。黄土最易被地下水冲刷破坏，因为它主要由粉砂组成，颗粒细小而且松散，同时，黄土含有较多碳酸盐类矿物，易被地下水溶解。疏松的钙质砂岩也容易受冲刷破坏。（2）溶蚀地下水中含有CO2，对石灰岩及含碳酸盐类矿物的岩石能起溶蚀作用。其反应式如下：CaCO3＋CO2＋H2OCa2＋＋2HCO3－此处分解而成的钙离子和碳酸氢根离子便随水消失。2、喀斯特主要为地下水（兼有部分地表水），对可溶性岩石进行以化学溶蚀为主、机械冲刷为辅的地质作用以及由这些地质作用所产生的地貌。喀斯特是南斯拉夫西北部沿海一带石灰岩高原的地名，那里发育着各种奇特的石灰岩地形。十九世纪末，南斯拉夫学者司威治对这个地区首先进行了研究，并借用“喀斯特”一词来称呼石灰岩地区的一系列特殊的地貌形成过程和水文现象，至今喀斯特一词已成为世界各国通用的专门术语。3、喀斯特地貌喀斯特作用也称岩溶作用，主要形成以下特征地貌。（1）溶沟和石芽溶沟是石灰岩表面上的沟槽，是地表水流沿可溶性岩石表面进行溶蚀和机械冲刷的结果。沟槽的宽度和深度一般由数厘米到数米，有时更大，其形态各异。沟槽之间凸起的石脊称为石芽。如石芽形态高大，沟坡近于直立，且发育成群，远观之宛如森林，称为石林。（2）峰丛、峰林和孤峰都是正向的喀斯特地貌。其中，峰顶尖锐或圆锥状竞相突出，而基部相连，宏观上似簇状者称为峰丛，它是喀斯特发展较早阶段的地貌。如峰体上部挺立高大，基部仅稍许相连，称为峰林（规模较大的石林）。耸立于喀斯特地区平原上的孤立山峰称为孤峰。（3）落水洞：地表水沿近于垂直的裂隙向下溶蚀而成的直立或陡倾斜的洞穴，下接地下河或溶洞，是地表水转入地下河或溶洞的通道。在两组直立的裂隙交汇处，落水洞最易形成。有时许多落水洞呈串珠状分布。（4）溶斗（漏斗）：是小型洼坑。其平面呈圆形或椭圆形，直径一般由数十米到数百米；深度常为数米或数十米，最深可达400多米。纵剖面形态有碟状、锥状和井状等。（5）干谷和盲谷落水洞如果发育在河床中，它可吸收河水，使其转入地下，把河流截断。落水洞以上有水流的一段河谷继续受河水侵蚀使河床降低，落水洞以下的河谷因断水遂转变成干谷，干谷谷底相对高起。有水的河谷段与高起的干谷相接，河谷就好像进入了死胡同，这种向前没有通路的河谷称为盲谷。（6）溶洞指地下水沿可溶性岩层的构造面（层面、节理面、断裂面等）进行剥蚀，并进一步崩塌扩大形成的洞穴。形成初期，孔隙孔道很小，地下水运动缓慢，以溶蚀为主。空洞扩大后互相串通，水流加强，动能增大，引起冲刷。在水平流动带发育者多呈水平状态。4、影响喀斯特发育的因素（1）气候：雨量及气温关系到水的冲刷以及溶蚀的速度和强度。气候潮湿、降雨量大以及常年气温较高是喀斯特发育的有利因素。（2）岩石性质：物质基础是具有可溶性的岩石。最有利于喀斯特发育的是较纯的石灰岩。（3）地质构造：断裂破碎带、褶皱、岩层产状。（4）水的作用：水的溶蚀能力，水的流动性。（5）构造运动：构造运动的稳定性决定着喀斯特地貌演化的进程。岩溶旋回岩溶地貌也和其他成因的地貌一样，有其发生、发展和消亡的过程，即从幼（青）年期、壮年期发展到老年期，从而完成一个岩溶旋回。1、幼年期：在原始的可溶性岩体面上，岩溶开始发育，地面上以石牙、溶沟和漏斗发育为特征；该时期以垂直岩溶作用为主，地表水系变化不大。2、早壮年期：垂直岩溶作用进一步加强，水平岩溶作用也迅速发展。漏斗、落水洞、溶蚀洼地、干谷、盲谷广泛发育。地下溶洞廊道彼此贯通。这时，大部分的地表水都通过落水洞而被吸入地下。3、晚壮年期：地下岩溶洞穴进一步发展、扩大，洞穴顶板不断坍陷，许多地下河又转为地上河，大量的溶蚀洼地和溶蚀谷地出现。4、老年期：地表水系又广泛发育，岩溶平原与孤峰、残丘组成地貌景观。二、地下水的搬运作用和沉积作用1、搬运作用除溶洞水能有较强的机械搬运能力外，其他地下水主要以真溶液及胶体溶液两种方式进行搬运。搬运物以重碳酸盐为主，有时氧化物、硫酸盐、氢氧化物、二氧化硅、磷酸盐、氧化锰以及氧化铁等也很重要。地下水搬运的成分和数量，取决于渗流区岩石性质和风化程度。地下水的搬运能力，与水温、压力、运移速度、PH值及CO2含量有关。一般说来，温度高、压力大、流速快、CO2和酸类物质含量高时，其搬运能力强；反之，则较弱。2、沉积作用按沉积的方式可分为：（1）机械沉积：地下暗河流到开阔地段时，因流速降低，便将其携带的碎屑物如细砾、砂和黏土等堆积下来。（2）化学沉积：以化学方式搬运的物质所发生的堆积作用。引起化学沉积的主要原因：1）地下水上升，流出地表，或者在洞穴开阔处，水中所含CO2因压力降低而逸出，导致水中碳酸氢钙分解成碳酸钙而沉淀；2）水温降低；3）水分蒸发。按化学沉积的场所可分为：（1）孔隙沉积：松散沉积物孔隙中的沉积。（2）裂隙沉积：在岩石的裂隙中沉积，可形成脉状沉积体。（3）溶洞沉积物：富含碳酸氢钙的地下水，通过化学沉积方式沉淀出碳酸钙，若泉水从洞顶下滴，边滴边沉淀，可形成自洞顶向下垂直生长的石钟乳。石钟乳横切面具有同心环带，中心常是空的。石笋：渗水滴落洞底后，碳酸钙在洞底沉淀并向上生长，形成石笋。石笋横切面具有同心环带及细纹，且是实心。石柱：石钟乳与石笋长大后连成一体。钟乳石：石钟乳、石笋、石柱的合称。（4）温泉沉积：发生在温泉出口处。泉华：沉积物疏松多孔。钙华：钙质的泉华。硅华：硅质的泉华。第五节地下水的开发与利用地下水具有地表水所不及的以下优点：1、分布广泛。在沙漠地区也有可能有地下水。2、就地取用方便。3、地下水水质趋向洁净。4、不易受到污染。矿水：含有某些特定的化学成分，对人体皮肤、人体机能具有一定疗效的地下水。矿泉水：含有对人体健康有益的微量元素，且含量达国家指标，可饮用的地下水。矿水和矿泉水都是具有特殊价值的地下水。