9第十一章地下水的地质作用

普通地质学主讲人：陶晓风成都理工大学地质教研室第十一章地下水的地质作用地下水的运动特征地下水的地质作用地下水指存在于地表以下松散堆积物或基岩空隙中的水地下水长期在地下运动，可从岩石中获得大量可溶性的物质成分，使之成为成分复杂的溶液。地下水中含大量的离子、分子和化合物，其矿化度高。地下水中常见的气体成分：O2、N2、CO2及H2S.地下水中还含有大量的胶体物质：Fe(OH)3、Al(OH)3、SiO2及以胶体形式存在的有机质地下水的化学特征第一节地下水的运动特征地下水运动的条件空隙度指一定体积岩石中空隙体积所占的比例。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。第一节地下水的运动特征地下水运动的条件透水性岩石被水透过的性能。空隙较大，且相互连通的岩石，地下水可以在岩石中流动。有些岩石虽有很高空隙度，但空隙不连通的岩石和空隙过小，且连通性不好的粘土和泥岩，地下水也很难在其中流动。能透水的岩层称透水层。洞隙大，且相互连通的石灰岩和白云岩以及孔隙大的砾石层和沙层是良好的透水层。岩石阻挡水通过的性质称隔水性。具隔水性的岩层称隔水层。粘土岩、粉砂质泥岩及节理不发育的岩浆岩和块状变质岩可视为隔水层。第一节地下水的运动特征地下水的来源（1）地表水的入渗。地表的雨水，冰雪融化的水，河流及湖泊中的水均可渗入地下而成为地下水。这是地下水的最主要来源；（2）大气中的水汽可凝结进入岩石孔隙中。在一些干旱地区，夜间因气温降幅较大，大气中水的凝结也成为地下水的补充。（3）古埋藏水。古代的海洋、湖泊中的沉积物因埋深在特殊情况下可封存了其中所含的部分水体。（4）其它还有如岩浆中分异出的地下水，矿物结晶水中分离出来的地下水等。第一节地下水的运动特征地下水的赋存及运动地下水在岩层中的赋存形式可以是气态，液态和固态的，其中以液态为主。在地下的赋存自上而下分为包气带和饱水带：包气带水贴近地表的气态水、土壤颗粒水吸附毛细水分子。这些水虽可连结起来成为液体，但因是充填在细微的孔隙中而不能自由运动。第一节地下水的运动特征地下水的赋存及运动地下水在岩层中的赋存形式可以是气态，液态和固态的，其中以液态为主。在地下的赋存自上而下分为包气带和饱水带：饱水带：入渗的大气降水在到达地下一定深度后，可汇聚起来，特别是遇到区域不透水层的阻碍，便可形成地下水的饱和带，即饱水带。在第一个区域不透水层之上，饱水带中的地下水称潜水。此水层的水面称为潜水面。潜水面与地表面的形态具有相似性。第一节地下水的运动特征地下水的赋存及运动地下水在岩层中的赋存形式可以是气态，液态和固态的，其中以液态为主。在地下的赋存自上而下分为包气带和饱水带：承压水(层间水)是指埋藏在两个隔水层之间的透水层中的地下水。它的运动受到上下隔水层的约束和水压的作用。打井穿过上面的隔水层时，承压水就可向上涌出来。自流井第一节地下水的运动特征地下水的赋存及运动地下水在岩层中的赋存形式可以是气态，液态和固态的，其中以液态为主。在地下的赋存自上而下分为包气带和饱水带：饱水带：入渗的大气降水在到达地下一定深度后，可汇聚起来，特别是遇到区域不透水层的阻碍，便可形成地下水的饱和带，即饱水带。在第一个区域不透水层之上，饱水带中的地下水称潜水。此水层的水面称为潜水面。潜水面与地表面的形态具有相似性。第一节地下水的运动特征按地下水的运动方式可分为：毛细水（结合水）在毛细作用下运动的水。岩石颗粒表面和空隙壁面在静电吸引作用下，会吸附水分子。这类水束缚于颗粒表面及空隙壁面，不能在自身重力作用下运动。而且还可逆重力而运动（毛细运动）。重力水在自身重力作用下产生运动的水。在岩石和松散物质的空隙中，重力水在重力作用下产生运动称渗流(渗透)。第一节地下水的运动特征三类地下水的运动方向Ⅰ.包气带中的重力水从地表向下作垂向运动，毛细水逆重力向上运动，气态水很难运动。Ⅱ.潜水作近水平方向运动。从高处向低处流，从分水岭向谷底流，最后流入河流、湖泊、海洋，或以喷泉的形式出露地表。Ⅲ.承压水从压力高处向压力低处运动。第二节地下水的地质作用地下水在岩石孔隙、裂缝中流动十分缓慢，动能较小，故而机械作用十分微弱。但内于地下水与岩石、矿物的接触时间长，加之溶有一定量的酸类物质(如H2CO3、H2SO4及有机酸)，对地下岩石、矿物具有强烈的溶解作用。就整个地下水的地质作用而言，以化学作用为主。第二节地下水的地质作用地下水的机械地质作用地下水机械地质作用在松散堆积层孔隙中作用明显，把细粒物质，如粘土颗粒，粉砂冲刷掉的作用叫机械潜蚀作用。长期的机械潜蚀作用可使堆积层变得更疏松，孔隙扩大，甚至形成大的孔洞。大的洞穴或裂隙的地区，地下水流动常形成暗河，暗河中的水流具有流量大，流速快的特点，其对洞穴或裂隙的侵蚀作用第二节地下水的地质作用地下水的机械地质作用机械搬运和沉积作用微弱，仅在地下河中可见较明显的机械搬运和沉积作用。第二节地下水的地质作用地下水的化学地质作用－喀斯特作用喀斯特：指水流（主要指地下水）与可溶性岩石相互作用的过程及其所产生的各地质、地貌现象的总称。基本条件：喀斯特发育首先应具备具有溶蚀性水和具有可溶性岩石。可溶性岩石：包括卤化物类岩石(食盐、钾盐、镁盐等)，硫酸盐类岩石(石膏、芒硝等)及碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩、大理岩等)。第二节地下水的地质作用喀斯特作用（溶蚀作用、潜蚀作用）在包气带，地下水在可溶性岩石的裂缝中向下渗流，使裂缝不断加深加宽，形成石芽，石芽不断升高。在岩石成分较纯、岩层巨厚、岩层倾角平缓的可溶性岩石地区，石芽可高达几十米，远望宛如树林，称为石林。石芽第二节地下水的地质作用喀斯特作用（溶蚀作用、潜蚀作用）在包气带，地下水在可溶性岩石的裂缝中向下渗流，使裂缝不断加深加宽，形成石芽，石芽不断升高。在岩石成分较纯、岩层巨厚、岩层倾角平缓的可溶性岩石地区，石芽可高达几十米，远望宛如树林，称为石林。石林云南石林第二节地下水的地质作用喀斯特作用（溶蚀作用、潜蚀作用）在包气带，地下水在可溶性岩石的裂缝中向下渗流，使裂缝不断加深加宽，石芽不断升高。在岩石成分较纯、岩层巨厚、岩层倾角平缓的可溶性岩石地区，石芽可高达几十米，远望宛如树林，称为石林。规模较大者称为峰林。峰林峰林的形成第二节地下水的地质作用喀斯特作用（溶蚀作用、潜蚀作用）在潜水面附近，地下水在重力作用下沿层面、节理面和断裂带从高水位向低水位作近于水平方向的流动，常形成近于水平的洞穴称溶洞。第二节地下水的地质作用喀斯特作用（溶蚀作用、潜蚀作用）在潜水面附近，地下水在重力作用下沿层面、节理面和断裂带从高水位向低水位作近于水平方向的流动，常形成近于水平的洞穴称溶洞。第二节地下水的地质作用喀斯特作用（溶蚀作用、潜蚀作用）影响潜蚀的因素：气候：a.干旱区潜蚀弱：少雨，地下水补充不足,潜蚀弱；b.炎热潮湿多雨气候区：多雨，地下水充足，生物繁盛，分解CO2利于潜蚀，炎热气温高，化学反应速度快，潜蚀强烈岩石：a.岩性：碳酸盐、硫酸盐、氯化物溶解度大，这些岩石最易潜蚀b.结构：孔隙多、大，连通性好，松散，可粒状均有利潜蚀地质构造：断裂、破碎、褶皱发育、岩石产状平缓有利于潜蚀，岩层倾斜不利于潜蚀构造运动：a.地壳相对上升：潜水面相对下降，落水洞、溶沟、石芽发育，但溶洞不发育;b.壳相对稳定：溶洞发育，峰林、岩溶盆地地等出现，甚至出现岩溶化、准平原化;c.地壳稳定—上升—稳定—上升:形成多层溶洞（与河谷阶地意义相同）第二节地下水的地质作用地下水的化学搬运作用地下水主要为化学搬运；搬运地下水搬运的溶解物为重碳酸盐，如Ca（HCO3）2搬运物是真溶液或胶体溶液第二节地下水的地质作用地下水的化学沉积作用地下水的机械沉积作用较少，主要为化学沉积作用。压力下降，温度下降，H2O蒸发都可引起过饱和而发生沉积。Ca（HCO3）2=CaCO3＋CO2＋H2O根据沉积作用因素及发生部位不同，有以下几种情况：a.裂隙沉积：地下水在裂隙中运移时，由于P下降，或T下降，形成过饱和沉积，沉积物呈脉状，常见有分解石脉，石英脉等。b.洞穴沉积：含有的Ca（HCO3）2的水溶液由岩石中的裂隙或断层流入洞穴中时，由于压力降低或温度升高（压力降低，温度升高都会使CO2降低、减少、逸出），使CaCO3沉淀，形成石钟乳，石笋、石柱等。c.泉口沉积：在地下水携带着被溶解的碳酸盐物质渗流到泉口，由于压力减小，导致地下水中的二氧化碳逸出，碳酸氢钙被分解成碳酸钙而产生沉淀。第二节地下水的地质作用地下水的化学沉积作用在地下水携带着被溶解的碳酸盐物质渗流到开阔的扩大裂隙、溶洞、泉口，由于压力减小，导致地下水中的二氧化碳逸出，碳酸氢钙被分解成碳酸钙而产生沉淀。石钟乳第二节地下水的地质作用地下水的化学沉积作用在地下水携带着被溶解的碳酸盐物质渗流到开阔的扩大裂隙、溶洞、泉口，由于压力减小，导致地下水中的二氧化碳逸出，碳酸氢钙被分解成碳酸钙而产生沉淀。石钟乳第二节地下水的地质作用地下水的化学沉积作用在地下水携带着被溶解的碳酸盐物质渗流到开阔的扩大裂隙、溶洞、泉口，由于压力减小，导致地下水中的二氧化碳逸出，碳酸氢钙被分解成碳酸钙而产生沉淀。石钟乳第二节地下水的地质作用地下水的化学沉积作用在地下水携带着被溶解的碳酸盐物质渗流到开阔的扩大裂隙、溶洞、泉口，由于压力减小，导致地下水中的二氧化碳逸出，碳酸氢钙被分解成碳酸钙而产生沉淀。石钟乳第二节地下水的地质作用地下水的化学沉积作用在地下水携带着被溶解的碳酸盐物质渗流到开阔的扩大裂隙、溶洞、泉口，由于压力减小，导致地下水中的二氧化碳逸出，碳酸氢钙被分解成碳酸钙而产生沉淀。石钟乳第二节地下水的地质作用地下水的化学沉积作用在地下水携带着被溶解的碳酸盐物质渗流到开阔的扩大裂隙、溶洞、泉口，由于压力减小，导致地下水中的二氧化碳逸出，碳酸氢钙被分解成碳酸钙而产生沉淀。石钟乳石钟乳小结喀斯特地貌石芽石林峰林小结喀斯特地貌溶蚀漏斗溶蚀洼地溶蚀盆地小结喀斯特地貌溶蚀平原小结喀斯特地貌暗河（伏流）盲谷