矿山水文地质工作的基本方法简述

矿山水文地质工作的基本方法简述1.地下水及地下水的基本特征地下水是地球水圈中水体的一部分，它分布于地下十几公里深度内的岩石空隙(包括孔隙、裂隙、溶洞)之中。1.1地下水在岩石中的存在形式⑴汽态水汽态水是赋存和运动在岩石非饱水带中的一种蒸汽水，在水汽张力差的作用下，由张力大(绝对湿度大)的地方向张力小（绝对湿度小)的地方运动。它与岩石空隙中其他形式的水及大气中的水蒸汽处于一种经常变化的动力平衡状态，蒸发作用使它向大气中运移，凝结又使它变为其他形式的地下水。⑵吸着水吸着水是岩石颗粒表面由于静电引力而吸附的一层很薄的水膜。这种吸着的水膜与岩石颗粒表面之间的分子作用力可高达10000大气压以上，因而二者的结合很紧密，又称强结合水。这种水不能产生流动，更不能被植物的根系吸收，如在热条件下可以变成水蒸汽。⑶薄膜水薄膜水是在吸着水外围逐渐加厚而形成，又称弱结合水。它与吸着水的区别在于它能从薄膜厚的地方向薄膜薄的地方运动。薄膜水的外层可以被植物的根系吸收。吸着水和薄膜水的形成与岩石颗粒表面的吸附能力有关。这种吸附能力又取决子岩石颗粒的比表面积和分散度。例如颗粒极细小的粘土所能吸附的结合水量可以达到其体积的18～45%；而在颗粒较粗的砂土中只占其体积的0.5～2%。⑷毛细水毛细水是存在于由岩石颗粒组成的细小毛管中的水，它是由水的表面张力、重力与毛管壁面对水分子的吸附力平衡作用的结果。它可以上升到一定的高度，称毛细上升高度。毛细水可以传递静水压力，并被植物的根系吸收。在土壤次生盐渍化地区，详细研究毛细水有重要意义。⑸重力水重力水是当岩石空隙全部被水饱和时，只在重力作用下运动的地下水。重力水是水文地质研究的主要对象。这种重力水既可以自由流动，又可以传递静水压力。⑹固态水固态水是呈固态冻结在岩石空隙中的地下水。它在岩石温度低于水的冰点时形成。在多年冻土区，固态水终年以固态冰的形式存在，而在季节性冻土区的一定深度内，只有在封冻季节呈固态，其他季节则融化为重力水。1.2地下水的分类及各类地下水的基本特征地下水的分类是一个相当复杂的问题，它可以根据地下水在岩石空隙中的存在形式、地下水的物理性质和化学成分，地下水的水力性质、岩石空隙性质、地下水埋藏条件，以及地下水在现代水循环中的水交替速度等标志进行分类。通常传统的分类是根据地下水的埋藏条件，把地下水分为上层滞水、潜水和承压水。还有按岩石空隙性质，把地下水分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。下面介绍几种对水文地质勘察工作有指导意义的地下水分类及其基本特征。⑴．按地下水理藏条件的分类①.上层滞水：上层滞水是存在于松散堆积物的饱气带中的局部隔水层之上的重力水，是当地季节性的降雨或地表水渗入到局部隔水层受阻而赋存起来的距地表最近的地下水。它的分布范围很小，常常是雨季补给时存在，旱季蒸发时消失，是一种不稳定的季节性地下水。②.潜水：潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层(弱透水层)以上，具有自由水面的重力水。从自由水面到隔水层的垂直距离为潜水含水层的厚度。这个厚度是一个变数，补给期出现高水位时厚度变大，排泄期出现低水位时则厚度变小。潜水从高水位流向低水位。潜水的静水压力表现不明显，所以又称无压水。潜水水位往往和地形起伏相一致。它主要受大气降水和地表水补给，当其下面有高水头的承压水存在时，有时也通过所谓渗透性较好的“天窗”而获得承压水的补给，或其底板为弱透水层时，也可出现所谓承压水向上的越层(流)补给。潜水的径流速度除了岩溶暗河或粗颗粒组成的河谷潜流外，一般是很小的。潜水的排泄方式有泉水流出，以地下径流补给河湖等地表水或当其埋藏较浅时通过包气带而蒸发。潜水主要埋藏在第四纪松散堆积物中，其次是基岩裂隙风化带中。潜水在现代水循环中处于一种积极交替的过程，所以是一种再生能力较强的地下水资源。③．承压水：承压水是充满两个隔水层或两个相对弱透水层之间含水层中的地下水。当这种含水层中的地下水未被充满时，称为层间水，具有潜水的水力性质。承压水承受静水压力，所以被钻孔或井揭露后地下水涌出并高出隔水层底板，承压水涌出地表的称自流水。承压水的形成条件与地质构造及含水层与隔水层的空间分布有关。例如，向斜构造、单斜构造常常形成承压水;在由第四纪松散沉积物组成的多层结构条件下，也有利于承压水的形成。有的承压水可分为补给区、承压区和排泄区。补给区往往小于分布区。补给区分布在上游，常常是深埋的潜水;排泄区分布在下游，常是地表上升泉的分布地带。有的承压水并没有明显的补给区和排泄区。例如，在过去地质年代里形成的封存水，它具有很高的承压水头，但划分不出补给区与排泄区。⑵按岩石空隙性质的分类①孔隙水：孔隙水是理藏运动在第四纪松散沉积物，弱胶结的沉积岩和岩浆岩、变质岩风化带孔隙中的地下水。孔隙水分布均匀而且连续，呈层状，有连续稳定分布的水位。根据埋藏深度的不同，孔隙水可以分别形成上层滞水、潜水和承压水。孔隙水的形成与分布同第四纪沉积物的成因类型有着密切关系，其富水性取决于含水层的颗粒大小，分选程度及含水层的厚度。②裂隙水：裂隙水主耍分布在坚硬、半坚硬岩石的各种裂隙之中，根据含水层产状，可分为裂隙层间水和裂隙脉状水。根据裂隙的成因又可分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水三种。在第四纪松散沉积物中有时也出现一种裂隙水，如黄土中的裂隙水和冲积平原下游的粘土裂隙水。③岩溶水：埋藏运动在可溶盐岩石的裂隙、溶洞中的地下水称岩溶水。岩溶水不但具有独特的性质，同时又是一种地质营力。因为岩溶水在储存、运动中不断地对可溶盐岩石进行溶蚀作用，所以也就不断地在改变它自身的储存条件和运动条件。岩溶水的最大特点是其空间分布的不均一性，这种特殊分布取决于当地岩溶的发育规律。岩溶水在现代水循环过程中有着比较快的水交替速度，尤其是岩溶暗河，其水交替速度接近于地表径流。1.3影响地下水形成的气象、水文因素除了埋藏很深的古代封存水外，一般的地下水都参与现代水循环。因此，地下水的补给量、储存量与排泄量，以及地下水质的好坏，在很大程度上与当地的气象、水文因素密切相关。对地下水发生显著影响的气象、水文因素主要是降水，蒸发与水文网的分布。1.4地下水的水质⑴地下水的物理性质①地下水的比重：地下水的比重决定于所含溶解盐分的含量，地下淡水的比重一般来说与化学纯水相同，其数值为1。溶解盐分含量很高的盐卤水，其比重均大于1。②地下水的温度：地下水的温度与地下水的埋藏深度有关。浅埋的地下水温度受气温的影响，具有昼夜和季节变化的特点。温度有昼夜变化的地下水埋深在3一5米以内，即在日常温带以上；温度具有年变化特点的地下水埋深一般在50米以内，即在年常温带以上。年常温带以下的地下水温度则随深度的增加而升高，受地热增温率(温度每升高1℃时所需要增加的深度)控制。地壳的平均地热增温率为30～33米/℃，各地由于地质条件不同，地热增温率也不相同，在有地热异常存在的地区，地下水的温度则遵从地热增温率，而受异常热源的控制。根据地下水的温度可把地下水分为低于0℃的过冷水；0～20℃的冷水；20～42℃的温水；42～100℃的热水和大于100℃的过热水。③地下水的颜色：地下水的颜色取决于它的化学成分与悬浮物。常见的地下水是无色的，但含硫化氢气体时，地下水就呈翠绿色，亚铁含量较高时呈灰蓝色，含锰的化合物时呈暗红色，含有较多氧化铁时则呈红色，含腐植质的沼泽水常呈黄褐色。这些化学成分的含量较低时，并不影响地下水的颜色。④地下水的气味与口味：地下水一般是无气味无口味的，但有时也具有强度不同的气味，如地下水中富含硫化氢时则有强烈的臭鸡蛋味等。当地下水中某些离子含量增高时，则出现不同的味道(口味)。例如，富含氯化钠的地下水具咸味，富含氯化镁与硫酸镁时具苦味，富含硫酸钠的具涩味，含大量有机质的具甜味等。所以地下水的味道也与其化学成分有关。⑤地下水的导电性：地下水的导电性取决于所含电解质的数量与性质，通常和水的含盐量有直接的关系。因为离子含量越多，离子价则越高，所以水的导电性也就越强。如高矿化度的咸水与低矿化度的淡水相比较，其导电性就大得多。⑥地下水的放射性：地下水在不同程度上或多或少地都具有一定的放射性，但一般地下水的放射性是非常低的。仅当地下水与放射性矿床或放射性异常有关时，地下水才出现一定的放射性。⑵地下水的化学成分①地下水的主要化学成分:地下水不是化学纯水，它的化学成分很复杂，可以从中找到很多人所共知的元素，这些元素成分以离子、气体、分子和胶体状态存在。地下水中所含的化学成分及其富集情况，与这些元素成分的溶解度有直接的关系。例如，在地壳中分布最广的氧、钙、镁、钾、钠等在地下水中是常见的，而硅、铁等虽在地壳中有很广的分布，但其溶解度较低，在地下水中就不多见。氯在地壳中分布虽少，但在地下水中却常常富集起来，形成氯化物水型就是由它的溶解度决定的。地下水中分布最多的离子有CI－、SO42－、HCO32一、Na＋、K＋、Ca22＋、及Mg2+。其次有H＋、NH4＋、Fe2+、Fe3+、Mn2+、OH－、、NO3－、CO32－、及PO43－。以未离解(化合)的分子状态存在的有Fe203、AI2O3、及H2SiO3等。地下水中常见的溶解气体成分为CO2、O2、N2、CH4、H2S、H2及Rn等。②地下水的酸碱度(pH)：地下水的酸碱度是用氢离子浓度的对数值来表示的，即pH=-log[H＋]。在纯水中氢离子浓度与氢氧根离子浓度相等，水呈中性反应。当水中H+浓度大于OH一浓度时，水呈酸性反应。而当水中H+浓度小于OH一浓度时，水则呈碱性反应。即[H＋]=10-7]时，pH=7，水呈中性。当[H＋]＞10-7]时，pH＜7时，水呈酸性，当[H＋]＜10-7]时，pH＞7时，水呈碱性，通常根据pH值把地下水分为强酸性(pH5)、弱酸性(pH=5～7)、中性(pH=7)、弱碱性(pH=7～9)和强碱性(pH9)五种。大多数地下水呈弱碱性反应，在硫化物矿床与煤田地区则见有酸性反应的水。③地下水的硬度：地下水的硬度由水中的钙、镁离子构成。用每升水中钙、镁离子之和的毫克当量数来表示。我国一般采用德国度H°来表示，1德国度相当于1升水中含有10毫克的CaO或7.2毫克的MgO。1毫克当量硬度等于2.804德国度。即：H°＜4.2°为极软水；H°=4.2°～8.4°为软水；H°=8.4°～16.8°为微硬水H°=16.8～25.2°为硬水；H°＞25.2°为极硬水。④地下水的总矿化度：地下水中所含离子、分子等盐类成分的总量称为总矿化度，用克/升来表示。总矿化度是评价地下水质的主要标志。根据它的大小，可以把地下水分成淡水(1克/升)、微咸水(1～3克/升)、咸水(3～10}克/升)、盐水(10～50克/升)和卤水(50克/升)五种。测定地下水总矿化度的方法是在110°C温度下把水蒸干，所得的干涸残余物(干残渣)的数量即是总矿化度值。⑤地下水的侵蚀性：:地下水的侵蚀性主要是指对金属、混凝土等的侵蚀能力。当水的pH值低，水中含有溶解氧、游离硫酸、H2S、CO2及其他重金属硫酸盐时，即对金属产生强烈的侵蚀破坏作用。金属铁管受到侵蚀破坏，是由于铁置换了水中的氢离子而引起的。地下水能够破坏混凝土，是因为具有侵蚀性的地下水能溶解和溶滤混凝土的某些成分，并在其中形成一些新化合物，一般分为碳酸侵蚀性(分解侵蚀性)、溶滤侵蚀性、硫酸浸蚀性(结晶侵蚀性)和镁侵蚀性四种。碳酸侵蚀性取决于水中侵蚀性CO2的含量，由于地下水中有游离的CO2存在，当与碳酸盐类接触时，如果游离CO2超过了化学反应平衡状态的含量时，就成为侵蚀性CO2并使碳酸盐发生溶解，于是就具有侵蚀性。溶滤侵蚀是由于碳酸钙溶解，并从混凝土内溶滤出氢氧化钙而产生的。当地下水中不存在侵蚀性CO2时，也可在HCO32－含量很少的情况下通过溶滤侵蚀作用破坏混凝土。硫酸侵蚀性是当SO42－含量高的地下水接触碳酸盐类时发生的一种侵蚀。它是由于SO42－与碳酸盐类中的一些组分产生化学作用而形成一种含有水硫酸盐的结晶使体积膨胀而发生的侵蚀破坏。例如在生成CaSO4·2H2O时，其体积增大一倍；在生成MgSO4·7H2O时，共体积增大约4