地下水的地质作用

地下水的地质作用一.地下水的基本特征二.地下水的剥蚀作用三.地下水的搬运和沉积作用地下水是指以各种形式存在于地表之下岩石和松散堆积物空隙中的水体。地下水有气态、液态和固态三种，但以液态为主。一.地下水的基本特征地表水◆按来源不同,可将地下水分为渗入水、凝结水、岩浆水和埋藏水。●渗入水：降水渗入地下形成渗入水。●埋藏水：与沉积物同时生成或海水渗入到原生沉积物的孔隙中而形成的地下水成为埋藏水。●岩浆水：既不是降水渗入，也不是水汽凝结形成的，而是由岩浆中分离出来的气体冷凝形成，这种水是岩浆作用的结果，成为初生水。●凝结水：水汽凝结形成的地下水称为凝结水。当地面的温度低于空气的温度时，空气中的水汽便要进入土壤和岩石的空隙中，在颗粒和岩石表面凝结形成地下水。●吸湿水又称强结合水，水分子与岩土颗粒表面之间的分子吸引力可达到几千甚至上万个大气压，因此不受重力的影响，不能自由移动，密度大于1，不溶解盐类，无导电性，也不能被植物根系所吸收。●薄膜水又称弱结合水，它们受分子力的作用，但薄膜水与岩土颗粒之间的吸附力要比吸湿水弱得多，并随着薄膜的加厚，分子力的作用不断减弱，直至向自由水过渡。●毛管水当岩土中的空隙小于1毫米，空隙之间彼此连通，就象毛细管一样，当这些细小空隙贮存液态水时，就形成毛管水。●重力水当含水层中空隙被水充满时，地下水分将在重力作用下在岩土孔隙中发生渗透移动，形成渗透重力水。饱和水带中的地下水正是在重力作用下由高处向低处运动，并传递静水压力。◆地下水存在状态通常，岩土颗粒愈细小，其颗粒的比表面积愈大，分子吸附力亦愈大，吸湿水和薄膜水的含量便愈多。综上所述，地下水在垂向上不仅形成结合水、毛细水与重力水等不同的层次结构，而且各层次上所受到的作用力亦存在差异，形成垂向力学结构。岩石中的孔隙是地下水储运的主要场所和运移通道。孔隙的多少、大小、均匀程度及其连通情况，直接决定了地下水的埋藏、分布和运动特性。通常，将松散沉积物颗粒之间的空隙称为孔隙，坚硬岩石因破裂产生的空隙称裂缝，可溶性岩石中的空隙称溶隙（包括巨大的溶穴，溶洞等）。◆孔隙率又称孔隙度，它是反映含水介质特性的重要指标，以孔隙体积（Vn）与包括孔隙在内的岩土体积（V）之比值来表示，即n=Vn/V×100%。孔隙率的大小，取决于岩土颗粒本身的大小，颗粒之间的排列形式、分选程度以及颗粒的形状和胶结的状况等。必须指出，孔隙率只有孔隙数量多少的概念，并不说明孔隙本身的大小（即孔隙率大并不表示孔隙也大）。孔隙的大小与岩土颗粒粗细有关，通常是颗粒粗则孔隙大，颗粒细则孔隙小。但因细颗粒岩土表面积增大，因而孔隙率反而增大，如粘土孔隙率达到45—55%；而砾石的平均孔隙率只有27%。◆地下水的储运及运动特点孔隙水溶隙水裂隙水透水性指在一定条件下，岩土允许水通过的性能。透水性能一般用渗透系数K值来表示。其值大小首先与岩土空隙的直径大小和连通性有关，其次才和空隙的多少有关。如粘土的孔隙度很大，但孔隙直径很小，水在这些微孔中运动时，不仅由于水与孔壁的摩阻力大而难以通过，而且还由于粘土颗粒表面吸附形成一层结合水膜，这种水膜几乎占满了整个孔隙，使水更难通过。透水层与隔水层虽然没有严格的界限，不过常常将渗透系数K值小于0.001米/日的岩土，列入隔水层，大于或等于此值的岩土属透水层。透水性透水层隔水层含水层好坏含水好坏岩石：(1)包气带：岩石上部水未饱和带，岩石孔隙或裂隙未被液态地下水充满，含有大量空气。(2)饱和带：当地下水向下运动到一定深处，遇到不透水层阻隔时，就不能往下运动了，于是在不透水层之上，地下水便逐渐积成一层饱和带。包气带饱水带◆不同埋藏条件地下水的垂直分带季节变动带深循环带包气带饱水带上层滞水◆地下水的流动状态1)渗流地下水沿岩石空隙的这种缓慢运动，称为渗流。其运动场所称为渗流场。2)当重力水在岩石的狭小空隙中渗流时，受介质的吸引力影响较大，水的质点排列较为有序，水作层流运动。3)当地下水在一些宽大的空隙中(溶洞或裂缝)流动时，受介质的影响较小，水的流速较大，水的质点呈无序地、互相混杂地流动，形成紊流。4)地下水在渗流场内运动，当其运动要素(水位、流速和流向等)在一定时间内稳定不变时，则称为稳定流。达西定律:地下水呈现层流运动时的基本规律，可以表示为：Q=KFh/L=KFIV=KI(Q=FV)式中，Q：渗流流量；F：为过水断面；h：水头损失；L：渗流长度；I：水力坡度；K：渗透系数。V：流速渗透系数同渗流速度具有相同的因次。一般采用m/d或cm/s为单位。渗透系数可定量地说明岩石的渗透性能。岩石的渗透系数越大，表明其透水性能越强。地下水的温度受地温控制，变温带地下水水温有较小的季节性变化；常温带地下水水温与当地平均气温接近；增温带地下水随地温梯度的增加而增加。通常情况下，地下水的温度接近或低于当地年平均气温称为冷水，温度高于当地年平均气温称为地下热水低温20-40°,中温40-60°,高温60-100°,过热100°。高温热泉(需具备较大的空隙、较热的岩体、通向地表的不规则裂隙系统）地下热水分布区常是地热异常区；出露地表即成为温泉。西藏羊八井、南京汤山、西安临潼华清池；冰岛、新西兰、美国黄石YellowStone老实泉(OldFaithful)地下热水的成因：与断裂有关、与地热有关、与水文地质条件有关。◆温度◆化学成分地下水中常溶有一定数量的气体和矿物质。溶解于地下水的气体——O2、N2、CO2、H2S等。地下水中的矿物质——Na+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42-、HCO3-、Fe2O3、Al2O3其含量随地而异，主要与流经地段的岩石性质有关。气温、生物活动及地下水补给条件等，都会对地下水的化学成分有影响。◆物理性质主要有透明度、颜色、嗅味及味感等。◆硬度地下水中的Ca2+和Mg2+离子的浓度之和构成地下水的硬度。人们长期饮用过硬水对健康有害。硬水在工业锅炉中易生成锅垢，既费燃料，又可能引起锅炉炸裂。◆矿化程度淡水（1g/L)；弱矿化水（1~10g/L);中等矿化水（3~10g/L);强矿化水（10~50g/L);盐水（50g/L)◆所贮存岩石的空隙特点孔隙水——主要埋藏于各种成因的松散堆积物和风化基岩的表层。裂隙水——贮存于裸露基岩的风化裂隙、岩浆岩的原生裂隙、各种岩石的构造裂隙、断层和构造破碎带中。岩溶水——贮存于因溶蚀形成的缝隙或溶洞中。◆据地下水的运动状态、埋藏条件，可以把地下水分为包气带水、潜水、层间（承压）水1．包气带水：包气带水是埋藏在包气带中的地下水。其中，埋藏在土壤中的也称为土壤水。当水通过包气带下渗时，重力水可以在包气带中的局部隔水层上受阻积聚，形成“上层滞水”。2．潜水（phreaticwater）：指埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，具有自由表面的重力水。(潜水面——隔水层之上，潜水的自由水面。潜水面受地形，构造因素的影响，可以有起伏。)3．承压水（confinedwater）：指埋藏在两个稳定隔水层之间的透水层内的重力水。又称为层间水（interlayerwater）。泉（spring）是地下水的天然露头。是地下水在适当条件下溢出地面的自然现象。泉的分类方案（1）根据泉水溢出情况，一般把泉分为上升泉和下降泉。（2）根据泉的成因可分为接触泉、断层泉和侵蚀泉。（3）根据泉的温度可分为普通泉、温泉和冷泉。（4）部分泉水中可溶有各种矿物质（如碳酸、硫、氟等，甚至含放射性元素），这种泉称为矿泉（mineralspring）。二.地下水的剥蚀作用地下水的剥蚀作用称潜蚀作用（undergroundcorrosion）。按作用的方式可分为机械、化学两种。地下水主要在岩石空隙中渗流，流动缓慢，水量分散，冲击力甚小，所以其机械潜蚀作用占次要地位；但水中常富含CO2和各种溶剂，这些成分能与组成岩石的矿物颗粒广泛接触并发生化学反应，因而化学潜蚀作用显著。◆岩溶作用地下水对岩石、矿物所产生的溶解破坏作用称化学潜蚀作用（或称岩溶作用，喀斯特作用)岩溶作用形成的地形称岩溶地形（或称喀斯特地）。喀斯特——来源于南斯拉夫亚得里亚沿海的喀斯特高原，该地区以碳酸盐岩石发育为主。地下水对可溶性岩石的溶解力与地下水中CO2的含量有关，CO2的含量越大，对岩石的溶蚀力越大。地下水中的一部分CO2是以碳酸氢根（HCO3-）的形式存在的。含H+和HCO3-的水与石灰岩（主要成分为方解石CaCO3）接触时，便会发生化学反应，使其溶解度大大增加。化学反应式：（1）CO2+H2O→H++HCO3-（2）CaCO3+H++[HCO3]-——Ca2++2[HCO3]-◆岩溶作用的发育（影响）条件1．岩石的可溶性——碳酸盐岩、卤化物、硫酸盐、硼酸盐、钙质胶结的碎屑岩等。2．岩石的透水性——裂隙发育程度、紧闭程度。3．地下水的溶蚀力——所溶解的CO2的浓度。4．地下水的流动特征——流速、流动方向。是否具有溶蚀作用的地下水和可溶性岩石◆常见的岩溶地形的类型及其形成过程溶沟-石芽-落水洞-溶斗-溶洼-溶洞-溶盆-溶原1．溶沟与石芽（karrenandstonysprout）溶沟——地表水沿岩石表面流动溶蚀而形成的沟、槽。石芽——脊状突起。2．落水洞（sinkhole）地下水沿裂隙垂直下渗和溶蚀所形成的近于直立的深洞。是包气带的主要岩溶地形。直径小，深度大。3．溶洞（karstcave）饱水带上部或季节变动带的地下水沿近水平方向溶蚀岩石所形成的近水平方向的空洞。溶洞的发育由溶蚀、机械潜蚀和重力崩塌等多种作用共同形成。近于同一高度的洞穴可以连接起来，构成迂回曲折、忽高忽低、时宽时窄的溶洞系统。5．溶盆和溶原（poljeandkarsticplain）在可溶性岩石地区经过长期的溶蚀和崩塌作用形成的大型半封闭洼地。溶盆规模较小；溶原面积较大。4．溶斗与溶洼（funnelanduvala）溶斗——地表水沿裂隙集中渗流并溶蚀可溶性岩石，在地表及浅处形成的碟状、漏斗状洼地。溶洼——溶斗侧向扩大、合并和加深所形成的小型封闭洼地称为溶洼。岩溶地貌示意图峰林地形——峰林或峰丛孤峰——岩溶发育的阶段性：早期——地表形成石芽、溶沟、溶斗、落水洞。地下形成独立的洞穴。中期——地表溶洼和峰林；地下溶洞、洞穴系统。晚期——溶原、孤峰。●古岩溶古岩溶是指新生代以前发育的岩溶。识别古岩溶在理论上和生产实践中具有一定的意义：（1）古岩溶面代表了地壳抬升的相对稳定阶段，可作为分析地壳运动性质的重要依据。（2）有古岩溶存在，说明当时该区处于温暖潮湿的气候特征，而且是处于古陆被剥蚀的状态，有助于分析古地理和古气候。（3）石油和天然气可储存于古潜山周围和溶洞中。（4）有些金属矿床与溶洞有关，形成“岩溶型矿床”，因而研究古岩溶具有一定的找矿意义。地下水的机械潜蚀作用地下水对岩石的冲刷破坏作用称机械潜蚀作用。与地下水的流速以及所流经地区的岩石条件有关。孔、洞：易发生机械崩塌黄土发育区：易形成土林富含水的砂层：易发生流砂粘土层：易发生土层蠕动，变形云南元谋土林三.地下水的搬运作用和沉积作用◆地下水的搬运作用地下水的搬运作用以化学方式为主;机械搬运能力通常微弱，但在地下暗河中可以有较大的搬运力，其搬运方式和特点与地面流水相似。地下水的溶运能力与水温、压力、地下水的循环速度及水中所溶解的CO2的数量及酸度有关。溶运物包括各种离子和胶体。◆地下水的沉积作用地下水沉积作用包括机械和化学沉积。地下水的机械沉积较少，只发生在地下河的较大洞穴中，其作用与河流沉积相似。地下水的化学沉积是主要的，表现为溶解物质析出，其方式主要有过饱和沉淀与置换沉淀两种。一.过饱和沉积1、产生过饱和沉积的原因：（1）水分因挥发或蒸发，以及吸附或参与化学反应而散失，使其中所含的某些元素达到过饱和；（2）由于压力的变化，引起不同元素溶解度的变化，达到过饱和而沉淀；（3）温度变化对化学反应更为敏感，一般表现为温度升高，溶解度增高，化学反应加快。2、过饱和沉积的形式1、裂缝沉积2、粒间孔隙中的沉积3、气孔沉积4、洞穴沉积（溶洞沉积）5、泉口沉积●溶洞沉积物（1）石钟乳（sta