地质学基础第十三章 地下水的地质作用.DOC

第十三章 地下水的地质作用 ３.地下水的概念及其特征 一．概念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。 二 、地下水的来源 （一） 渗透水大气降水、冰雪融水、地面流水（江、河、湖、海） 等从地面渗入地下积聚成。 （二）凝结水水蒸汽凝结成水滴后渗于地下。 （三）岩浆水（原生水）地下岩浆活动形成的水（结晶水、水气）。 （四）埋藏水（古水）地史中沉积物空隙中的水，被封闭保存下来。 三 、.地下水的赋存状态 （一） 吸着水靠分子引力及静电引力吸附在土和岩石颗粒表面 上的水。不受重力影响，不被植物吸收。 （二） 薄膜水包围在吸着水的外层，可以从原处向薄处“移动” 少部分可被植物吸收。 （三） 毛细管水受表面张力影响，保留在毛细管中，易被植物 吸收。 （四） 重力水受重力影响可自由流动。 四、岩石的空隙类型 （一） 孔隙疏松未胶结好的岩石中形成的空隙颗粒之间的 空隙。Ｑ、Ｎ地层常见，孔隙大小与碎屑颗粒有关。 颗粒磨圆差不等粒则孔隙小（图） 磨圆差好，近等粒则孔隙大（图） 孔隙度 （二） 裂隙岩石中断层、节理、缝隙等。 （三） 溶洞可溶性岩石被溶蚀形成的洞穴。 五、 岩石的透水性 岩石允许水透过的能力不仅与孔隙度有关，跟孔隙绝对大小有关，空隙大、多、连通情况好，透水能力强。 （一） 透水层孔隙大、孔隙及大的砂层和砾砂层，胶结不好，砂 岩、 砾岩及裂隙发育的其它岩石。 透水系数米／昼 当透水层含水时称含水层。 良透水层 透水层 二 不透水层常见由泥岩，粘土层等组成 六、 地下水与地表水的差异 地下水大多被限制在透水层中流动与自由流动的地表水有一定的差异。 1. 流速小、机械动能小 地下水除受重力影响由高向低流，受压力影响由高压向低压流动外，在流动过程中受到透水层中岩石的阻碍，能量消耗在磨擦上，因此流速小，机械动能小。 2. 矿化度高、化学动力大 地下水之所以有较大的矿化度 矿化度的大小与水中所含的离子成分有一定关系 矿化度高的水 Na CL- 矿化物中等 SO2- Na 或Ｃa2 矿化度低 HCO3、MG2 水中各种元素的离子、分子、化合物的总量。Mg/e g/e ① 压力较大，易溶入一些气体 ② 水温较高 ③与岩石接触面积大，有机会溶解元素 地下水随含矿物质的不同，气味等物理性质不同。 Ｎacl咸味 MgSO4苦味 Fe兰绿色 CO2清凉可口，成为可供饮用的矿泉水。 矿化度高，作为溶剂浓度大，成分复杂，有较强的溶解能力，化学动力强。 七、地下水的补给、径流和排泄 ２. 地下水的类型 一、按地下水的赋存空间分孔隙水、裂隙水、岩溶水。 二、按地下水的埋藏条件分上层滞水、潜水、承压水。 （一）上层滞水及包气带 包气带（不饱和带） 地表向下至较稳定的地下水面（潜水面）之 间的土层或岩层。 饱水带潜水面之下称饱水带 包气带和饱水带的区别在于包气带中空隙主要是气体；饱水带中空隙带中空隙主要是充填了地下水。 包气带中的水主要有气态水，结合水（吸着薄膜水）、 过路重力水及毛细管水。 上层滞水 气态水 结合水 重力水 毛细管水 包气带 饱水带 有时在包气带局部地区分布有面积不大，发育不稳定的融水层在其上集聚了一些重力水称上层滞水。 上层滞水包气中局部隔水层上的重力水。 特点分布范围小，水量有限，受气候及季节变化的影响大。 （二）潜水 地表之下，第一个稳定的隔水层之上的地下水。一般民用水井都是取自潜水。潜水的自由表面为潜水面也就是通常指的地下水面。 补给 ① 大气降水经包气带向下渗透 ② 一些地表水如河、湖等如果切割了潜水面且 水位高于潜水位。 （三）承压水 两个稳定的隔水层之间的地下水。（图略） 特点承受静水压力（由于被限制在两个隔水层之间，低处的水受到高处水的静水压力） 对承压的静水我们以水头高度来表示 承压水水头高度穿透上部隔水层时，承压水能达到的水位高度。 承压水的水质、水量比较稳定。 三、 泉 指地下水的天然露头。地下水天然流出地表的地方。 （一） 按泉水的运动特征分 上升泉泉水为承压力，具压力向上运动（由于静水压力作用）很多喷泉都是上升泉。 济南被誉为我国的泉城，主要由于承压水被火成岩体阻隔后沿裂隙涌出地表，趵突泉即为上升泉。 下降泉泉水仅在重力作用下由高向低流流出地表，泉水来源主要是潜水。 下降泉主要出现在遭受剥蚀的山区流水（河、洪、片）剥蚀作用使潜水面露出地表，可形成泉。山坡上下降泉多。 （二） 温泉 水温高于当年平均气温的泉。不些甚至水沸腾。腾冲地区域2000多个（我国）105℃－110℃。温泉对人体的某些疾病有特殊的疗效，许多温泉如北京的西山温泉，南京的汤山温泉，安徽的泮汤温泉，都是很好的疗养圣地。 温泉是地热异常的一种显示。它与岩浆活动和深处的地的热有关，常常温泉出现在近代火山运动和深大断裂的附近（五大莲池附近有一些温泉，与1719年火活动有关）。 目前国际上及我国对地热的开发利用都是比较重视的，天然的能源，我国西藏羊八井地热田，地下水温高，喷出的汽柱达数百米，现已用于发电及工农业生产。 （三） 矿泉 泉水中含有较多的矿物质. 碱泉ＮaＣＯ3 硫磺泉-Ｈ2Ｓ 盐泉ＮaＣＬ 石灰泉ＣaＣＯ3及ＣaＳＯ4 3. 地下水的地质作用 一、 地下水的潜蚀作用 潜蚀 冲刷 溶蚀 地下水的剥蚀作用我们称潜蚀 1 . 机械冲刷作用 通常地下水动能小对岩石的冲刷破坏是比较弱的，主要在一些较大的裂隙或洞穴，如暗河、水流集中，能够冲刷带走一些砂砾、粘土。 强调机械冲刷在黄土地区应该引起重视，黄土末胶结成岩，较疏松，易于被冲蚀掉，下部被掏空后引起地面貌一新埸陷，称“假岩浴”。 ２．化学溶蚀作用 地下水以化学反应的方式对可溶性岩石的溶解破坏。 由于地下水矿物度较高，常含有多种不同的酸根离子，这种酸性水对某些岩石的溶蚀是很强烈的，一些在纯水中难溶的物质，遇到酸性水后，分解的比较快，最典型常见的是 Ｈ2Ｏ＋ＣＯ２＋ＣaＣＯ３ ＣaＨＣＯ３２（易溶、重碳酸钙） 我们知道地下水中都含有一定量的ＣＯ２，因此，在地下水丰富的石灰岩地区，由于这样的溶蚀作用，常形成一种特殊的地质现象，称喀斯特Karst（岩溶）。 喀斯特专用术语 以地下水为主，对可溶性岩石进行的以化学溶解 为主，机械冲刷为辅的地质作用及由这些地质作用所产生的特殊的地貌现象。 常见喀斯特地貌 ① 溶沟、石芽和石林 这是喀斯特发育的最初地貌形态。 石芽 溶沟 流水沿地表的沟槽流动，并发生溶蚀冲刷，使间槽加宽扩大，形成溶沟，溶沟之间石脊称石芽。 石芽进上小发育且大面积出现，形成石林，如著名的云南 路南石林。 ② 落水洞和溶斗 流水沿岩石的垂直裂隙流动，使裂隙不断溶解扩大。 深 宽 落水洞 两组直立裂隙高叉处 宽 深 溶斗 ③ 峰林 流水在厚度较大且裂隙发育的石灰岩地区形成的山峰、孤峰、峰丛、峰林。 ④ 溶洞及地下河（暗河） 溶洞石灰岩地区的地下洞穴（溶蚀作用）。 形成机理潜水面附近，地下水沉岩层裂隙及层理面，节理面等空隙流动，发生强烈的溶蚀作用使隙扩大洞穴。 溶洞小不足１米；大可达上千米长，如广西桂林附近的七星岩洞长达到２公里，洞顶高达几千米。美国240公里。杭州附近的瑶林仙境、灵山洞，宜兴的张公洞、善卷洞、云谷洞等都是较大的溶洞。溶洞中发育了大量的钟乳石及千奇百怪的岩石形态“石象”、石马”。 地下河 溶洞进一步扩大，并相互连通，使地下水汇集畅流而形成。如果地壳上升，潜水面下降，溶洞、暗河就高出潜水面，这时在潜水面附近，又会由于溶蚀形成溶洞，假如地壳间歇性的多次上升，则会形成上、下重叠的多层深洞。宜兴善卷洞，就有上、中、下三层溶洞。 多层溶洞有助于对地壳运动史的研究。 ⑤ 溶蚀谷和天然桥 溶蚀谷溶洞顶岩石失去支撑而塌落下来，形成两壁陡峭的深谷。 天然桥溶蚀谷各上局部残留的连接两壁的地方。 中国岩溶画册 3. 影响喀斯特发育的因素 １气候 流水尤其是丰富的地下水是karst发育的前提。 显热地区降雨量大，地下水充足，有利于喀斯特发育。 如我国两广、云南、贵州等地普遍发育喀斯特地貌。 干冷地区地下水缺乏，如我国西北、东北，虽然有石灰岩分布， 但喀斯特发充缓慢。 ２岩性 岩石成分的影响只有可溶性岩石，主要是灰岩地区才有喀斯特发育 可溶性成分越纯溶蚀越强烈。 岩石结构的影响结晶颗粒大则喀斯特发育。 ３地质构造 一些地质构造发育的地区，如断层带附近，褶皱的轴部，出现大量的 裂隙，多组节理，都为地下水提供了良好的通道，促进了喀斯特的发育。 ４水的作用 ① 水中ＣＯ２含量气温高溶入量大。 ② 流动性带走溶解物，增加溶解量。 二 ．地下水的搬运作用 化学搬运（溶运）强，溶运是地下水的主要搬运方式，仅暗河中有较明显的机械搬运 当地下水溶解了周围岩石的同时，就把溶解下业的物质以真溶液或胶体溶液的方式托运到其它地方。全世界每年约４９亿吨溶解物被搬运到海洋，绝大部分源于地下水。 ① 以重碳酸盐类型主，氯化物、硫酸盐及氢氧化物。 ② 金属阳离子Ｆe、Cu、Pb、Ｚn、Sb 溶运物真溶液和胶体 成分 石灰岩地区溶运 白云岩地区溶运 三． 地下水的沉积作用 １． 机械沉积碎屑沉积，量小，沉积物类似于河流有一定的 分选和磨圆． ２． 化学沉积地下水的运溶物在一定条件下沉淀下来． ① 原因 １压力降低ＣＯ２↓ ＣaHCO32 → H2OCO2↑CaCO3↓ ２水温降低ＳIO2沉淀。 ３水分蒸发溶液浓度增大，发生沉淀。 ４ 凝胶作用，胶体颗粒电性中和 ② 化学沉积方式 １ 过饱和沉积这是最普遍的一种方式。在引起地下化学沉积的因素中，前三条的本质都是在一定条件下的溶液过饱和，而使多余的溶质沉淀下来。 ２泉华沉淀在泉水出口处的疏松多孔的物质。 分几种类型 Ｃa华 泉水出口处，压力降低 ＣaHCO32 转化为 H2OCO2 CaCO3 Si华温泉出口处，水温降低ＳIO2↓ 化学沉积类型 1溶洞滴石地下水沉裂隙式或断层带流入溶洞时，压力↓ CO2↓ CaCO3在裂隙附近沉淀下来。 石帘（幔） 石柱 石笋 石钟乳 ２矿脉及假化石地下水带的矿物质沿裂隙沉淀下来，常见方解石脉、石脉真实为面）有时在一些密集而细小的裂隙中，Ｆe、Ｍn等某矿物沉淀下来，看上去如树枝化石，俗称“假化石”。 3石化作用（置换作用） 地下水中溶解的矿物质与掩埋在沉积物内的生物体之间的物质交换，矿物质交换了生物体的有机质。 地层中的一些古生物化石就是以这种方式形成的。生物遗体埋藏后，有机质随水流失，其空间充填了地下水带入的矿物质（ＳiO2、ＣaC3）当这些物质交换是以分子形式进行时，化石中仍然能够保留很微细的生物构造。 如硅化木就是被ＳiO2石化（交代、置换）的树干，其中有些植物纤维构造、树的年轮仅然可见。 研究地下水及其地质作用的意义 地下水与人类生活及经济建设有密切关系，即有有利的一面，又有危害的一面，对其研究、充分利用益处，防治危害的方面。 １． 抗旱 ２． 保证工程建设 ３． 确保矿井安全 矿井的两大危害 火 水地下水（煤层顶、底板的水）通过不同渠道（裂隙、断层）涌入矿井，极大地危害、威胁矿井安全。1978年谢一矿煤层底板突水，下部奥陶系灰岩中含的地下水涌入矿井。 8