水文地质学-长安大学(6)

2018-12-17 15:23

地名来形容石灰岩的地貌、水文现象,并为后来世界各国所通用的专门术语。我国在1966年第一届喀斯特学术会议上,曾提出将喀斯特改称为岩溶,作为Karst的同义语。1988年由全国自然科学名词审定委员会公布的《地理名词》,仍定名为喀斯特。岩溶作为又称。 可溶性岩石在世界上分布很广,占全球面积的10.2%。

在我国裸露的可溶性岩(碳酸盐类)面积为90.7万km2,占全国面积的9.4%,主要分布于广西、云南及贵州等地,是世界上喀斯特地貌最发育的地区之一,如桂林山水和路南石林皆著名于世。

喀斯特地貌不仅是一种很好的旅游资源,而且具有丰富的地下水资源。地下溶洞中,还埋藏着大量的古生物和古人类化石,或成为储存铝土矿、砂矿及油气的良好场所。因此它具有重大和科研与生产价值。但由喀斯特作用所引起的地貌灾害,如地基塌陷、水库漏水及地面干旱等均需积极防治。

岩溶:是水与可溶性岩石相互作用的产物。 作用过程包括:溶解、迁移、沉积。 作用形式:溶蚀、冲蚀、侵蚀。 作用结果:形成各种岩溶形态。 地下:暗河、溶洞、溶隙等。 地表:石林、孤峰、坡立谷等。

沟通地表与地下的:漏斗、落水洞、竖井、天窗等。 岩溶水(Karst Water):赋存或运移于岩溶化岩层中的地下水。由于岩溶水在运移过程中仍不断进行溶蚀,改造其赋存和运移空间,构成岩溶水独特的性质,因而有必要专门研究它。 ※ 研究岩溶水的意义:

1.供水水源:如山西娘子关大泉等。 2.旅游资源:如山东济南诸岩溶泉。

3.岩溶充水威胁采矿安全,增大采矿成本。 4.蓄、引水工程的渗漏。 5.岩溶塌陷。

10.1 岩溶地貌

喀斯特区的喀斯特作用遍及地表和地下,所成的地貌也分成地表地貌和地下地貌两大类。二者各自发展,但又互相影响和转化。

以下主要介绍地表地貌,按形态、成因特点可分9种: 溶沟与石芽、溶斗、溶蚀洼地、大型溶蚀盆地、干谷与盲谷、喀斯特石山和溶蚀平原 1.溶沟与石芽

溶沟是雨雪水溶蚀岩石表面而成的沟槽,深数厘米至数米,宽数厘米至数十厘米,呈楔形或槽形,与地面垂直。它主要沿岩石裂隙或层理面等发育,先由溶痕逐渐扩大成为沟槽。

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石芽为突出在溶沟之间的岩石,呈笋状、菌状、柱状或尖刀状等。排列成车轨状(互相平行)、棋盘状(方格)、或山脊状(不规则)。高数厘米至数米,有的高达l0m以上。如云南的石林,最高超过35m,那里石芽密布如林,故得名。它是在亚热带气候环境下,台地被溶蚀破坏而成的。 2. 溶斗(漏斗)

溶斗是喀斯特地面上的一种封闭性小型洼地,呈碟状、漏斗状或竖井状。直径多为数十米,深数米至十余米

溶斗按成因可分为三种:

a溶蚀溶斗是地表水沿可溶性岩的地面裂隙密集处向下溶蚀而成。

b沉陷溶斗发生在有厚层碎屑物覆盖的地面上,当地下可溶性岩存在裂隙时,水流在下渗过程中带走了部分细粒碎屑物,使地面下沉,形成沉陷溶斗。 c塌陷溶斗是喀斯特地下存在溶洞,洞顶岩石受溶蚀崩塌而成溶斗,其斗壁四周陡立如竖井。溶斗底部常与落水洞或溶隙相连,雨雪水可通过这些洞、隙排往地下。 3.溶蚀洼地

一种封闭性的小型盆地,平面形状有圆形、椭圆形、星形、长条形。垂直形态有碟形、漏斗形和筒形,由四周向中心倾斜。

长宽度多在数十至数百米。深度较浅,一般为数米至数十米不等。洼地基底为岩石,也有砂、粘土层覆盖。这些土层多是岩石风化后的残留物,可种植。但因洼地底部存在裂隙和落水洞,所以洼地易透水干旱。如果透水通道堵塞,洼地就会储水成湖,称为“岩溶湖”。我国广西俗称“天塘”或“龙湖”。贵州草海是一个大型岩溶湖。岩溶洼地种类主要有:溶蚀洼地、塌陷洼地及沉陷洼地等。溶蚀洼地在云贵和广西等地分布很多 4.溶蚀盆地

一种大型溶蚀盆地,在西南云贵高原及广西等地分布很广,当地称为“坝子”。呈长条形,长数十公里,宽数百米至数公里,面积十几至几百平方公里。四周为峰林石山,横剖面呈槽形,故又称槽谷。底部比溶蚀洼地更加平坦,多覆盖数米厚的残积红色粘土或冲积层;盆地内有时可见低矮的石灰岩孤峰。溶蚀盆地在南斯拉夫称为Polje(坡立谷),意指“可耕种的土地”。

溶蚀盆地的发育受构造影响甚大,有的发育于向斜轴或背斜轴部,有的沿断陷盆地或断裂带发育,还有的沿可溶性岩与非溶性岩的接触带上发育。在广西的上林、都安,云南的砚山、罗平,贵州的安顺等地发育的溶蚀盆地(坝子),面积较大,水土条件

较好,是喀斯特地区最好的农业地带。如丽江盆地。 5.干谷和盲谷

喀斯特地区所特有的地貌。干谷曾经是昔日的河谷,但现在无水,成为干涸谷地。干谷的成因可能是地壳上升或侵蚀基准面下降,导致河水潜入地下,变成伏流,而地表河干涸。有的是地下河袭夺地表河,使其下游成为干谷。也有的是地下河裁弯取直,使图弯曲段河流成为干谷。干谷谷底平坦,覆盖有松散堆积层。常有溶斗、落水洞分布。

盲谷是一种死胡同式的河谷,河流前方被石山陡崖阻挡,河谷消失,河水从崖下溶洞进入石山内变成伏流。这种前方失去谷形的河谷称为盲谷。如贵阳以南的涟河等地十分明显,那里的盲谷、伏流和明流等交替出现 。 6.喀斯特石山

它是在喀斯特作用下所成的山体,形态奇特,例如山峰尖削挺拔,山坡陡峭,地面岩石裸露,满布石芽和溶沟,显得十分崎岖。山内分布着大小溶洞,管隙纵横交错。洞内还有各种石钟乳、石笋和石柱等,琳琅满目,构成一幅奇峰异洞的地貌景观。

石山的单个形态,受岩性和产状影响而不同。例如由质纯层厚和产状水平的石灰岩组成的石山,呈塔状或圆筒状;由水平石山的组合形态,按地貌发育过程分为三种:峰丛石山、峰林石山和孤峰石山 .

§10.2 岩溶发育的基本条件与影响因素

岩溶发育的基本条件: 1.可溶性岩石; 2.岩石的透水性; 3.有侵蚀能力的水; 4.水的流动性。 一、可溶性岩石

卤化物岩(岩盐、钾盐、镁盐),硫酸盐岩(石膏)和碳酸岩(石灰岩、白云岩、大理岩)都可溶。 既是溶解对象,又是导水介质。 1.岩石成分对其溶解的影响 。

纯灰岩比白云岩易溶蚀,硅质、泥质成份影响可溶性。 2.岩石结构对溶蚀作用的影响。

中厚层~中薄层,构造裂隙密集、短小而均匀,利于溶蚀成较为均匀的岩溶含水层。

巨厚层纯灰岩中构造裂隙稀疏、宽而长,利于形成大型溶洞,岩溶发育不均匀。 二、岩石的透水性

可溶岩石的透水性主要是由后期的构造裂隙控制的。而透水性好则岩溶更为发育。 三、水的侵蚀能力

空气 CO2 水

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↓ CO2+H20→H2CO3→H++HCO3-

可溶岩 CaC03+H+→HCO3-+Ca2+ 综合上式,得出:

CO2+H20+CaC03 → Ca2++2(HCO3)- 水中CaCO3的饱和指数SIC

SIC>0,水中CaC03已经饱和,有发生沉淀的趋势; SIC=0,水中CaC03刚好饱和;

SIC<0, 水中CaC03仍未饱和,还具有侵蚀性。 四、地下水径流强度

地下水是一个开放体系,随着水的流动,CO2不断消耗,新流来的水又不断补充CO2,所以能使CaCO3的溶解持续进行。否则CaCO3溶解的生命就将终结。从而可以看出:地下水的径流条件是控制岩溶发育最后的,最关键的因素。

地下水获得CO2的形式有两种:

1.以分子扩散的形式通过潜水面进入地下水中。 2.土壤中微生物分解有机质使之氧化以及植物根系呼吸作用产生的CO2

五、岩溶发育的影响因素

1.气候因素:决定某区域的降水、植被和土壤,控制地下水中CO2的来源。溶蚀率,mm/a。 2.地形因素 :

3.地质因素 (构造):控制构造裂隙的发育影响透水性,控制水的汇集与主要通路影响地下水的流动。 4.水文因素:

§10.3 岩溶发育与岩溶水分带性

岩溶垂直分带 I.包气带

Ⅱ.季节变动带 Ⅲ.饱水带 Ⅳ.深循环带

I.包气带(垂直循环带)

在地表以下,岩溶潜水最高水位以上,水以垂直入渗为主,应发育垂直岩溶,常形成溶隙、落水洞、溶斗等,其包气带厚度取决于气候和地形。 Ⅱ.季节变动带

最高和最低潜水位之间,水流有垂直方向的运动,也有水平方向的运动,高水位时,近于水平运动,低水位时垂直入渗,水平和垂直岩溶都发育。厚度取决于当年潜水位的水位变幅,由数米到数十米。 Ⅲ.饱水带

在最低潜水位以下,地下水长期充满岩石空隙,主要以近水平方向运动为主,暗河发育,仅在河床附近为非水平岩溶。常形成规模较大、连通性较好的水平洞穴,在河谷底部常形成低于河床的深岩溶,其发育深度随水力坡度增大而增加。

Ⅳ.深部循环带

位于局部性侵蚀基准面以下一定深度,不受局部侵蚀基准面影响,而是排向更深的区域性侵蚀基准面。本带位置较深,水的循环交替迟缓,一般岩溶不发育,因而运动阻力较大,水头损失较多。 多层水平溶洞

地壳间歇上升的地区,侵蚀基准面稳定和下降多次相间,每次稳定期在剖面上留下相应的水平溶洞层,从而在剖面上便存在多层水平溶洞。

§10.4 岩溶水的特征

一、岩溶含水介质特征 1.岩溶管道 2.构造空隙

3.原生孔隙、缝隙 4.洞穴堆积物中的孔隙

岩溶强烈发育地段的岩溶管道系统,随地质构造、地形等条件而呈单管状,树枝状,网状等形式。这种地下水系具有地表水系的特点。 二、岩溶水的运动特征 1.层流、紊流并存; 2.无压流和承压流并存; 3.裂隙渗流、管道径流并存; 4.存在独特径流形式 ――虹吸式径流。 5.明流、伏流并存。

6.存在静水奇观(岩溶湖)。 7.水平、垂直运动并存。

三、岩溶水的补给、排泄与动态特征 1.岩溶水的补给特征

裸露型:可溶岩直接出露地表;广西、云南、贵州、四川、湖北等。

覆盖型:可溶岩被松散堆积物掩埋; 埋藏型:可溶岩被其它基岩盖住。 2.岩溶水的排泄特征

集中排泄是岩溶水排泄的重要特征,有些以单泉,有些是以泉群,有些以地下暗河形式排泄。 岩溶水的动态特征

由于岩溶水的集中补给和排泄,岩溶水的动态变化十分强烈。

四、岩溶水的化学特征

1.主要为HCO3—Ca型淡水;有时矿化度比较高,水型也比较复杂。 2.易于污染。

※ 水中悬浮物的存在; ※ 地下水的鱼类。

10.5 我国南、北方岩溶差异

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1. 南方岩溶更发育、更典型;南方岩溶在地表可有、峰林、溶蚀洼地、溶斗、落水洞等,地下发育有较为完整的地下河系。北方地表除可见流水造成的溶沟外,很少有坍塌造成的溶斗、落水洞等,地表呈现常态的山形,而不呈峰林状,地下至今尚未发现形态完整的地下河系。 2. 南方岩溶高度管道化,北方岩溶则较为均匀,以溶蚀裂隙为主;

南方岩溶管道型,北方岩溶裂隙型。

3.动态特征: 南方岩溶动态变化大,对降水的响应十分灵敏,岩溶泉的流量最大与最小相差百倍;北方岩溶动态变化小,如山西洪洞广胜寺; 4.动态不同的原因有三

a.岩性:南方岩溶以二叠系巨厚层状~块状碳酸盐岩石为主,北方岩溶以泥质岩为主,层较薄,多与非可溶岩互层,裂隙多而均匀;

b.构造:南方以裸露型岩溶为主,挤压较为强烈,在构造应力作用下容易形成稀疏但是宽大的裂隙;北方以覆盖型岩溶为主,在构造应力作用下容易形成密集、均匀而短小的裂隙。

南方岩溶系统在地质构造上多属于紧密的褶皱,特别是向斜构造利于水流汇集;北方非岩溶系统几乎都以宽缓的向斜或者单斜形式出现,不利于水流的集中分布。

c.气候差异:南方降雨量在1000~1800mm,北方在400~700mm。

第10章 复习思考题

一、关键概念 岩溶水 二、简答题

1.研究岩溶水的意义? 2.岩溶水的垂直分带? 3.岩溶水的运动特征?

4.岩溶在南方、北方的差异?形成的原因? 5.影响岩溶发育的因素有哪些?如何影响的?


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