地质和水文地质基础知识

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1、地质和水文地质基础知识提纲1 地层：松散沉积物和岩石2 构造的划分3 地下水的分类4 水文地质参数5 抽水试验6 地下水超采区7 资料的收集一、地层：松散沉积物和岩石1.1松散沉积物和沉积岩 松散沉积物通常主要指第四纪的松散沉积物。包括黄土、 淤泥、耕土、砾石层、砂层、卵石层、粘土层等。 松散沉积物经过成岩作用形成沉积岩。年代单位年代 符号各纪年数 （百万年）距今年数（百 万年）构造年代表新生代第四纪全新世Q410.025新构造期更新世Q1-31 晚第三纪上新世N26212喜马拉雅构造 期中新世N1 早第三纪渐新世E326华北构造期始新世E238古新世E158四川构造期中生代白垩纪K43127

2、侏罗纪J45152燕山构造期三叠纪T36182印支构造期 上古生代二叠纪P38203天山构造期石炭纪C52255泥盆纪D36313 下古生代志留纪S50350祁连构造期奥陶纪O34430寒武纪88510 元生代上元古 代震旦纪Sn 震旦构造期下元古 代前震旦纪太古代 第四纪是法国地质学家德努尼尔所创。他按当时的科学水平把 地球历史分为四个时期，第四纪是地球发展最近的一个时期。 Q4 全新世；Q3 晚更新世；Q2 中更新世；Q1 早更新世 1.2岩浆岩（火成岩）岩浆在上升、 运移过程中，不 断冷凝固结成岩 浆岩。岩浆岩分 为喷出岩和侵入 岩。岩浆岩符号： ， X，等。1.3变质岩变质岩指原已存在

3、的各种岩石，由于受构造运动、岩浆作用及地热流变化 等作用，岩石的结构、构造、成分等发生了一系列变化形成的新岩石。 泥岩（页岩）板岩千枚岩片岩片麻岩混合岩 断层角砾岩碎裂岩超碎裂岩玻化岩断层泥 石灰岩大理岩（汉白玉），容易被酸雨腐蚀 日本地质学家认为，翡翠在低温高压环境中形成二、构造的划分2.1断层断层组合断层与地震v 汶川地震位于龙门山断裂带，属于青藏地震区、龙门山地 震带，而三峡工程库区属于华南地震区、长江中游地震带 ，龙门山断裂带和三峡工程库区两者在区域构造上并无联 系。三峡工程的蓄水不具有触发汶川大地震的条件，汶川 大地震也不具备水库触发地震的特征，三峡水库蓄水与汶 川地震毫无关系。 v

4、 在原来没有或很少地震的地方，由于水库蓄水引发的地震 称水库地震。水库地震大都发生在地质构造相对活动区， 且均与断陷盆地及近期活动断层有关。 v 水库蓄水是引起岩体中应力集中和能量释放而产生地震的 直接原因。水体荷载产生的压应力和剪应力破坏地壳应力 平衡，引起断层错动，产生地震。2.2褶皱背斜和向斜的判别 背斜：两翼新，中间老。 向斜：两翼老，中间新。三、地下水的分类3.1潜水和承压水潜水是饱水带 中第一个具有 自由表面的含 水层中的水。 潜水没有隔水 顶板，或者只 有局部的隔水 顶板。承压水是充满 两个隔水层（ 弱透水层）之 间的含水层的 水。3.2孔隙水：冲洪积平原由暂时性的沟谷水流搬运的

5、大量碎屑物质在沟谷出山口 后，由于坡度的变化，水流的挟沙力降低而沉积下来形 成的堆积物称为洪积物。形成的地貌多呈扇型，称为洪 积扇。 pl洪积；al冲积层；al+ pl冲洪积层3.2孔隙水：冲湖积平原v 云梦泽横亘于湘鄂两 省间，面积曾达4万 平方公里，后由于长 江泥沙沉积，云梦泽 分为南北两部分。 v 长江以北成为沼泽地 带，此後有的小湖逐 渐淤平，有的则有扩 展，洪湖就是在清中 叶以後迅速扩展成的 大湖。 v 长江以南称之为洞庭 湖。80年代以来， 西洞庭湖和南洞庭湖 北部正向沼泽化演变 。 江汉盆地示意图（以长江从宜昌流出为例）3.3岩溶水溶沟和石芽是地面流水沿岩石裂隙下 渗过程中，溶解

6、地表岩石形成的沟摺 和脊状突起，沟槽为溶沟脊状突起为 石芽。当溶沟不断加探，石芽增长， 可形成巨形石芽，称石林， 落水洞是地面流水沿裂隙下渗，溶解 岩石所形成的与潜水面或地下溶洞相 通的陡立深洞。 溶蚀漏斗是分布于地表及浅处的碟状 或漏斗状的溶蚀洼地，溶蚀和重力崩 塌作用形成。 溶洞在潜水面附近地下水作近水平方 向运动，因而溶蚀作用沿水平方向发 展，形成沿水平方向延伸的洞穴，称 溶洞。 随着岩溶作用的发育，溶洞不断扩大 ，最终其上部岩石在重力作用下发生 大规模崩塌，形成岩溶盆地。在岩溶 盆地内常残留在孤立分布的石灰岩锥 伏山峥，称孤峰，通称峰林3.4裂隙水风化裂隙水暴露于地表的岩石，在温度变化

7、和水、空气、生物等风化营力作用下形成风化裂 隙。风化裂隙常在成岩裂隙与构造裂隙的基础上进一步发育，形成密集均匀、无 明显方向性、连通良好的裂隙网络。风化营力决定着风化裂隙层呈壳状包裹于地 面，一般厚度数米到数十米，未风化的母岩往往构成相对隔水底板，故风化裂隙 水一般为潜水，被后期沉积物覆盖的古风化壳可赋存承压水。（武当山）构造裂隙水应力集中的部位，裂隙常较发育，岩层透水性也好。同一 裂隙含水层中，背斜轴部常较两翼富水，倾斜岩层较平缓岩层 富水，断层带附近往往格外富水。3.5地下水分类表孔隙水裂隙水岩溶水潜水 浅部松散 沉积物中 的水裸露地表的各类 裂隙岩层中的水裸露地表的各 类岩溶化岩层 中的

8、水 承压 水山间盆地 及平原松 散沉积物 深部的水构造盆地、向斜 、单斜断块中的 水构造盆地、向 斜、单斜断块 中的水3.6泉水v 根据补给泉的含水层的性质，可将 泉分为上升泉及下降泉两大类。上 升泉由承压含水层补给。下降泉由 潜水或上层滞水补给。 v 根据出露原因，下降泉可分为侵蚀 泉、接触泉与溢流泉。沟谷切割揭 露潜水含水层时，形成侵蚀（下降 ）泉（图a、b）。地形切割达到 含水层隔水底板时，地下水被迫从 两层触处出露成泉，这便是接触泉 （图c）。潜水流前方透水性急剧 变弱，或隔水底板隆起，潜水流动 受阻而涌溢于地表成F，L 这便是 溢流泉（图d、e、f、g）。 v 上升泉按其出露原因可分

9、为侵蚀（ 上升）泉、断层泉及接触带泉。当 河流、冲沟等切穿承压含水层的隔 水顶板时，形成侵蚀泉（图h）。 地下水沿导水断层上升，在地面高 程低于测压水位处涌溢地表，便成 为断层泉（图i）。岩脉或侵入体 与围岩的接触带，常因冷凝收缩而 产生隙缝，地下水沿此类接触带上 升成泉，就叫作接触带泉（图j） 。 四、水文地质参数4.1渗透系数和达西公式4.2给水度和贮水系数承压含水层的贮水系数一般小潜水含水层1-3个数量级五、抽水试验5.1抽水孔和观测孔的布置5.2地下水降落漏斗5.3抽水试验注意事项v场地条件、保证供电等。 v抽水孔附近应有较好的排水条件，即抽出的水能无渗漏 地排到抽水孔影响半径区以外。

10、 v最好是分层抽水，并且是完整井抽水，这样可以准确得 出不同层位的水文地质参数。 v勘探阶段多用多孔抽水试验，即带观测孔的单孔抽水试 验。该种试验能完成抽水试验的各项任务，所得成果精 度也较高，但成本一般较高。在布置带观测孔的抽水井 时，要考虑尽量利用已有水井作为抽水时的水位观测孔 。 v抽水试验前保证抽水孔水位处于天然状态，抽水孔附近 不应有其他正在使用的生产水井或地下排水工程。 v抽水试验期间必须严格按照规则读数。尤其在抽水初期 ，水位下降很快，一人应当不停放线读水位，另一人不 停读时间并记录。此外，还要有一人现场描点计算，一 人读流量和观测孔的水位。六、地下水超采区6.1监测和调查内容v

11、 地下水超采判定依据：地下水开采量超过可开采量，造 成地下水水位持续下降，或因开发利用地下水引发了环 境地质灾害或生态环境恶化现象。 v 地下水超采区动态监测和调查内容： 1. 地下水水位监测； 2. 地下水开采量监测，人工回灌水量、水质调查； 3. 地下水水质监测； 4. 地面沉降量监测； 5. 地面塌陷调查； 6. 地裂缝调查； 7. 土地沙化调查； 8. 需要保护的名泉泉水流量监测；6.2各级浅层地下水、裂隙水和岩溶水 超采区严重超采区的划分：1. 年均地下水超采系数大于0.3 ； 2. 孔隙水年均地下水水位持续下降速率大于1.0 m，裂隙水 或岩溶水年均地下水水位持续下降速率大于1.5

12、m ； 3. 发生了地面塌陷，且100km2面积上的年均地面塌陷点多 于2个，或坍塌岩土的体积大于2m3的地面塌陷点年均多 于1个； 4. 发生了地裂缝，且100km2面积上年均地裂缝多于2条，或 同时达到长度大于l0m、地表面撕裂宽度大于5cm,深度大 于0.5m 的地裂缝年均多于1条； 5. 发生了地下水水质污染，且污染后的地下水水质劣于污染 前1个类级以上，或污染后的地下水已不能满足生活饮用 水的水质要求； 6. 需要保护的名泉年均泉水流量衰减率大于0.1；（济南的 趵突泉、敦煌的月牙泉、荆门的龙泉） 7. 因地下水开发利用引发了海水入侵、咸水入侵和土地沙化 现象。6.3各级深层承压水超

13、采区 严重超采区的划分1. 年均地下水水位持续下降速率大于2m； 2. 年均地面沉降速率大于l0mm； 3. 发生了地下水水质污染，且污染后的地下 水水质劣于污染前1个类级以上，或污染 后的地下水已不能满足生活饮用水的水质 要求。6.4世界最大的超采区在上世纪70年代，华北平 原农村取水人工挖到地下 十米八米，水就出来了， 现在基本上到了4050米 ，有的甚至超过100米才能 见水。在过去50年中，华 北平原大量开采地下水已 经使地下水储存量减少约 1300亿立方米，相当于 200个白洋淀的水量。华北 平原在14万多平方公里的 区域上，形成了7万平方公 里的大漏斗，这在已有的 人类经验中是前所

14、未有的 。在水资源矛盾如此集中 的条件下居然经济快速发 展、农业生产活跃、养活 了1亿多人口也是前所未有 的。因此，出现在华北平 原上水资源供需的严重势 态，对其他国家来说是一 种借鉴。世行，以及美德 日意荷等国的科学家都曾 先后到华北平原开展相关 研究。6.5地面沉降的危害我国70余城市地面沉降 ，上海发生最早危害最重。长三角地区因地面沉降所造成的 直接和间接损失已经达到3150亿元。地面沉降造成的损失包括对建筑楼房、道路桥 梁、地下管线等造成的损失。例如，上海过江隧道里的灯需要一两年换一次，即是 由于地面下沉而造成的。2008年5月，鄂州市汀祖镇出现突发性地面沉降，总面积为 1.5 平方公

15、里，原因主要是抽汲地下水引起。据勘查统计，受灾的居民有118 户，其 中53 户人家房屋严重开裂。粘性土的释水 会造成永久性 沉降，砂砾石 的释水可以部 分恢复6.5地面沉降的危害6.7高铁对地下水的影响v 中科院西安地球环境研究所的张拾迈教授得出“中国的地 质不适合建高铁”的结论。认为在中国的地质条件下，高 铁产生的夏尔谢夫力将导致严重的斯蒂芬金效应，引起群 发性的地质灾害。 v “夏尔谢夫力”，是科里奥利力的一种特殊存在形式，由俄 国铁路工程师夏尔谢夫于1903年发现并引起重视。由于地 球的自转，任何移动中的物体都受到一个侧向的作用力， 在北半球向右，在南半球向左。火车当然也不例外，在北

16、半球会受到向右的力，对钢轨产生挤压，钢轨又将这种作 用力传给地面，从而对地面产生一个向右的切向力，这个 力就是夏尔谢夫力，车速越快，夏尔谢夫力就越大。早期 火车速度慢，夏尔谢夫力并未严重到需要人们加以警惕的 地步，然后随着火车速度越来越快，加之建铁路的地区地 质条件千差万别，在特定条件下夏尔谢夫力终于量变产生 质变，并引发斯蒂芬金效应。v 斯蒂芬金效应，系詹天佑的同门，耶鲁大学土木工程系毕 业的年轻工程师斯蒂芬金发现的。1926年，斯蒂芬金考察 落基山区的铁路线时，发现翻过山顶后高速冲下的火车， 使得行车方向右侧的岩层、山崖发生断裂甚至小规模滑坡 。这种地质破坏，正是因重力加速的火车产生的夏尔谢夫 力引起的，而且这种破坏可以是“隔山打牛”型的，斯蒂芬 金亲眼观察到与铁路线隔着数条河谷的山崖，在火车通过 时产生了裂纹。因为地表岩土的刚性可以使夏尔谢夫力持 续传递，远至数百公里以外，就像一粒高速运动的台球击 中一列紧挨着排放的台球左侧，最右边的球却会被弹开一 样