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1、第十三章 地下水的地质作用地下水 指存在于地表以下松散堆积物或基岩空隙中的水。我国水资源总量：2.8万亿立方米/年，地下水0.6亿立方米左右。第一节 地下水的一般特征一、 地下水的化学特征v 地下水长期在地下运动，可从岩石中获得大量可溶性的物质成分，使之成为成分复杂的溶液 。v 地下水中含大量的离子、分子和化合物，其矿化度高。v 地下水中常见的气体成分：O2、N2、CO2及H2S。v 地下水中还含有大量的胶体物质：Fe(OH)3、Al(OH)3、SiO2及以胶体形式存在的有机质。二、 地下水的运动1. 地下水运动的条件 地下水存于岩石(以及松散沉积物)的孔隙中，并在其中运动，因此岩石孔隙度的大
2、小、形状、数量及连通情况，对地水的储量及运动特点有很大的影响。空隙度：一定体积岩石中空隙体积所占的比例。 地下水的分布、储量及运动均受岩石空隙的多少（空隙度）支配 。以n表示空隙度，VP表示空隙体积，V表示岩石体积，则n=VP/V。 即孔隙度= 岩石中孔隙的体积 / 岩石总体积v 大多数岩石的空隙是连通的，因而地下水可在岩石中流动。透水性：岩石被水透过的性能。隔水性：岩石阻挡水通过的性质。空隙较大，且相互连通的岩石，地下水可以在岩石中流动。有些岩石虽有很高空隙度，但空隙不连通的岩石和空隙过小，且连通性不好的粘土和泥岩，地下水也很难在其中流动。透水层：能透水的岩层。洞隙大，且相互连通的石灰岩和白
3、云岩以及孔隙大的砾石层和沙层是良好的透水层。隔水层：具隔水性的岩层。粘土岩、粉砂质泥岩及节理不发育的岩浆岩和块状变质岩可视为隔水层。 2. 地下水的运动方式毛细水（结合水）： 在毛细作用下运动的水。岩石颗粒表面和空隙壁面在静电吸引作用下，会吸附水分子 。这类水束缚于颗粒表面及空隙壁面，不能在自身重力作用下运动。而且还可逆重力而运动（毛细运动）。重力水：在自身重力作用下产生运动的水。在岩石和松散物质的空隙中，重力水在重力作用下产生运动称渗流(渗透) 。第二节 地下水的类型根据地下水埋藏条件分：包（饱）气带水、潜水、承压水（层间水）、泉（Spring）。1. 包(饱)气带水：地下水面以上包气带中所
4、含的地下水。 贴近地表的气态水、土壤颗粒水吸附毛细水分子，这些水虽可连结起来成为液体，但因是充填在细微的孔隙中而不能自由运动 。2. 潜水：地面以下第一个稳定隔水层之上的水。 能在重力作用下流动，民用水井均取用潜水层的水。此水层的水面称为潜水面（water table），潜水面与地表面的形态具有相似性。 3. 承压水(层间水)：埋藏在两个隔水层之间的透水层中的地下水。它的运动受到上下隔水层的约束和水压的作用 ，打井穿过上面的隔水层时，承压水就可向上涌出来 。不同季节的地下水水位4. 泉（Spring）：地下水在地表的天然露头温泉形成的原因：岩浆热、地热。 温泉水中含有某些对人体有用的化学成分，
5、则称之为矿泉。第三节 地下水的地质作用地下水在岩石孔隙、裂缝中流动十分缓慢，动能较小，故而机械作用十分微弱。但由于地下水与岩石、矿物的接触时间长，加之溶有一定量的酸类物质(如H2CO3、H2SO4及有机酸)，对地下岩石、矿物具有强烈的溶解作用。就整个地下水的地质作用而言，以化学作用为主。一、地下水的潜蚀作用（suffosion） 地下水在运动过程中对周围岩石的破坏作用称为地下水的潜蚀作用（suffosion）。 包括以下几种方式：1. 冲刷（scour）：地下水流体一般分散，流速缓慢，冲刷力微弱，只能冲刷细小的颗粒，使岩石的空隙逐步扩大。但是长时间的冲刷，也可造成大型空洞并引起地表塌陷。规模较
6、大的洞穴和裂隙中的地下水流速较快，冲刷力较强。黄土最易被地下水冲刷破坏，因为它主要由粉砂组成，颗粒细小而且松散，同时，黄土含有较多碳酸盐类矿物，易被地下水溶解。疏松的钙质砂岩也容易受冲刷破坏。2 .溶蚀（corrosion）：地下水中含有CO2，易溶解石灰岩或含碳酸盐类矿物的岩石。其反应式如下： CaCO3CO2H2ODCa22HCO3 此处分解而成的钙离子和碳酸氢根离子便随水消失。3 . 喀斯特（karst)：主要为地下水（兼有部分地表水），对可溶性岩石进行以化学溶蚀为主、机械冲刷为辅的地质作用以及由这些地质作用所产生的地貌，称为喀斯特（karst）。 喀斯特是南斯拉夫西北部沿海一带石灰岩高
7、原的地名，那里发育着各种奇特的石灰岩地形。十九世纪末，南斯拉夫学者司威治（JCvijic）对这个地区首先进行了研究，并借用“喀斯特”一词来称呼石灰岩地区的一系列特殊的地貌形成过程和水文现象，至今喀斯特一词已成为世界各国通用的专门术语。 喀斯特作用也称岩溶作用，主要形成以下特征地貌（喀斯特地貌KARST TOPOGRAPHY）：1）溶沟（karren）和石芽（stone bud） 溶沟是石灰岩表面上的沟槽，是地表水流沿可溶性岩石表面进行溶蚀和机械冲刷的结果。沟槽的宽度和深度一般由数厘米到数米，有时更大，其形态各异。沟槽之间凸起的石脊称为石芽。如石芽形态高大，沟坡近于直立，且发育成群，远观之宛如森
8、林，称为石林（stone forest）。（2）峰丛（peak cluster）、峰林（peak forest）和孤峰（isolated peak） 都是正向的喀斯特地貌。其中，峰顶尖锐或圆锥状竞相突出，而基部相连，宏观上似簇状者称为峰丛，它是喀斯特发展较早阶段的地貌。如峰体上部挺立高大，基部仅稍许相连，称为峰林（规模较大的石林）。耸立于喀斯特地区平原上的孤立山峰称为孤峰。 3）落水洞（sinkhole）：地表水沿近于垂直的裂隙向下溶蚀而成的直立或陡倾斜的洞穴，下接地下河（underground river）或溶洞，是地表水转入地下河或溶洞的通道。在两组直立的裂隙交汇处，落水洞最易形成。有时许
9、多落水洞呈串珠状分布。（4）溶斗（corroded funnel）又称漏斗，是小型洼坑。其平面呈圆形或椭圆形，直径一般由数十米到数百米；深度常为数米或数十米，最深可达400多米。纵剖面形态有碟状、锥状和井状等。 （5）干谷（dry valley）和盲谷（blind valley） 落水洞如果发育在河床中，它可吸收河水，使其转入地下，把河流截断。落水洞以上有水流的一段河谷继续受河水侵蚀使河床降低，落水洞以下的河谷因断水遂转变成干谷，干谷谷底相对高起。 6）溶洞 系指地下水沿可溶性岩层的构造面（层面、节理面、断裂面等）进行剥蚀，并进一步崩塌扩大形成的洞穴。形成初期，孔隙孔道很小，地下水运动缓慢，以
10、溶蚀为主。空洞扩大后互相串通，水流加强，动能增大，引起冲刷。在水平流动带发育者多呈水平状态。喀斯特地貌KARST TOPOGRAPHY 二、地下水的搬运作用除溶洞水有较强的机械搬运外，地下水的搬运主要是以化学方式进行，包括真溶液及胶体溶液两种形式。 搬运物以重碳酸盐为主，有时氧化物、硫酸盐、氢氧化物、二氧化硅、磷酸盐、氧化锰以及氧化铁等也很重要。v 地下水搬运的成分和数量，取决于渗流区岩石性质和风化程度。v 地下水的搬运能力，与水温、压力、运移速度、PH值及CO2含量有关。v 一般说来，温度高、压力大、流速快、CO2和酸类物质含量高时，其搬运能力强；反之，则较弱。 三、 地下水的沉积作用地下水
11、的沉积作用以化学沉积作用为主，主要有以下两类:溶洞沉积（Karst cave deposit）热（温）泉沉积（Thermal spring deposit）1 .溶洞沉积（Karst cave deposit）v 富含Ca(HCO3)2的地下水，沿着孔隙、裂隙渗入空旷的溶洞，由于温度、压力改变，CO2逸出，加之蒸发作用加强，就沉淀出CaCO3。v 水自洞顶下滴，边滴边沉淀，可形成自洞顶向下垂直生长的石钟乳(stalactite)。石钟乳横切面呈同心环带构造，核心常是空的。v 渗出水滴落洞底后，CaCO3就在洞底沉淀并向上生长形成石笋(stalagmite)。石笋的形态一般为岩锥状、塔状，横切面
12、具有同心环带构造，是实心的。v 石钟乳与石笋长大后连成一体，称为石柱(stone pillar)。v 石钟乳、石笋、石柱合称为钟乳石(stalactite)。此外，地下水沿着洞壁裂隙成层状渗出，能沉积成石帘、石帷幕、石瀑布和石幔(curtain)等。2. 热（温）泉沉积（Thermal spring deposit）v 热（温）泉水流出地表时，因压力降低、温度降低，地下水中的矿物质发生沉淀，沉淀在泉口的疏松多孔物质叫泉华。发生在温泉出口处，沉积物疏松多孔。v 钙质(CaCO3)的泉华称为钙华或石灰华(travertine)，硅质(SiO2)的泉华称为硅华(siliceous sinter)。 v 泉华可堆积成锥状、台阶状或扇状地貌。第四节 地下水的研究意义(一) 寻找地下水，促进工农业生产； (二) 热水发电，取暖； (三)掌握岩溶的发育规律，确保工程安全。 （四）水化学找矿； （五）旅游开发等。
