水文地质学基础：12岩溶水
水文地质学课件 12岩溶水
12.0 概述12.1 岩溶发育机理12.2 影响岩溶发育的因素12.3 岩溶水系统的演变12.4 岩溶水的特征12.5 我国南北方岩溶水的差异12.0 概述12.0.1 岩溶与岩溶水【定义】地下水和地表水对可溶性岩石进行化学溶解，并伴随以冲蚀作用及重力崩坍，在地下形成大小不等的空洞，在地表造成各种独特的地貌现象以及特殊的水文现象，上述作用及由此产生的各种现象称为“岩溶”。
赋存并运移于岩溶化岩层中的水称为“岩溶水”。
介质的可溶性以及水对介质的差异性溶蚀；岩溶水在流动过程中不断改造着自己的赋存与运动的环境，从而改造着自身的补给、径流、排泄与动态特征。
岩溶水系统是一个能够通过水与介质相互作用不断自我演化的动力系统。
（动态系统）演化初期：岩溶水系统往往与裂隙水系统没有很大的不同演化后期：岩溶水系统，管道系统发育，大范围内的水汇成一个完整的地下河系，某种程度上带有地表水的特征：空间分布极不均一，时间上变化强烈，流动迅速，排泄集中。
水量丰富的岩溶含水系统是理想的供水水源。
岩溶区的奇峰异洞与大泉是宝贵的旅游资源。
但是……12.1 岩溶发育机理溶滤作用的强度回忆1）矿物盐类的溶解度；2）岩土的空隙特征；3）水的溶蚀能力；4）水中气体成分的含量；5）水的流动状况。
12.1 岩溶发育机理岩溶发育的基本条件：1）具有可溶性岩石； 2）可溶岩必须是透水的；3）具有溶蚀能力的水；4）具有良好的水循环交替条件，即具有良好的地下水补给、径流、排泄条件。
最活跃最积极的条件是地下水的循环交替条件，它受控于气候、地形地貌、地质结构、地表非可溶岩覆盖及植被发育条件等。
12.1.1 碳酸岩盐的溶蚀过程1）与水接触的石灰岩，在偶极水分子作用下发生溶解：-++⇔2323CO Ca CaCO 2）水中存在由碳酸、有机酸、无机酸等酸类所解离的H +，与CO 32－结合成HCO 3－，使①右边的CO 32－不断减少而破坏平衡，进而促进CaCO 3的再度溶解。
第13章 岩溶水
第3节 岩溶(yánróng)水特征
岩溶介质(jièzhì)中的地下水流动
运动特征： 1、层流与紊流共生
2、有压与无压共存
3、运动方向的不同步 （局部与整体不一致）
4、缺乏统一的区域(qūyù)地 下水水位
共四十七页
雨季情况下
第3节 岩溶 水特征 (yánróng)
三、岩溶水的补给、排泄(páixiè)与动态
山泉、郭庄泉、广胜寺胜泉、龙子祠泉，支撑了山西盆地的工农 业发展
3、广西桂林山水甲天下，奇特岩溶景观；云南路南石林，壮观与气 势，让游客流连忘返
共四十七页
第1节 岩溶发育(fāyù)的基本条件
二、学习岩溶水的意义
岩溶水的奇特又常使人无奈，出现一些消极作用，如：
1、我国华北地区大多数煤矿煤层(méicéng)下伏为灰岩承压含水层， 承压水头高，带来了开采的巨大风险
水几乎没有机械搬运能力，岩溶发展比较缓慢。
2、快速发展阶段
地下水流对介质的改造由化学溶蚀变为机械侵蚀与化学溶蚀共存， 机械侵蚀变得愈益重要。
表现为：形成地下洞穴、地表的溶斗、落水洞、溶蚀洼地、地 下河流
3、停滞衰亡阶段 随着地下水位的总体下降和水力坡度的逐渐降低，地下水的溶蚀能
力逐渐降低甚至消失，岩溶发育呈停滞状态。
岩溶演化的正反馈过程：不均匀介质→不均匀水流→差异性溶蚀→更不均 匀的介质→更不均匀的水流→进一步的差异性溶蚀→…
岩溶发展过程实质是介质的非均质化过程与水流的集中过程 岩溶发展速度划分为三个阶段：起动阶段、快速发展阶段、停滞衰 亡阶段
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第2节 岩溶水系统(xìtǒng)的演变
1、起动阶段 地下水对介质以化学溶蚀作用为主，水流通道比较(bǐjiào)狭小，地下
第十二章 岩溶水
第十二章 岩溶水岩溶（喀斯特）— 可溶岩在水的溶解、冲蚀、崩塌、搬运作用下，在地下形成大小、形状不等的溶蚀裂隙、溶洞、溶穴，在地表形成各种独特地貌的现象。
岩溶发生在地表称为地表岩溶；发生在地下的称为地下岩溶。
岩溶水——赋存并运移在岩溶化岩层中的水。
都可被水溶解，故统称为可溶岩。
其中碳酸盐岩分布最广，约占全国总面积的13%，所以它是岩溶研究的主要对象。
故我们仅讨论灰岩、白云岩的岩溶水的情况。
一、岩溶发育的基本条件与影响因素* * *（一）岩溶发育的基本条件１、可溶的岩石：（基础） 可溶岩是岩溶发育的物质基础。
没有可溶岩，岩溶则不会发生。
碳酸盐岩的成分和结构都控制着岩溶发育。
实验表明，纯方解石的溶解速度是白云岩a. 可溶的岩石； b. 岩石是透水的；c. 水是富含CO 2的；d. 水是流动的 四者缺一不可自然界的 卤化物岩石（岩盐、钾盐、镁盐）硫酸盐岩（石膏CaSO 4）碳酸盐岩（CaCO 3、MgCO 3）灰岩、白云岩的两倍。
所以纯灰岩的岩溶最为发育；白云岩次之；泥质和硅质碳酸岩更次。
其中泥质、硅质本身就不可溶，被带入水中的泥质成分既可附着在岩石孔隙表面，阻塞水的通道，又可限制水与岩石接触而发生反应。
大部分碳酸盐岩属浅海沉积，其沉积模式和岩石结构与碎屑岩相似。
其碎屑颗粒间孔隙的存在，为水的溶解作用提供了前提。
那些致密完整的碳酸岩，孔隙很小，溶解就困难了。
２、岩石透水性（基本条件）总的说来，碳酸盐岩从成分上说是可溶的，但如果岩石完整，结构致密，其中只有微小孔隙且连通性不好，水仍不能进入其间进行有效的溶蚀作用。
只有当可溶岩在地质营力作用下产生了相当多的裂隙，地下水才能进入其间，岩溶现象才会有效地发生。
所以岩石的透水性是溶解作用的必要条件之一。
３、水的侵蚀性（必要条件之一）进入到裂隙中去的水还必须具有一定的侵蚀能力。
因为纯水对CaCO3的溶解能力很低。
即：CaCO3+H2O Ca2++HCO3ˉ+OH ˉ①在25°C时，CaCO3在纯水中的溶解度很低，仅14.2mg/l。
12水文地质学基础-岩溶水
5）其它酸类离解产生H+提高碳酸钙的溶解度 a.碳酸盐区附近存在大量植被腐殖质可产生有机酸； b.碳酸盐区附近存在金属硫化物矿氧化带及含黄铁矿的煤系地层时，可 产生硫酸，岩溶格外发育。 一般情况下，侵蚀水随溶蚀不断进行， Ca+浓度加大，饱和，则侵蚀 能力降低。 6）深部岩溶发育的原因： a.混合溶蚀效应： 两种或两种以上不同含量CO2 的饱和CaCO3 溶液混合后会变为不饱 和而重新具有侵蚀性，从而对碳酸盐进行新的侵蚀。 实际上，对岩溶发育有利的混合作用是不同CO2 含量的水的混合， 除了解释深部岩溶以外，有利于不同成分的水的混合部位，如：潜水 面、导水通道及汇水的宽大裂隙处，岩溶都比较发育。 b.次生溶蚀效应： 含有大量CO2的土壤空气，以气泡形式被裹留于下渗降水中，由于 浅部压力低，部分CO2未能溶入浅部水中而随降水入渗到地下深处， 地下深处压力大， CO2溶于水中而增强了深部水的溶蚀能力，产生深 部岩溶。
整的地下河系，呈现水系化特征；
3）具有地表水的特征：空间分布极不均一，时间上变化强烈，流动迅 速，排泄集中，多呈紊流状态。
岩溶水的消极不利方面
12.1 岩溶发育的基本条件与影响因素
一、岩溶发育的基本条件 1.可溶岩的存在； 2.可溶岩层具有一定的透水性； 3.水是流动的； 4.水具有侵蚀能力。 二、岩溶发育的影响因素 卤化物岩（岩盐、钾盐、镁盐）、硫酸盐岩（石膏等）及碳酸盐岩（石灰岩、 白云岩、大理岩）等都是可溶岩。但前两类岩石分布不广，岩体较小，而碳 酸盐类岩石分布广，岩体大，具有普遍意义。 1.碳酸盐岩的成分与结构 1）成分：结构由不同比例的方解石和白云石组成，并含有泥质、硅质等杂质。 溶解速度及岩溶发育强度：纯灰岩﹥白云岩﹥硅质、泥质灰岩。 2）组分及结构： a.组分：包括粒度相当于粉粒到砾的粒屑和充填在粒屑之间的粒度细小的泥晶 以及以化学沉淀方式充填于颗粒之间的方解石亮晶。它们形成了各种碳酸盐 岩结构，产生各类孔隙，决定其溶蚀强度。 b.结构： 生物礁岩结构：最易溶蚀，它主要由生物碎屑组成，孔隙大且多； 泥晶粒屑碳酸盐岩及泥晶碳酸岩次之； 亮晶碳酸岩，尤其是经过重结晶作用的亮晶碳酸盐岩，孔隙度小，最不易溶 蚀。
岩溶水
岩溶水目录编辑本段裸露型岩溶水岩溶化地层广泛出露地表，特点是以潜水为主。
其主要接受降水入渗补给，地下水循环交替快，常以泉河地下河形式排泄。
动态变化大、水化学成分简单、矿化度低。
覆盖型岩溶水岩溶含水层之上有松散岩层覆盖厚度不同，分为两个亚型。
浅覆盖亚型：上覆第四纪堆积物，厚度一般不超过30m。
其特点是：赋存潜水，但有承压现象；埋藏受基岩面几地貌控制；接受降水、地表水和浅部地下水补给。
有类似裸露型的径流、排泄及动态特征，但变化幅度小。
深覆盖亚型:第四纪覆盖层厚度大于30m。
其特点是：分布范围较大，赋存承压水或部分自流水。
补给来源管饭，径流条件复杂，天然排泄点少。
地下水动态对降水反应滞后，水化学成分稍复杂，但矿化度仍较低。
埋藏型岩溶水岩溶含水层被固结的岩层覆盖。
常以向斜、单斜等蓄水构造等形式出现。
其特点是：埋藏、径流主要受构造控制，赋存承压水或自流水。
补给主要来源于相邻的其他含水层，径流缓慢，极少见有天然排泄点，动态变化幅度小，水化学成分复杂。
编辑本段岩溶水的分布特征岩溶含水层的富水性总的来说是较强的，但是含水又极不均匀。
因岩溶水并不是均匀地遍及整个可溶岩的分布范围，二十埋藏于可溶岩的溶蚀裂隙、溶洞中，所以往往同一岩溶含水层在同一标高范围内，或者同一地段，甚至相距几米，富水性可相差数十倍至数百倍。
例如在广西拔良附近进行水文地质勘探时，在石灰岩和白云岩分布区利用人工开挖的方法，两个点上都找被盗了丰富的集中涌出的地下水。
一个点水位下降8m是出水量为15600m3/d；另一点水位下降5.2m出水量仍达2600m3/d。
两点相距1000m 左右。
而在两点之间打的7个钻孔，降深大于5m时出水量都不到40m3/d，富水性之差达60~360倍。
岩溶的发育具有向深部逐渐减弱的规律，使含水层的富水性相应也具有强弱的分带性。
昆明附近钻探结果说明，该地区石灰岩分布地段，深度不超过100m范围内地下水较丰富。
岩溶水在水力联系上也具有明显的各向异性。
水文地质学基础-第十章-岩溶水
第三节 岩溶水的特征
岩溶水的补给、排泄和动态特征
溶孔溶隙水
补给仍以缓慢地入渗补给为主 具有统一的地下水位面及较完整的降落漏斗，具各向同性 地下径流以扩散流为主，排泄以大泉集中式排泄为主，动态
相对稳定 地下水动态常具有多年周期性变化 局部可以发育溶孔溶隙及小管道共同组成的强含水段
管道流（洞流）
管道流在漏斗、竖井、落水洞、地下暗河入口、封闭洼地中 接受集中式迅速的补给，以流入、灌入式补给为主。
CaCO3
H 2O CO2
Ca 2
2
HCO
3
影响水的侵蚀性的因素
PH值，主要是CO2的含量决定，而自然界水中总含有CO2， 主要来源于大气和土壤中。
不同水的混合可改变其侵蚀性
水的流动性：水的流动性越强，地下水的侵蚀性越强
影响岩溶发育的其它因素
气候因素
地质环境
地理条件
第二节 岩溶含水介质的演化和分带性
岩溶发育的过程
裂隙 溶蚀拓宽 管道 冲刷磨蚀 洞穴 洞顶崩塌
竖井或落水洞 颗粒间孔隙 溶蚀
溶孔
溶孔、溶洞、管道等共同组成了岩溶含水介质
袭夺现象
裂隙间的袭夺
地下河间的袭夺
袭夺现象的实例，见图10-2
第二节 岩溶含水介质的演化和分带性
岩溶发育和岩溶水赋存的优势方位
厚层质纯灰岩分布区，特别是鲕粒灰岩和生物屑灰岩 断裂及其交汇部位，见图10-4、图10-5 可溶岩与非可溶岩交界附近，见图10-6 硫化矿床氧化带 河谷区
既有局部快速补给，又有大部分地区沿溶孔溶隙的缓 慢下渗；
既有管道中的集中流，又有其周围裂隙溶隙中的扩散 流（图10-32）；
既向排泄区运动，双重介质间也有侧向运动。 二部分水流量可以区分（图10-33、图10-34）
第12章岩溶水
第十二章岩溶水学习目的和要求：掌握岩溶发育的基本条件与影响因素、岩溶水的特征，了解岩溶水的垂直分带、我国南北方岩溶及岩溶水的差异。
12．1 岩溶发育的基本条件与影响因素岩溶水——贮存并运移于岩溶化岩层中的水称为岩溶水（喀斯特水）。
岩溶发育应具备四个条件：（1）可溶岩的存在；（2）可溶岩必须是透水的；（3）具有侵蚀能力的水；（4）水是流动的。
1．碳酸盐岩的成分与结构（1）成分；（2）结构；（3）构造2．碳酸盐岩、水、二氧化碳体系（1）岩溶化过程（方解石）是CaCO3－H2O－CO2体系间相互作用的过程，用CaCO3的饱和指数判断水是否仍具有侵蚀性。
（2）如果CaCO3－H2O－CO2形成一个封闭体系，用不了多久，这一体系中因CO2的消耗及溶解CaCO3的积累而达到平衡状态，岩溶化作用不再继续进行；如果CaCO3－H2O－CO2形成一个开放体系，不断有新的CO2进来，溶解下来的CaCO3又不断被流动的水流所带走，则岩溶化作用继续进行。
（3）二氧化碳的主要来源：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是地下水中CO2的主要来源（土壤空气中CO2含量通常为1% ~ 3%）。
（4）小结：在CaCO3－H2O－CO2体系中，通过大气降水的入渗，CO2不断地补给地下水，CaCO3的排出也必须依靠径流和排泄来完成。
因此，地下水的循环交替是保证岩溶发育的充要条件。
12．2 岩溶水系统的演变1．地下水流对介质的改造不均匀的介质→不均匀的水流→差异性溶蚀→更不均匀的介质→更不均匀的水流→进一步的差异性溶蚀。
岩溶发展的过程实质上便是介质的非均质化过程和水流的集中化过程。
岩溶发育的三个阶段：起动阶段、快速发展阶段、停滞衰亡阶段。
2．地下水流动系统与岩溶发育的空间特征（1）地下水径流条件是控制岩溶最活跃最关键的因素；（2）岩溶发育部位；（3）岩溶发育的垂直分带：总的来看，从上→下，岩溶发育由强→弱；从补给区→排泄区，岩溶发育由弱→强。
水文地质学11-13 孔隙水、裂隙水、岩溶水
分选
差 中等 好
•整理课件
透水性（K） 好
差
水位埋深 深 浅 渐深（或承压）
赋存 （深埋区） （•整理溢课流件 区） （下沉区）
补给 流速水交替
排泄
好
V大，交替快
径流排泄
•整理课件
差 V小，交替慢 蒸发排泄
形成作用 矿化度（TDS）
成分与类型
溶滤作用
低 中
HCO3
•整理课件
SO4
1）岩层具有可溶性
1）自然地理条件，气候、地形
2）地下水具有侵蚀作用
2）地质条件
3）可溶岩必须是透水的
3）水文地质条件，动力、化学
4）水是可流动的
•整理课件
岩溶水特征
介质特征：有规模巨大的溶洞，也有十分细小的裂隙或孔隙。细小孔隙 与裂隙的导水性差而总的容积大，成为主要贮水空间；大的岩溶管道与 开阔的溶蚀裂隙构成主要导水通道；规模介于两者之间的则兼备。
1）洪积扇中的地下水
2）冲积平原中的地下水
3）湖积物中的地下水
4）黄土高原的地下水
•整理课件
1）洪积扇中的地下水 典型的洪积扇形成于干旱半干旱地区的山前地带。
暴雨形成流速极大的洪流，山区洪流沿河槽流出，进 入平原或盆地，地势转为平坦，集中的洪流转变成辫状散 流，水的流速顿减，搬运能力急剧降低，洪流所携带的物
•整理课件
冲积平原地下水 的形成和分布除 受岩性和地形的 控制外，还受到 水文、气候等因 素的影响。 平原河流的冲积 物颗粒细小，地 形坡度平缓，地 下水埋藏浅，径 流缓慢。
•整理课件
3）湖积物中的地下水 湖积物属于静水沉积，颗粒分选性良好，层理细密，岸边 浅水处沉积砂砾等粗粒物质，湖心则多为粘土。构成含水 层的砂砾石分选性较好，磨圆度高，空隙度大，透水性强。 波浪力是颗粒分选的动力，波浪力影响的范围内，波浪反 复淘洗沉积物，粗粒留在岸边，细粒落于远岸，波浪力影 响不到的湖心，则沉积细小的粘粒。 随着气候和构造运动发生变化。
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Fundamentals of Hydrogeoloy
水文地质学基础
本章内容
第十一章岩溶水（Karst water）
Company Logo 山水甲天下的桂林
九马山烟雨漓江塔山
象鼻山
岩溶水的奇特又使人无可耐何——消积不利
金沙江溪洛渡
水电站库区
岩溶洞穴
12.1 岩溶发育的基本条件
开放体系中的方解石溶解的基本物理化学模式
12.1 岩溶发育的基本条件
12.2 岩溶水系统的演变
12.2.1 地下水流对介质的改造
溶洞的扩张示意图
12.2.1 地下水流对介质的改造
12.2.2 岩溶水系统演变过程
Company Logo
甲河
乙河
甲河
乙河
A) 岩溶发育初期B)局部岩溶水系统发育阶段
Company Logo
乙河甲河
乙河
甲河
乙河
C) 岩溶水系统的袭夺
D)统一地下河系的形成
12.3 岩溶水的特征
12.3.1 岩溶水的运动特征
典型岩溶水系统结构概化图
土壤层
表层岩溶带
岩溶沟谷
地下河管道
岩溶漏斗
地表水系
由表层岩溶带、浅部的岩溶管
道、岩溶洞穴、岩溶裂隙、岩
溶裂缝和岩溶孔隙等多种岩溶
空隙介质体组成的多重复合体
系，具有高度的非均质性。
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岩溶介质中的地下水流动
旱季情况下
雨季情况下
12.3.2 岩溶水的补给、排泄与动态
12.3.2 岩溶水的补给、排泄与动态
地苏地下河出口地苏地下河出口附近落水洞
Company Logo 南方的岩溶地下河排泄成为地表水之源
12.3.3 岩溶水的动态
Company Logo
云南喷水洞地下暗河流量动态曲线
山西广胜寺岩溶泉流量动态曲线
12.3.3 岩溶水的动态
Company Logo 结构性缺水－
性缺水
地下水位埋深大，地表水基本漏失
Company Logo 岩溶山区的分布的落水洞
西南岩溶地区的石漠化远景
Company Logo 为解决当地饮用水修建
的水柜
天旱季节时需要远徒跋涉运水
Company Logo
12.3.4 岩溶水系统的圈定
实例——太原西山岩溶水系统边界
剖面图平面图。