第十二章 岩溶水综述
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。
第十二章 岩溶水
在裂隙不发育的条件下孔隙对岩溶发育起控制作用， 多形成岩溶中等发育、比较均一的岩溶含水层。
2
然而，由于岩溶水的奇特又常常使人无可奈何，出 现一些消极作用，如： 我国华北地区大多数煤层矿区，下伏为灰岩承 压含水层，承压水头之高，带来了开采的巨大风险。 云南、广西、贵州省岩溶山区，岩溶水位极低， 山区缺水严重，阻碍当地经济发展，生活贫困现象 严重。
岩溶地区的库水渗漏、地下施工、燧道施工等 困难重重，突水处理很难。
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图12—1 不同构造开启程度岩溶含水系统中岩溶发育条件
1—非可溶岩隔水层；2—石灰岩；3—导水断层；4—不导水断层；
5—潜水面；6—地下水流线；7—泉
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（2）可溶岩与非可溶岩地层组合
在可溶岩与下伏隔水层的接触面上往往会发育成层 的溶洞，这是由于水流下方受阻，流线密集于接触界 面上所致（图12—3）。
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②初期为区域地下水流动系统的水流循环加速，最终发 育为完整的地下河系。
③统一的地下水河系，通常分布在整个碳酸岩盐地区， 范围大、排泄集中，系统内岩溶形态齐全，即：垂直 落水洞，漏斗，过路溶洞（无水），常年有水地下河 道（参见插图12-3）。
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插图12-3 介质改造结果——典型岩溶水系统结构概化图
两种非饱和溶液混合或其它离子(SO42- 、C1- 、Na＋等) 的加入都可增加水的侵蚀性。易溶盐离子降低Ca2＋、 CO32-离子的活度，使原饱和溶液再具有侵蚀性。 16
岩溶水
发育条件之四
h n 其作用：不断更替补充具侵蚀性的水；将溶解与侵蚀 w o r u o n i s i 的物质带走----留下空洞（岩溶） e r u t u f r u O
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1.岩溶发育基本条件和影响因素
影响因素
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桂林溶岩
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1.岩溶发育基本条件和影响因素
发育条件
岩溶是水与可溶性岩石相互作用的产物，岩溶化过程是水 作为营力对可溶岩层的改造过程。因此，岩溶发育必不可少的 两个基本条件是：岩层具有可溶性及地下水具有侵蚀能力。考 ！ s d 虑到其相互作用，又将两者一分为二，故基本条件有四个。即： an
可溶岩的界面上，可溶岩中岩溶格外发育。
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2. 岩溶水系统的演变
地下水流对介质的改造
由于裂隙通道规模上的差别引起水流分配的不均匀性，而水流的不均匀性 又造成裂隙溶蚀扩展上的差别，由此便形成了一个岩溶演化的正反馈过程：
不均匀介质
不均匀水流
r u 更不均匀的水流 O
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卤化物岩(岩盐、钾盐、镁盐) our
in s i e r 硫酸盐岩(石膏等) u t u f r u O 分布不广，岩体较小
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碳酸盐岩(石灰岩、白云岩、大理岩等) 分布广、岩体大，有普遍意义
作为溶解对象，不同成分和结构的岩石溶解的难易程度不同。
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2015年4月 成都理工大学
主要内容
！ s • 1.岩溶发育基本条件和影响因素 d an r u o • 2.岩溶水系统的演变 in s i e r u t u f r u • 3.岩溶水的特征 O h n ow
岩溶及岩溶水 PPT
喀 斯 特 地 貌
岩溶发育的基本条件和影响因素
岩溶发育的基本条件： ①可溶岩层的存在
②可溶岩层必须是透水的 ③ 具有侵蚀能力的水 ④ 水是流动性的
影响岩溶发育的因素： ①气候 ②地层的组合、厚度及产状的影响 ③构造的影响
水的溶蚀性
水对碳酸盐类岩石的溶解能力，主要取决于 水含中量侵越蚀多性，水CO的2的溶含蚀量能。力水也中越侵强蚀。性其C化O学2的方 程式：CaCO2+H2O+CO2==Ca2++2HCO3-
渗漏和突水问题
❖ 地区的岩体中有许多裂隙、管道和溶洞，在进行水库、 大坝、隧道、基坑等工由于岩溶程活动时，如存在承压 水并有富水优势断裂作为通道，则可能会遇到地下突水 而导致基坑、隧道等工程的排水困难甚至淹没，也可能 因岩溶渗漏而造成水库无法蓄水。
❖ 库区应选在地势低洼，四周地下水位较高，上游有大泉 出露而下游无大泉出露，上下游流量没有显著差异的河 段上，要避免邻区有深谷大河。如果发现库底有渗漏， 可采用堵（堵落水洞）、铺（铺盖粘土）、截（筑截水 墙）、围（在落水洞四周建围墙）、引（引入库内或导 出库外）等方法进行处理。
❖ 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。
❖ 在岩溶地区，由于存在大量的地下空洞，进行 水库修建是要注意防止渗漏问题，在开挖隧道 和建设矿井时要注意涌水排水问题，在建筑铁 路、桥梁和厂房时要注意地基的塌陷问题。
由于溶洞的形成与地表水和地下水的关系极为密切，土洞 的处理首先措施是治水，然后根据具体情况，可采取以下 方法处理：
岩溶水的概念
岩溶水的概念岩溶水是指在岩层中流动、穿透和溶蚀的水，也称为溶蚀水。
岩溶水对地表和地下岩石的溶蚀作用十分重要，是形成溶洞、地下河流、地下水系等岩溶地貌和地下水资源的重要因素之一。
岩溶水的形成是由于地下水与溶蚀性的岩层接触并溶解而产生的。
溶解作用是岩溶水的基本特征之一，它指的是溶质溶于溶剂形成溶液的过程。
在岩溶水中，主要的溶解作用是碳酸盐岩中的碳酸钙溶解，导致溶洞和其他岩溶地貌的形成。
一个岩溶水系统通常由三个主要组成部分组成：供水区、传递区和排水区。
供水区指的是源头区域，也就是岩溶水的来源，一般是地表水、降水或者田地中的水体。
传递区是指岩溶水在岩石中穿透和传输的部分，可以是地表或地下的空隙和裂缝、地下河流或者水下洞穴。
排水区是指岩溶水通过地下河流或者渗透进入地下水系统的部分。
岩溶水对地表和地下的岩石有着很强的溶蚀能力。
碳酸盐岩由于其含有可溶性的碳酸钙晶体，容易受到岩溶水的溶解作用。
溶解作用会加速岩石的侵蚀和溶解，形成各种形状的洞穴和通道。
随着时间的推移，这些洞穴和通道会逐渐扩大，形成复杂的地下洞穴系统。
世界上一些著名的岩溶地貌，如中国的桂林喀斯特地貌、美国的卡尔斯巴德洞穴、马来西亚的槟岛洞穴等，都是由岩溶水的溶蚀作用形成的。
此外，岩溶水还对地下水资源的形成和补给有着重要的影响。
岩溶山区通常有着丰富的地下水资源，这是因为岩溶水可以通过地下洞穴和裂缝快速地储存和传输水分。
这些地下水资源对于人类生活和农业生产是至关重要的。
总的来说，岩溶水是在岩层中流动、穿透和溶蚀的水。
岩溶水通过溶解作用形成各种形状的洞穴和通道，造成了岩溶地貌的形成。
此外，岩溶水还对地下水资源的形成和补给起着重要的作用。
深入研究岩溶水的形成和作用机制，对于认识地貌演化和水资源管理具有重要的意义。
水文地质学基础：12岩溶水
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。
Company Logo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 Logo12.3.4 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。
第十二章岩溶水
12.1 岩溶发育的基本条件与影响因素 12.2 岩溶水系统的演变（差异溶蚀与地下河系化） 12.3 岩溶发育与岩溶水的分带性 12.4 岩溶水的特征 12.5 我国南北方岩溶及岩溶水的差异
概述
1.岩溶：水对可溶岩石进行化学溶解，伴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。也叫喀斯特。 岩溶可以划分为地表岩溶和地下岩溶。
注意：经过白云岩化后的岩石，孔隙度可以增大到百分之十几（由 于白云岩化使岩石体积变小）；在裂隙不发育的条件下孔隙对岩溶发 育起控制作用，多形成岩溶中等发育、比较均一的岩溶含水层。 2.岩石的透水性： 1）碳酸盐岩的透水性确定因素： a.碳酸盐岩形成时的原生孔隙：孔隙度小，孔隙细，连通不好，对透水 性的作用不大； b.成岩后形成的次生裂隙：包括风化裂隙和构造裂隙。尤其是后者对透 水性起决定性作用。 2）各类碳酸盐岩中构造裂隙发育及岩溶透水性特点： a.厚层质纯灰岩：构造裂隙发育很不均匀，比较稀疏、宽而长。各部分 的透水性差别大。有利于形成大型岩溶洞穴，岩溶发育极不均匀。 b.中薄层灰岩：构造裂隙往往发育密集、短小而均匀，连通性好的层面 裂隙尤其发育，有利于形成溶蚀比较均匀的岩溶含水层。但由于厚度 所限，且一般含杂质较多，因此，岩溶发育均匀而不强烈。 c. 泥质灰岩：具有比较强的塑性，形成的裂隙张开宽度比较小，延伸 性也比较差，不溶的泥质充填裂隙会阻碍水的循环流动，不利于岩溶 的发育。
2.岩溶水：赋存并运移于岩溶化岩层中的水称为岩溶水。
3.岩溶水作用：岩溶水在流动过程中不断扩展介质的空隙，改变其形状， 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。
4.岩溶水总体特点：
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第十二章岩溶水
一、名词解释
1．岩溶：水对可溶岩进行化学溶解，并伴随以冲蚀作用及重力崩塌，在地下形成大小不等的空洞，在地表形成各种独特的地貌以及特殊的水文现象称为岩溶。
2．岩溶水：赋存并运移于岩溶化岩层中的水。
3．混合溶蚀效应：两种不同含量二氧化碳的饱和碳酸钙溶液混合后会变为不饱和而重新具有侵蚀性，这种现象称为混合溶蚀作用。
二、填空
1．岩溶可划分为地表岩溶和地下岩溶。
2．常见的地下岩溶形态有溶孔、溶蚀裂隙、溶洞和管道。
3．岩溶发育应具备的四个条件为：可溶岩的存在、可溶岩必须是透水的、具有侵蚀性的水以及水是流动的。
4. 可溶岩一般有卤化物岩、硫酸盐岩和碳酸盐岩三类。
5. 保证岩溶发育的充要条件是水的流动性。
6. 岩溶的发育基本上可划分为三个阶段：起始阶段、快速发展阶段及停滞衰亡阶段。
7. 在一个裸露碳酸盐岩层中，岩溶发育与地下水流动是相适应的。
地下水的流动系统可以区分为非饱和流动系统、局部流动系统与区域流动系统。
三、判断题
1．水中二氧化碳含量愈高，溶解碳酸盐及硅酸盐的能力愈强。
（√）
2．巨厚的纯灰岩有利于形成大型岩溶洞穴，其主要原因是成分较纯，而不是构造裂隙的发育。
（×）
3．碳酸镁的溶解度比碳酸钙大，所以白云岩岩溶发育。
（×）
4．地下水二氧化碳主要来源于大气，其次是土壤中产生的二氧化碳。
（×）
5．水的流动是保证岩溶发育的最活跃最关键的因素。
（√）
6．地下水径流强烈，地下水的侵蚀性愈强，可溶岩中留下的空洞的总体积便愈大。
（√）7．断层带往往也是岩溶集中发育处，此处透水性良好，流线密集。
（√）
8．在一个裸露碳酸盐岩层中，局部流动系统，岩溶最为发育。
（√）
9．在区域流动系统中，地下水流动时间长，对碳酸盐溶蚀时间长，所以区域流动系统岩溶
最发育。
（×）
10．岩溶水与孔隙水和裂隙水相比其分步更不均匀。
（√）
11．我国南方地下多发育较为完整的地下河系，北方地下多为溶蚀裂隙、溶孔和少量溶洞。
（√）
12．我国北方岩溶泉流量动态季节变化很大，南方流量动态比较稳定。
（×）
四、简答题
1．为什么说地下水径流条件是控制岩溶发育最活跃最关键的因素？
可溶岩、水、二氧化碳体系的能量输入通过地下水不断的入渗补给来实现。
这一体系的物质输出即溶解碳酸钙的排出也必须依靠水的径流和排泄来完成。
因此地下水的循环交替是保证岩溶发育的充要条件。
五、论述题
1．岩溶发育的快速演化阶段，介质场与流速场发生哪些变化？
(1) 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。
(2) 地下出现各种规模的洞穴。
(3) 地表形成溶斗及落水洞，并以它们为中心形成各种规模的洼地，汇集降水。
(4) 随着介质导水能力迅速提高，地下水位总体下降，新的地下水面以上洞穴干枯。
(5) 通道争夺水流的竟争变得更加剧烈。
(6) 不同地下河系发出袭夺，地下河系不断归并，流域不断扩大。
2．岩溶水的特征？
(1) 空间分布极不均匀
(2) 岩溶水具各向异性;
(3) 岩溶水的运动，通常是层流和紊流共存;
(4) 局部流向和整体流向常常不一致;
(5) 岩溶水的补给，通常以垂直岩溶通道为主，排泄常以泉的形式排泄;
(6) 岩溶水水位随季节变化大。
3．我国南北方岩溶有哪些差异？造成这些差异的因素有哪些？。