工程地质与土力学基础第三章(1)

3、水的溶蚀力
◆水的溶蚀力取决于水的化学成分、温度、气压等 方面因素。 CO2＋H2O —— H2CO3 ； （形成碳酸） H2CO3 —— H＋＋HCO3－ ；（碳酸离解） H＋＋CaCO3 —— HCO3－＋ Ca 2 ＋ （溶解碳酸钙） 总的化学反应方程式： CO2＋H2O＋CaCO3 —— 2＋Ca＋2（HCO3）－ ； 其化学反应是可逆的，正反应速度取决于CO2的浓 度，逆反应速度取决于Ca 2＋的浓度。即溶解于水中 的CO2越多，水的溶蚀力就越强；水中的Ca 2＋的含 量越高，水的溶蚀力就越弱。
▲氧化作用：矿物在氧的作用下，使其中低价元素 变为高价元素，低价化合物变为高价化合物的现象； 如: 黄铁矿氧化为褐铁矿 FeS2 → Fe2O3 · 3H2O ▲水化作用：又称水合作用，即矿物与水相结合的 现象；如: 硬石膏水化成石膏（体积增大30％） CaSO4 → CaSO4 · 2H2O ▲水解作用：水使矿物分解并形成新矿物的 现象。如: 正长石水解为高岭石 ＋ SiO2 胶体 4K[AlSi3O8] + 6H2O → 4KOH + Al4[Si4O10][OH]8 + 8SiO2 在湿热气候条件下，高岭石可继续分解，析 出其中的SiO2，形成铝土矿（Al2O3 · nH2O） 而残留于原地。
贵州遵义
天生桥2
石钟乳1
英德通天岩
石钟乳2
石笋1
石笋2
石笋3
美国加州魔鬼湖
8、岩溶旋回
①幼年期：地表面水系完整wk.baidu.com地表岩溶开始发育， 形成溶沟、石芽和少量的漏斗； ②青年期：地下水系发育，地表仅存河流主干， 地下、地表岩溶发育，形成溶洞、漏斗、落水 洞、干谷、峰丛、溶蚀洼地等形态； ③中年期：岩溶发育由地下转向地表，洞顶多塌 陷，水系重回地表，峰林、溶蚀洼地、溶蚀谷 地大量形成； ④老年期：下伏不可溶岩层广泛出露或地面高度 接近侵蚀基准面，地表水系占绝对统治地位， 形成溶蚀谷地、溶蚀平原、孤峰、残丘等。
◆喀斯特研究的起源
◇徐霞客（1586—1641，明《徐霞客游记》的 作者）是我国和世界上最早的岩溶研究学者。 ◇19世纪末，南斯拉夫的司威治（J.Cvijic） 研究了南斯拉夫西北的喀斯特（Karst）石灰 岩高原，并于1893年正式用“Karst”来概括 喀斯特高原的地貌景观。 ◇中国地质学会第一届喀斯特学术会议（1966 年2月，桂林），建议在我国使用“岩溶”一 词，并把它作为Karst的汉语同义语。
3.1.3 防止岩石风化的主要方法
1、 挖除法 适用于风化层较薄的情况，当厚度较大时通常只 将严重影响建筑物稳定的部分剥除。 2、 抹面法 用水和空气不能透过的材料如沥青、水泥、粘土层 等覆盖岩层。 3、 胶结灌浆法 用水泥、粘土等浆液灌入岩层或裂隙中，以加强岩 层的强度，降低其透水性。 4、 排水法 为了减少具有侵蚀性的地表水和地下水对岩石中可 溶性矿物的溶解，适当做一些排水工程。
第三章 物理地质作用
3.1
风
化
作
用
——地表或接近地表的岩石在阳光、空气、水和生 物的作用下遭受物理的和化学的变化,称为风化。引 起这种变化的作用称风化作用。风化作用在地表最 明显。由于各地环境不一，岩石的性质不同，风化 深度也不一致，有的很浅，仅几十厘米，有的可深 达百米。 风化作用能使岩石成分发生变化，能把坚硬的岩石 变成松散的碎屑，降低了岩石的力学强度。风化作 用又能使岩石产生裂隙，破坏了岩石的完整性，影 响斜坡和地基的稳定。
2、岩石的透水性
◆岩石的透水性对岩石的溶蚀速度和地下岩溶 的发育有着重大影响。透水性不良的岩石，溶 蚀作用只限于岩石表面，很难深入岩石内部； 透水性好的岩石，地表和地下溶蚀都很强，地 貌发育也好。 ◆透水性强弱取决于岩石的孔隙和裂隙大小和 多少。一般石灰岩的原生孔隙度都很小＜3％， 透水性较弱；岩石的透水性主要受由构造运动 形成的各种裂隙所控制。 ◆总之，岩石构造越破碎、岩石纯度越高、岩 层越厚，则透水性就越好；
重庆小寨“天坑”3
重庆小寨“天坑”4
落水洞
天窗（落水洞）
峰丛与峰林
峰林
桂林山水甲天下
九马画山
孤峰2
坡立谷
喀斯特平原
岩溶丘陵
云南罗平
云南罗平
云南罗平
广东连山
阳朔的月亮山
阳朔
桂林骆驼山
桂林象鼻山
贵州威宁的草海，46.6 km2
草海
广东肇庆的七星岩
广东肇庆
肇庆市
地表“石灰华” ／华钙／泉华
4、坡立谷与喀斯特平原 坡立谷（Polje），即溶蚀谷地，俗称“坝”、“坝子”， 宽几百米至几公里，长几公里至几十公里，在一定 构造条件下经长期溶蚀、侵蚀而成；喀斯特平原， 达数百平方公里，由坡立谷发展而来。
5、峰丛、峰林、孤峰与残丘： 峰丛，一种连座峰林，其基部相连、顶部分散为一 个个山峰（＞1／2相连）；峰林，石灰岩石峰分散 或成群分布在平地上，远望如林（＜1／2相连）。 其相对高度为100 — 200m，坡度＞45°； 孤峰，竖立在喀斯特平原上的孤立石灰岩山峰，相 对高度几十至百余米；残丘，孤峰进一步发育而成， 相对高度十几至几十米。
树木根系对岩石的劈裂破坏示意
黄山松
黄山
生物风化1
华山
生物风化2
柬埔寨
3.1.2 岩石风化程度的分级
为了说明岩体的风化程度及其变化规律，正确 评价风化岩石对水利工程建设的影响，就必须对 岩体按风化程度进行分级。 分级的依据主要是：新鲜岩石和风化岩石的相 对比例、褪色度、分解和崩解的程度，矿物蚀变 及其次生矿物，间接指标如锤击反应、波速变化 等情况。 《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）将 岩石按风化程度分为全风化、强风化、弱风化、 微风化和新鲜岩石五个等级。
水的溶蚀力
◆水中酸的含量越高，溶蚀力也越强；酸的 来源主要由大气中的CO2溶入水中而成。
◆温度越高，溶蚀力越强；虽然水中CO2的 含量与温度成反比，但水的化学反应速度与 温度成正比。 ◆气压越高，溶蚀力越强；水中CO2的含量 与气压成正比。
◆气候越湿热，水的溶蚀力就越强，喀斯特 发育就越快。
4、水的流动性
●生物风化作用
生物在其成长、新陈代谢和死亡过程中，都可 引起岩石的破碎和分解。生物风化作用很普遍，也 是在生物风化作用的方式可分为两种： 生物的物理（机械）风化作用（如植物根系在 岩石裂隙中生长）； 生物的化学风化作用（如生物的新陈代谢中析 出的有机酸对岩石产生的腐蚀、溶解）。 在自然界中，上述几种风化风化作用是彼此并 存，相互影响的。在不同地区，它们作用的强弱有 主次之分。在干寒和高山地区以物理风化为主，在 湿热多雨地区则以化学风化为主。
◆经常流动的水体，能大大提高水的溶蚀力。 ◆流水经常与空气保持接触，能不断地补充因 溶蚀岩石所消耗的CO2，使水体不易达到饱和。 ◆处于流动状态的水，有时虽然达到饱和，但 当几种不同浓度的饱和溶液混合后，可变为不 饱和而重新获得溶蚀能力。 ◆热带地区高温多雨，水流量大、水循环快， 加上气温高及生物作用强，岩溶发育最快。如 亚热带广西碳酸盐岩溶蚀量为0.12～0.3mm/a， 是暖温带的河北（溶蚀量为 0.02～0.03mm/a） 的5～9倍。(动画演示---钟乳石的形成)
石芽与溶沟1
云南罗平
石芽与溶沟3
云南罗平
石芽与溶沟4
木格错，青藏高原
路 南 石 林
阿诗玛的传说
路南石林世界地质公园
石林鸟瞰
大理石石林
广西贺州，我国唯一的一个大理石石林
漏斗1
贵州兴义
漏斗2
贵州兴义
漏斗3
贵州兴义
漏斗群1
云南罗平
广西乐业“天坑”
最深613m
乐业“天坑”仰视
重庆小寨“天坑”2
岩溶地貌
思考题





可溶性岩石有哪些? 喀斯特地貌是什么?由何得名? 地表岩溶形态有哪些?地下岩溶地貌有哪些? 岩溶堆积物有哪些类型? 岩溶的形成的必要条件是什么? 岩溶的发育程度与哪些因素有关? 岩溶的分布特点有哪些?
3.3.1 岩溶的形成条件
1、岩石的可溶性 ◆岩石的可溶性主要取决于岩石的化学成分 与岩石结构。 ◆三大类可溶岩：①卤盐类如钾盐、石盐； ②硫酸盐类如硬石膏、石膏、芒硝等； ③碳酸盐类如石灰岩、白云岩等。 溶解度：卤盐＞硫酸盐＞碳酸盐； ◆在碳酸盐岩类中，CaCO3的含量越高，其 他杂质含量越低，其溶解度就越大。 石灰岩＞白云岩＞硅质灰岩＞泥灰岩； ◆岩石的结构与溶解度有密切关系。对于结 晶的岩石，晶粒越小，溶解度也越大。
地下河英西2
广 东 英 德
地下河连州
广 东 连 州
银狐洞地下河
北京郊区
地下河出口1
地下河出口2
地下河出口3
广东英德
地下瀑布
地下河出口4
地下河出海口
意大利著名的蓝洞
垂 直 溶 洞
发育于充气带 以落水洞居多
美国
200m深的溶洞
克罗地亚
水平溶洞
贵阳龙宫
天生桥
溶洞坍塌而成
天生桥1
黄石公园
喀斯特热泉（黄石公园）
黄石公园
黄石公园喀斯特泉眼
四、地下喀斯特地貌
★溶洞与地下河
1、溶洞
①垂直溶洞 与倾斜溶洞； ②水平溶洞；
冷洞 暖洞
①
穿洞
脚洞
②
侧洞
地下水
2、洞穴堆积地貌
石笋、石钟乳、石柱、石幔等等。
侧洞
地下河1
地下河2
地下河3
七星岩地下河
七星岩双源洞
地下河英西1
广 东 英 德
6、岩溶丘陵
岩溶丘陵与溶蚀洼地的组合，是亚热带喀斯特 的典型形态。岩溶丘陵相对高度 100 ～ 150 m ， 坡度较和缓，不具峰林形态。
7、喀斯特地貌组合
热带喀斯特地貌组合依发育阶段的差异，可分 为： 峰丛——洼地（或漏斗）； 峰林——洼地； 峰林——谷地； 孤峰、残丘——平原； 从云贵高原边缘到广西盆地中心，依次出 现上述喀斯特地貌组合。
1、地表岩溶形态
1、石芽与溶沟： 地表水沿岩石裂隙溶蚀、侵蚀而成的沟槽形态，称 为溶沟，沟间突起称为石芽；高大的石芽称为石林。2、 漏斗（溶斗）与溶蚀洼地： 漏斗是漏斗形或碟形的封闭洼地；深几米至十几米， 直径几米至＜100m， 主要分布在喀斯特高原面上。 溶蚀洼地通常由漏斗扩大合并而成，直径＞100m。 3、落水洞： 落水洞为地表水进入地下河的主要通道；深几十米 至几百米，宽度一般 ＜10 m。 主要分布在溶蚀洼 地底部以及喀斯特斜坡上。 演示:桂林岩溶地貌的形成
热力风化作用
山体表面岩石的崩解碎裂
热力风化
洛基山
新疆
阿尔金山
球状风化
●物理风化作用
▲融冻风化：岩石裂隙和孔隙中的水分因冰 冻而最终使岩石破碎，又称冰劈作用； ▲层裂：地下深处的岩石，因承受上覆岩石 的巨大静压力，呈坚实致密状。岩石一旦上
升，上覆岩石被剥蚀而出露地表，静压力释 放，体积膨胀而破碎。
3.1.1 风化作用的类型
风化作用按成因分为物理风化作用、 化学风化作用和生物风化作用三种类型。
●物理风化作用
物理风化作用的方式主要有：热力 （温差 ）风化、融冻（冰冻 ）风化、 层裂等。 ▲热力风化：日夜和季节温度变化可 使岩石表里产生不均的膨胀与收缩而 最终破碎
温度作用引起的岩石崩解过程示意

冰晶体对岩石的劈裂破坏示意
融冻风化
●化学风化作用
化学风化作用指岩石在水和各种水溶液的作用下所引 起的破坏作用。这种作用不仅使岩石破碎，更重要的 是使岩石成分发生变化，形成新矿物。 ▲溶解作用：水溶解矿物的现象； 矿物溶解的难易主要决定于矿物的溶解度。因此 矿物有易溶矿物和难溶矿物，一般说来，其难易 顺序如下：氯化物＞硫酸盐＞碳酸盐＞硅酸盐。 常见的造岩矿物，其溶解度大小顺序如下： 方解石＞白云石＞橄榄石＞辉石＞角闪石＞斜长 石＞钾长石＞黑云母＞白云母＞石英。
云南白水台
黄龙五彩池 1
黄龙五彩池 2
九寨沟华钙
九寨沟华钙树
西藏泉华
土耳其棉花堡 1
土耳其棉花堡 2
土耳其棉花堡 3
黄石公园泉华
江西石钟山
海中喀斯特
越南下龙湾—— “ 海上桂林 ”
下龙湾
泰国普吉岛1
泰国普吉岛2
喀斯特泉
停多喷少
济南的泉
济南百脉泉
喀斯特泉（黄石公园）
3.3 岩 溶 喀斯特简介
◆地表水和地下水对可溶性岩石的破坏和改造 作用称为喀斯特作用，即水对可溶性岩石的溶 蚀、冲蚀、堆积，以及重力崩塌的总称。以化 学溶蚀作用为主，机械侵蚀作用为辅。 ◆喀斯特作用所形成的地表形态和地下形态称 为喀斯特地貌。 ◆喀斯特作用及其所产生的水文现象和地貌现 象统称为喀斯特（ Karst ）。