水文地质学基础第13章 岩溶水
水文地质学基础习题和答案
绪论(1)水文地质学的研究任务是什么?本课程是煤及煤层气工程专业/岩土工程专业的专业基础课，主要任务是为后续的专业课奠定有关现代水文地质学的基本概念、基本原理。
通过该课程的学习，学生能够正确理解水文地质学的基本概念、基本原理，在此基础上能够初步掌握解决工程/煤田水文地质问题的分析方法与思路。
(2)地下水的主要功能包括哪些?>>宝贵的资源①理想的供水水源②重要的矿水资源③良好的景观资源>>敏感的环境因子地下水是极其重要的环境因子。
地下水的变化往往会打破原有的环境平衡状态，使环境发生变化。
(人类活动主要通过三种方式干扰地下水，造成一系列不良后果(图14-1)：①过量开发与排除地下水→地下水位下降→地表径流衰减、沼泽湿地消失、土地沙化、海(咸)水入侵等；②过量补充地下水→地下水位升高→土地的次生盐渍化、次生沼泽化；③地下水位下降导致的粘土压密释水释放有害离子、化肥农药的不适当使用、废弃物的无序排放──地下水恶化、污染；④地下水位的变动会破坏其与周围岩土构成的统一的力学平衡，而产生某种效应──地面沉降与地裂缝、岩溶塌陷、地下洞室垮塌或突水、滑坡、岩崩、水库诱发地震、渗透变形。
) >>活跃的地质营力地下水的主要作用是传递应力、传输热量和化学组分、侵蚀(化学溶蚀、机械磨蚀和冲蚀)等。
>>重要的信息载体由于地下水是应力传递者，同时又是在流动，所以地下水水位，水量，水温，水化学等的变化或异常可以提供埋藏在地下的许多信息，如找矿、地震预报、地质演变。
(3)试分析我国地下水分区的特点，并探讨分区的自然背景。
略。
第一章地球上的水及其循环(1)试比较水文循环与地质循环。
水文循环与地质循环是很不相同的自然界水循环：>>水文循环通常发生于地球浅层圈中，是H2O分子态水的转换、更替较快；水文循环对地球的气候、水资源、生态环境等影响显着，与人类的生存环境有直接的密切联系；水文循环是水文学与水文地质学研究的重点。
孔隙水、裂隙水、岩溶水
思考：断层或断层带起到什么作用 ?
❖ 下图中断层的水文地质意义如何？
❖ 第四纪松散沉积物分布： 平原和盆地中普遍发育；砂砾构成含水水水源。 第四系松散沉积物存在多种成因类型，如洪积、冲
积、坡积等，成因类型不同，其分布、地貌形态及内部 地质条件差异较大，由此也决定了其中水文地质条件存 在较大差异。故而，以下按成因类型来分析其中的水文 地质特征。
❖ 风化裂隙深度有限 ❖ 局部形成层状裂隙含水层 ❖ 动态变化大
10.3.2 裂隙的成因类型及其中的地下水
10.3.2.2 构造裂隙水
1、裂隙发育规律的控制因素 ❖ 岩石（层）力学性质
▪ 岩性：受力后的破坏（脆，塑）
▪ 结构：厚层，互层等 ❖ 构造应力
▪ 大小， ▪ 应力频率， ▪ 性质（张，压） ❖ 构造部位 应力集中的部位，裂隙常较发育，岩层透水性也好。 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。
❖ 例如： 西北某些新构造运动影响的洪积扇 山西霍县--新构造运动结果→有多个溢出带
西北某些新构造运动影响的洪积扇
山前水位埋深 深 浅 深 浅
10.1.5 冲积物（fluvial plain）中的地下水
❖ 河流沉积物与洪积物相比：
① 经常性水流作用的结果 ② 河流是线状或带状分布的，横向与纵向差异大；
▪ 水力联系不统一性 ——裂水含水系统的迭置与独立
▪ 渗透的各向异性 ——KX≠KY
裂隙水特点
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裂隙水的特点、裂隙水含水系统
❖ 水量分布不均匀 ——有的地方打井有水，有的地方无水 ❖ 水力联系不统一性 ——裂水含水系统的迭置与独立 ❖ 渗透的各向异性 ——KX≠KY
10.3.1 概述
水文地质学基础试题库(新)
第一二章绪论与地球中的水及其循环一、名词解释：1．水文地质学：水文地质学是研究地下水的科学。
它研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作业下地下水水量和水质的时空变化规律，并研究如何运用这些规律去兴利除害，为人类服务。
2．地下水：地下水是赋存于地面以下岩石空隙中的水。
3．矿水：含有某些特殊组分，具有某些特殊性质，因而具有一定医疗与保健作用的地下水。
4．自然界的水循环：自大气圈到地幔的地球各个层圈中的水相互联系、相互转化的过程。
5．水文循环：发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的水循环。
6．地质循环：地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程。
7．大循环：海洋与大陆之间的水分交换。
8．小循环：海洋或大陆内部的水分交换。
9．绝对湿度：某一地区某一时刻空气中水汽的含量。
10．相对湿度：绝对湿度和饱和水汽含量之比。
11．饱和差：某一温度下，饱和水汽含量与绝对湿度之差。
12．露点：空气中水汽达到饱和时的气温。
13．蒸发：在常温下水由液态变为气态进入大气的过程。
14．降水：当空气中水汽含量达饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，以液态或固态形式降落到地面。
14．径流：降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。
15．水系：汇注于某一干流的全部河流的总体构成的一个地表径流系统。
16．水系的流域：一个水系的全部集水区域。
17．分水岭：相邻两个流域之间地形最高点的连线。
18．流量：单位时间内通过河流某一断面的水量。
19．径流总量：某一时间段内，通过河流某一断面的水量。
20．径流模数：单位流域面积上平均产生的流量。
21．径流深度：计算时段内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度。
22．径流系数：同一时段内流域面积上的径流深度与降水量二、填空1．水文地质学是研究地下水的科学。
它研究岩石圈、水圈、大气圈、生物圈及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律。
2．地下水的功能主要包括：资源、生态环境因子、灾害因子、地质营力、或信息载体。
13 岩溶水
13 岩溶水13.1 岩溶水及其研究意义岩溶水：赋存并流动于岩溶化岩层中的水。
（1）岩溶分布面积占国土面积约35%，岩溶水资源量占地下水资源总量的约23%。
（2）岩溶水地区岩溶水开发以及地下水环境问题也很急迫。
地区地下水资源岩溶水资源岩溶水与地下水资源比值/%/×108m3·a-1/×108m3·a-1云南742 345 46贵州479 386 80四川551 135 24重庆160 118 73广西699 374 53湖南456 263 57湖北416 185 44总计3503180651中国南方主要地区岩溶水资源简表（卢耀如等，2006）岩溶作用是指化学溶解、沉淀、水流冲蚀、重力崩塌、生物溶蚀、机械破坏与沉积等多种多用的综合。
13.2 岩溶发育的基本条件和影响因素（1）岩石的可溶性溶解度：卤化物岩>硫酸盐岩>碳酸盐岩碳酸盐岩的溶解性：灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩、硅质灰岩、泥灰岩碳酸盐岩的结构也影响溶解性：晶粒大小、晶粒均匀性、孔隙等碳酸盐岩层的组合结构也影响溶解性。
（2）岩石的透水性岩石的透水性主要取决于岩石的裂隙发育情况。
岩石的裂隙发育情况与岩性、地质构造有关。
可溶岩中裂隙的透水性取决于裂隙的长度、裂隙面的粗糙度、裂隙率、张开度和充填情况及相互间的连通性。
（3）水的侵蚀性CaCO3+H2O+CO2⇋Ca2++2HCO3-CO2的参与是岩溶发育的另一个重要前提，CO2来源于浅层大气与土壤层。
pH值对反应的进行和一些组分的存在形式也会产生影响。
混合溶蚀效应：两种或两种以上已经丧失其侵蚀性的饱和溶液，在岩层中混合后重新变成不饱和溶液，从而对他盐酸盐岩进行新的溶蚀作用。
（4）水的流动性水的流动可以不断更替补充具侵蚀性的水；将溶解与侵蚀的物质带走----留下空洞（岩溶）。
包括：气候条件、地质环境和地理条件。
气候条件：影响着水运动的快慢、水量的大小、土壤CO2含量及生物作用，主要指降水量。
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
！ s d an
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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
e r u fut
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。
myliu86@
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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课件
❖ 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。
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16
岩溶地貌
岩溶地貌根据它们出露的情况分为地表岩溶地貌、地下岩溶地貌 以及它们的组合地貌。 1 地表岩溶地貌：石芽与溶沟；漏斗；竖井；落水洞；溶蚀洼地 ；坡立谷；干谷和盲谷 2 地下岩溶地貌：溶洞；地下河 3 落水洞、竖井、地下通道组合；河谷和暗河组合；塌陷与地下 通道组合；溶洞与地下通道组合；溶洞与阶地组合；分水岭风口 与溶洞组合
4
喀 斯 特 地 貌
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6
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
岩石的可溶性
可溶性岩层时发生溶蚀作用的必要前 提，它必 须具有一定的透水性，使水能进入岩层内部进行 溶蚀
•
H=H0/(K-1)
• 式中 H0——洞体最大高度（m）；
•
K——岩体松散（涨余）系数，石灰岩K=1.2，粘土
K=1.05。
• c.若溶洞顶板不完整，裂隙、节理发育，则可按裂隙节理 分布特征采用受力的梁（板）计算弯矩，根据弯矩和岩体 应力求洞顶板的厚度。
土洞地基
第十三章岩溶水
本章内容
13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 概述 岩溶发育的基本条件与影响因素 岩溶水系统的演变 岩溶水的特征 我国南北方岩溶水特征
第十三章 岩 溶 水
岩溶水 赋存并运移于岩溶化岩层中的水。 岩溶水变化特点 演化初期的岩溶水系统往往与裂 隙水相同。演化后期的岩溶水系统，管道系统发育， 大范围内的水汇成一个完整的地下河系，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。
构造开启程度对岩溶发育的控制
碳酸盐岩隔水底板上发育层状岩溶 Nhomakorabea三、我国南方岩溶的地下河系化 与地表水一样，岩溶水流系统也有溯 源发展趋势，在溯源发展过程中，处于同 一构造边界之内的局部岩溶水流系统相互 袭夺，优势系统并吞弱势系统，最终形成 统一地下河系。 一般南方岩溶地下河系化主要经历四 个阶段：溶蚀初期，岩溶水流系统出现， 溯源溶蚀，水流系统汇合和转变为统一区 域岩溶水流系统——即地下河，见下图。
4.水流对岩溶发育的控制作用
影响岩溶发育的基本条件中，最关键的水流 条件，所以要掌握岩溶及岩溶水 发育规律，必须 抓住关键即水流分析，水流对岩溶水系统的改造 与演变，主要是通过改造介质机制：即溶蚀-机械 侵蚀-重力崩塌机制进行的。其次，差异性水流与 介质差异性改造也是关键因素，最后加上新构造 运动对岩溶发育也有很大影响。
四、岩溶水动态特征 南北方岩溶有明显区别，南方的岩溶泉对 降水的响应十分灵敏，流量季节变化很大。 在典型的岩溶化地区，贯入式的补给、畅 通的径流与集中的排泄决定着岩溶水水位 动态变化特征。而北方正好相反，对降水 入渗补给响应慢，水位变化不灵敏，所以 导致地下水流量动态相当稳定。
开启型岩溶系统：存在强烈的季节性，对降水反 应快，大起大落。常以暗河的形式排泄。
第十三章岩溶水
• 岩溶对大多数人来说都不陌生，岩溶现象对许多人来说是很神密的（含 部分专业人员），岩溶现象的壮观奇特，岩溶水的神出鬼末，有着积极 的一面：
§ 济南泉城世界著名：蕴育滋养了该城文明与发展; § 山西自北向南沿太行山脉的名泉：晋祠泉，娘子关泉，洪山泉，郭
庄泉，广胜寺胜泉，龙子祠泉，是山西盆地的工农业发展的主要支柱; § 广西桂林山水甲天下，奇特岩溶景观; § 云南的路南石林，壮观与气势，让游人流涟忘返.
• （2）局部地下水流动系统：循环深度浅，源汇距离短，地下径流强烈， 大体以水平运动为主，岩溶最为发育，多形成以水平溶洞为主的管道系 统、倾斜溶洞。
• （3）区域地下水流系统：地下水流受区域性侵蚀基准面控制，径流途径 长，径流迟滞且随深度增大而更缓慢，岩溶通常不发育，仅在局部径流 较强烈的地段形成岩溶洞穴。
解的难易程度不同；作为导水介质，在后期的构造应力作用下形成的裂隙有 所差异，控制地下水流动而影响岩溶发育。
• 13.2 岩溶水的演变 • 13.2.1地下水流对介质的改造
• 具有化学侵蚀作用的水进入可溶岩层，对原有的狭小通道（原生裂隙和构 造裂隙）进行扩展，水流不断溶蚀裂隙壁面，溶于水的岩石成分被流动的 水流带走，裂隙通道不断加宽。
• 岩溶水系统，演化初期与裂隙水系统差异不大；演化后期，大范围内形成完 整的地下暗河，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，岩溶区有奇峰异洞和大泉，易 渗漏，危及采矿。可溶岩占全国1/3。
• 13.1岩溶发育的基本条件与影响因素
• 13.1.1岩溶发育条件 • 岩溶发育条件包括两个基本条件、四个必备条件。 • 两个基本条件： • （1）岩层具有可溶性； • （2）地下水具有侵蚀能力。 • 四个必备条件： • （1）可溶岩的存在； • （2）水是流动的； • （3）可溶岩必须是透水的； • （4）具有侵蚀能力的水。
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岩溶水特征
南北方岩溶差异 表现：地貌、介质均匀性、系统规模、动态变化 原因：岩溶影响因素差异——岩性、构造、气候
南方岩溶及岩溶水
• 气候：气候湿热，雨量大，植被、土壤发育，驱动岩 溶发育的化学能与机械能的输入强烈。
• 岩溶发育程度：南方岩溶发育比较充分，岩溶现象较 典型，地表可有峰丛、峰林、溶蚀洼地、溶斗、落水 洞、竖井等，地下多发育较为完整的地下河系
影响岩溶发育的最关键因素：水流条件 水流系统分析：揭示岩溶水发育规律
岩溶水系统的改造与演变
岩溶营力：溶蚀 机械侵蚀 重力崩塌 溶蚀：溶蚀裂隙-管道 机械侵蚀
管径扩大，比表面积减小，溶蚀减弱 管径>10cm时，紊流，机械侵蚀为主
重力崩塌
横向环流 地表岩溶景观
南方岩溶
北方岩溶
南北方岩溶营力差异 南方：溶蚀、机械侵蚀、重力崩塌 北方：溶蚀、部分机械侵蚀
水的侵蚀性
开放体系中的方解石溶解化学模式
大气 液相
CO2
CO2( aq)
H2O
H2CO3
第一条途径：
水-气平
HCO3- 衡
增加 H +
固相
Ca2+
H+ CO32-
HCO3-
CaCO3+H2O+CO2——Ca2++2HCO3水中碳酸平衡：H2CO3, HCO3- CO32-
第二条途径： 水-岩作
用
产生CO32-
水侵蚀性判断：CaCO3饱和指数
S IC
lg
[ Ca
2
][ CO
2 3
]
Kc
式中 SIC----饱和指数； [Ca2+]、[CO32-] ----表示 Ca2+、CO32-两种离子的活度； Kc ---- 式(12-1)中平衡常数，依温度 T、压力 p 查手册。 SIC>0，水中 CaCO3 过饱和，有发生沉淀趋势； SIC=0，水中 CaCO3 刚好饱和； SIC<0，水中 CaCO3 仍未饱和，具有侵蚀性。 注意：（1）用于对方解石的侵蚀性判断，（2）SIC与 PH 关系密切，PH 应野
演变机制：溯源侵蚀 同一构造边界内水流系统的 袭夺
年降水量：1739 mm 年均气温：21.3 河系：干流和12条支流 流量：4 ~545 m3/s 坡降、流速大：4~10km/d 流态：
•上游紊流、无压 •中游：有压 •下 游 ： 有 压 / 无 压 ， 层 流 / 紊流
水位变化：
•上游~100 m， •中下游~40m •降 水 量 50mm 时 ， 一 昼 夜 水位抬升60~70m
岩溶发育的四个条件
可溶岩的存在 可溶岩必须是透水的 具有侵蚀能力的水 水是流动的
岩石的可溶性
可溶岩种类
卤化物岩（岩盐、钾盐、镁盐） 硫酸盐岩（石膏等） 碳酸盐岩（石灰岩、白云岩、大理岩）
碳酸盐岩的组成
成分：不同比例方解石和白云石，含泥质、硅质等 可溶性：纯方解石的溶解速度约为白云石的两倍 力学性质：不同结构成分的碳酸盐岩具不同物理力学性质， 构造应力下形成的构造裂隙具不同特点
• 岩性：岩溶区多分布巨厚到块状的纯净碳酸盐岩，多 发育有裸露型岩溶，介质可溶性强，受构造应力时易 形成稀疏而宽大的裂隙。内在原因
• 构造：地质构造上属于较紧密的褶皱，向斜核部多易 发地下河系。降水充沛，补给强
• 介质均匀性：岩溶含水介质常是高度管道化与强烈不 均匀的，岩溶岩对降水的响应十分灵敏，流量季节变 化很大
营力与介质的相互作用：差异性水流与介质差异性改造 优势通道的形成 正反馈 岩溶驱动总能量：渗透流速与水流作用时间之积。
总能量越大，对介质的改造越强 构造开启程度：
排泄区：岩溶最为发育 补给区及深部：次之 断裂的控制作用
构造开启程度对岩溶发育的控制
• 褶皱轴部尤其是向斜 轴部，往往张开裂隙 发育，又是地下水汇 集的部位，流线在此 密集，地下河系发育
可溶岩的透水性
控制因素 岩性
生物礁岩 泥晶粒屑碳酸盐岩及泥晶碳酸岩 亮晶碳酸岩 白云石化 层厚 层状分布：岩溶顺层发育 层厚影响构造裂隙发育
中厚层：密集均匀，利于形成溶蚀均匀的含水层 巨厚层：稀疏宽长，分布极度不均，大型溶洞
初始裂隙发育特征 岩溶易发育部位：断裂带、裂隙发育的背斜、向斜。 巨厚层中这些部分可发育地下河系
北方岩溶及岩溶水
• 气候：降雨7.量3少.8，植北被方、岩土壤溶的及影响岩，溶水水的侵蚀能力较
南方差 • 岩溶发育程度：北方岩溶发育多不完整，地表少有溶斗
、落水洞等，地表多呈常态的山形；未发现完整的地下 河系 • 岩性：含水介质--碳酸盐岩一般成层较薄，夹泥质与硅 质夹层，多与非可溶岩互层，多发育覆盖型岩溶；介质 可溶性差，形成密集、均匀而短小的构造裂隙 • 构造：因多为宽缓的向斜或单斜，不利于水流的集中分 布、降水少，水的侵蚀力弱，岩溶发育弱 • 介质均匀性：含水介质相对均匀，成井率较高，岩溶大 泉汇水面积大，流量相对稳定
水文地质学基础第13章 岩溶水
提纲
岩溶及其研究意义 岩溶发育的基本条件 岩溶水系统的改造与演变 岩溶水特征
岩溶及其研究意义
岩溶示意图 岩溶：水对可溶岩石进行化学溶解，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（喀斯特） 岩溶水（喀斯特水）：赋存并运移于岩溶化岩层中的水
• 断层带往往是岩溶集 中发育处，因此处导 水好，流线密集
• 在可溶岩与下伏隔水 层的接触面上易发育 成层的溶洞，由于水 流下方受阻，流线密 集于接触界面上所致
• 硫化矿床氧化带 • 河谷区深岩溶发育 • 厚层质纯灰岩分布区
我国南方岩溶的地下河系化
岩溶地下水系统演变趋势 岩溶发育受溶蚀基准面控 制 趋势：若干局部水流系统 向统一的区域水流系统演变
外现场测定。
碳酸（CO2）的来源
大气中CO2以分子扩散经潜水面进入地下水（很少） 土壤中的CO2：土壤气中CO2含量通常1～3%，远比
大气中0.03%大 混合溶蚀效应：不具侵蚀的两种不同含量CO2的饱和
CaCO3溶液混合后会变为不饱和而重新具有侵蚀性 深部CO2：幔源及碳酸盐岩高温变质
水流的控制作用
世界岩溶分布面积约占全球面积的15%
我国可溶岩分布约占全国面积的1/3 岩溶山区严重缺水
娘子关泉（山西平定）
岩溶塌陷（湖南益阳）
石林（云南石林）
岩溶塌陷对房屋的破坏（立陶宛）
供水水源
旅游资源
水量大且分布极不均匀：对采矿的构成威胁
易于发生渗漏的岩溶化岩层：增加修建水利工程难度
岩溶发育的基本条件