岩溶水Karstwater岩溶发育的基本条件与影响因素

第十二章岩溶水（Karst water）
第一节岩溶发育的基本条件与影响因素
一、发育的基本条件之一：岩层的可溶性及影响因素
作为被水流改造的对象，可溶岩的成分与结构是控制岩溶发育的内因。

岩层可溶性的控制因素有：
可溶岩层的成分划分有，碳酸盐岩、灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩等；从结构分有，豹皮灰岩，生物碎屑灰岩，厚层状灰岩，薄层状灰岩等。

可溶岩的透水性：岩石或岩层必须有裂隙发育，水流才能进入其内进行溶蚀。

通常初始裂隙或断层发育决定了最后岩溶发育，即洞的分布特征。

二、发育的基本条件之二：地下水具有侵蚀能力
分析碳酸盐岩、水、二氧化碳之间的相互作用是研究岩溶化过程的关键。

这是一个涉及固、液、气三相的复杂化学体系，其化学过程通常以
体系为例进行分析。

主要反应可以用下图来概化（开放体系中的碳酸平衡过程）：
插图12-1 开放体系中的方解石溶解的基本物理化学模式在上述模式中：以水为中心的两条平衡途径，分别产生：
第一条途径是大气与水的平衡，使水中增加和；
第二条途径是岩石与水的平衡，使水产生两条平衡途径中生成的、结合形成，使碳酸平衡体系向溶解方向进行（插图12-1中的黄色箭头）
影响因素——从上述平衡模式分析
含量：的参与是岩溶发育的重要前提。

一方面当溶入水中形成碳酸，或水含有其它酸类时，水对碳酸盐类的侵蚀能力明显增高；另一方面，
水中溶解越高，上述第一条途径向岩石溶解方向发展。

[来源主要是浅层大气与土壤层，深部来源尚无定论]
水的流动：具有一定侵蚀能力的水如在碳酸盐岩中停滞而不与外界发生交替，水的侵蚀能力终将因碳酸盐溶入水中成为饱和溶液，而丧失其侵蚀性；因此，水的流动是保证岩溶发育的充要条件。

只有不断更替不具侵蚀性的水，并将溶蚀与侵蚀的物质带去，才能留下空洞（产生岩溶）。

第二节岩溶水系统的演变
一、地下水流对介质的改造
一、地下水流对介质的改造
岩溶水与孔隙水裂隙水最大的不同，就是其介质可以被改造，水流特征不断变化，介质特征也不断变化。

差异性溶蚀：地下水流对介质的改造的过程可以用达西定律（V＝K I）来分析，设想有个初始的介质场（K），在水流不断作用下，V、K、Q 都会发生变化，如插图12-1所示：
插图12-1 介质改造原理示意
介质的改造，K将不断增大，伴随流速加大，从而水流不断汇集。

水流对介质的改造，从系统动力学角度来看，这是一个正反馈过程。

改造与破坏：
差异性溶蚀的改造，水流愈来愈集中在少数通道中，少数通道则优先发展为溶洞。

差异性溶蚀改造过程，中后期伴随着机械破坏过程：
插图12-2 演示大型溶洞形成过程的机械破坏
①溶蚀破坏与失稳的破坏（图中中心白色圈与水位，兰色区为失稳范围）
②垮塌物质部分由水流携带搬走（兰色区失稳，垮塌，水流搬走，水位下降为兰色；此时，黄色区域为失稳区，进一步作用，黄色区垮塌，物质水流搬走，水位下降为黄色线），最后形成大型溶洞。

③大型溶洞形成机械破坏起重要作用
地下水流对介质改造的作用结果：
介质改造愈强烈，机械破坏也愈强
介质改造后，地下岩体中出现各种规模洞穴（插图12-3）
地表形成溶斗，落水洞以及各种规模的洼地，汇集降水水（插图12-3）
介质导水能力增加，地下水位总体下降，水面以上岩体或洞穴失去进一步发展的水动力条件。

地下河系发生袭奇，河系归并，地下河系流域不断扩大。

插图12-3 介质改造结果——典型岩溶水系统结构概化图
二、岩溶水系统演变过程（流动系统）
岩溶水系统演变过程大致可以分为四个阶段：岩溶发育初期流动系统、局部岩溶水系统形成、岩溶水系统的袭夺、统一的地下水河系的形成。

一个理想的岩溶水系统发育演化的整个过程（图12—5）为例分析。

初期流动系统（图12—5a）：地下水在原有的孔隙—裂隙中流动，流动系统与流网特征，取决于初期裂隙发育和势源汇的分布，通常与连续分布的孔隙或均匀发育的裂隙流场特征一致。

局部岩溶水系统（图12—5b）：随着差异性溶蚀的进行，岩溶水自组织现象出现。

当裂隙溶蚀扩展到一定程度，形成与局部地下水流动系统相适应的多个地下管道系统（地下河）（图12—5b）。

岩溶水系统的袭夺（图12—5c）：在多个管道局部系统上，侵蚀基准低的地下河势能较低，构成较强的势汇，吸引更多水流，地下分水岭发生偏移。

溯源溶蚀的发展，低势地下河系的流域不断扩展，扩展到与另一侧（地势较高）的地下河时，便发生袭夺，地势较高系统成为低势地下河系的一个部分（图12—5c）。

统一的地下水河系的形成（图12—5d）：岩溶水系统演变的自组织性，系统的袭夺不断发生，最终使由不同地下水流动系统造成的地下河统一的地下河系。

其特点为：
①统一的地下河系区域，岩溶水水力梯度小，水位低，位置较高与局部地下水流动系统的岩溶洞穴管道悬留于水位之上而干涸，或者说包气带中仍保留各种类型的溶洞。

②初期为区域地下水流动系统的水流循环加速，最终发育完整的地下河系。

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）。

图12—5 岩溶水系统演化过程示意图
（a）碳酸盐岩（b）局部岩溶水系统形成阶段（c）岩溶水系统的袭夺（d）统一地下河系的形成
1—碳酸盐岩；2—隔水层；3—地下水位；4—水的流向；5—泉；6—充水岩溶管道；7—干涸管道
三、影响岩溶水系统演变的因素
（1）构造的开启性
构造开启程度不同，影响岩溶含水系统的地下水径流交替条件，使岩溶发育程度不同。

如图12—1：
a含水系统无隔水层覆盖，有利于接受降水补给与径流排泄，岩溶最为发育。

b含水系统上覆隔水层，但断层导水，径流条件较差，岩溶发育较差。

c含水系统上覆隔水层且断层不导水，除裸露区浅部有短程地下水径流，有一定的岩溶发育，深部地下水不发生径流，无岩溶发育。

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
（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）。

（3）地壳运动
当构造运动引起侵蚀基准面升降时，地下水流动系统发生变化，从而影响岩溶的垂直分带。

间歇性垂向运动：如图12—4，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。

地下水以大气降水的间歇性垂向运动为主，与此相应，常形成垂向发育的溶蚀裂隙、落水洞、溶斗及竖井等。

图12—3 碳酸盐岩与下伏个水层界面上岩溶发育示意图
（a）流线示意分布；（b）岩溶示意分布
1—石灰岩；2—隔水层；3—地下水位；4—流线；5—泉；6—河流；7—溶蚀管道及裂隙
地壳持续上升：如果地壳持续上升，饱和带以下水流系统不断转化为非饱和带的垂直水流，整个碳酸盐岩体水平岩溶便不发育，且以垂向溶蚀裂隙及规模不大的垂向洞穴为主。

多阶段间歇性抬升与较长时期的稳定相交替：相应稳定时期的侵蚀基准面，可能找到若干层以水平为主的洞穴。

稳定期后的下降运动：在较长稳定时期形成的水平溶洞，由于后期下降运动，会受到后期沉积物的埋没，则形成埋藏型的岩溶发育带。

图12—4 地下水流动系统与岩溶发育垂直分布
1—石灰岩；2—隔水层；3—地下水位；4—分带界限；5—包气带水流向；6—地下水流线；7—溶蚀裂隙及管道；Ⅰ—包气带；Ⅱ—局部岩溶水系统；Ⅲ—区域岩溶水系统
第三节岩溶水的特征
一、岩溶水的运动特征
岩溶水的运动特征受到岩溶系统的空隙网络构成的影响（图12-6），空隙（裂隙-溶洞）网络非均质性越大，则裂隙-溶洞网络中水的运动差异就越大。

图12—6 岩溶含水介质示意图
1—岩溶管道；2—裂隙（被溶蚀扩大与未被溶蚀扩大的）；3—原生孔隙；4—洞穴堆积物中的孔隙；5—水流方向（箭头长度代表水流大小）
岩溶系统中的运动特点有：
层流与紊流共生
有压与无压共存
运动方向的不同步（局部与整体不一致）
水位变化也不一致
缺乏统一的地下水位
二、岩溶水的补给，排泄与动态
补给方式——灌入式：强烈岩溶化地区，降水汇集到处于低洼的溶斗、落水洞等直接灌入，短时间内即可顺畅地达到岩溶水水面。

入渗系数大（南方达60—80%，北方30%）。

排泄——集中大泉（或地下河）：地下河系化，使数百甚至数千范围内降水构成一个统一的水系，由一个岩溶泉或泉群集中排泄，泉流量可达l
以上，洪水季节甚至可达100以上，是名符其实的地下河。

动态——很不稳定：岩溶化在程度愈高，动态愈不稳定，变化大，缺乏滞后
岩溶山区缺水：作为补给区的岩溶化山区，岩溶水的埋藏深度常常可达数百米，又无泉水与地表水，即使在潮湿气候下，岩溶山区常常也成为严重缺水的干旱地区。

12.4 我国南北方岩溶及岩溶水的差异
我国南北方岩溶与岩溶水差异很大，其根本原因目前还没有一致的看法。

我们认为，南北方岩溶与岩溶水差异的主要因素为：地层岩性、构造和气候的综合作用，从而导致两者含水介质极大不同。