矿床水文地质徐九华

第三篇第三篇矿床水文地质矿床水文地质hydrogeology 李克庆专门研究地下水的地质科学 水文地质学是研究地下水的数量和质量水文地质学是研究地下水的数量和质量随空间和时间变化的规律，以及合理随空间和时间变化的规律，以及合理利用利用地地下水或下水或防治防治其危害的学科。其危害的学科。在不同环境中地下水的埋藏、分布、运在不同环境中地下水的埋藏、分布、运动和组成成分均不相同。查明这些状况，可动和组成成分均不相同。查明这些状况，可为科学地利用或防治地下水提供根据。水文为科学地利用或防治地下水提供根据。水文地质学对地下水的研究，着重自然历史和地地质学对地下水的研究，着重自然历史和地质环境的影响。质环境的影响。学科演化：学科演化：水文地质学的研究，水文地质学的研究，目前已形成目前已形成了一系列分支学科：了一系列分支学科：地下水动力学地下水动力学 水文地球化学水文地球化学 供水水文地质学供水水文地质学 矿床水文地质学矿床水文地质学*农业水文地质学农业水文地质学 区域水文地质学区域水文地质学 古水文地质学古水文地质学水文地质学的一部分，是研究矿床开发过程的水文地质水文地质学的一部分，是研究矿床开发过程的水文地质 问题的分支。问题的分支。1.地下水的分布、形成规律地下水的分布、形成规律 2.地下水的物理性质、化学成分地下水的物理性质、化学成分 3.地下水运动规律、动态变化地下水运动规律、动态变化 4.矿山充水条件、富水分析矿山充水条件、富水分析 5.防排水工程防排水工程11.1 地下水赋存状态地下水赋存状态 1.岩土的空隙性岩土的空隙性 2.水在岩土中存在形式水在岩土中存在形式 3.岩土的水理性质岩土的水理性质11.2 地下水的物理性质、化学成分地下水的物理性质、化学成分 1.物理性质物理性质 2.化学成分化学成分11.3 地下水的分类及各类地下水的特征地下水的分类及各类地下水的特征 概述概述 1.自然界的水自然界的水 大气水大气水(AtomospharicAtomospharic Water Water)地表水地表水(Surface Water)Surface Water)地下水地下水(Underground Water)Underground Water)2.矿床地下水矿床地下水 埋藏、运动在矿床范围的地下水埋藏、运动在矿床范围的地下水 3.水的循环水的循环132.2亿亿吨3.8亿亿吨8600万亿吨0.34(地表水地表水+大气水）大气水）陆地上的淡水来自天上。海水在阳光下蒸发，盐留在了海陆地上的淡水来自天上。海水在阳光下蒸发，盐留在了海里，而淡水蒸发到天上，形成云。云被风吹到陆地的上空里，而淡水蒸发到天上，形成云。云被风吹到陆地的上空，凝结后降落到大地上。如此，陆地上的江河、湖泊、湿，凝结后降落到大地上。如此，陆地上的江河、湖泊、湿地才得以形成，它们是陆地生命的淡水源。地才得以形成，它们是陆地生命的淡水源。434 岩土中的空隙是地下水存在岩土中的空隙是地下水存在的环境。空隙的大小、多少、连的环境。空隙的大小、多少、连通程度及分布状况等是决定地下通程度及分布状况等是决定地下水存在和运动规律的重要因素。水存在和运动规律的重要因素。根据岩土空隙的成因和结构根据岩土空隙的成因和结构的不同，岩石的空隙可分为三种的不同，岩石的空隙可分为三种类型：类型：孔隙孔隙、裂隙裂隙和和岩溶溶洞岩溶溶洞。土土(粘土、砂土、砾石等粘土、砂土、砾石等)和碎和碎屑岩等沉积岩中的颗粒和颗粒集屑岩等沉积岩中的颗粒和颗粒集合体间存在的空隙。合体间存在的空隙。不同的岩土，孔隙的大小和发不同的岩土，孔隙的大小和发育程度不同，在科学研究和工程应育程度不同，在科学研究和工程应用中，常用用中，常用孔隙度孔隙度(n)来表示孔隙的来表示孔隙的发育程度：发育程度：n=Vn/V 或或 n=Vn/V100%Vn 孔隙体积；孔隙体积；V 包括孔隙在内的岩石包括孔隙在内的岩石(土土)总总体积。体积。松散岩土的孔隙度：松散岩土的孔隙度：2647.5%坚硬岩石：坚硬岩石：岩浆岩、变质岩岩浆岩、变质岩13%砂岩、砾岩砂岩、砾岩310%坚硬岩石由于岩浆的冷凝作用、地壳运动中构造应力坚硬岩石由于岩浆的冷凝作用、地壳运动中构造应力作用或风化剥蚀作用，在岩石中产生的裂缝，称为裂隙。作用或风化剥蚀作用，在岩石中产生的裂缝，称为裂隙。裂隙在岩石中的分布不均匀。裂隙在岩石中的分布不均匀。衡量裂隙发育程度的指标度衡量裂隙发育程度的指标度，也也称为裂隙率。称为裂隙率。Kt=Vt/V100%在岩层露头处或坑道中在岩层露头处或坑道中 Ka=LB/F100%岩层露头面积岩层露头面积(F)，该面积上裂该面积上裂隙的长度隙的长度(L)及平均宽度及平均宽度(B)钻孔中所取岩心钻孔中所取岩心 Kl=B/L100%地下水溶蚀了某些可溶性岩石地下水溶蚀了某些可溶性岩石(如石灰岩、石膏、岩盐等如石灰岩、石膏、岩盐等)，而在，而在岩石中形成的洞穴称岩溶溶洞。岩石中形成的洞穴称岩溶溶洞。岩石中岩溶溶洞的不均匀性较岩石中岩溶溶洞的不均匀性较裂隙更甚，大的岩溶溶洞，体积可裂隙更甚，大的岩溶溶洞，体积可达数十万立方米以上。达数十万立方米以上。Kk衡量岩溶溶洞发育程度的指标衡量岩溶溶洞发育程度的指标 Kk=Vk/V100%Vk 岩溶溶洞的体积；岩溶溶洞的体积；V 总总体积体积(包括包括Vk)岩溶溶洞度通常通过钻孔中所岩溶溶洞度通常通过钻孔中所取得的岩心测量而得。取得的岩心测量而得。根据水在空隙中的物理状态，水与岩土颗粒的相互根据水在空隙中的物理状态，水与岩土颗粒的相互作用等特征，将其分为气态水、结合水、毛细水、重力作用等特征，将其分为气态水、结合水、毛细水、重力水、固态水等五类。水、固态水等五类。即水蒸气，和空气一起充填在岩土的空隙中。即水蒸气，和空气一起充填在岩土的空隙中。包括包括吸着水吸着水和和薄膜水薄膜水。由于细小的土粒表面带。由于细小的土粒表面带电，而水又是极性分子，在土粒表面静电引力电，而水又是极性分子，在土粒表面静电引力作用下而被吸附的水称为结合水。作用下而被吸附的水称为结合水。指紧靠土粒表面的结合水，极其牢指紧靠土粒表面的结合水，极其牢固的结合在土粒表面上，性质接近固的结合在土粒表面上，性质接近于固体，密度约为于固体，密度约为1.22.4g/cm3，冰点为冰点为78，具有极大的粘滞度，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度，没有溶解盐类、弹性和抗剪强度，没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力；的能力，不能传递静水压力；紧靠于吸着水的外围紧靠于吸着水的外围形成一层的结合水膜形成一层的结合水膜。它仍然不能传递静。它仍然不能传递静水压力，但水膜较厚水压力，但水膜较厚的弱结合水能向临近的弱结合水能向临近的较薄的水膜缓慢移的较薄的水膜缓慢移动。动。由毛细力作用而充满在岩土毛细空隙由毛细力作用而充满在岩土毛细空隙(一般指直径小于一般指直径小于1mm的孔隙和宽度小于的孔隙和宽度小于0.25mm的裂隙的裂隙)中的水。中的水。充满于非毛细空隙中的液态水。当薄膜水的薄膜更加充满于非毛细空隙中的液态水。当薄膜水的薄膜更加增大时，水与岩土颗粒间的作用力逐渐减小，当这种增大时，水与岩土颗粒间的作用力逐渐减小，当这种力量不能保持薄膜水时，薄膜水即变为液态水滴受重力量不能保持薄膜水时，薄膜水即变为液态水滴受重力影响而在岩土空隙中运动。力影响而在岩土空隙中运动。以冰的形式存在于岩土中的水。高寒地区冬季或全年以冰的形式存在于岩土中的水。高寒地区冬季或全年地壳表层冻结，其中液态水即变成固态水。它在我国地壳表层冻结，其中液态水即变成固态水。它在我国的西北和西藏的高寒山区的永冻层中广泛分布。的西北和西藏的高寒山区的永冻层中广泛分布。地下水存在和运动于岩土空隙中时，岩土所表现出来的各种性质，称地下水存在和运动于岩土空隙中时，岩土所表现出来的各种性质，称为岩土的水理性质。主要包括容水性、持水性、给水性和透水性。为岩土的水理性质。主要包括容水性、持水性、给水性和透水性。岩土空隙所能容纳水的性能岩土空隙所能容纳水的性能 体积容水度体积容水度 VH2O/V=Vn/V+Vt/V+Vk/V 重量容水度重量容水度 WH2O/W岩岩(干干)=Wn/W+Wt/W+Wk/W 在自然条件下，岩土能够保持一定水量的性能在自然条件下，岩土能够保持一定水量的性能 W薄膜水薄膜水/W岩岩(干干)或或 V薄膜水薄膜水/V岩岩(干干)岩土在重力作用下，自由排出重力水的性能岩土在重力作用下，自由排出重力水的性能 =VH2O/V-V薄膜水薄膜水/V岩岩(干干)岩土能使水透过本身的一种性能岩土能使水透过本身的一种性能 表示岩土透水性能大小的指标，表示岩土透水性能大小的指标，称为渗透系数称为渗透系数岩石名称岩石名称给水度（给水度（）松散岩土松散岩土砾石砾石0.350.30粗砂粗砂0.300.25中砂中砂0.250.20细砂细砂0.200.15极细砂极细砂0.150.10坚硬岩石坚硬岩石近于近于0 （1）温度）温度 TH=TB+(H-h)/G H=(TH-TB)/r+h TH-在在H(m)处地下水的温度处地下水的温度(C)；TB-所在地区年平均气温所在地区年平均气温(C)；H-所测地下水水温处的深度所测地下水水温处的深度(m);h-所在地区年常温带深度所在地区年常温带深度(m)；G-地温梯度，地温梯度，33m/C；r-地热增温率地热增温率(1/G)H TH=TB+(H-h)/G H=(TH-TB)/r+h TB=15 C (所在地区年平均气温所在地区年平均气温)；H=510m (所测地下水水温处的深度所测地下水水温处的深度);h=15m (所在地区年常温带深度所在地区年常温带深度);G=33m/C 地温梯度地温梯度；例例 则则 TH=15+(510-15)/33=30 C 即在地下即在地下510m处地下水的温度处地下水的温度30 C水的分类水的分类水的温度水的温度/水的分类水的分类水的温度水的温度/极冷的水极冷的水04热水热水3742冷水冷水420极热的水极热的水42100温水温水2037沸腾的水沸腾的水100以上以上根据水温不同的地下水分类根据水温不同的地下水分类(2)颜色颜色含含FeO的水的水呈浅蓝色呈浅蓝色含含Fe2O3的水的水呈褐红色呈褐红色含腐殖质的水含腐殖质的水呈暗黄褐色呈暗黄褐色含悬浮杂质的水含悬浮杂质的水悬浮物本身悬浮物本身的颜色；颜色的深浅的颜色；颜色的深浅水中悬水中悬浮物的化学成分和含量的多少。浮物的化学成分和含量的多少。(3)密度密度 11.3g/cm3，死海死海含盐含盐30%，海，海水的密度为水的密度为1.1721.227，人体密度，人体密度1.0211.097(1)地下水成分地下水成分 地下水中常见的成分如下：地下水中常见的成分如下：阳离子：阳离子：H+、Na+、K+、NH+4、Mg2+、Ca2+、Fe3+、Mn2+等；等；阴离子：阴离子：OH-、Cl-、SO2-4、NO-、NO-3、HCO-3、CO2-3、SiO2-3及及PO3-4等。等。化合物分子：化合物分子：Fe2O3、Al2O3及及H2SiO3等。等。地下水的化学定名和评价就是根据七种离子进行的。地下水的化学定名和评价就是根据七种离子进行的。9797575pH值值强碱性强碱性弱碱性弱碱性中性中性弱酸性弱酸性强酸性强酸性水的水的类型类型 (2)pH(3)硬度硬度 指水中指水中Ca2+、Mg2+的总量，包括暂时硬度和永久硬度。的总量，包括暂时硬度和永久硬度。水中水中Ca2+、Mg2+以碳酸盐形式存在的部分，因其遇热即以碳酸盐形式存在的部分，因其遇热即形成碳酸盐沉淀而被除去，故称为暂时硬度；形成碳酸盐沉淀而被除去，故称为暂时硬度；以硫酸盐、硝酸盐和氯化物等形式存在的部分，因其性以硫酸盐、硝酸盐和氯化物等形式存在的部分，因其性质比较稳定，故称为永久硬度。质比较稳定，故称为永久硬度。总硬度总硬度=暂时硬度暂时硬度+永久硬度永久硬度 1mmol/L=2.8德国度德国度 单位体积水中所含有的离子、分子和各种化合物单位体积水中所含有的离子、分子和各种化合物(不包括游离状态不包括游离状态的气体的气体)的总量称为水的总矿化度（的总量称为水的总矿化度（M），），以以g/L表示。表示。通常以通常以105110下将水蒸干后所得的干涸残余物含量来表示。下将水蒸干后所得的干涸残余物含量来表示。由于某些组分挥发以及一些含水盐类的生成，干涸残余物重量亦由于某些组分挥发以及一些含水盐类的生成，干涸残余物重量亦不能确切地代表水的总矿化度。不能确切地代表水的总矿化度。一般的地下水总矿化度多在一般的地下水总矿化度多在0.5g/L以下，很少超过以下，很少超过1g/L。按总矿化度大小，地下水可分为五种：淡水、弱半咸水、强半咸按总矿化度大小，地下水可分为五种：淡水、弱半咸水、强半咸水、咸水和盐水水、咸水和盐水 通常我们所饮用的所谓通常我们所饮用的所谓“淡水淡水”就是指矿化度就是指矿化度1的水。的水。(1)(1)库尔洛夫式库尔洛夫式实例：周口店关砥村南民井某日抽水资料如下实例：周口店关砥村南民井某日抽水资料如下:HCO-3 60 毫克当量毫克当量%Na+50 毫克当量毫克当量%Cl-25 毫克当量毫克当量%Mg2+45 毫克当量毫克当量%SO2-4 10 毫克当量毫克当量%Ca2+10 毫克当量毫克当量%CO2 0.016g/l 稀有元素稀有元素 无无 总矿化度总矿化度 M 0.28 g/l 水温水温 15 C 涌水量涌水量 Q 60 m3/day (试用库式表示）试用库式表示）HCO360Cl25CO20.016M0.28 T15Q60 Na50Mg45答案水生命之源(2)(2)地下水的水质评价地下水的水质评价1）饮用水的水质评价）饮用水的水质评价 天然状态下，水中存在有害物质或缺乏天然状态下，水中存在有害物质或缺乏某些人体所需的物质时，称第一环境地质问某些人体所需的物质时，称第一环境地质问题；题；由于人为因素污染了地下水，使水中存由于人为因素污染了地下水，使水中存在着有害的物质，称第二环境地质问题。在着有害的物质，称第二环境地质问题。(2)(2)地下水的水质评价地下水的水质评价据国家卫生部颁布的生活饮用水卫生规程规定：据国家卫生部颁布的生活饮用水卫生规程规定：物理性质物理性质：要求无色、透明、无嗅、无味，温度以低些要求无色、透明、无嗅、无味，温度以低些为宜，最高也不能超过当地的平均气温。为宜，最高也不能超过当地的平均气温。化学成分化学成分：要求总矿化度不超过要求总矿化度不超过1000mg/L。总硬度不超总硬度不超过过25度。度。pH值在值在6.59之间。之间。饮用水有害成分的极限含量：饮用水有害成分的极限含量：铅铅0.1mg/L，砷砷0.05mg/L，氟化物氟化物1.5mg/L，铜铜3.0mg/L，锌锌5.0mg/L，铁总量铁总量0.3mg/L，不能含汞、六不能含汞、六价的铬及钡等。缺水地区，只要无毒就可作价的铬及钡等。缺水地区，只要无毒就可作为饮用水。为饮用水。(2)(2)地下水的水质评价地下水的水质评价2）水对金属的侵蚀性评价水对金属的侵蚀性评价水泵、金属管道、钢轨、支架、采掘机械等各水泵、金属管道、钢轨、支架、采掘机械等各种金属设备，当它们接触地下水时，可产生化学反种金属设备，当它们接触地下水时，可产生化学反应遭受腐蚀，这就是水对金属的侵蚀性。应遭受腐蚀，这就是水对金属的侵蚀性。各种金属设备，周围存在氧和水汽时，则易发各种金属设备，周围存在氧和水汽时，则易发生强烈的侵蚀。酸性水，即生强烈的侵蚀。酸性水，即pH6.5或软水，对钢铁或软水，对钢铁设备具有侵蚀作用。设备具有侵蚀作用。(2)(2)地下水的水质评价地下水的水质评价3）水对混凝土的侵蚀性评价水对混凝土的侵蚀性评价碳酸侵蚀碳酸侵蚀：混凝土固结后表面及内部均生成碳酸钙。：混凝土固结后表面及内部均生成碳酸钙。当含有当含有CO2的地下水与混凝土接触时，就能溶解碳酸的地下水与混凝土接触时，就能溶解碳酸钙，使混凝土的结构遭到破坏。钙，使混凝土的结构遭到破坏。硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀：当硫酸根离子含量高的水渗入混凝土体：当硫酸根离子含量高的水渗入混凝土体内时，可形成使混凝土膨胀和破坏的盐类。内时，可形成使混凝土膨胀和破坏的盐类。生成生成CaSO42H2O(石膏石膏)时，其体积增大倍；时，其体积增大倍；生成生成Al2(SO4)318H2O时，其体积增大时，其体积增大1400%。使。使混凝土构筑物结构胀松而破坏。混凝土构筑物结构胀松而破坏。