第十三章地下水及其地质作用

第十三章第十三章 地下水及其地质作用地下水及其地质作用20112011年年2 2月月东华理工大学地球科学学院东华理工大学地球科学学院第一节第一节 地下水概述地下水概述地下水地下水是是埋藏埋藏在在地表以下地表以下松松散堆积物和岩石散堆积物和岩石空隙中空隙中的的水体水体。地下水主要是由地下水主要是由大气大气降水、地面流水、冰雪融降水、地面流水、冰雪融水、湖泊水水、湖泊水渗透渗透到到地下地下而而形成的，称为形成的，称为渗透水渗透水。此。此外还有外还有凝结水、埋藏水、凝结水、埋藏水、原生水原生水等。等。第一节第一节 地下水概述地下水概述地下水长期在地下运动，可从岩石中获得大量可溶性地下水长期在地下运动，可从岩石中获得大量可溶性的物质成分，使之成为成分复杂的溶液的物质成分，使之成为成分复杂的溶液 。地下水中。地下水中含大量的含大量的离子、分子和化合物离子、分子和化合物，其矿化度高。，其矿化度高。地下水中常见的地下水中常见的气体成分气体成分：O O2 2、N N2 2、COCO2 2及及H H2 2S S。地下水中还含有大量的地下水中还含有大量的胶体物质胶体物质：Fe(OH)Fe(OH)3 3、Al(OH)Al(OH)3 3、SiOSiO2 2及以胶体形式存在的有机质。及以胶体形式存在的有机质。一、地下水的化学特征一、地下水的化学特征第一节第一节 地下水概述地下水概述1.1.地下水运动的条件地下水运动的条件 地下水存于岩石地下水存于岩石(以及松散沉积物以及松散沉积物)的孔隙中，并的孔隙中，并在其中运动，在其中运动，因此岩石孔隙度的大小、形状、数量及因此岩石孔隙度的大小、形状、数量及连通情况连通情况，对地水的储量及运动特点有很大的影响。，对地水的储量及运动特点有很大的影响。空隙度：一定体积岩石中空隙体积所占的比例。空隙度：一定体积岩石中空隙体积所占的比例。地下水的分布、储量及运动均受岩石空隙的多少地下水的分布、储量及运动均受岩石空隙的多少（空隙度）支配（空隙度）支配 。以。以n n表示空隙度表示空隙度，VPVP表示空隙体积表示空隙体积，V V表示岩石体积表示岩石体积，则，则n=VP/Vn=VP/V。即即孔隙度孔隙度=岩石中孔隙的体积岩石中孔隙的体积 /岩石总体积岩石总体积二、地下水的运动二、地下水的运动第一节第一节 地下水概述地下水概述第一节第一节 地下水概述地下水概述 透水性：透水性：岩石被水透过的性能。岩石被水透过的性能。隔水性：隔水性：岩石阻挡水通过的性质岩石阻挡水通过的性质。空隙较大，且相互连通的岩石，地下水可以在岩石空隙较大，且相互连通的岩石，地下水可以在岩石中流动。有些岩石虽有很高空隙度，但空隙不连通的岩中流动。有些岩石虽有很高空隙度，但空隙不连通的岩石和空隙过小，且连通性不好的粘土和泥岩，地下水也石和空隙过小，且连通性不好的粘土和泥岩，地下水也很难在其中流动。很难在其中流动。透水层：透水层：能透水的岩层。洞隙大，且相互连通的能透水的岩层。洞隙大，且相互连通的石灰岩和白云岩以及孔隙大的砾石层和沙层是良好的透石灰岩和白云岩以及孔隙大的砾石层和沙层是良好的透水层。水层。隔水层：隔水层：具隔水性的岩层。粘土岩、粉砂质泥岩具隔水性的岩层。粘土岩、粉砂质泥岩及节理不发育的岩浆岩和块状变质岩可视为隔水层。及节理不发育的岩浆岩和块状变质岩可视为隔水层。第一节第一节 地下水概述地下水概述2.2.地下水的运动方式地下水的运动方式 毛细水（结合水）：毛细水（结合水）：在毛细作用下运动的水。在毛细作用下运动的水。岩石颗粒表面和空隙壁面在静电吸引作用下，会吸附岩石颗粒表面和空隙壁面在静电吸引作用下，会吸附水分子水分子 。这类水束缚于颗粒表面及空隙壁面，。这类水束缚于颗粒表面及空隙壁面，不能不能在自身重力作用下运动在自身重力作用下运动。而且还。而且还可逆重力而运动可逆重力而运动（毛（毛细运动）。细运动）。重力水：重力水：在自身重力作用下产生运动的水。在岩在自身重力作用下产生运动的水。在岩石和松散物质的空隙中，重力水在重力作用下产生运石和松散物质的空隙中，重力水在重力作用下产生运动称动称渗流渗流(渗透渗透)。第一节第一节 地下水概述地下水概述三三.地下水的补给与排泄地下水的补给与排泄1.1.含水层失去水量含水层失去水量称排泄称排泄(drainage)(drainage)，含水层，含水层 从外界获得水从外界获得水称补给称补给(recharge)(recharge)。流动的地下水称流动的地下水称地下径流地下径流(run off(run off）。它从）。它从 补给区向排泄区流动。补给区向排泄区流动。2.2.补给来源：大气降水、地表水。补给来源：大气降水、地表水。3.3.地下水的露头：地下水的人工露头为地下水的露头：地下水的人工露头为井井wellwell，天然露头为天然露头为泉泉 springspring（上升急喷的泉即（上升急喷的泉即喷泉喷泉，重力向下者为重力向下者为下降泉下降泉）。）。台湾和云南有台湾和云南有“蝴蝶泉蝴蝶泉”;南京有南京有“珍珠泉珍珠泉”、“江南江南 第二泉第二泉”(南宋陆游题）南宋陆游题）;济南有济南有“趵趵(bao(bao)突泉突泉”。第二节第二节 地下水的类型地下水的类型 一、地下水按照埋藏条件分为一、地下水按照埋藏条件分为包气带水包气带水、潜水潜水、承压水承压水 1.1.包气带水包气带水（土壤水）（土壤水）从从地面地面到到地下水面地下水面（潜水面潜水面）之间的地带（包气带、）之间的地带（包气带、不饱和带）所含的不饱和带）所含的非重力地下水非重力地下水，以，以气态水、吸着水、薄气态水、吸着水、薄膜水膜水和和毛细水毛细水等状态存在。等状态存在。包气带与包气带与 饱水带饱水带第二节第二节 地下水的类型地下水的类型 2.2.潜水潜水 埋藏在埋藏在地面以下地面以下，在第一个，在第一个隔水层隔水层之之上，具有上，具有自由表面自由表面的的重力水重力水，称为潜水。，称为潜水。潜水的表面称为潜水的表面称为潜水面潜水面，随地形起伏而变化，随地形起伏而变化，具有具有潜水流潜水流。同时因季节变化而。同时因季节变化而升降升降，雨季、旱季，雨季、旱季潜水面的不同而形成一个潜水面的不同而形成一个暂时饱和带暂时饱和带。第二节第二节 地下水的类型地下水的类型3.3.承压水（层间水）承压水（层间水）埋藏在地下埋藏在地下两个两个隔水层之隔水层之间间的的含水层中含水层中的水。当两个隔水层之间的含水层的水。当两个隔水层之间的含水层被水充被水充满满时，就是有了一定的时，就是有了一定的静压力静压力，称为承压水。，称为承压水。自流井自流井当打井当打井凿穿凿穿上部隔水层时，如果承压水上部隔水层时，如果承压水的静水压力所达到的的静水压力所达到的水头高度水头高度超过超过井口地面井口地面时，则时，则自行自行喷溢喷溢出地表，形成自流井。出地表，形成自流井。第二节第二节 地下水的类型地下水的类型第二节第二节 地下水的类型地下水的类型不同季节的地下水水位不同季节的地下水水位二、二、泉及其分类泉及其分类 地下水在地表的地下水在地表的天然出天然出露露，叫做，叫做泉泉。泉主要分布在泉主要分布在山区、丘山区、丘陵区陵区的的沟、谷沟、谷中及中及山麓边缘山麓边缘，平原地区极为平原地区极为少见少见。泉的分类泉的分类：1.1.根据根据成因成因分为：分为：接触泉接触泉；侵蚀泉侵蚀泉 裂隙泉裂隙泉；断层泉断层泉；溶洞泉溶洞泉。2.2.根据泉水根据泉水运动运动的特的特点分为：点分为：上升泉上升泉；下降泉下降泉。二、二、泉及其分类泉及其分类 地下水在地表的地下水在地表的天然出天然出露露，叫做，叫做泉泉。泉主要分布在泉主要分布在山区、丘山区、丘陵区陵区的的沟、谷沟、谷中及中及山麓边缘山麓边缘，平原地区极为平原地区极为少见少见。泉的分类泉的分类：1.1.根据根据成因成因分为：分为：接触泉接触泉；侵蚀泉侵蚀泉 裂隙泉裂隙泉；断层泉断层泉；溶洞泉溶洞泉。2.2.根据泉水根据泉水运动运动的特的特点分为：点分为：上升泉上升泉；下降泉下降泉。一般将泉水温度超过一般将泉水温度超过2020的泉称为的泉称为温泉温泉。温泉是温泉是地热异常地热异常的一种显示方式，是地下热能的一种显示方式，是地下热能的的天然露头天然露头。3.3.按泉水按泉水温度温度分为：分为：冷泉冷泉；温泉温泉。第三节地下水的地质作用第三节地下水的地质作用 地下水在岩石孔隙、裂缝中流动十分缓慢，动能较小，地下水在岩石孔隙、裂缝中流动十分缓慢，动能较小，故而故而机械作用十分微弱机械作用十分微弱。但由于地下水与岩石、矿物的接触时间长，加之溶但由于地下水与岩石、矿物的接触时间长，加之溶有一定量的酸类物质有一定量的酸类物质(如如H H2 2COCO3 3、H H2 2SOSO4 4及有机酸及有机酸)，对地下，对地下岩石、矿物岩石、矿物具有具有强烈的溶解作用强烈的溶解作用。就整个地下水的地质作用而言，就整个地下水的地质作用而言，以以化学作用为主化学作用为主。第三节地下水的地质作用第三节地下水的地质作用 地下水在地下水在缓慢的缓慢的运动过程运动过程中，不断对周围的岩石进中，不断对周围的岩石进行着行着破坏破坏和和改造改造，称为地下水的，称为地下水的潜蚀作用潜蚀作用。可以分为：可以分为：机械潜蚀作用机械潜蚀作用和和化学溶蚀作用化学溶蚀作用。一、一、机械潜蚀作用机械潜蚀作用地下水对地下水对岩石的岩石的冲刷破冲刷破坏坏作用称为作用称为机械潜蚀作用机械潜蚀作用。由由黄土、砂岩黄土、砂岩组成的组成的地壳表层，经地下水（还地壳表层，经地下水（还有地表水）有地表水）长期长期机械潜蚀机械潜蚀作用作用，形成与下面将要阐，形成与下面将要阐述的述的“岩溶岩溶”地区地区相似相似的的地质发展过程，如地质发展过程，如黄土湿黄土湿陷、丹霞地貌陷、丹霞地貌。称为。称为“假假岩溶岩溶”作用过程作用过程 二、化学二、化学溶蚀溶蚀作用与作用与岩溶岩溶现象现象 地下水对地下水对可溶性岩石可溶性岩石的的溶解破坏溶解破坏作用，称为化学作用，称为化学溶蚀作用溶蚀作用。（一）（一）岩溶现象岩溶现象 1.1.岩溶岩溶（喀斯特喀斯特）是指是指可溶可溶性岩石性岩石在地下水和地表水的在地下水和地表水的共同破共同破坏坏作用下，所形成的作用下，所形成的特殊地貌特殊地貌和和水水文网文网的的总称总称。2.2.典型的岩溶地貌典型的岩溶地貌有：有：溶沟溶沟与与石芽石芽；漏斗漏斗与与落水洞落水洞；溶洞溶洞与与地地下河下河；岩溶谷地岩溶谷地与与天生桥天生桥；峰林峰林。石芽石芽 在包气带，地下水在可溶性岩石的裂缝中向下渗流，在包气带，地下水在可溶性岩石的裂缝中向下渗流，使裂缝不断加深加宽，形成使裂缝不断加深加宽，形成石芽石芽石芽不断升高。在岩石成分较纯、岩层巨厚、岩层倾角石芽不断升高。在岩石成分较纯、岩层巨厚、岩层倾角平缓的可溶性岩石地区，石芽可高达几十米，远望宛如平缓的可溶性岩石地区，石芽可高达几十米，远望宛如树林，称为树林，称为石林石林。石林石林 在包气带，地下水在可溶性岩石的裂缝中向下渗流，在包气带，地下水在可溶性岩石的裂缝中向下渗流，使裂缝不断加深加宽，形成石芽，石芽不断升高。在岩使裂缝不断加深加宽，形成石芽，石芽不断升高。在岩石成分较纯、岩层巨厚、岩层倾角平缓的可溶性岩石地石成分较纯、岩层巨厚、岩层倾角平缓的可溶性岩石地区，石芽可高达几十米，远望宛如树林，称为区，石芽可高达几十米，远望宛如树林，称为石林石林。规规模较大者称为峰林。模较大者称为峰林。峰林峰林 在潜水面附近，地下水在重力作用下在潜水面附近，地下水在重力作用下沿层面、节理面和断裂带从高水位向低水沿层面、节理面和断裂带从高水位向低水位作近于水平方向的流动，常形成近于水位作近于水平方向的流动，常形成近于水平的洞穴称平的洞穴称溶洞溶洞。在地下水携带着被溶解的碳酸盐物质渗流在地下水携带着被溶解的碳酸盐物质渗流到开阔的溶洞、泉口以及扩大了的节理时，到开阔的溶洞、泉口以及扩大了的节理时，由于压力减小，导致地下水中的二氧化碳逸出，由于压力减小，导致地下水中的二氧化碳逸出，碳酸氢钙被分解成碳酸钙而产生沉淀碳酸氢钙被分解成碳酸钙而产生沉淀。落水洞落水洞:地表水沿近于地表水沿近于垂直的裂隙垂直的裂隙向下溶蚀而成的直立或陡倾斜向下溶蚀而成的直立或陡倾斜的洞穴，下接地下河或溶洞，是地表水转入地下河或溶洞的通道。的洞穴，下接地下河或溶洞，是地表水转入地下河或溶洞的通道。在两组直立的裂隙交汇处，落水洞最易形成。有时许多落水洞呈在两组直立的裂隙交汇处，落水洞最易形成。有时许多落水洞呈串珠状分布。串珠状分布。GROUNDWATERKARST TOPOGRAPHYSurface expression of the dissolution of limestone.SINKHOLES 我国我国广西、贵州、广西、贵州、云南云南等地是等地是喀斯特喀斯特十分发育十分发育的地区。的地区。3.3.岩溶发育的条件岩溶发育的条件 有有可溶性可溶性岩石岩石的存在，特别的存在，特别是是产状产状平缓、平缓、裂隙裂隙发育发育的的厚层厚层石灰石灰岩岩是岩溶发育的是岩溶发育的有利条件有利条件。湿热的气候条件湿热的气候条件（水量（水量丰富丰富、具有、具有流动性流动性），），尤其是在水中尤其是在水中含有含有一定数量的一定数量的COCO2 2时，有时，有较强较强的的溶蚀溶蚀能力能力。第三节第三节 地下水的搬运与沉积作用地下水的搬运与沉积作用 一、一、地下水的机械搬运与沉积作用地下水的机械搬运与沉积作用 由于地下水是在土壤、岩石裂隙中由于地下水是在土壤、岩石裂隙中流动，流动，流速流速极慢极慢，因此，因此搬运力搬运力极弱极弱，沉沉积作用也积作用也极弱极弱，一般仅形成，一般仅形成小小规模的规模的洞洞穴碎屑沉积穴碎屑沉积。二、二、地下水的溶运与化学沉积作用地下水的溶运与化学沉积作用 地下水流速慢，与岩石的地下水流速慢，与岩石的接触面积接触面积大大，作用时作用时间间长长，能，能充分的充分的溶解溶解其流经区的其流经区的可溶性可溶性物质，因此物质，因此地下水中地下水中含有含有较多的较多的溶解物质溶解物质，并随着地下水的，并随着地下水的运运动动而而被搬运被搬运。第三节第三节 地下水的搬运与沉积作用地下水的搬运与沉积作用 石灰岩地区中庞大的石灰岩地区中庞大的洞穴系统洞穴系统就是被地下水就是被地下水溶蚀搬运溶蚀搬运而形成的。而形成的。地下水的化学沉积主要分布在地下水的化学沉积主要分布在洞穴内、裂隙洞穴内、裂隙中中和和泉泉的的出口处出口处。常见的常见的有以下几类：有以下几类：1.1.石钟乳、石笋、石柱、石幔石钟乳、石笋、石柱、石幔2.2.泉华泉华3.3.模树石（假化石）、岩脉、矿脉模树石（假化石）、岩脉、矿脉 地下水的沉积作用以化学沉积作用为主，主要有地下水的沉积作用以化学沉积作用为主，主要有以下两类以下两类:溶洞沉积溶洞沉积（KarstKarst cave deposit cave deposit）热（温）泉沉积热（温）泉沉积（Thermal spring depositThermal spring deposit）石钟乳、石笋和石柱的形成过程石钟乳、石笋和石柱的形成过程GROUNDWATERCAVE DEPOSITS 此外，地下水沿着洞壁裂隙成层状渗出，能此外，地下水沿着洞壁裂隙成层状渗出，能沉积成沉积成石帘石帘、石帷幕石帷幕、石瀑布石瀑布和和石幔石幔(curtain)等。等。Jenolan Caves,AustraliaCourtesy of Jenn Murphy (一一)寻找地下水，促进工农业生产；寻找地下水，促进工农业生产；(二二)热水发电，取暖；热水发电，取暖；(三三)掌握岩溶的发育规律，确保工程安全。掌握岩溶的发育规律，确保工程安全。（四）水化学找矿；（四）水化学找矿；（五）旅游开发等。（五）旅游开发等。第四节第四节 地下水的研究意义地下水的研究意义 了解了解地下水、泉、地下热水地下水、泉、地下热水的一般的一般概念概念；掌握掌握地下水的地下水的赋存、运动赋存、运动及及类型类型；初步掌握初步掌握地地下水的潜蚀作用、沉积作用的下水的潜蚀作用、沉积作用的基本原理基本原理及及特征特征。学习重点学习重点：重点是地下水的重点是地下水的赋存、运动赋存、运动及及类型类型和地和地下水的下水的潜蚀作用、溶蚀现象潜蚀作用、溶蚀现象作业及思考题作业及思考题：1.1.透水层、不透水层、弱透水层透水层、不透水层、弱透水层分别分别包括包括哪些岩石哪些岩石？2.2.绘图绘图表示地下水的表示地下水的垂直分带垂直分带及承压水及承压水的的构造条件、水的运动构造条件、水的运动。试。试说明说明找寻找寻地下水地下水的的有利有利位置位置。本章学习要求本章学习要求 3.3.我国我国桂林桂林旅游区旅游区属于属于何种地貌何种地貌？是？是怎样怎样形成的形成的？