水文地质学课件 12岩溶水

12.0 概述
12.1 岩溶发育机理
12.2 影响岩溶发育的因素12.3 岩溶水系统的演变
12.4 岩溶水的特征
12.5 我国南北方岩溶水的差异
12.0 概述
12.0.1 岩溶与岩溶水
【定义】地下水和地表水对可溶性岩石进行化学溶解，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”。

赋存并运移于岩溶化岩层中的水称为“岩溶水”。

介质的可溶性以及水对介质的差异性溶蚀；岩溶水在流动过程中不断改造着自己的赋存与运动的环境，从而改造着自身的补给、径流、排泄与动态特征。

岩溶水系统是一个能够通过水与介质相互作用不断自我演化的动力系统。

（动态系统）
演化初期：岩溶水系统往往与裂隙水系统没有很大的不同
演化后期：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，某种程度上带有地表水的特征：空间分布极不均一，时间上变化强烈，流动迅速，排泄集中。

水量丰富的岩溶含水系统是理想的供水水源。

岩溶区的奇峰异洞与大泉是宝贵的旅游资源。

但是……
12.1 岩溶发育机理
溶滤作用的强度
回忆
1）矿物盐类的溶解度；
2）岩土的空隙特征；
3）水的溶蚀能力；
4）水中气体成分的含量；
5）水的流动状况。

12.1 岩溶发育机理
岩溶发育的基本条件：
1）具有可溶性岩石；
2）可溶岩必须是透水的；
3）具有溶蚀能力的水；
4）具有良好的水循环交替条件，即具有良好的地下水补给、径流、排泄条件。

最活跃最积极的条件是地下水的循环交替条件，它受控于气候、地形地貌、地质结构、地表非可溶岩覆盖及植被发育条件等。

12.1.1 碳酸岩盐的溶蚀过程
1）与水接触的石灰岩，在偶极水分子作用下发生溶解：
-
++⇔2323CO Ca CaCO 2）水中存在由碳酸、有机酸、无机酸等酸类所解离的H +，与CO 32－结合成HCO 3－，使①右边的CO 32－不断减少而破坏平衡，进而促进CaCO 3的再度溶解。

-
++⇔⇔+33222HCO
H CO H CO O H 碳酸电离的H +与①中CO 32-化合成碳酸氢根：
--+⇔+3
23HCO CO H -
++⇔++322232HCO Ca CO O H CaCO
12.1.2 饱和溶液的混合溶蚀效应
不同成分或不同温度的水混合后，其溶蚀性会增强，这种增强的溶蚀效应叫做混合效应。

它是地下洞穴发育不均匀的重要原因。

A
B
D C
E CO 2含量
C a C O 3含量0
凡是有利于水混合的地带，岩溶发育总是比其它地带强烈。

这些地带包括：
垂直渗入水与地下水相混合的地下水面附近；
地下水面以下能使不同成分的水向它汇集的强径流带，如大的溶蚀裂隙或溶蚀管道；
不同方向的溶蚀裂隙交汇带；
灰岩区地下水的排泄区，如河谷边岸地下水与地表水的混合带等处。

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。

12.3.2 地下水流动系统与岩溶发育的空间特征
处于同一气候条件下构造开启程度不同的岩溶含水系统可能由于地下水径流交替条件不同而具有不同的岩溶发育程度。

如图所示：
b
a
c
a）岩溶含水系统在可溶岩之上无隔水层覆盖，有利于接受降水补给与径流排泄，流线最为密集，岩溶最为发育。

愈靠近排泄区流线愈密集，岩溶愈发育，排泄区断层附近的流线最为密集，岩溶也最发育。

b）岩溶含水系统上覆隔水层，但断层导水，径流条件较差，流线较为稀疏，岩溶发育较差。

c）岩溶含水系统上覆隔水层且断层不导水，除了石灰岩裸露区浅部有短程地下水径流，岩溶有一定发育外，深部地下水不发生径流，无岩溶发育。

12.3 岩溶水系统的演变
12.3.1 地下水流对介质的改造（空间和时间上）
具有化学侵蚀性的水进入可溶岩层
原有的狭小通道：各种规模的构造裂隙（细微裂隙直至断层）和原生孔隙
碳酸盐岩的原生孔隙一般导水能力很差，水流在其中难于流动
而：流动于裂隙中的地下水不断对裂隙壁面进行溶蚀，所溶解下来的岩石成分通过水流循环不断被带走，水流通道被加宽
水流对介质的改造，在空间上是不均匀的，在时间上也不是一个匀速发展的过程。

岩溶的发育基本上可划分为三个阶段：起动阶段、快速发展阶段及停滞衰亡阶段。

1）起动阶段地下水对介质以化学溶蚀作用为主，水流通道比较狭小，地下水几乎没有机械搬运能力，岩溶发展比较缓慢。

完成起始阶段所需的时间取决于环境因素及初始裂隙水流场。

环境因素主要是气候。

湿热气候下地下水补给充沛，CO2含量高，总的化学能量大，有利于岩溶发育。

初始裂隙水流场取决于边界与介质。

隔水边界对地下水径流的分散或集中起重要控制作用。

就介质本身而言，初始介质场越不均匀，水流便不均匀，越有利于岩溶的快速演化。

例如，向斜汇水构造使水流汇集于轴部，形成集中的径流通道。

再如，集中的补给较分散的补给更利于岩溶发育。

最典型的高度集中的补给模式是来自相邻非可溶岩分布区的河流的注入，这种情况下有利于形成巨大的岩溶廊道。

快速演化阶段，介质场与流场发生以下变化：
1）地下水流对介质的改造由化学溶蚀变为机械侵蚀与化学溶蚀共存，机械侵蚀变得愈益重要。

2）地下出现各种规模的洞穴。

（裂隙、溶隙发育而成）
3）地表形成溶斗及落水洞，并以它们为中心形成各种规模的洼地，汇集降水。

【衰亡】
1）随着介质导水能力迅速提高，地下水位总体下降，新的地下水面以上洞穴干涸，失去进一步发展的动力。

2）通道争夺水流的竞争变得更加剧烈。

最终只剩下少数几个（甚至只有一个）大的管道优先发展，其余的
管道要么依附于这些大管道成为其支流，要么成为被地
下水抛弃的干涸管道。

3）不同地下河系发生袭夺，地下河系不断归并，流域不断扩大。

总之，岩溶的发育演化一般可划分为三个阶段：
①形成阶段：主要表现为溶蚀现象。

②发展阶段：主要表现为溶洞和地下暗河。

③衰亡阶段：主要表现为崩塌、钟乳石类次生化学沉积大量发育、洞穴空间逐步壅塞减小。

当最初在可溶岩中形成局部与区域地下水流动系统时，地下水在原有的孔隙——裂隙中流动
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，便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）。

侵蚀基准较低的地下河势能较低，构成较强的势汇，吸引较多的水流，使地下分水岭不断向另一侧迁移。

溯源溶蚀不断发展，地下河系的流域不断扩展。

当低势主干地下河扩展到与另一侧的地下河相通时，便袭夺后者使之成为低势地下河系的一个部分。

岩溶水系统的流域不断扩展、溶蚀作用不断进行，地下洞穴不断增加，介质导水能力不断加强。

介质场的演化又反馈作用于渗流场，使岩溶水水力梯度变小，岩溶水水位降低，使一部分原先位置较高与局部地下水流动系统相适应的岩溶洞穴管道悬留于岩溶水水位之上而干涸。

而原先径流缓慢的区域地下水流动系统则水流循环加速，最终发育成为范围包括整个碳酸盐岩体的形态完整的地下河系。

12.4 岩溶水的特征
12.4.1 岩溶含水介质的特征
岩溶含水介质具有很大的不均一性，既有规模巨大、延伸长达数10km的管道溶洞。

也有十分细小的裂隙甚至孔隙（包括洞穴沉积物中的孔隙）。

大泉往往从溶洞流出，而钻孔与坑道也是在揭露溶洞时才出现可观的水量。

有一个时期，人们曾错误地认为岩溶水如同地表水在河道中流动一般只是在若干个孤立的管道系统中流动。

近年来，人们对岩溶泉动态进行了深入研究，终于发现，供给泉的水量只有百分之几到百分之十几来自溶洞管道，绝大多数水是由裂隙与孔隙释出，经由溶洞流出的。

现在人们已经认识到，初始的岩溶含水介质包含为数众多的各种尺度的裂隙以及孔隙，这些初始的空隙在溶蚀过程中不同程度地溶蚀扩展，有的发育成为尺寸很大的溶洞管道，有
的仍然保持为细小的空隙。

岩溶含水介质实际上是尺寸不等的空隙构成的多级次空隙系统。

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）
上述尺度不等的空隙彼此之间存在着不同程度的水力联系，构成宏观上具有统一水力联系的岩溶含水介质。

广泛分布的细小孔隙与裂隙，导水性差而总的容积大，是主要的贮水空间。

大的岩溶管道与开阔的溶蚀裂隙构成主要导水通道。

规模介乎两者之间的裂隙网络兼具贮水空间与导水通道的作用。

岩溶水水量分布极不均匀、宏观上统一的水力联系与局部性水力联系不好，是由岩溶含水介质的多级次性与不均质性决定的。

12.4.2 岩溶水的运动特征
降雨时，通过地表的落水洞、溶斗等，岩溶管道迅速大
量吸收降水及地表水，水位抬升快，形成水位高脊（图b），
在向下游流动的同时还向周围的裂隙及孔隙散流。

而枯水期岩溶管道排水迅速，形成水位凹槽（图a），周
围裂隙及孔隙保持高水位，沿着垂直于管道流的方向向其汇集。

12.4.3 岩溶水的补给、排泄与动态
典型的岩溶化碳酸盐岩含水层，由于深部洞穴塌坍而在地表
形成一系列通向地下水面的溶斗、落水洞与竖井，岩溶含水介质吸收降水的能力大为增强。

通常条件下大气降水是面状补给地下水的，但在强烈岩溶化
地区，降水汇集到处于低洼的溶斗、落水洞等直接灌入（点状），短时间内即可顺畅地达到岩溶水水面。

我国南方岩溶发育的地区，降水入渗系数可达80%以上，岩溶发育较差的我国北方，降水入渗系数也可达30%以上。

在岩溶发育过程中，由于岩溶水系统不断扩大其汇水范围，
力求将尽可能大区域内的水纳入系统之中。

并且随着含水介质岩溶发育，岩溶水水力坡度变小，水位大幅度下降，于是原来成为岩溶水排泄去路的河流往往反而成为地下河系的地上部分。

整条河流转入地下在岩溶化地区是屡见不鲜的。

1．示意表示图 11-1 中岩溶可能最发育的部位，并简要说明理由。

2．如图11-2所示条件。

试比较：
1）a、b 两灰岩岩溶含水层的岩溶发育程度； 2）各含水层不同部位岩溶发育程度。

3．试根据图11-3 所示条件布置一个供水孔，并说明理由。

1-灰岩含水层；2-页岩隔水层；3-泉；4-断层；5-测压水位
4．示意表示图 11-4 中岩溶最发育的部位，并说明理由（两河水位相同）。

12.5. 我国南北方岩溶水的差异
绪言
水量时间变化规律水质赋存运移
地下水
空间变化规律
岩土中的空隙含水层隔水层弱透水层
孔隙水裂隙水岩溶水动态与均衡
补给与排泄
地下水化学成分
及其形成作用
潜水
承压水。