水文地质学基础第13章 岩溶水

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