第十三章岩溶水
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第十三章 岩溶水（karst water）
本章内容
13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 概述 岩溶发育的基本条件与影响因素 岩溶水系统的演变 岩溶水的特征 我国南北方岩溶水特征
第十三章 岩 溶 水
岩溶水 赋存并运移于岩溶化岩层中的水。 岩溶水变化特点 演化初期的岩溶水系统往往与裂 隙水相同。演化后期的岩溶水系统，管道系统发育， 大范围内的水汇成一个完整的地下河系，具有地表 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。
构造开启程度对岩溶发育的控制
碳酸盐岩隔水底板上发育层状岩溶 Nhomakorabea三、我国南方岩溶的地下河系化 与地表水一样，岩溶水流系统也有溯 源发展趋势，在溯源发展过程中，处于同 一构造边界之内的局部岩溶水流系统相互 袭夺，优势系统并吞弱势系统，最终形成 统一地下河系。 一般南方岩溶地下河系化主要经历四 个阶段：溶蚀初期，岩溶水流系统出现， 溯源溶蚀，水流系统汇合和转变为统一区 域岩溶水流系统——即地下河，见下图。
4.水流对岩溶发育的控制作用
影响岩溶发育的基本条件中，最关键的水流 条件，所以要掌握岩溶及岩溶水 发育规律，必须 抓住关键即水流分析，水流对岩溶水系统的改造 与演变，主要是通过改造介质机制：即溶蚀-机械 侵蚀-重力崩塌机制进行的。其次，差异性水流与 介质差异性改造也是关键因素，最后加上新构造 运动对岩溶发育也有很大影响。
四、岩溶水动态特征 南北方岩溶有明显区别，南方的岩溶泉对 降水的响应十分灵敏，流量季节变化很大。 在典型的岩溶化地区，贯入式的补给、畅 通的径流与集中的排泄决定着岩溶水水位 动态变化特征。而北方正好相反，对降水 入渗补给响应慢，水位变化不灵敏，所以 导致地下水流量动态相当稳定。
开启型岩溶系统：存在强烈的季节性，对降水反 应快，大起大落。常以暗河的形式排泄。
一、地下水流对介质的改造
碳酸盐岩包括各种构造裂隙(细微裂隙直至断 层)和原生孔隙。原生孔隙导水能力差，地下水主 要流动于各种构造裂隙中。 水流对导水通道的扩展具有非均匀性。大的 导水通道导水能力强，CO2溶解CaCO3量多，因此 处于优先扩展地位。 岩溶形成过程：裂隙通道规模不同 导水能力 差别 裂隙溶蚀速度的差别 水流的差异 （集中化）。
二、地下水流动与岩溶发育的空间特征
地下水径流条件是控制岩溶最活跃最关键的 因素。 1、相同气候条件下，构造发育程度不同，其影 响地下水径流条件不同。
褶皱轴部尤其是向斜轴部，张开裂隙发育， 地下河系的主干往往沿此分布。
断层带是岩溶集中发育处。 2、在下伏隔水层的接触面上往往会发育溶洞。
3、径流深度与岩溶发育
5.生物对岩溶发育的影响 生物对岩溶作用的影响愈来愈得到认 同。植物产生CO2补充地下水，促进溶蚀作用。
特别是藻类以及碳酸酐酶、细菌、放线菌、真菌 等，均可促进溶蚀作用以及钙化沉淀，目前微生 物对岩溶作用的研究还不够成熟，但是在微生物 参与下，对石灰岩雕像的生物侵蚀破坏则得到肯 定。
13．2
岩溶水系统的演变
大的溶洞通道、中等的溶蚀裂隙网络 和小的溶蚀孔隙、原生孔隙并存。
实线为岩 溶强烈发育的 石灰岩岩溶组 成的含水系统。 虚线为岩 溶不发育的白 云岩裂隙组成 的含水系统。
二、岩溶水的运动特征 快速流与慢速流；局部流与整体（区域）流。 地下水运动特征受到补给、径流和排泄条件的 控制。
三、岩溶水补给、径流及排泄特征 南方：深部溶穴崩塌在地表形成一系列溶斗、 落水洞和竖井，岩溶水系统吸收降水的能力大为 增强，所以是大气降水面状补给地下水。径流较 快，对降水补给相应迅速，排泄主要以地下河系 集中排泄，常形成岩溶大泉或泉群集中排泄。 北方：由于地质构造多为宽缓向斜和背斜，岩 溶水汇水范围较大，降水容易入渗补给，地表水 不发育，水流集中汇聚于排泄区，水量分布很不 均匀，补给区水位埋藏较深，排泄区常年有泉水 溢流，雨季甚至导致洪涝。
地下水获得CO2的形式有两种：CO2进入水中的主要方 式是降水在入渗中从大气和土壤空气中吸收。由于大气中
正常的CO2含量仅占大气体积的0.03％左右，因此水从大 气中吸收的CO2非常少。土壤中微生物作用产生的CO2是地 下水中CO2的主要来源。土壤空气中CO2通常含量为1%-3%， 最大可达百分之十几。
地下水的流动可分为非饱和流动、局部流动 与区域流动。
非饱和流动带位于地下水面以上。地下水以 大气降水垂向运动为主，常形成垂向的溶蚀裂隙、 落水洞、漏斗及竖井等。
地下水面以下一定深度形成局部流动。循环 深度浅，源汇距离短，地下水径流强烈，以水平 运动为主。岩溶最为发育，形成溶洞为主的管道。 区域地下水流动受区域性侵蚀基准面控制。 径流途径长，岩溶通常不发育。
a 裂隙水，三个局部 水流系统和一个区域 水流系统； b 岩溶水，三个局部 水流系统和一个区域 水流系统； C 溯源溶蚀，水流袭 夺； D 地下河系形成，局 部岩溶水流转变为区 域岩溶水流。 岩溶水系统逐渐演变, 可能对地表水造成强 烈影响。
岩溶发育比较充分 的可溶岩中，地下 水流系统通常受岩 性-构造控制，在一 个岩溶含水系统中 包含一个或几个岩 溶水流系统；一个 岩溶含水系统中存 在若干个岩溶水流 系统，则受次级构 造的控制。可能对 地表水造成强烈影 响。
13．3
岩溶水的特征
一、岩溶含水介质的特征
1、岩溶含水介质由尺寸不等的空隙构成。空隙 间局部水力联系不好，区域上具有统一水力联系。 2、岩溶水水量分布不均匀。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（80％以上的水量）；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。
中国南方
埋藏型岩溶系统:存在水文年动态，对降水反应滞 后和延迟，起落幅度较小。常以泉形式排泄。
中国北方
五、岩溶水化学特征 岩溶水径流迅速，溶滤作用强烈，通常为TDS 低的水，南方岩溶区降水丰富，岩溶水TDS更低。 南方：TDS普遍小于0.5g/l，平均为 0.26g/l，主要为碳酸氢钙和碳酸氢钙镁型水为 主，前者ＴＤＳ小于后者。主要与降水和碳酸盐 岩纯度变差有关。 北方：TDS为0.23-0.88g/l，水化学类型以 碳酸氢钙和碳酸氢镁居多，其次为硫酸钙和硫酸 镁型水，主要与碳酸盐层中夹有石膏层有关，其 次还与石炭-二叠纪煤系地层有关。
结构成分与力学性质 泥质含量比较高的表现出较强的塑性，裂隙 张开比较小，延伸性差。 成分不纯的岩层一般沉积间断比较多，多呈
中厚层至中薄层，构造裂隙往往密集、短小而均
匀，有利于形成溶蚀比较均匀的岩溶含水层。 巨厚的纯灰岩形成的构造裂隙往往比较稀疏、 宽而长，有利于形成大型岩溶洞穴，岩溶发育不 均匀。
2.可溶岩的透水性
碳酸盐岩中存在两类空隙：一类是与沉积同生 3. 的孔隙，另一类是后期构造作用形成的裂隙。对 碳酸盐岩的透水性以及岩溶发育起主要作用的是 构造裂隙。 碳酸盐岩裂隙初始发育特征控制着水流优先运 移途径，从而导致差异性溶蚀。初始裂隙愈发育、 愈宽大的部位，溶蚀作用愈强烈，水流愈容易汇 聚。因此碳酸盐岩的主要断裂带、裂隙发育的背 斜和向斜，岩溶最为发育。在巨厚层碳酸盐岩中， 这些部位往往发育为地下河系。
3.水的侵蚀性：碳酸盐岩-水-CO2体系
水中CO2与CaCO3达平衡后，若条件不变，不 再有侵蚀能力。但不同含量CO2的饱和CaCO3溶 液混合后会变为不饱和而重新具有侵蚀性。称混 合溶蚀效应(mixing corrosion effect)。
两种非饱和溶液混合或其它离子(SO42- 、 C1- 、Na＋等)的加入都可增加水的侵蚀性。易溶 盐离子降低Ca2＋、CO32-离子的活度，使原饱和 溶液再具有侵蚀性，这种作用用于研究海岸区的 岩溶发育，混合作用常解释深部岩溶以及潜水面 和导水通道汇合处的岩溶发育。
研究意义 水量丰富的岩溶含水系统是理想的供水 水源，旅游资源；岩溶水威胁采矿，岩溶化岩层易 于渗漏，对建水利工程带来复杂的问题；矿产资源。 国内分布：可溶岩分布约占全国三分之一面积，岩 溶出露面积125万Km2。
13.1
岩溶发育的基本条件与影响因素
前苏联学者索科洛夫提出岩溶发育应具备四个 条件：可溶岩的存在、可溶岩必须是透水的、具 有侵蚀能力的水以及水是流动的。
碳酸盐岩的结构 生物礁岩孔隙大且多最易溶蚀。泥晶粒屑碳 酸盐岩及泥晶碳酸岩次之。亮晶碳酸岩，孔隙度 小，最不易溶蚀。经过充填、胶结、深埋成岩之 后，碳酸盐岩所能保留下来的孔隙度通常只有l％ 一3％。经过白云岩化后的岩石，孔隙度可以增大 到百分之十几。
在裂隙不发育的条件下孔隙对岩溶发育起控 制作用，多形成岩溶中等发育、比较均一的岩溶 含水层。
在给定条件下水中的CaCO3是否饱和常用饱和指数判 别: Ca 2 CO32 S IC lg Kc SIc>0 ,水中CaCO3已过饱和，有发生沉淀的趋势； SIC=0，水中CaCO3刚好饱和； SIc<0，水中CaCO3仍未饱和，可以继续溶解。
化学反应的动力学过程:
温度、压力
可溶岩的成分与结构是控制岩溶发育的内因。 水的流动是保证岩溶发育的充要条件。
控制岩溶发育的各种影响因素，均是通过上 述的基本条件而起作用。如，构造作用形成的裂 隙影响透水性，另一方面连通性控制水的汇集。
1.岩石的可溶性：碳酸盐岩的结构与成分 卤岩(岩盐、钾盐、镁盐)，硫酸盐岩(石膏等) 及碳酸盐岩(石灰岩、大理岩、白云岩、泥灰岩) 等是可溶岩。卤盐类和硫酸盐类分布不广。 可溶岩成分与结构影响岩溶发育的控制作用 碳酸盐岩含方解石和白云石、泥质、硅质等。 方解石的溶解速度约为白云石的两倍。硅质与泥 质为酸不可溶，影响岩石的可溶性，泥质更明显。 溶解下来的泥质经常附着在岩石空隙表面，堵塞 地下水通道。
本章内容
13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 概述 岩溶发育的基本条件与影响因素 岩溶水系统的演变 岩溶水的特征 我国南北方岩溶水特征
第十三章 岩 溶 水
岩溶水 赋存并运移于岩溶化岩层中的水。 岩溶水变化特点 演化初期的岩溶水系统往往与裂 隙水相同。演化后期的岩溶水系统，管道系统发育， 大范围内的水汇成一个完整的地下河系，具有地表 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。
构造开启程度对岩溶发育的控制
碳酸盐岩隔水底板上发育层状岩溶 Nhomakorabea三、我国南方岩溶的地下河系化 与地表水一样，岩溶水流系统也有溯 源发展趋势，在溯源发展过程中，处于同 一构造边界之内的局部岩溶水流系统相互 袭夺，优势系统并吞弱势系统，最终形成 统一地下河系。 一般南方岩溶地下河系化主要经历四 个阶段：溶蚀初期，岩溶水流系统出现， 溯源溶蚀，水流系统汇合和转变为统一区 域岩溶水流系统——即地下河，见下图。
4.水流对岩溶发育的控制作用
影响岩溶发育的基本条件中，最关键的水流 条件，所以要掌握岩溶及岩溶水 发育规律，必须 抓住关键即水流分析，水流对岩溶水系统的改造 与演变，主要是通过改造介质机制：即溶蚀-机械 侵蚀-重力崩塌机制进行的。其次，差异性水流与 介质差异性改造也是关键因素，最后加上新构造 运动对岩溶发育也有很大影响。
四、岩溶水动态特征 南北方岩溶有明显区别，南方的岩溶泉对 降水的响应十分灵敏，流量季节变化很大。 在典型的岩溶化地区，贯入式的补给、畅 通的径流与集中的排泄决定着岩溶水水位 动态变化特征。而北方正好相反，对降水 入渗补给响应慢，水位变化不灵敏，所以 导致地下水流量动态相当稳定。
开启型岩溶系统：存在强烈的季节性，对降水反 应快，大起大落。常以暗河的形式排泄。
一、地下水流对介质的改造
碳酸盐岩包括各种构造裂隙(细微裂隙直至断 层)和原生孔隙。原生孔隙导水能力差，地下水主 要流动于各种构造裂隙中。 水流对导水通道的扩展具有非均匀性。大的 导水通道导水能力强，CO2溶解CaCO3量多，因此 处于优先扩展地位。 岩溶形成过程：裂隙通道规模不同 导水能力 差别 裂隙溶蚀速度的差别 水流的差异 （集中化）。
二、地下水流动与岩溶发育的空间特征
地下水径流条件是控制岩溶最活跃最关键的 因素。 1、相同气候条件下，构造发育程度不同，其影 响地下水径流条件不同。
褶皱轴部尤其是向斜轴部，张开裂隙发育， 地下河系的主干往往沿此分布。
断层带是岩溶集中发育处。 2、在下伏隔水层的接触面上往往会发育溶洞。
3、径流深度与岩溶发育
5.生物对岩溶发育的影响 生物对岩溶作用的影响愈来愈得到认 同。植物产生CO2补充地下水，促进溶蚀作用。
特别是藻类以及碳酸酐酶、细菌、放线菌、真菌 等，均可促进溶蚀作用以及钙化沉淀，目前微生 物对岩溶作用的研究还不够成熟，但是在微生物 参与下，对石灰岩雕像的生物侵蚀破坏则得到肯 定。
13．2
岩溶水系统的演变
大的溶洞通道、中等的溶蚀裂隙网络 和小的溶蚀孔隙、原生孔隙并存。
实线为岩 溶强烈发育的 石灰岩岩溶组 成的含水系统。 虚线为岩 溶不发育的白 云岩裂隙组成 的含水系统。
二、岩溶水的运动特征 快速流与慢速流；局部流与整体（区域）流。 地下水运动特征受到补给、径流和排泄条件的 控制。
三、岩溶水补给、径流及排泄特征 南方：深部溶穴崩塌在地表形成一系列溶斗、 落水洞和竖井，岩溶水系统吸收降水的能力大为 增强，所以是大气降水面状补给地下水。径流较 快，对降水补给相应迅速，排泄主要以地下河系 集中排泄，常形成岩溶大泉或泉群集中排泄。 北方：由于地质构造多为宽缓向斜和背斜，岩 溶水汇水范围较大，降水容易入渗补给，地表水 不发育，水流集中汇聚于排泄区，水量分布很不 均匀，补给区水位埋藏较深，排泄区常年有泉水 溢流，雨季甚至导致洪涝。
地下水获得CO2的形式有两种：CO2进入水中的主要方 式是降水在入渗中从大气和土壤空气中吸收。由于大气中
正常的CO2含量仅占大气体积的0.03％左右，因此水从大 气中吸收的CO2非常少。土壤中微生物作用产生的CO2是地 下水中CO2的主要来源。土壤空气中CO2通常含量为1%-3%， 最大可达百分之十几。
地下水的流动可分为非饱和流动、局部流动 与区域流动。
非饱和流动带位于地下水面以上。地下水以 大气降水垂向运动为主，常形成垂向的溶蚀裂隙、 落水洞、漏斗及竖井等。
地下水面以下一定深度形成局部流动。循环 深度浅，源汇距离短，地下水径流强烈，以水平 运动为主。岩溶最为发育，形成溶洞为主的管道。 区域地下水流动受区域性侵蚀基准面控制。 径流途径长，岩溶通常不发育。
a 裂隙水，三个局部 水流系统和一个区域 水流系统； b 岩溶水，三个局部 水流系统和一个区域 水流系统； C 溯源溶蚀，水流袭 夺； D 地下河系形成，局 部岩溶水流转变为区 域岩溶水流。 岩溶水系统逐渐演变, 可能对地表水造成强 烈影响。
岩溶发育比较充分 的可溶岩中，地下 水流系统通常受岩 性-构造控制，在一 个岩溶含水系统中 包含一个或几个岩 溶水流系统；一个 岩溶含水系统中存 在若干个岩溶水流 系统，则受次级构 造的控制。可能对 地表水造成强烈影 响。
13．3
岩溶水的特征
一、岩溶含水介质的特征
1、岩溶含水介质由尺寸不等的空隙构成。空隙 间局部水力联系不好，区域上具有统一水力联系。 2、岩溶水水量分布不均匀。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（80％以上的水量）；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。
中国南方
埋藏型岩溶系统:存在水文年动态，对降水反应滞 后和延迟，起落幅度较小。常以泉形式排泄。
中国北方
五、岩溶水化学特征 岩溶水径流迅速，溶滤作用强烈，通常为TDS 低的水，南方岩溶区降水丰富，岩溶水TDS更低。 南方：TDS普遍小于0.5g/l，平均为 0.26g/l，主要为碳酸氢钙和碳酸氢钙镁型水为 主，前者ＴＤＳ小于后者。主要与降水和碳酸盐 岩纯度变差有关。 北方：TDS为0.23-0.88g/l，水化学类型以 碳酸氢钙和碳酸氢镁居多，其次为硫酸钙和硫酸 镁型水，主要与碳酸盐层中夹有石膏层有关，其 次还与石炭-二叠纪煤系地层有关。
结构成分与力学性质 泥质含量比较高的表现出较强的塑性，裂隙 张开比较小，延伸性差。 成分不纯的岩层一般沉积间断比较多，多呈
中厚层至中薄层，构造裂隙往往密集、短小而均
匀，有利于形成溶蚀比较均匀的岩溶含水层。 巨厚的纯灰岩形成的构造裂隙往往比较稀疏、 宽而长，有利于形成大型岩溶洞穴，岩溶发育不 均匀。
2.可溶岩的透水性
碳酸盐岩中存在两类空隙：一类是与沉积同生 3. 的孔隙，另一类是后期构造作用形成的裂隙。对 碳酸盐岩的透水性以及岩溶发育起主要作用的是 构造裂隙。 碳酸盐岩裂隙初始发育特征控制着水流优先运 移途径，从而导致差异性溶蚀。初始裂隙愈发育、 愈宽大的部位，溶蚀作用愈强烈，水流愈容易汇 聚。因此碳酸盐岩的主要断裂带、裂隙发育的背 斜和向斜，岩溶最为发育。在巨厚层碳酸盐岩中， 这些部位往往发育为地下河系。
3.水的侵蚀性：碳酸盐岩-水-CO2体系
水中CO2与CaCO3达平衡后，若条件不变，不 再有侵蚀能力。但不同含量CO2的饱和CaCO3溶 液混合后会变为不饱和而重新具有侵蚀性。称混 合溶蚀效应(mixing corrosion effect)。
两种非饱和溶液混合或其它离子(SO42- 、 C1- 、Na＋等)的加入都可增加水的侵蚀性。易溶 盐离子降低Ca2＋、CO32-离子的活度，使原饱和 溶液再具有侵蚀性，这种作用用于研究海岸区的 岩溶发育，混合作用常解释深部岩溶以及潜水面 和导水通道汇合处的岩溶发育。
研究意义 水量丰富的岩溶含水系统是理想的供水 水源，旅游资源；岩溶水威胁采矿，岩溶化岩层易 于渗漏，对建水利工程带来复杂的问题；矿产资源。 国内分布：可溶岩分布约占全国三分之一面积，岩 溶出露面积125万Km2。
13.1
岩溶发育的基本条件与影响因素
前苏联学者索科洛夫提出岩溶发育应具备四个 条件：可溶岩的存在、可溶岩必须是透水的、具 有侵蚀能力的水以及水是流动的。
碳酸盐岩的结构 生物礁岩孔隙大且多最易溶蚀。泥晶粒屑碳 酸盐岩及泥晶碳酸岩次之。亮晶碳酸岩，孔隙度 小，最不易溶蚀。经过充填、胶结、深埋成岩之 后，碳酸盐岩所能保留下来的孔隙度通常只有l％ 一3％。经过白云岩化后的岩石，孔隙度可以增大 到百分之十几。
在裂隙不发育的条件下孔隙对岩溶发育起控 制作用，多形成岩溶中等发育、比较均一的岩溶 含水层。
在给定条件下水中的CaCO3是否饱和常用饱和指数判 别: Ca 2 CO32 S IC lg Kc SIc>0 ,水中CaCO3已过饱和，有发生沉淀的趋势； SIC=0，水中CaCO3刚好饱和； SIc<0，水中CaCO3仍未饱和，可以继续溶解。
化学反应的动力学过程:
温度、压力
可溶岩的成分与结构是控制岩溶发育的内因。 水的流动是保证岩溶发育的充要条件。
控制岩溶发育的各种影响因素，均是通过上 述的基本条件而起作用。如，构造作用形成的裂 隙影响透水性，另一方面连通性控制水的汇集。
1.岩石的可溶性：碳酸盐岩的结构与成分 卤岩(岩盐、钾盐、镁盐)，硫酸盐岩(石膏等) 及碳酸盐岩(石灰岩、大理岩、白云岩、泥灰岩) 等是可溶岩。卤盐类和硫酸盐类分布不广。 可溶岩成分与结构影响岩溶发育的控制作用 碳酸盐岩含方解石和白云石、泥质、硅质等。 方解石的溶解速度约为白云石的两倍。硅质与泥 质为酸不可溶，影响岩石的可溶性，泥质更明显。 溶解下来的泥质经常附着在岩石空隙表面，堵塞 地下水通道。