地下水的地质作用

第八章地下水的地质作用

目的要求

地下水是重要的地质营力，其剥蚀作用和搬运作用对地表的岩石具有强烈的破坏作用，因而是一种非常重要的外动力地质作用。要求学生了解地下水的基本特征，掌握基本概念；掌握地下水溶蚀作用的特点及产物，了解地下水的搬运作用和沉积作用，初步能对岩溶发育条件进行分析。

课时：4学时

授课内容

一、地下水的基本特征

二、地下水的剥蚀作用

三、地下水的搬运和沉积作用

四、岩溶发育条件分析

重点

地下水的溶蚀作用的特点与产物是本节的重点。

难点

地下水的溶蚀是一个长期的、复杂的过程，学生难以理解。可借助一些典型的实例，并通过多媒体教学手段进行讲解。

教学方法

利用多媒体等以讲授为主，结合部分实地照片进行说明。

讲授重点内容提要

一、地下水的基本特征

（一）地下水的储存条件

地下水储存于岩石中的孔隙、节理和洞穴之中，它的储存与岩石的性质有关。

透水层：空隙连通的岩层，地下水可在其中流动的岩层。

不透水层：地下水很难流动的岩层。

含水层：被地下水所饱和(所有空间都是液态水)，含有相当数量水的岩层。

(二)地下水的类型(按不同的埋藏条件)

1、潜水：地下赋向下运移受阻于第一个隔水层，开在其上的透水层中汇聚起来填满空隙形成饱和带水，该带的水称之为潜水。其水层上有一个自由表面称为潜水面。

2、包气带水：存在于潜水面之上，受毛细管作用与空气混合的水。

3、上层滞水：在饱气带中，局部隔水层之上的水。

4、层间水：处在两个隔水层之间的水。

5、承压水：处在两个隔水层之间，并具有一定水头压力的水。

(三)地下水的温度与成份

地下水的温度和成分是两个重要的性状。按地下水的温度可分冷泉和温泉。

地下水由于可溶解岩石中的某些成分，使地下水中含有多种物质。

二、地下水剥蚀作用

（一）地下水的潜蚀作用

地下水在运动过程中对周围岩石的破坏作用称为地下水的潜蚀作用（suffosion）。其包括以下几种方式：

1、冲刷（scour）

地下水流体一般分散，流速缓慢，冲刷力微弱，只能冲刷细小的颗粒，使岩石的空隙逐步扩大。但是长时间的冲刷，也可造成大型空洞并引起地表塌陷。规模较大的洞穴和裂隙中的地下水流速较快，冲刷力较强。黄土最易被地下水冲刷破坏，因为它主要由粉砂组成，颗粒细小而且松散，同时，黄土含有较多碳酸盐类矿物，易被地下水溶解。疏松的钙质砂岩也容易受冲刷破坏。

2、溶蚀（corrosion）

地下水中含有CO

2

，易溶解石灰岩或含碳酸盐类矿物的岩石。其反应式如下：

CaCO

3 + CO

2

+ H

2

O = Ca2+ + 2HCO

3

-

此处分解而成的钙离子和碳酸氢根离子便随水带走。

3、喀斯特（karst)

由于地下水的运动是发生在岩石空隙中，水与岩石的接触面大，而且地下水流速缓慢，因而溶蚀作用极为显著。特别是在湿热气候条件下，溶蚀是可溶性岩石遭受破坏的主要原因，并形成特殊的地貌。将以主要为地下水（兼有部分地表水），对可溶性岩石进行以化学溶蚀为主、机械冲刷为辅的地质作用以及由这些地质作用所产生的地貌，称为喀斯特（karst）。喀斯特是南斯拉夫西北部沿海一带石灰岩高原的地名，那里发育着各种奇特的石灰岩地形。十九世纪末，南斯拉夫学者司威治（J．Cvijic）对这个地区首先进行了研究，并借用“喀斯特”一词来称呼石灰岩地区的一系列特殊的地貌形成过程和水文现象，至今喀斯特一词已成为世界各国通用的专门术语。喀斯特作用也称岩溶作用，主要形成以下地貌特征（图5—14）。

(1)溶沟（karren）和石芽（stone bud）

溶沟是石灰岩表面上的沟槽，是地表水流沿可溶性岩石表面进行溶蚀和机械冲刷的结果。沟槽的宽度和深度一般由数厘米到数米，有时更大，其形态各异。

沟槽之间凸起的石脊称为石芽。如石芽形态高大，沟坡近于直立，且发育成群，远观之宛如森林，称为石林（stone forest）。

(2)落水洞（sinkhole）

地表水沿近于垂直的裂隙向下溶蚀而成的直立或陡倾斜的洞穴，下接地下河（under- ground river）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。有时许多落水洞呈串珠状分布。

(3)溶斗（corroded funnel）

又称漏斗，是小型洼坑。其平面呈圆形或椭圆形，直径一般由数十米到数百米；深度常为数米或数十米，最深可达400多米。纵剖面形态有碟状、锥状和井状等。

(4)干谷（dry valley）和盲谷（blind valley）

落水洞如果发育在河床中，它可吸收河水，使其转入地下，把河流截断。落水洞以上有水流的一段河谷继续受河水侵蚀使河床降低，落水洞以下的河谷因断水遂转变成干谷，干谷谷底相对高起。

(5)峰丛（peak cluster）、峰林（peak forest）和孤峰（isolated peak）它们都是正向的喀斯特地貌。其中，峰顶尖锐或圆锥状竞相突出，而基部相连，宏观上似簇状者称为峰丛。它是喀斯特发展较早阶段的地貌。如峰体上部挺立高大，基部仅稍许相连，称为峰林。耸立于喀斯特地区平原上的孤立山峰称为孤峰。

(6)溶洞

系指地下水沿可溶性岩层的构造面（层面、节理面、断裂面等）进行剥蚀，并进一步崩塌扩大形成的洞穴。形成初期，孔隙孔道很小，地下水运动缓慢，以溶蚀为主。空洞扩大后互相串通，水流加强，动能增大，引起冲刷。在水平流动带发育者多呈水平状态。

影响喀斯特发育的主要因素有：①气候；②岩石性质；③水的作用；④构造。

(二)地下水的机械剥蚀作用

地下水的机械剥蚀能力很小，在非可溶性岩石中作渗透性流动时，基本不产生机械剥蚀，在可溶性岩石中，当地下溶洞系统连通形成地下河流后，其机械剥蚀作用与河流相同。

三、地下水的搬运和沉积作用

（一）地下水的搬运作用

除溶洞水有较强的机械搬运外，地下水的搬运主要是以化学方式进行，包括真溶液及胶体溶液两种形式。搬运物以重碳酸盐为主，有时氧化物、硫酸盐、氢氧化物、二氧化硅、磷酸盐、氧化锰以及氧化铁等也很重要。

地下水搬运的成分和数量，取决于渗流区岩石性质和风化程度。地下水的搬运能力，与水温、压力、运移速度、PH值及CO2含量有关。一般说来，温度高、压力大、流速快、CO2和酸类物质含量高时，其搬运能力强；反之，则较弱。

(三)、地下水的沉积作用

地下水的沉积作用以化学沉积作用为主，主要有以下三类：

1、溶洞沉积（karst cave deposit）

富含Ca（HCO

3）

2

的地下水，沿着孔隙、裂隙渗入空旷的溶洞，由于温度、

压力改变，CO

2逸出，加之蒸发作用加强，就沉淀出CaCO

3

。如水自洞顶下滴，边

滴边沉淀，可形成自洞顶向下垂直生长的石钟乳（stalactite）（图6—7）。石钟乳横切面呈同心环带构造，核心常是空的。渗出水滴落洞底后，CaCO

3

就在