第十二章岩溶水

第十二章岩溶水
12.1 岩溶发育的基本条件与影响因素 12.2 岩溶水系统的演变（差异溶蚀与地下河系化） 12.3 岩溶发育与岩溶水的分带性 12.4 岩溶水的特征 12.5 我国南北方岩溶及岩溶水的差异
概述
1.岩溶：水对可溶岩石进行化学溶解，伴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。也叫喀斯特。 岩溶可以划分为地表岩溶和地下岩溶。
注意：经过白云岩化后的岩石，孔隙度可以增大到百分之十几（由 于白云岩化使岩石体积变小）；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。 2.岩石的透水性： 1）碳酸盐岩的透水性确定因素： a.碳酸盐岩形成时的原生孔隙：孔隙度小，孔隙细，连通不好，对透水 性的作用不大； b.成岩后形成的次生裂隙：包括风化裂隙和构造裂隙。尤其是后者对透 水性起决定性作用。 2）各类碳酸盐岩中构造裂隙发育及岩溶透水性特点： a.厚层质纯灰岩：构造裂隙发育很不均匀，比较稀疏、宽而长。各部分 的透水性差别大。有利于形成大型岩溶洞穴，岩溶发育极不均匀。 b.中薄层灰岩：构造裂隙往往发育密集、短小而均匀，连通性好的层面 裂隙尤其发育，有利于形成溶蚀比较均匀的岩溶含水层。但由于厚度 所限，且一般含杂质较多，因此，岩溶发育均匀而不强烈。 c. 泥质灰岩：具有比较强的塑性，形成的裂隙张开宽度比较小，延伸 性也比较差，不溶的泥质充填裂隙会阻碍水的循环流动，不利于岩溶 的发育。
2.岩溶水：赋存并运移于岩溶化岩层中的水称为岩溶水。
3.岩溶水作用：岩溶水在流动过程中不断扩展介质的空隙，改变其形状， 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。
4.岩溶水总体特点：
1）演化初期的岩溶水系统与裂隙水系统基本相同； 2）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
可溶岩中的裂隙系统经溶蚀作用改造示意图 a-溶蚀前 b-溶蚀后
二、岩溶水系统的演变—地下河系化 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。 1.岩溶发育阶段： 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。 2）快速发展阶段：在初始裂隙流场不均匀的基础上，通过差异性溶蚀，少数 通道优先扩展成为主要通道。岩溶水系统的水首先汇入主径流通道，再沿主 径流通道泄向排泄区。随着水流越来越集中的正反馈机制的加强，岩溶演化 加快。当主体通道的宽度达到5—50mm 时，紊流开始出现，地下水开始具有 一定机械搬运能力，岩溶演化便进入快速发展阶段。 2.快速演化阶段介质场与流场的变化： 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。 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。 4）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。 5）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 6）不同地下河系发生袭夺，地下河系不断归并，流域不断扩大。
5）其它酸类离解产生H+提高碳酸钙的溶解度 a.碳酸盐区附近存在大量植被腐殖质可产生有机酸； b.碳酸盐区附近存在金属硫化物矿氧化带及含黄铁矿的煤系地层时，可 产生硫酸，岩溶格外发育。 一般情况下，侵蚀水随溶蚀不断进行， Ca+浓度加大，饱和，则侵蚀 能力降低。 6）深部岩溶发育的原因： a.混合溶蚀效应： 两种或两种以上不同含量CO2 的饱和CaCO3 溶液混合后会变为不饱 和而重新具有侵蚀性，从而对碳酸盐进行新的侵蚀。 实际上，对岩溶发育有利的混合作用是不同CO2 含量的水的混合， 除了解释深部岩溶以外，有利于不同成分的水的混合部位，如：潜水 面、导水通道及汇水的宽大裂隙处，岩溶都比较发育。 b.次生溶蚀效应： 含有大量CO2的土壤空气，以气泡形式被裹留于下渗降水中，由于 浅部压力低，部分CO2未能溶入浅部水中而随降水入渗到地下深处， 地下深处压力大， CO2溶于水中而增强了深部水的溶蚀能力，产生深 部岩溶。
碳酸岩盐与下伏隔水层界面上岩溶发育示意图 A-流线示意分布 B-岩溶示意分布 1-石灰岩 2-隔水层 3-地下水位 4-流线 5-泉 6-河流 7-溶蚀管道及裂隙
12.2 岩溶水系统的演变（差异溶蚀与地下河系化）
一、地下水流对介质的改造—差异溶蚀 1. 可溶岩分布张开性和密度不等的构造裂隙：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。 2.水流对导水通道的扩展并非是一个各通道匀速发展的简单过程。大的导水通 道导水能力强，单位时间输入的CO2 及所能带走的CaCO3 数量多，因此在通 道扩展过程中始终处于优先地位。 3.由于裂隙通道规模上的差别引起水流分配的不均匀性，而水流的不均匀性又 造成裂隙溶蚀扩展上的差别，由此便形成了一个岩溶演化的正反馈过程： 不均匀介质→不均匀水流→差异性溶蚀→更不均匀的介质→更不均匀的水 流→进一步的差异性溶蚀→……
整的地下河系，呈现水系化特征；
3）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，多呈紊流状态。
岩溶水的消极不利方面
12.1 岩溶发育的基本条件与影响因素
一、岩溶发育的基本条件 1.可溶岩的存在； 2.可溶岩层具有一定的透水性； 3.水是流动的； 4.水具有侵蚀能力。 二、岩溶发育的影响因素 卤化物岩（岩盐、钾盐、镁盐）、硫酸盐岩（石膏等）及碳酸盐岩（石灰岩、 白云岩、大理岩）等都是可溶岩。但前两类岩石分布不广，岩体较小，而碳 酸盐类岩石分布广，岩体大，具有普遍意义。 1.碳酸盐岩的成分与结构 1）成分：结构由不同比例的方解石和白云石组成，并含有泥质、硅质等杂质。 溶解速度及岩溶发育强度：纯灰岩﹥白云岩﹥硅质、泥质灰岩。 2）组分及结构： a.组分：包括粒度相当于粉粒到砾的粒屑和充填在粒屑之间的粒度细小的泥晶 以及以化学沉淀方式充填于颗粒之间的方解石亮晶。它们形成了各种碳酸盐 岩结构，产生各类孔隙，决定其溶蚀强度。 b.结构： 生物礁岩结构：最易溶蚀，它主要由生物碎屑组成，孔隙大且多； 泥晶粒屑碳酸盐岩及泥晶碳酸岩次之； 亮晶碳酸岩，尤其是经过重结晶作用的亮晶碳酸盐岩，孔隙度小，最不易溶 蚀。
裸露碳酸盐岩块中地下水流及岩溶发育示意图 1-石灰岩 2-初始地下水面及流线（a）3-水平溶洞（b） 4-初始地下水面及流线（b）5-改变的地下水面及流线（ b ）
地下水流动系统与岩溶发育垂直分布 1-石灰岩 2-隔水层 3-地下水位 4-分带界限 5-包气带水流向 6-地下水流线 7-溶蚀 裂隙及管道 Ⅰ-包气带 Ⅱ-局部岩溶水系统 Ⅲ-区域岩溶水系统
3.碳酸盐的溶解过程与水的侵蚀能力 分析碳酸盐岩、水、二氧化碳之间的相互作用是研究岩溶化过程的关 键。这是一个涉及固、液、气三相的复杂化学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ系，其化学过程以 CaCO3-H20-CO2 体系为例进行分析。 1）纯水中CaCO3的溶解反应： CaCO3⇔Ca+ +CO3— 2）产生的CO3—与水发生下列反应： CO3—+H20 ⇔HCO3—+OH— 3） CaCO3在纯水中溶解度很低，但水中溶有CO2时， CaCO3的溶解 度大为增加。由于下列反应： CO2+ H20 ⇔H2CO3 ⇔H++HCO3— 该式中的H++使2）式中右侧的OH—浓度降低，使反应向右进行，并 带动1）式反应向右进行，从而使更多的CaCO3溶解。 因此，可以看出，水的侵蚀能力取决于其中所含的CO2含量。 4）水中CO2来源： a.土壤空气中：土壤中微生物分解有机质使之氧化以及植物根系呼吸 作用产生的CO2 是地下水 中CO2 的主要来源； b.大气中的CO2：水从大气中吸收的CO2 非常少，次要来源。
二、岩溶水的分带性 岩溶发育以水的流动为前提，厚层裸露碳酸盐岩快的岩溶发育，在 很大程度上受到局部侵蚀基准面的控制，显示垂直与水平分带性。 1.垂向上： 1）潜水面与局部侵蚀基准面（如地表河）之间，浅部地下水循环途径 短，径流集中，为水流积极循环带，岩溶最为发育，形成近于水平的 溶洞； 2）由此向下，随着水循环途径加长，径流减弱，岩溶发育减弱； 3）再向下，地下水径流已不受局部侵蚀基准面控制，不流向地表河， 直接进入整个区域流动系统，受区域侵蚀基准面控制，水流途径更长， 径流迟缓，岩溶发育更弱。 2.水平方向上： 由地下河系边界到排泄口，水流由分散到集中，岩溶发育由弱到强。 3.地壳运动控制溶洞发育层数： 1）地壳相对稳定，侵蚀基准面比较固定，形成一层溶洞； 2）地壳运动表现为多阶段的稳定与上升交替出现，则形成若干层水平 溶洞。 4.可溶岩的隔水底板高于局部侵蚀基准面时，地下水流不受局部侵蚀基 准面控制而受隔水底板的控制。 由于水流下方受阻，流线密集于接触界面上，可溶岩与下伏隔水 层的接触面上往往会发育成层的溶洞。
一、岩溶发育 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。
不同构造开启程度岩溶含水系统中岩溶发育条件 1-非可溶岩隔水层 2-石灰岩 3-导水断层 4-不导水断层 5-潜水面 6-地下水流线 7-泉
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。
碳酸盐岩与下伏隔水层界面上岩溶发育示意图 （a）流线示意分布；（b）岩溶示意分布 1-石灰岩 2-隔水层 3-地下水位 4-流线 5-泉 6-河流 7-溶蚀管道及裂隙