水文地质学基础第13章 岩溶水
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• 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
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
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
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
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
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
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
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（喀斯特水）
杨峰田 讲师 吉林大学环境与资源学院 吉林大学水资源与环境研究所 yangfengtian@jlu.edu.cn
2012年12月26日
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）
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
Biblioteka Baidu
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
• 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
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
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
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
• 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
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
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
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
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
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
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
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（喀斯特水）
杨峰田 讲师 吉林大学环境与资源学院 吉林大学水资源与环境研究所 yangfengtian@jlu.edu.cn
2012年12月26日
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）
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
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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
• 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
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
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
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