礦床水文地質(zhì)徐九華

1、第三篇第三篇礦床水文地質(zhì)礦床水文地質(zhì)hydrogeology 李克慶專門研究地下水的地質(zhì)科學(xué) 水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水的數(shù)量和質(zhì)量水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水的數(shù)量和質(zhì)量隨空間和時間變化的規(guī)律，以及合理隨空間和時間變化的規(guī)律，以及合理利用利用地地下水或下水或防治防治其危害的學(xué)科。其危害的學(xué)科。 在不同環(huán)境中地下水的埋藏、分布、運在不同環(huán)境中地下水的埋藏、分布、運動和組成成分均不相同。查明這些狀況，可動和組成成分均不相同。查明這些狀況，可為科學(xué)地利用或防治地下水提供根據(jù)。水文為科學(xué)地利用或防治地下水提供根據(jù)。水文地質(zhì)學(xué)對地下水的研究，著重自然歷史和地地質(zhì)學(xué)對地下水的研究，著重自然歷史和地質(zhì)環(huán)境的影響。質(zhì)

2、環(huán)境的影響。學(xué)科演化：學(xué)科演化： 水文地質(zhì)學(xué)的研究，水文地質(zhì)學(xué)的研究，目前已形成目前已形成了一系列分支學(xué)科：了一系列分支學(xué)科： 地下水動力學(xué)地下水動力學(xué) 水文地球化學(xué)水文地球化學(xué) 供水水文地質(zhì)學(xué)供水水文地質(zhì)學(xué) 礦床水文地質(zhì)學(xué)礦床水文地質(zhì)學(xué)* 農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)學(xué)農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)學(xué) 區(qū)域水文地質(zhì)學(xué)區(qū)域水文地質(zhì)學(xué) 古水文地質(zhì)學(xué)古水文地質(zhì)學(xué)水文地質(zhì)學(xué)的一部分，是研究礦床開發(fā)過程的水文地質(zhì)水文地質(zhì)學(xué)的一部分，是研究礦床開發(fā)過程的水文地質(zhì) 問題的分支。問題的分支。 1. 地下水的分布、形成規(guī)律地下水的分布、形成規(guī)律 2. 地下水的物理性質(zhì)、化學(xué)成分地下水的物理性質(zhì)、化學(xué)成分 3. 地下水運動規(guī)律、動態(tài)變化地下水運

3、動規(guī)律、動態(tài)變化 4. 礦山充水條件、富水分析礦山充水條件、富水分析 5. 防排水工程防排水工程11.1 地下水賦存狀態(tài)地下水賦存狀態(tài) 1.巖土的空隙性巖土的空隙性 2.水在巖土中存在形式水在巖土中存在形式 3.巖土的水理性質(zhì)巖土的水理性質(zhì)11.2 地下水的物理性質(zhì)、化學(xué)成分地下水的物理性質(zhì)、化學(xué)成分 1.物理性質(zhì)物理性質(zhì) 2.化學(xué)成分化學(xué)成分11.3 地下水的分類及各類地下水的特征地下水的分類及各類地下水的特征 概述概述 1. 自然界的水自然界的水 大氣水大氣水( (atomospharic wateratomospharic water) ) 地表水地表水( (surface water)

4、surface water) 地下水地下水( (underground water)underground water) 2. 礦床地下水礦床地下水 埋藏、運動在礦床范圍的地下水埋藏、運動在礦床范圍的地下水 3. 水的循環(huán)水的循環(huán)132.2億億噸3.8億億噸8600萬億噸0.34 (地表水地表水+大氣水）大氣水）陸地上的淡水來自天上。海水在陽光下蒸發(fā)，鹽留在了海陸地上的淡水來自天上。海水在陽光下蒸發(fā)，鹽留在了海里，而淡水蒸發(fā)到天上，形成云。云被風(fēng)吹到陸地的上空里，而淡水蒸發(fā)到天上，形成云。云被風(fēng)吹到陸地的上空，凝結(jié)后降落到大地上。如此，陸地上的江河、湖泊、濕，凝結(jié)后降落到大地上。如此，陸地上的

5、江河、湖泊、濕地才得以形成，它們是陸地生命的淡水源。地才得以形成，它們是陸地生命的淡水源。434 巖土中的空隙是地下水存在巖土中的空隙是地下水存在的環(huán)境?？障兜拇笮?、多少、連的環(huán)境。空隙的大小、多少、連通程度及分布狀況等是決定地下通程度及分布狀況等是決定地下水存在和運動規(guī)律的重要因素。水存在和運動規(guī)律的重要因素。 根據(jù)巖土空隙的成因和結(jié)構(gòu)根據(jù)巖土空隙的成因和結(jié)構(gòu)的不同，巖石的空隙可分為三種的不同，巖石的空隙可分為三種類型：類型：孔隙孔隙、裂隙裂隙和和巖溶溶洞巖溶溶洞。 土土(粘土、砂土、礫石等粘土、砂土、礫石等)和碎和碎屑巖等沉積巖中的顆粒和顆粒集屑巖等沉積巖中的顆粒和顆粒集合體間存在的空隙。

6、合體間存在的空隙。 不同的巖土，孔隙的大小和發(fā)不同的巖土，孔隙的大小和發(fā)育程度不同，在科學(xué)研究和工程應(yīng)育程度不同，在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，常用用中，常用孔隙度孔隙度(n)來表示孔隙的來表示孔隙的發(fā)育程度：發(fā)育程度： n=vn/v 或或 n =vn/v100% vn 孔隙體積；孔隙體積； v 包括孔隙在內(nèi)的巖石包括孔隙在內(nèi)的巖石(土土)總總體積。體積。 松散巖土的孔隙度：松散巖土的孔隙度：2647.5% 堅硬巖石：堅硬巖石： 巖漿巖、變質(zhì)巖巖漿巖、變質(zhì)巖13% 砂巖、礫巖砂巖、礫巖310%堅硬巖石由于巖漿的冷凝作用、地殼運動中構(gòu)造應(yīng)力堅硬巖石由于巖漿的冷凝作用、地殼運動中構(gòu)造應(yīng)力作用或風(fēng)化剝蝕作

7、用，在巖石中產(chǎn)生的裂縫，稱為裂隙。作用或風(fēng)化剝蝕作用，在巖石中產(chǎn)生的裂縫，稱為裂隙。 裂隙在巖石中的分布不均勻。裂隙在巖石中的分布不均勻。衡量裂隙發(fā)育程度的指標度，也衡量裂隙發(fā)育程度的指標度，也稱為裂隙率。稱為裂隙率。 kt=vt/v100% 在巖層露頭處或坑道中在巖層露頭處或坑道中 ka=lb/f100% 巖層露頭面積巖層露頭面積(f)，該面積上裂，該面積上裂隙的長度隙的長度(l)及平均寬度及平均寬度(b) 鉆孔中所取巖心鉆孔中所取巖心 kl=b/l100% 地下水溶蝕了某些可溶性巖石地下水溶蝕了某些可溶性巖石(如石灰?guī)r、石膏、巖鹽等如石灰?guī)r、石膏、巖鹽等)，而在，而在巖石中形成的洞穴稱巖溶

8、溶洞。巖石中形成的洞穴稱巖溶溶洞。 巖石中巖溶溶洞的不均勻性較巖石中巖溶溶洞的不均勻性較裂隙更甚，大的巖溶溶洞，體積可裂隙更甚，大的巖溶溶洞，體積可達數(shù)十萬立方米以上。達數(shù)十萬立方米以上。kk衡量巖溶溶洞發(fā)育程度的指標衡量巖溶溶洞發(fā)育程度的指標 kk=vk/v100% vk 巖溶溶洞的體積；巖溶溶洞的體積； v 總體積總體積(包括包括vk ) 巖溶溶洞度通常通過鉆孔中所巖溶溶洞度通常通過鉆孔中所取得的巖心測量而得。取得的巖心測量而得。 根據(jù)水在空隙中的物理狀態(tài)，水與巖土顆粒的相互根據(jù)水在空隙中的物理狀態(tài)，水與巖土顆粒的相互作用等特征，將其分為氣態(tài)水、結(jié)合水、毛細水、重力作用等特征，將其分為氣態(tài)

9、水、結(jié)合水、毛細水、重力水、固態(tài)水等五類。水、固態(tài)水等五類。 即水蒸氣，和空氣一起充填在巖土的空隙中。即水蒸氣，和空氣一起充填在巖土的空隙中。包括包括吸著水吸著水和和薄膜水薄膜水。由于細小的土粒表面帶。由于細小的土粒表面帶電，而水又是極性分子，在土粒表面靜電引力電，而水又是極性分子，在土粒表面靜電引力作用下而被吸附的水稱為結(jié)合水。作用下而被吸附的水稱為結(jié)合水。指緊靠土粒表面的結(jié)合水，極其牢指緊靠土粒表面的結(jié)合水，極其牢固的結(jié)合在土粒表面上，性質(zhì)接近固的結(jié)合在土粒表面上，性質(zhì)接近于固體，密度約為于固體，密度約為1.22.4g/cm3，冰點為冰點為78，具有極大的粘滯度，具有極大的粘滯度、彈性和抗

10、剪強度，沒有溶解鹽類、彈性和抗剪強度，沒有溶解鹽類的能力，不能傳遞靜水壓力；的能力，不能傳遞靜水壓力；緊靠于吸著水的外圍緊靠于吸著水的外圍形成一層的結(jié)合水膜形成一層的結(jié)合水膜。它仍然不能傳遞靜。它仍然不能傳遞靜水壓力，但水膜較厚水壓力，但水膜較厚的弱結(jié)合水能向臨近的弱結(jié)合水能向臨近的較薄的水膜緩慢移的較薄的水膜緩慢移動。動。由毛細力作用而充滿在巖土毛細空隙由毛細力作用而充滿在巖土毛細空隙(一般指直徑小于一般指直徑小于1mm的孔隙和寬度小于的孔隙和寬度小于0.25mm的裂隙的裂隙)中的水。中的水。充滿于非毛細空隙中的液態(tài)水。當(dāng)薄膜水的薄膜更加充滿于非毛細空隙中的液態(tài)水。當(dāng)薄膜水的薄膜更加增大時，

11、水與巖土顆粒間的作用力逐漸減小，當(dāng)這種增大時，水與巖土顆粒間的作用力逐漸減小，當(dāng)這種力量不能保持薄膜水時，薄膜水即變?yōu)橐簯B(tài)水滴受重力量不能保持薄膜水時，薄膜水即變?yōu)橐簯B(tài)水滴受重力影響而在巖土空隙中運動。力影響而在巖土空隙中運動。以冰的形式存在于巖土中的水。高寒地區(qū)冬季或全年以冰的形式存在于巖土中的水。高寒地區(qū)冬季或全年地殼表層凍結(jié)，其中液態(tài)水即變成固態(tài)水。它在我國地殼表層凍結(jié)，其中液態(tài)水即變成固態(tài)水。它在我國的西北和西藏的高寒山區(qū)的永凍層中廣泛分布。的西北和西藏的高寒山區(qū)的永凍層中廣泛分布。地下水存在和運動于巖土空隙中時，巖土所表現(xiàn)出來的各種性質(zhì)，稱地下水存在和運動于巖土空隙中時，巖土所表現(xiàn)出

12、來的各種性質(zhì)，稱為巖土的水理性質(zhì)。主要包括容水性、持水性、給水性和透水性。為巖土的水理性質(zhì)。主要包括容水性、持水性、給水性和透水性。 巖土空隙所能容納水的性能巖土空隙所能容納水的性能 體積容水度體積容水度 vh2o/v=vn/v+vt/v+vk/v 重量容水度重量容水度 wh2o/w巖巖(干干)=wn/w+wt/w+wk/w 在自然條件下，巖土能夠保持一定水量的性能在自然條件下，巖土能夠保持一定水量的性能 w薄膜水薄膜水/w巖巖(干干) 或或 v薄膜水薄膜水/v巖巖(干干)巖土在重力作用下，自由排出重力水的性能巖土在重力作用下，自由排出重力水的性能 = vh2o/v- v薄膜水薄膜水/v巖巖(

13、干干) 巖土能使水透過本身的一種性能巖土能使水透過本身的一種性能 表示巖土透水性能大小的指標，表示巖土透水性能大小的指標，稱為滲透系數(shù)稱為滲透系數(shù)巖石名稱巖石名稱給水度（給水度（）松散巖土松散巖土礫石礫石0.350.30粗砂粗砂0.300.25中砂中砂0.250.20細砂細砂0.200.15極細砂極細砂0.150.10堅硬巖石堅硬巖石近于近于0 （1）溫度）溫度 th=tb+(h-h)/g h=(th-tb)/r+h th - 在在h(m)處地下水的溫度處地下水的溫度( c)； tb - 所在地區(qū)年平均氣溫所在地區(qū)年平均氣溫( c)； h - 所測地下水水溫處的深度所測地下水水溫處的深度(m)

14、; h - 所在地區(qū)年常溫帶深度所在地區(qū)年常溫帶深度(m)； g - 地溫梯度，地溫梯度，33m/ c； r - 地?zé)嵩鰷芈实責(zé)嵩鰷芈?1/g)h th=tb+(h-h)/g h=(th-tb)/r+h tb =15 c (所在地區(qū)年平均氣溫所在地區(qū)年平均氣溫)； h =510m (所測地下水水溫處的深度所測地下水水溫處的深度); h =15m (所在地區(qū)年常溫帶深度所在地區(qū)年常溫帶深度); g=33m/ c 地溫梯度；地溫梯度；例例 則則 th =15+(510-15)/33=30 c 即在地下即在地下510m處地下水的溫度處地下水的溫度30 c水的分類水的分類水的溫度水的溫度/水的分類水的

15、分類水的溫度水的溫度/極冷的水極冷的水04熱水熱水3742冷水冷水420極熱的水極熱的水42100溫水溫水2037沸騰的水沸騰的水100以上以上根據(jù)水溫不同的地下水分類根據(jù)水溫不同的地下水分類(2)顏色顏色含含feo的水的水呈淺藍色呈淺藍色含含fe2o3的水的水呈褐紅色呈褐紅色含腐殖質(zhì)的水含腐殖質(zhì)的水呈暗黃褐色呈暗黃褐色含懸浮雜質(zhì)的水含懸浮雜質(zhì)的水懸浮物本身懸浮物本身的顏色；顏色的深淺的顏色；顏色的深淺水中懸水中懸浮物的化學(xué)成分和含量的多少。浮物的化學(xué)成分和含量的多少。(3)密度密度 11.3g/cm3，死海死海含鹽含鹽30%，海，海水的密度為水的密度為1.1721.227 ，人體密度，人體密

16、度1.0211.097(1)地下水成分地下水成分 地下水中常見的成分如下：地下水中常見的成分如下： 陽離子：陽離子：h+、na+、k+、nh+ 4 、mg2+、ca2+、fe3+、mn2+等；等； 陰離子：陰離子：oh-、cl-、so2-4、no-、no-3 、hco- 3 、co2-3、sio2- 3及及po3-4等。等。 化合物分子：化合物分子：fe2o3、al2o3及及h2sio3等。等。 地下水的化學(xué)定名和評價就是根據(jù)七種離子進行的。地下水的化學(xué)定名和評價就是根據(jù)七種離子進行的。9797575ph值值強堿性強堿性弱堿性弱堿性中性中性弱酸性弱酸性強酸性強酸性水的類型水的類型 (2)ph(

17、3)硬度硬度 指水中指水中ca2+、mg2+的總量，包括暫時硬度和永久硬度。的總量，包括暫時硬度和永久硬度。 水中水中ca2+、mg2+以碳酸鹽形式存在的部分，因其遇熱即以碳酸鹽形式存在的部分，因其遇熱即形成碳酸鹽沉淀而被除去，故稱為暫時硬度；形成碳酸鹽沉淀而被除去，故稱為暫時硬度； 以硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物等形式存在的部分，因其性以硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物等形式存在的部分，因其性質(zhì)比較穩(wěn)定，故稱為永久硬度。質(zhì)比較穩(wěn)定，故稱為永久硬度。 總硬度總硬度=暫時硬度暫時硬度+永久硬度永久硬度 1mmol/l=2.8德國度德國度 單位體積水中所含有的離子、分子和各種化合物單位體積水中所含有的離子、分子和

18、各種化合物(不包括游離狀態(tài)不包括游離狀態(tài)的氣體的氣體)的總量稱為水的總礦化度（的總量稱為水的總礦化度（m），以），以g/l表示。表示。 通常以通常以105110下將水蒸干后所得的干涸殘余物含量來表示。下將水蒸干后所得的干涸殘余物含量來表示。 由于某些組分揮發(fā)以及一些含水鹽類的生成，干涸殘余物重量亦由于某些組分揮發(fā)以及一些含水鹽類的生成，干涸殘余物重量亦不能確切地代表水的總礦化度。不能確切地代表水的總礦化度。 一般的地下水總礦化度多在一般的地下水總礦化度多在0.5g/l以下，很少超過以下，很少超過1g/l。 按總礦化度大小，地下水可分為五種：淡水、弱半咸水、強半咸按總礦化度大小，地下水可分為五種

19、：淡水、弱半咸水、強半咸水、咸水和鹽水水、咸水和鹽水 通常我們所飲用的所謂通常我們所飲用的所謂“淡水淡水”就是指礦化度就是指礦化度1的水。的水。(1)(1)庫爾洛夫式庫爾洛夫式實例：周口店關(guān)砥村南民井某日抽水資料如下實例：周口店關(guān)砥村南民井某日抽水資料如下: hco- 3 60 毫克當(dāng)量毫克當(dāng)量% na+ 50 毫克當(dāng)量毫克當(dāng)量% cl- 25 毫克當(dāng)量毫克當(dāng)量% mg2+ 45 毫克當(dāng)量毫克當(dāng)量% so2- 4 10 毫克當(dāng)量毫克當(dāng)量% ca2+ 10 毫克當(dāng)量毫克當(dāng)量% co2 0.016g/l 稀有元素稀有元素 無無 總礦化度總礦化度 m 0.28 g/l 水溫水溫 15 c 涌水量涌水

20、量 q 60 m3/day (試用庫式表示）試用庫式表示） hco360cl25co20.016m0.28 t15q60 na50mg45答案水生命之源(2)(2)地下水的水質(zhì)評價地下水的水質(zhì)評價1）飲用水的水質(zhì)評價）飲用水的水質(zhì)評價 天然狀態(tài)下，水中存在有害物質(zhì)或缺乏天然狀態(tài)下，水中存在有害物質(zhì)或缺乏某些人體所需的物質(zhì)時，稱第一環(huán)境地質(zhì)問某些人體所需的物質(zhì)時，稱第一環(huán)境地質(zhì)問題；題； 由于人為因素污染了地下水，使水中存由于人為因素污染了地下水，使水中存在著有害的物質(zhì)，稱第二環(huán)境地質(zhì)問題。在著有害的物質(zhì)，稱第二環(huán)境地質(zhì)問題。(2)(2)地下水的水質(zhì)評價地下水的水質(zhì)評價據(jù)國家衛(wèi)生部頒布的生活飲用水衛(wèi)生規(guī)程規(guī)定：據(jù)國家衛(wèi)生部頒布的生活飲用水衛(wèi)生規(guī)程規(guī)定：物理性質(zhì)物理性質(zhì)：要求無色、透明、無嗅、無味，溫度以低些要求無色、透明、無嗅、無味，溫度以低些為宜，最高也不能超過當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁?。為宜，最高也不能超過當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁?。化學(xué)成分化學(xué)成分：要求總礦化度不超過要求總礦化度不超過1000mg/l?？傆捕炔怀？傆捕炔怀^過25度。度。ph值在值在6.59之間。之間。飲用水有害成分的極限含量：飲用水有害成分的極限含量：鉛鉛0.1mg/l，砷，砷0.05mg/l，氟化物，氟化物1.5mg/l，銅，銅3.0mg/l，鋅，鋅5.0mg/l，