巖溶發(fā)育的基本條件

巖

溶

學(xué)及應(yīng)用第1頁(yè)第二章

巖溶發(fā)育基本條件

第一節(jié)概述第二節(jié)巖石可溶性第三節(jié)巖石透水性第四節(jié)巖溶水溶蝕力第五節(jié)巖溶水運(yùn)動(dòng)第六節(jié)巖溶發(fā)育自然原因第2頁(yè)第一節(jié)概述

可溶性巖石是巖溶發(fā)育物質(zhì)基礎(chǔ)，水是巖溶發(fā)育基本條件。

就巖石而言，首先必須是可溶，其次必須是透水，這樣水才能與它們發(fā)生作用。

就水而言，必須有溶蝕力，其次水是流動(dòng)。

因此，巖石可溶性、透水性和水溶蝕性、流動(dòng)性就成為巖溶作用和巖溶發(fā)育基本條件。另外，氣候、地形、生物和土壤等自然條件也作為巖溶發(fā)育外因。

第3頁(yè)第二節(jié)巖石可溶性一、可溶性巖石分類

可溶性巖石化學(xué)成份、礦物成份和巖石構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育速度、發(fā)育程度和發(fā)育特性都有顯著影響。按巖石化學(xué)成份和礦物成份不一樣，可溶性巖石基本上可分為三類：（1）鹵鹽類巖石：石鹽、甲鹽（2）硫酸鹽類巖石：石膏、芒硝；（3）碳酸鹽類巖石：石灰?guī)r、白云巖及其過(guò)渡巖石；就溶解度而言，鹵鹽>硫酸鹽>碳酸鹽。但鹵鹽和硫酸鹽在自然界分布很少，而碳酸鹽巖分布廣泛。因此，碳酸鹽巖形成巖溶現(xiàn)象要普遍得多、典型得多。

第4頁(yè)鹵鹽類巖石-巖鹽巖鹽常用以表達(dá)由石鹽組成(化學(xué)成份為NaCl巖石)一般石鹽常用來(lái)指巖鹽。由于它們都是由鹽水在封閉盆地中蒸發(fā)而形成鹽礦床，因此也被稱為鹵化物礦物。石鹽礦層一般厚幾米到300多米，而在干旱地域則以鹽霜形式出現(xiàn)，在鹽泉附近以蒸發(fā)產(chǎn)物出現(xiàn)，在火山地域以升華物產(chǎn)出。第5頁(yè)石膏

石膏是一種礦物名，主要化學(xué)成份是硫酸鈣（CaSO4），主要是古代鹽湖或潟湖沉積物。石膏用作一種農(nóng)業(yè)肥料，能夠改良?jí)A性土壤，用于一般中性或酸性土壤，能夠改善土壤構(gòu)造。廣泛用于工業(yè)材料、醫(yī)學(xué)材料和建筑材料?？捎糜谒嗑從齽⑹嘟ㄖ破?、模型制作、醫(yī)用食品添加劑、硫酸生產(chǎn)、紙張?zhí)盍?、油漆填料、骨折固定等，也能做為黑板用粉筆。第6頁(yè)石膏第7頁(yè)碳酸鹽巖碳酸鹽巖是主要由方解石和白云石等碳酸鹽礦物組成沉積巖。石灰?guī)r和白云巖是碳酸鹽巖主要巖石類型。碳酸鹽巖分布很廣，在沉積巖中居第三位。第8頁(yè)化學(xué)成份：主要化學(xué)成份：CaO、MgO、CO2次要化學(xué)成份：SiO2、TiO2

、Al2O3、FeO、Fe2O3、K2O、

Na2O、H2O等石灰?guī)r化學(xué)成份：CaO占42.61%;MgO占7.9%;CO2占41.58%;

SiO2

占5.91%,(純)白云巖化學(xué)成份：CaO占30.4%;MgO占21.8%;CO2占47.8%;碳酸鹽巖成份特性第9頁(yè)（二）同位素：A.18O/16O：辨別海陸相、古海水鹽度、水溫變化、海陸變遷B.13C/12C和14C：辨別海陸相、古海水鹽度、水溫變化、海陸變遷,14C定年。海相：重同位素含量高碳酸鹽巖成份特性第10頁(yè)礦物成分分類和結(jié)組成因分類礦物成分分類（方解石或白云石）＞50％為基本名50－25％××質(zhì)（白云質(zhì)灰?guī)r）25－10％含××質(zhì)（含白云質(zhì)灰?guī)r）＜10％不參與命名二、碳酸鹽巖分類第11頁(yè)（一）碳酸鹽巖礦物成份分類根據(jù)方解石和白云石相對(duì)含量劃分巖石類型碳酸鹽巖分類第12頁(yè)根據(jù)方解石、白云石、粘土（或砂）相對(duì)含量劃分巖石類型二、碳酸鹽巖分類第13頁(yè)石灰?guī)r(Limestone)簡(jiǎn)稱灰?guī)r，以方解石為主要成份碳酸鹽巖。有時(shí)具有白云石、粘土礦物和碎屑礦物，有灰、灰白、灰黑、黃、淺紅、褐紅等色，硬度一般不大，與稀鹽酸反應(yīng)劇烈。第14頁(yè)

白云巖，是一種沉積碳酸鹽巖。主要由白云石組成，常混入石英、長(zhǎng)石、方解石和粘土礦物。呈灰白色，性脆，硬度小,用鐵器易劃出擦痕。遇稀鹽酸遲緩起泡或不起泡，外貌與石灰?guī)r很相同。較石灰?guī)r堅(jiān)韌。在冶金工業(yè)中可作熔劑和耐火材料，在化學(xué)工業(yè)中可制造鈣鎂磷肥、粒狀化肥等。另外，也用作陶瓷、玻璃配料和建筑石材。另外福建漳州有名為白云巖景點(diǎn)第15頁(yè)第16頁(yè)白云巖第17頁(yè)第三節(jié)巖石透水性一、酸鹽巖孔隙和裂隙

1．孔隙

孔隙特點(diǎn)：孔隙是碳酸鹽巖主要構(gòu)造組分之一，隨沉積物顆粒類型、大小、形狀、圓度、分選，以及充填在顆粒之間膠結(jié)物含量而變化，還受成巖過(guò)程、溶蝕作用和沉積后礦物變化影響。

可溶性巖石透水性取決于巖石孔隙和裂隙。對(duì)巖石來(lái)說(shuō)，裂隙比孔隙更主要。

第18頁(yè)孔隙成因類型有：

（1）粒間孔隙

指存在于各顆粒之間孔隙，是在沉積時(shí)由顆粒之間互相支架形成原生孔隙。此種孔隙具有較高孔隙率和較好滲入率，常見(jiàn)于灰?guī)r。（2）粒內(nèi)孔隙

在沉積前顆粒生長(zhǎng)過(guò)程中形成原生孔隙，如生物體腔內(nèi)孔隙。這種孔隙絕對(duì)孔隙度能夠很高，但有效孔隙度不一定大，滲入性不好。（3）結(jié)殼孔隙或生物骨架孔隙

在原地生長(zhǎng)造礁生物骨架之間留下孔隙，具有較高孔隙度和滲入率。（4）泥晶孔隙（5）晶間孔隙（6）溶蝕孔隙第19頁(yè)2．裂隙裂隙成因類型：（1）構(gòu)造裂隙巖石受構(gòu)造應(yīng)力作用而產(chǎn)生裂隙。其特點(diǎn)是邊緣平直、延伸遠(yuǎn)，有一定方向，成組分布。構(gòu)造裂隙是最主要裂隙類型，也是地下水最主要通道。它形成、方向、性質(zhì)和密度，在很大程度上決定于該區(qū)褶皺與斷裂錯(cuò)動(dòng)關(guān)系。

第20頁(yè)（2）層理裂隙指原生層理裂隙，它是在巖石形成過(guò)程中產(chǎn)生。當(dāng)巖層平緩或微微傾斜，這種裂隙對(duì)巖石透水性起著決定性作用。（3）風(fēng)化裂隙分布在地表最上層由于風(fēng)化作用使巖石上層構(gòu)造裂隙和層理裂隙變寬形成。第21頁(yè)裂隙分布特點(diǎn)：（1）在垂直剖面上，往往發(fā)育在一定層位，具層位性，主要受巖性控制（是內(nèi)因）；巖石脆性越大，裂隙越發(fā)育。

可溶性巖石脆性排序?yàn)椋喊自茙r——云灰?guī)r——灰?guī)r——泥灰?guī)r——鹽巖——石膏。（2）在平面上，發(fā)育在構(gòu)造一定部位，受局部構(gòu)造條件控制（是外因），與大地構(gòu)造關(guān)系不大。（3）水對(duì)它有改造作用。

第22頁(yè)二、碳酸鹽巖空隙性指標(biāo)

一般以為，孔隙是地下水儲(chǔ)藏空間，而裂隙是地下水溶蝕、運(yùn)移主要通道。我們把孔隙和裂隙統(tǒng)稱為空隙。

孔隙度是碳酸鹽巖儲(chǔ)水性和透水性一種主要參數(shù)。能夠根據(jù)巖石比重、容重求得。但在生產(chǎn)實(shí)踐中，一般用到指標(biāo)有：空隙率、溶孔率、溶洞率。空隙率是指巖石單位體積內(nèi)具有孔隙和裂隙體積（M3/M3）；溶孔率是指已溶蝕巖石單位體積內(nèi)細(xì)小溶孔所占有體積（M3/M3）；溶洞率是單位面積內(nèi)溶洞體積（M3/KM2）；

第23頁(yè)三、影響碳酸鹽巖透水性其他原因1．不透水巖層和透鏡體影響2．巖層產(chǎn)狀和厚度影響第24頁(yè)第四節(jié)巖溶水溶蝕力

一、CO2起源

水溶蝕力是巖溶發(fā)育必要條件。天然水溶蝕力主要取決于其中碳酸含量，即游離CO2。過(guò)去一般以為，大氣降水是溶蝕水主要起源，這是一種誤解，僅僅靠雨水中CO2是很難溶解可溶性巖石，即便是雨水，那也只能在近地表附近幾米深處溶解某些石灰?guī)r，但在地下深處形成巨大溶洞和通道，就無(wú)能為力了。

第25頁(yè)

研究證明，CO2主要來(lái)自于土壤層，在土壤中有億萬(wàn)微生物在制造CO2。巖溶發(fā)育與生命活動(dòng)密不可分。另外，大洞穴不是靠水溶解作用形成，溶蝕作用只是在巖溶發(fā)育早期和早期起主要作用。當(dāng)發(fā)育了紊流通道后，地下水沖蝕、侵蝕就居于主導(dǎo)地位。

第26頁(yè)二、碳酸鹽巖溶蝕化學(xué)機(jī)制

碳酸鹽巖溶蝕過(guò)程化學(xué)機(jī)制是CO2、水和巖石間化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。過(guò)程為：CO2進(jìn)入水中轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙釩O2：

大氣、土壤層CO2溶解CO2溶解CO2與水作用形成碳酸：

CO2+H2OH2CO3碳酸離解：

H2CO3H++CO32-碳酸鈣溶解：

CaCO3Ca2++CO32-碳酸離解H+與碳酸鈣溶解CO32-化合：

H++CO32-HCO3-CaCO3+CO2+H2O

Ca2++2HCO3-

第27頁(yè)

水中CO2不停消耗，破壞了外界平衡，必然要吸取外界CO2，達(dá)成新平衡關(guān)系，這樣不停補(bǔ)充新能量，使反應(yīng)鏈進(jìn)行下去，巖石逐漸溶解。另外，溫度是不可忽視原因，估計(jì)溫度每增加10度，反應(yīng)速度約提升1倍，熱帶灰?guī)r溶蝕速度比高山和極地高出4倍。

第28頁(yè)第五節(jié)巖溶水運(yùn)動(dòng)

水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行溶蝕、侵蝕破壞時(shí)，必然伴伴隨地下水運(yùn)動(dòng)和交替。巖溶地下水動(dòng)態(tài)變化因地而異，主要決定于巖石透水程度、補(bǔ)給條件和排泄條件。

一、按成因類型分類

1．水文型

接近河流、湖泊、海岸地下水，與河、湖、海連通，水位動(dòng)態(tài)與地表水位變化一致。2．氣象型

裸露巖溶區(qū)地下水動(dòng)態(tài)直接收氣象原因控制。3．穩(wěn)定型

處于深部緩流循環(huán)帶或?qū)娱g含水層巖溶水，基本上不受降雨影響，動(dòng)態(tài)曲線較穩(wěn)定。4．周期型

流量曲線具有周期性升降變化。

第29頁(yè)二、水動(dòng)力剖面垂直分帶特性圖2峰叢洼地地下水垂直分帶特性垂直循環(huán)帶；2.季節(jié)變化帶；3.水平循環(huán)帶；4.虹吸管式循環(huán)帶；5.深部循環(huán)帶

第30頁(yè)又稱為充氣帶，位于潛水位之上，平時(shí)一般無(wú)水或不為水充滿；在降雨過(guò)程中，水從坡面及地表沿土孔隙或基巖垂直裂隙向下滲入，溶蝕和機(jī)械沖刷作用都較弱。本帶深度取決于潛水面位置，地下水位埋藏越深，垂直循環(huán)帶厚度越大，機(jī)械沖刷力越小，對(duì)表層巖土體穩(wěn)定越有利。（1）垂直循環(huán)帶第31頁(yè)（2）季節(jié)變化帶

是垂直循環(huán)帶逐漸向水平循環(huán)帶過(guò)渡中間區(qū)域，水流運(yùn)動(dòng)方式隨季節(jié)變化而有所變化。在豐水期，潛水面升高，水力坡降減小，從地表滲下水流以近似水平運(yùn)動(dòng)為主，流量增大，對(duì)巖土體橫向沖刷作用也增強(qiáng)；而在枯水干旱季節(jié)，地下水位減少，滲徑減短，水力坡降增大，但流量減小，地下水將以垂直方向運(yùn)動(dòng)為主。

第32頁(yè)（3）水平循環(huán)帶

該帶為水體所飽和，又稱為飽水帶。在地下巖溶管道中，常體現(xiàn)為形態(tài)不規(guī)則地下暗河，該帶水流主要沿水平方向運(yùn)動(dòng)，從補(bǔ)給區(qū)流向排泄區(qū)，愈接近排水基準(zhǔn)面，這種水平運(yùn)動(dòng)愈顯著。在雨季，本帶水量集中，滲入系數(shù)大，常體現(xiàn)為紊流運(yùn)動(dòng)，僅在接近補(bǔ)給區(qū)，巖溶管道狹窄或裂隙不發(fā)育，滲入系數(shù)較小時(shí)具層流性質(zhì)。第33頁(yè)（4）虹吸管式循環(huán)帶

本帶承接上部水平循環(huán)帶，但地下水運(yùn)動(dòng)特性有顯著不一樣。本帶一般位于地下暗河河床之下，水完全具有承壓性質(zhì)，主要以虹吸管式沿基巖溶蝕裂隙遲緩流動(dòng)，流量較小，以層流運(yùn)動(dòng)為主，對(duì)基巖潛蝕作用較若。（5）深部循環(huán)帶本帶地下水在水文網(wǎng)直接影響范圍以外運(yùn)動(dòng)，沿著地下深部細(xì)小溶隙，十分遲緩地流向排泄區(qū)，埋藏越深，流速越小，甚至近于停滯，對(duì)上部巖體穩(wěn)定影響薄弱。第34頁(yè)第六節(jié)

巖溶發(fā)育自然原因

巖溶發(fā)育，除必不可少巖石可溶性和透水性、水溶蝕力和流動(dòng)等基本條件外，自然環(huán)境原因?qū)r溶發(fā)育也有顯著影響，其中，尤以氣候、植被、土壤和地貌較為顯著。第35頁(yè)一、氣候?qū)r溶發(fā)育影響可溶性巖石溶蝕作用強(qiáng)弱，是受氣溫高低、雨量多少等原因影響。在多種氣候帶內(nèi)都有巖溶發(fā)育，甚至在永久凍結(jié)地域也有，只是巖溶發(fā)育速度、發(fā)育部位和發(fā)育特性有很大不一樣。

第36頁(yè)(1)溫度

表5白云巖溶解量

（2）雨量

降雨多，能夠影響水滲入條件和水交替運(yùn)動(dòng)，使新鮮CO2不停得到補(bǔ)充，溶蝕作用大大增強(qiáng)。

（3）巖溶發(fā)育隨氣候變化呈分帶性

表6氣候帶巖溶發(fā)育情況

第37頁(yè)

太平洋中新幾內(nèi)亞島位于赤道帶，島上有高山，山頂皚皚積雪。據(jù)實(shí)地考查，該島高山隨海拔高度變化，巖溶地貌也發(fā)生對(duì)應(yīng)變化，巖溶具顯著垂直分帶性。

表7新幾內(nèi)亞島高山巖溶垂直分帶

第38頁(yè)二、植被、土壤對(duì)巖溶發(fā)育影響

1．植被對(duì)巖溶作用影響體現(xiàn)為三方面：（1）植物根部機(jī)械破壞作用以及分解植物殘余物、腐殖質(zhì)，能產(chǎn)生大量游離CO2。

表8我國(guó)各自然帶森林凋落物數(shù)量

第39頁(yè)（2）植被覆蓋可增加空氣濕度和降水，截留徑流，削弱地表徑流，加強(qiáng)下滲作用，有助于潛蝕作用，促使地下巖溶發(fā)育。（3）由于植被大面積覆蓋，不能形成厚層地表徑流，妨礙地表沖刷作用，地表巖溶發(fā)育遲緩，地下巖溶作用加劇。

第40頁(yè)2．土壤對(duì)巖溶作用影響

巖溶水中CO2主要起源于土壤，而不是空氣。土壤中CO2是由土壤中億萬(wàn)微生物制造。要發(fā)育大型洞穴，它地表必須有土壤覆蓋層。

表9不一樣地帶土壤空氣中CO2含量（%）

第41頁(yè)表10我國(guó)各地溶蝕率第42頁(yè)三、地貌對(duì)巖溶發(fā)育影響

1．地面坡度影響

地面