普通地質(zhì)學(xué)ecit14第十三章-地下水的地質(zhì)作用

第十二章地下水的地質(zhì)作用GROUNDWATEROldFaithfulYellowstoneNat’lPark,WY地下水的基本概念地下水的類型地下水的地質(zhì)作用地下水的研究意義地下水指存在于地表以下松散堆積物或基巖空隙中的水。GroundwateriswaterthatexistsintheporespacesandfracturesinrockandsedimentbeneaththeEarth'ssurface.

Groundwatermakesupabout1%ofthewateronEarth(mostwaterisinoceans).But,groundwatermakesupabout35timestheamountofwaterinlakesandstreams.GroundwateroccurseverywherebeneaththeEarth'ssurface,butisusuallyrestrictedtodepthslessthatabout750meters.Thevolumeofgroundwaterisaequivalenttoa55meterthicklayerspreadoutovertheentiresurfaceoftheEarth.

我國(guó)水資源總量：2.8萬(wàn)億立方米/年，地下水0.6億立方米左右。地下水長(zhǎng)期在地下運(yùn)動(dòng)，可從巖石中獲得大量可溶性的物質(zhì)成分，使之成為成分復(fù)雜的溶液。地下水中含大量的離子、分子和化合物，其礦化度高。地下水中常見(jiàn)的氣體成分：O2、N2、CO2及H2S。地下水中還含有大量的膠體物質(zhì)：Fe(OH)3、Al(OH)3、SiO2及以膠體形式存在的有機(jī)質(zhì)。第一節(jié)地下水的一般特征一、地下水的化學(xué)特征二、地下水的運(yùn)動(dòng)1.地下水運(yùn)動(dòng)的條件地下水存于巖石(以及松散沉積物)的孔隙中，并在其中運(yùn)動(dòng)，因此巖石孔隙度的大小、形狀、數(shù)量及連通情況，對(duì)地水的儲(chǔ)量及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)有很大的影響。空隙度：一定體積巖石中空隙體積所占的比例。地下水的分布、儲(chǔ)量及運(yùn)動(dòng)均受巖石空隙的多少（空隙度）支配

。以n表示空隙度，VP表示空隙體積，V表示巖石體積，則n=VP/V。即孔隙度=巖石中孔隙的體積/巖石總體積大多數(shù)巖石的空隙是連通的，因而地下水可在巖石中流動(dòng)。透水性：巖石被水透過(guò)的性能。隔水性：巖石阻擋水通過(guò)的性質(zhì)。

空隙較大，且相互連通的巖石，地下水可以在巖石中流動(dòng)。有些巖石雖有很高空隙度，但空隙不連通的巖石和空隙過(guò)小，且連通性不好的粘土和泥巖，地下水也很難在其中流動(dòng)。透水層：能透水的巖層。洞隙大，且相互連通的石灰?guī)r和白云巖以及孔隙大的礫石層和沙層是良好的透水層。

隔水層：具隔水性的巖層。粘土巖、粉砂質(zhì)泥巖及節(jié)理不發(fā)育的巖漿巖和塊狀變質(zhì)巖可視為隔水層。2.地下水的運(yùn)動(dòng)方式毛細(xì)水（結(jié)合水）：在毛細(xì)作用下運(yùn)動(dòng)的水。巖石顆粒表面和空隙壁面在靜電吸引作用下，會(huì)吸附水分子。這類水束縛于顆粒表面及空隙壁面，不能在自身重力作用下運(yùn)動(dòng)。而且還可逆重力而運(yùn)動(dòng)（毛細(xì)運(yùn)動(dòng)）。重力水：在自身重力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的水。在巖石和松散物質(zhì)的空隙中，重力水在重力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)稱滲流(滲透)。第二節(jié)地下水的類型根據(jù)地下水埋藏條件分：包（飽）氣帶水、潛水、承壓水（層間水）、泉（Spring）。1.包(飽)氣帶水：地下水面以上包氣帶中所含的地下水。

貼近地表的氣態(tài)水、土壤顆粒水吸附毛細(xì)水分子，這些水雖可連結(jié)起來(lái)成為液體，但因是充填在細(xì)微的孔隙中而不能自由運(yùn)動(dòng)。2.潛水：地面以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上的水。能在重力作用下流動(dòng)，民用水井均取用潛水層的水。此水層的水面稱為潛水面（watertable），潛水面與地表面的形態(tài)具有相似性。Surfacebelowwhichallrocksaresaturatedwithgroundwateristhewatertable.3.

承壓水(層間水)：埋藏在兩個(gè)隔水層之間的透水層中的地下水。它的運(yùn)動(dòng)受到上下隔水層的約束和水壓的作用

，打井穿過(guò)上面的隔水層時(shí)，承壓水就可向上涌出來(lái)

。不同季節(jié)的地下水水位4.泉（Spring）：地下水在地表的天然露頭。

NATURALSPRINGSaresiteswheregroundwaterflowstothesurfaceandthenfreelyfromtheground.THERMALSPRINGSarespringthathaveawater temperatureatleast6℃higherthanthelocalambienttemperaturefortheregion.溫泉形成的原因：巖漿熱、地?zé)帷厝泻心承?duì)人體有用的化學(xué)成分，則稱之為礦泉。第三節(jié)地下水的地質(zhì)作用

地下水在巖石孔隙、裂縫中流動(dòng)十分緩慢，動(dòng)能較小，故而機(jī)械作用十分微弱。但由于地下水與巖石、礦物的接觸時(shí)間長(zhǎng)，加之溶有一定量的酸類物質(zhì)(如H2CO3、H2SO4及有機(jī)酸)，對(duì)地下巖石、礦物具有強(qiáng)烈的溶解作用。就整個(gè)地下水的地質(zhì)作用而言，以化學(xué)作用為主。一、地下水的潛蝕作用（suffosion）

地下水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)周圍巖石的破壞作用稱為地下水的潛蝕作用（suffosion）。

包括以下幾種方式：

1.沖刷（scour）：地下水流體一般分散，流速緩慢，沖刷力微弱，只能沖刷細(xì)小的顆粒，使巖石的空隙逐步擴(kuò)大。但是長(zhǎng)時(shí)間的沖刷，也可造成大型空洞并引起地表塌陷。規(guī)模較大的洞穴和裂隙中的地下水流速較快，沖刷力較強(qiáng)。黃土最易被地下水沖刷破壞，因?yàn)樗饕煞凵敖M成，顆粒細(xì)小而且松散，同時(shí)，黃土含有較多碳酸鹽類礦物，易被地下水溶解。疏松的鈣質(zhì)砂巖也容易受沖刷破壞。

2.溶蝕（corrosion）：地下水中含有CO2，易溶解石灰?guī)r或含碳酸鹽類礦物的巖石。其反應(yīng)式如下：

CaCO3＋CO2＋H2O

Ca2＋＋2HCO3－此處分解而成的鈣離子和碳酸氫根離子便隨水消失。

3.喀斯特（karst)：主要為地下水（兼有部分地表水），對(duì)可溶性巖石進(jìn)行以化學(xué)溶蝕為主、機(jī)械沖刷為輔的地質(zhì)作用以及由這些地質(zhì)作用所產(chǎn)生的地貌，稱為喀斯特（karst）?？λ固厥悄纤估蛭鞅辈垦睾Ｒ粠?guī)r高原的地名，那里發(fā)育著各種奇特的石灰?guī)r地形。十九世紀(jì)末，南斯拉夫?qū)W者司威治（J．Cvijic）對(duì)這個(gè)地區(qū)首先進(jìn)行了研究，并借用“喀斯特”一詞來(lái)稱呼石灰?guī)r地區(qū)的一系列特殊的地貌形成過(guò)程和水文現(xiàn)象，至今喀斯特一詞已成為世界各國(guó)通用的專門(mén)術(shù)語(yǔ)。

喀斯特作用也稱巖溶作用，主要形成以下特征地貌（喀斯特地貌KARSTTOPOGRAPHY）：

（1）溶溝（karren）和石芽（stonebud）

溶溝是石灰?guī)r表面上的溝槽，是地表水流沿可溶性巖石表面進(jìn)行溶蝕和機(jī)械沖刷的結(jié)果。溝槽的寬度和深度一般由數(shù)厘米到數(shù)米，有時(shí)更大，其形態(tài)各異。溝槽之間凸起的石脊稱為石芽。如石芽形態(tài)高大，溝坡近于直立，且發(fā)育成群，遠(yuǎn)觀之宛如森林，稱為石林（stoneforest）。

（2）峰叢（peakcluster）、峰林（peakforest）和孤峰（isolatedpeak）

都是正向的喀斯特地貌。其中，峰頂尖銳或圓錐狀競(jìng)相突出，而基部相連，宏觀上似簇狀者稱為峰叢，它是喀斯特發(fā)展較早階段的地貌。如峰體上部挺立高大，基部?jī)H稍許相連，稱為峰林（規(guī)模較大的石林）。聳立于喀斯特地區(qū)平原上的孤立山峰稱為孤峰。（3）落水洞（sinkhole）：地表水沿近于垂直的裂隙向下溶蝕而成的直立或陡傾斜的洞穴，下接地下河（undergroundriver）或溶洞，是地表水轉(zhuǎn)入地下河或溶洞的通道。在兩組直立的裂隙交匯處，落水洞最易形成。有時(shí)許多落水洞呈串珠狀分布。

（4）溶斗（corrodedfunnel）又稱漏斗，是小型洼坑。其平面呈圓形或橢圓形，直徑一般由數(shù)十米到數(shù)百米；深度常為數(shù)米或數(shù)十米，最深可達(dá)400多米。縱剖面形態(tài)有碟狀、錐狀和井狀等。

GROUNDWATERKARSTTOPOGRAPHYSurfaceexpressionofthedissolutionoflimestone.SINKHOLES

（5）干谷（dryvalley）和盲谷（blindvalley）

落水洞如果發(fā)育在河床中，它可吸收河水，使其轉(zhuǎn)入地下，把河流截?cái)唷Ｂ渌匆陨嫌兴鞯囊欢魏庸壤^續(xù)受河水侵蝕使河床降低，落水洞以下的河谷因斷水遂轉(zhuǎn)變成干谷，干谷谷底相對(duì)高起。

（6）溶洞

系指地下水沿可溶性巖層的構(gòu)造面（層面、節(jié)理面、斷裂面等）進(jìn)行剝蝕，并進(jìn)一步崩塌擴(kuò)大形成的洞穴。形成初期，孔隙孔道很小，地下水運(yùn)動(dòng)緩慢，以溶蝕為主。空洞擴(kuò)大后互相串通，水流加強(qiáng)，動(dòng)能增大，引起沖刷。在水平流動(dòng)帶發(fā)育者多呈水平狀態(tài)。喀斯特地貌KARSTTOPOGRAPHY

除溶洞水有較強(qiáng)的機(jī)械搬運(yùn)外，地下水的搬運(yùn)主要是以化學(xué)方式進(jìn)行，包括真溶液及膠體溶液兩種形式。搬運(yùn)物以重碳酸鹽為主，有時(shí)氧化物、硫酸鹽、氫氧化物、二氧化硅、磷酸鹽、氧化錳以及氧化鐵等也很重要。二、地下水的搬運(yùn)作用地下水搬運(yùn)的成分和數(shù)量，取決于滲流區(qū)巖石性質(zhì)和風(fēng)化程度。地下水的搬運(yùn)能力，與水溫、壓力、運(yùn)移速度、PH值及CO2含量有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，溫度高、壓力大、流速快、CO2和酸類物質(zhì)含量高時(shí)，其搬運(yùn)能力強(qiáng)；反之，則較弱。三、地下水的沉積作用

地下水的沉積作用以化學(xué)沉積作用為主，主要有以下兩類:

溶洞沉積（Karstcavedeposit）熱（溫）泉沉積（Thermal

springdeposit）1.溶洞沉積（Karstcavedeposit）富含Ca(HCO3)2的地下水，沿著孔隙、裂隙滲入空曠的溶洞，由于溫度、壓力改變，CO2逸出，加之蒸發(fā)作用加強(qiáng)，就沉淀出CaCO3。水自洞頂下滴，邊滴邊沉淀，可形成自洞頂向下垂直生長(zhǎng)的石鐘乳(stalactite)。石鐘乳橫切面呈同心環(huán)帶構(gòu)造，核心常是空的。滲出水滴落洞底后，CaCO3就在洞底沉淀并向上生長(zhǎng)形成石筍(stalagmite)。石筍的形態(tài)一般為巖錐狀、塔狀，橫切面具有同心環(huán)帶構(gòu)造，是實(shí)心的。石鐘乳與石筍長(zhǎng)大后連成一體，稱為石柱(stonepillar)。石鐘乳、石筍、石柱合稱為鐘乳石(stalactite)。

石鐘乳、石筍和石柱的形成過(guò)程GROUNDWATERCAVEDEPOSITS此外，地下水沿著洞壁裂隙成層狀滲出，能沉積成石簾、石帷幕、石瀑布和石幔(curtain)等。JenolanCaves,AustraliaCourtesyofJennMurphy2.熱（溫）泉沉積（Thermalspringdeposit）熱（溫）泉水流出地表時(shí)，因壓