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1、第十二章第十二章 地下水的地质作用地下水的地质作用GROUNDWATEROld FaithfulYellowstone Natl Park, WYn地下水的基本概念地下水的基本概念n地下水的类型地下水的类型n地下水的地质作用地下水的地质作用n地下水的研究意义地下水的研究意义 地下水地下水 指存在于地表以下松散堆积物或基岩空隙中的指存在于地表以下松散堆积物或基岩空隙中的水。水。 Groundwater is water that exists in the pore spaces and fractures in rock and sediment beneath the Earths surf
2、ace. Groundwater makes up about 1% of the water on Earth (most water is in oceans). But, groundwater makes up about 35 times the amount of water in lakes and streams. Groundwater occurs everywhere beneath the Earths surface, but is usually restricted to depths less that about 750 meters. The volume
3、of groundwater is a equivalent to a 55 meter thick layer spread out over the entire surface of the Earth. 我国水资源总量：我国水资源总量：2.8万亿立方米万亿立方米/年，地下水年，地下水0.6亿立方米左右。亿立方米左右。v 地下水长期在地下运动，可从岩石中获得大量可溶性的物地下水长期在地下运动，可从岩石中获得大量可溶性的物质成分，使之成为成分复杂的溶液质成分，使之成为成分复杂的溶液 。v 地下水中含大量的离子、分子和化合物，其矿化度高。地下水中含大量的离子、分子和化合物，其矿化度高。v 地
4、下水中常见的气体成分：地下水中常见的气体成分：O2、N2、CO2及及H2S。v 地下水中还含有大量的胶体物质：地下水中还含有大量的胶体物质：Fe(OH)3、Al(OH)3、SiO2及以胶体形式存在的有机质。及以胶体形式存在的有机质。第一节第一节 地下水的一般特征地下水的一般特征一、一、 地下水的化学特征地下水的化学特征二、二、 地下水的运动地下水的运动1. 地下水运动的条件地下水运动的条件 地下水存于岩石地下水存于岩石(以及松散沉积物以及松散沉积物)的孔隙中，并在其中运的孔隙中，并在其中运动，因此岩石孔隙度的大小、形状、数量及连通情况，对地水动，因此岩石孔隙度的大小、形状、数量及连通情况，对地
5、水的储量及运动特点有很大的影响。的储量及运动特点有很大的影响。空隙度：空隙度：一定体积岩石中空隙体积所占的比例。一定体积岩石中空隙体积所占的比例。 地下水的分布、储量及运动均受岩石空隙的多少（空隙度）地下水的分布、储量及运动均受岩石空隙的多少（空隙度）支配支配 。以。以n表示空隙度，表示空隙度，VP表示空隙体积，表示空隙体积，V表示岩石体积，表示岩石体积，则则n=VP/V。 即即孔隙度孔隙度= 岩石中孔隙的体积岩石中孔隙的体积 / 岩石总体积岩石总体积v 大多数岩石的空隙是连通的，因而地下水可在岩石中流动。大多数岩石的空隙是连通的，因而地下水可在岩石中流动。 透水性：透水性：岩石被水透过的性能
6、。岩石被水透过的性能。 隔水性：隔水性：岩石阻挡水通过的性质岩石阻挡水通过的性质。 空隙较大，且相互连通的岩石，地下水可以在岩石中流动。空隙较大，且相互连通的岩石，地下水可以在岩石中流动。有些岩石虽有很高空隙度，但空隙不连通的岩石和空隙过小，有些岩石虽有很高空隙度，但空隙不连通的岩石和空隙过小，且连通性不好的粘土和泥岩，地下水也很难在其中流动。且连通性不好的粘土和泥岩，地下水也很难在其中流动。 透水层：透水层：能透水的岩层能透水的岩层。洞隙大，且相互连通的石灰岩和洞隙大，且相互连通的石灰岩和白云岩以及孔隙大的砾石层和沙层是良好的透水层。白云岩以及孔隙大的砾石层和沙层是良好的透水层。 隔水层：隔
7、水层：具隔水性的岩层。粘土岩、粉砂质泥岩及节理不具隔水性的岩层。粘土岩、粉砂质泥岩及节理不发育的岩浆岩和块状变质岩可视为隔水层。发育的岩浆岩和块状变质岩可视为隔水层。 2. 地下水的运动方式地下水的运动方式 毛细水（结合水）：毛细水（结合水）： 在毛细作用下运动的水。岩石颗在毛细作用下运动的水。岩石颗粒表面和空隙壁面在静电吸引作用下，会吸附水分子粒表面和空隙壁面在静电吸引作用下，会吸附水分子 。这。这类水束缚于颗粒表面及空隙壁面，不能在自身重力作用下类水束缚于颗粒表面及空隙壁面，不能在自身重力作用下运动。而且还可逆重力而运动（毛细运动）。运动。而且还可逆重力而运动（毛细运动）。 重力水：重力水
8、：在自身重力作用下产生运动的水。在岩石和松在自身重力作用下产生运动的水。在岩石和松散物质的空隙中，重力水在重力作用下产生运动称散物质的空隙中，重力水在重力作用下产生运动称渗流渗流(渗渗透透) 。第二节第二节 地下水的类型地下水的类型v根据地下水埋藏条件分：根据地下水埋藏条件分：包（饱）气带水、潜水、包（饱）气带水、潜水、承压水（层间水）承压水（层间水）、泉（、泉（Spring）。）。 1. 包包(饱饱)气带水：气带水：地下水面以上包气带中所含的地下水。地下水面以上包气带中所含的地下水。 贴近地表的气态水、土壤颗粒水吸附毛细水分子，这贴近地表的气态水、土壤颗粒水吸附毛细水分子，这些水虽可连结起来
9、成为液体，但因是充填在细微的孔隙些水虽可连结起来成为液体，但因是充填在细微的孔隙中而不能自由运动中而不能自由运动 。 2. 潜水：潜水：地面以下第一个稳定隔水层之上的水。地面以下第一个稳定隔水层之上的水。 能在重力作用下流动，民用水井均取用潜水层的水。此能在重力作用下流动，民用水井均取用潜水层的水。此水层的水面称为水层的水面称为潜水面（潜水面（water table），潜水面与地表面的，潜水面与地表面的形态具有相似性。形态具有相似性。 Surface below which all rocks are saturated with groundwater is the water table.
10、 3. 承压水承压水(层间水层间水)：埋藏在两个隔水层之间的透水层中的地埋藏在两个隔水层之间的透水层中的地下水。它的运动受到上下隔水层的约束和水压的作用下水。它的运动受到上下隔水层的约束和水压的作用 ，打井，打井穿过上面的隔水层时，承压水就可向上涌出来穿过上面的隔水层时，承压水就可向上涌出来 。不同季节的地下水水位不同季节的地下水水位 4. 泉（泉（Spring）：）：地下水在地表的天然露头。地下水在地表的天然露头。 NATURAL SPRINGS are sites where groundwater flows to the surface and then freely from the
11、 ground. THERMAL SPRINGS are spring that have a watertemperature at least 6 higher than the local ambient temperature for the region. 温泉形成的原因：岩浆热、地热。温泉形成的原因：岩浆热、地热。 温泉水中含有某些对人体有用的化学成分，则称之为温泉水中含有某些对人体有用的化学成分，则称之为矿泉矿泉。第三节第三节 地下水的地质作用地下水的地质作用 地下水在岩石孔隙、裂缝中流动十分缓慢，动能较地下水在岩石孔隙、裂缝中流动十分缓慢，动能较小，故而小，故而机械作用十分微弱
12、机械作用十分微弱。 但由于地下水与岩石、矿物的接触时间长，加之溶但由于地下水与岩石、矿物的接触时间长，加之溶有一定量的酸类物质有一定量的酸类物质(如如H2CO3、H2SO4及有机酸及有机酸)，对地，对地下岩石、矿物下岩石、矿物具有强烈的溶解作用具有强烈的溶解作用。 就整个地下水的地质作用而言，就整个地下水的地质作用而言，以化学作用为主以化学作用为主。 一、地下水的潜蚀作用（一、地下水的潜蚀作用（suffosion） 地下水在运动过程中对周围岩石的破坏作用称为地下水的地下水在运动过程中对周围岩石的破坏作用称为地下水的潜蚀作用（潜蚀作用（suffosion）。）。 包括以下几种方式：包括以下几种方
13、式： 1. 冲刷（冲刷（scour）：）：地下水流体一般分散，流速缓慢，冲刷力地下水流体一般分散，流速缓慢，冲刷力微弱，只能冲刷细小的颗粒，使岩石的空隙逐步扩大。但是长微弱，只能冲刷细小的颗粒，使岩石的空隙逐步扩大。但是长时间的冲刷，也可造成大型空洞并引起地表塌陷。规模较大的时间的冲刷，也可造成大型空洞并引起地表塌陷。规模较大的洞穴和裂隙中的地下水流速较快，冲刷力较强。黄土最易被地洞穴和裂隙中的地下水流速较快，冲刷力较强。黄土最易被地下水冲刷破坏，因为它主要由粉砂组成，颗粒细小而且松散，下水冲刷破坏，因为它主要由粉砂组成，颗粒细小而且松散，同时，黄土含有较多碳酸盐类矿物，易被地下水溶解。疏松的
14、同时，黄土含有较多碳酸盐类矿物，易被地下水溶解。疏松的钙质砂岩也容易受冲刷破坏。钙质砂岩也容易受冲刷破坏。 2 .溶蚀（溶蚀（corrosion）：）：地下水中含有地下水中含有CO2，易溶解石灰岩易溶解石灰岩或含碳酸盐类矿物的岩石。其反应式如下：或含碳酸盐类矿物的岩石。其反应式如下： CaCO3CO2H2OCa22HCO3 此处分解而成的钙离子和碳酸氢根离子便随水消失。此处分解而成的钙离子和碳酸氢根离子便随水消失。 3 . 喀斯特（喀斯特（karst)：主要为地下水（兼有部分地表水），对主要为地下水（兼有部分地表水），对可溶性岩石进行以化学溶蚀为主、机械冲刷为辅的地质作用可溶性岩石进行以化学溶
15、蚀为主、机械冲刷为辅的地质作用以及由这些地质作用所产生的地貌，称为喀斯特（以及由这些地质作用所产生的地貌，称为喀斯特（karst）。）。 喀斯特是南斯拉夫西北部沿海一带石灰岩高原的地名，喀斯特是南斯拉夫西北部沿海一带石灰岩高原的地名，那里发育着各种奇特的石灰岩地形。十九世纪末，南斯拉夫那里发育着各种奇特的石灰岩地形。十九世纪末，南斯拉夫学者司威治（学者司威治（JCvijic）对这个地区首先进行了研究，并借对这个地区首先进行了研究，并借用用“喀斯特喀斯特”一词来称呼石灰岩地区的一系列特殊的地貌形一词来称呼石灰岩地区的一系列特殊的地貌形成过程和水文现象，至今喀斯特一词已成为世界各国通用的成过程和水
16、文现象，至今喀斯特一词已成为世界各国通用的专门术语。专门术语。 喀斯特作用也称岩溶作用，主要形成以下特征地貌（喀斯特喀斯特作用也称岩溶作用，主要形成以下特征地貌（喀斯特地貌地貌KARST TOPOGRAPHY）：）： （1）溶沟（）溶沟（karren）和石芽（和石芽（stone bud） 溶沟是石灰岩表面上的沟槽，是地表水流沿可溶性岩石表面溶沟是石灰岩表面上的沟槽，是地表水流沿可溶性岩石表面进行溶蚀和机械冲刷的结果。沟槽的宽度和深度一般由数厘米到进行溶蚀和机械冲刷的结果。沟槽的宽度和深度一般由数厘米到数米，有时更大，其形态各异。沟槽之间凸起的石脊称为石芽。数米，有时更大，其形态各异。沟槽之间凸
17、起的石脊称为石芽。 如石芽形态高大，沟坡近于直立，且发育成群，远观之宛如石芽形态高大，沟坡近于直立，且发育成群，远观之宛如森林，称为如森林，称为石林（石林（stone forest）。 （2）峰丛（）峰丛（peak cluster）、）、峰林（峰林（peak forest）和孤峰（和孤峰（isolated peak） 都是正向的喀斯特地貌。其中，峰顶都是正向的喀斯特地貌。其中，峰顶尖锐或圆锥状竞相突出，而基部相连，宏尖锐或圆锥状竞相突出，而基部相连，宏观上似簇状者称为观上似簇状者称为峰丛峰丛，它是喀斯特发展，它是喀斯特发展较早阶段的地貌。如峰体上部挺立高大，较早阶段的地貌。如峰体上部挺立高大，
18、基部仅稍许相连，称为基部仅稍许相连，称为峰林峰林（规模较大的（规模较大的石林）。耸立于喀斯特地区平原上的孤立石林）。耸立于喀斯特地区平原上的孤立山峰称为山峰称为孤峰孤峰。 （3）落水洞（）落水洞（sinkhole）：）：地表水沿近于垂直的裂隙向下溶蚀而地表水沿近于垂直的裂隙向下溶蚀而成的直立或陡倾斜的洞穴，下接地下河（成的直立或陡倾斜的洞穴，下接地下河（underground river）或或溶洞，是地表水转入地下河或溶洞的通道。在两组直立的裂隙交溶洞，是地表水转入地下河或溶洞的通道。在两组直立的裂隙交汇处，落水洞最易形成。有时许多落水洞呈串珠状分布。汇处，落水洞最易形成。有时许多落水洞呈串珠
19、状分布。 （4）溶斗（）溶斗（corroded funnel）又称漏斗，是小型洼坑。其平面呈又称漏斗，是小型洼坑。其平面呈圆形或椭圆形，直径一般由数十米到数百米；深度常为数米或数圆形或椭圆形，直径一般由数十米到数百米；深度常为数米或数十米，最深可达十米，最深可达400多米。纵剖面形态有碟状、锥状和井状等。多米。纵剖面形态有碟状、锥状和井状等。 GROUNDWATERKARST TOPOGRAPHYSurface expression of the dissolution of limestone.SINKHOLES （5）干谷（）干谷（dry valley）和盲谷（和盲谷（blind vall
20、ey） 落水洞如果发育在河床中，它可吸收河水，使其转入地下，落水洞如果发育在河床中，它可吸收河水，使其转入地下，把河流截断。落水洞以上有水流的一段河谷继续受河水侵蚀使把河流截断。落水洞以上有水流的一段河谷继续受河水侵蚀使河床降低，落水洞以下的河谷因断水遂转变成干谷，干谷谷底河床降低，落水洞以下的河谷因断水遂转变成干谷，干谷谷底相对高起。相对高起。 （6）溶洞）溶洞 系指地下水沿可溶性岩层的构造面（层面、节理面、断裂系指地下水沿可溶性岩层的构造面（层面、节理面、断裂面等）进行剥蚀，并进一步崩塌扩大形成的洞穴。形成初期，面等）进行剥蚀，并进一步崩塌扩大形成的洞穴。形成初期，孔隙孔道很小，地下水运动
21、缓慢，以溶蚀为主。空洞扩大后互孔隙孔道很小，地下水运动缓慢，以溶蚀为主。空洞扩大后互相串通，水流加强，动能增大，引起冲刷。在水平流动带发育相串通，水流加强，动能增大，引起冲刷。在水平流动带发育者多呈水平状态。者多呈水平状态。喀斯特地貌喀斯特地貌KARST TOPOGRAPHY 除溶洞水有较强的机械搬运外，地下水的搬运主要是以除溶洞水有较强的机械搬运外，地下水的搬运主要是以化学方式进行，包括真溶液及胶体溶液两种形式。化学方式进行，包括真溶液及胶体溶液两种形式。 搬运物以重碳酸盐为主，有时氧化物、硫酸盐、氢氧化搬运物以重碳酸盐为主，有时氧化物、硫酸盐、氢氧化物、二氧化硅、磷酸盐、氧化锰以及氧化铁等
22、也很重要。物、二氧化硅、磷酸盐、氧化锰以及氧化铁等也很重要。二、地下水的搬运作用二、地下水的搬运作用v 地下水搬运的成分和数量，取决于渗流区岩石性质和风化地下水搬运的成分和数量，取决于渗流区岩石性质和风化程度。程度。v 地下水的搬运能力，与水温、压力、运移速度、地下水的搬运能力，与水温、压力、运移速度、PH值及值及CO2含量有关。含量有关。v 一般说来，温度高、压力大、流速快、一般说来，温度高、压力大、流速快、CO2和酸类物质含量和酸类物质含量高时，其搬运能力强；反之，则较弱。高时，其搬运能力强；反之，则较弱。 三、 地下水的沉积作用 地下水的沉积作用以化学沉积作用为主，主要有以下两类地下水的
23、沉积作用以化学沉积作用为主，主要有以下两类: 溶洞沉积（溶洞沉积（Karst cave deposit） 热（温）泉沉积（热（温）泉沉积（Thermal spring deposit）1 .溶洞沉积（溶洞沉积（Karst cave deposit）v 富含富含Ca(HCO3)2的地下水，沿着孔隙、裂隙渗入空旷的溶洞，由的地下水，沿着孔隙、裂隙渗入空旷的溶洞，由于温度、压力改变，于温度、压力改变，CO2逸出，加之蒸发作用加强，就沉淀出逸出，加之蒸发作用加强，就沉淀出CaCO3。v 水自洞顶下滴，边滴边沉淀，可形成自洞顶向下垂直生长的水自洞顶下滴，边滴边沉淀，可形成自洞顶向下垂直生长的石钟石钟乳乳
24、(stalactite)。石钟乳横切面呈同心环带构造，核心常是空的。石钟乳横切面呈同心环带构造，核心常是空的。v 渗出水滴落洞底后，渗出水滴落洞底后，CaCO3就在洞底沉淀并向上生长形成就在洞底沉淀并向上生长形成石笋石笋(stalagmite)。石笋的形态一般为岩锥状、塔状，横切面具有同心。石笋的形态一般为岩锥状、塔状，横切面具有同心环带构造，是实心的。环带构造，是实心的。v 石钟乳与石笋长大后连成一体，称为石钟乳与石笋长大后连成一体，称为石柱石柱(stone pillar)。v 石钟乳、石笋、石柱合称为石钟乳、石笋、石柱合称为钟乳石钟乳石(stalactite)。 石钟乳、石笋和石柱的形成过
25、程石钟乳、石笋和石柱的形成过程GROUNDWATERCAVE DEPOSITS 此外，地下水沿着洞壁裂隙成层状渗出，能沉积成石此外，地下水沿着洞壁裂隙成层状渗出，能沉积成石帘、石帷幕、石瀑布和石幔帘、石帷幕、石瀑布和石幔(curtain)等。等。Jenolan Caves,AustraliaCourtesy of Jenn Murphy2. 热（温）泉沉积（热（温）泉沉积（Thermal spring deposit）v 热（温）泉水流出地表时，因压力降低、温度降低，地下热（温）泉水流出地表时，因压力降低、温度降低，地下水中的矿物质发生沉淀，沉淀在泉口的疏松多孔物质叫水中的矿物质发生沉淀，沉淀
26、在泉口的疏松多孔物质叫泉泉华华。发生在温泉出口处，沉积物疏松多孔。发生在温泉出口处，沉积物疏松多孔。v 钙质钙质(CaCO3)的的泉华泉华称为称为钙华或石灰华钙华或石灰华(travertine)，硅质硅质(SiO2)的的泉华泉华称为称为硅华硅华(siliceous sinter)。 v 泉华可堆积成泉华可堆积成锥状锥状、台阶状台阶状或或扇状扇状地貌。地貌。 (一一) 寻找地下水，促进工农业生产；寻找地下水，促进工农业生产； (二二) 热水发电，取暖；热水发电，取暖； (三三)掌握岩溶的发育规律，确保工程安全。掌握岩溶的发育规律，确保工程安全。 （四）水化学找矿；（四）水化学找矿； （五）旅游开发等。（五）旅游开发等。 第四节第四节 地下水的研究意义地下水的研究意义