巖溶水Karstwater巖溶發(fā)育的基本條件與影響因素

第十二章巖溶水（Karstwater）第一節(jié)巖溶發(fā)育的基本條件與影響因素一、 發(fā)育的基本條件之一：巖層的可溶性及影響因素作為被水流改造的對象，可溶巖的成分與結(jié)構(gòu)是控制巖溶發(fā)育的內(nèi)因。巖層可溶性的控制因素有：米可溶巖層的成分劃分有，碳酸鹽巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云巖等；從結(jié)構(gòu)分有，豹皮灰?guī)r，生物碎屑灰?guī)r，厚層狀灰?guī)r，薄層狀灰?guī)r等。*可溶巖的透水性：巖石或巖層必須有裂隙發(fā)育，水流才能進(jìn)入其內(nèi)進(jìn)行溶蝕。通常初始裂隙或斷層發(fā)育決定了最后巖溶發(fā)育，即洞的分布特征。二、 發(fā)育的基本條件之二：地下水具有侵蝕能力分析碳酸鹽巖、水、二氧化碳之間的相互作用是研究巖溶化過程的關(guān)鍵。這是一個(gè)涉及固、液、氣三相的復(fù)雜化學(xué)體系，其化學(xué)過程通常以CaCO3-H2O-CO2體系為例進(jìn)行分析。主要反應(yīng)可以用下圖來概化（開放體系中的碳酸平衡過程）：插圖12-1開放體系中的方解石溶解的基本物理化學(xué)模式在上述模式中：以水為中心的兩條平衡途徑，分別產(chǎn)生HC°^:旨第一條途徑是大氣與水的1°』平衡，使水中增加丑+和HC°^；A第二條途徑是巖石與水的°?！恪?平衡，使水產(chǎn)生*旨兩條平衡途徑中生成的、*結(jié)合形成HC°^，使碳酸平衡體系向溶解方向進(jìn)行（插圖12-1中的黃色箭頭）影響因素一一從上述平衡模式分析含量:叫的參與是巖溶發(fā)育的重要前提。一方面當(dāng)。以溶入水中形成碳酸，或水含有其它酸類時(shí)，水對碳酸鹽類的侵蝕能力明顯增高；另一方面，水中溶解越高，上述第一條途徑向巖石溶解方向發(fā)展。爬來源主要是淺層大氣與土壤層，深部來源尚無定論］，?水的流動(dòng)：具有一定侵蝕能力的水如在碳酸鹽巖中停滯而不與外界發(fā)生交替，水的侵蝕能力終將因碳酸鹽溶入水中成為飽和溶液，而喪失其侵蝕性；因此，水的流動(dòng)是保證巖溶發(fā)育的充要條件。只有不斷更替不具侵蝕性的水，并將溶蝕與侵蝕的物質(zhì)帶去，才能留下空洞（產(chǎn)生巖溶）。第二節(jié)巖溶水系統(tǒng)的演變一、地下水流對介質(zhì)的改造一、地下水流對介質(zhì)的改造巖溶水與孔隙水裂隙水最大的不同，就是其介質(zhì)可以被改造，水流特征不斷變化，介質(zhì)特征也不斷變化。差異性溶蝕：地下水流對介質(zhì)的改造的過程可以用達(dá)西定律（V=KI）來分析，設(shè)想有個(gè)初始的介質(zhì)場（K），在水流不斷作用下，V、K、Q都會(huì)發(fā)生變化，如插圖12-1所示：插圖12-1介質(zhì)改造原理示意『?介質(zhì)的改造，K將不斷增大，伴隨流速加大，從而水流不斷匯集。卜水流對介質(zhì)的改造，從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)角度來看，這是一個(gè)正反饋過程。改造與破壞：旨差異性溶蝕的改造，水流愈來愈集中在少數(shù)通道中，少數(shù)通道則優(yōu)先發(fā)展為溶洞。*差異性溶蝕改造過程，中后期伴隨著機(jī)械破壞過程：插圖12-2演示大型溶洞形成過程的機(jī)械破壞溶蝕破壞與失穩(wěn)的破壞（圖中中心白色圈與水位，蘭色區(qū)為失穩(wěn)范圍）垮塌物質(zhì)部分由水流攜帶搬走（蘭色區(qū)失穩(wěn)，垮塌，水流搬走，水位下降為蘭色；此時(shí)，黃色區(qū)域?yàn)槭Х€(wěn)區(qū)，進(jìn)一步作用，黃色區(qū)垮塌，物質(zhì)水流搬走，水位下降為黃色線），最后形成大型溶洞。大型溶洞形成機(jī)械破壞起重要作用地下水流對介質(zhì)改造的作用結(jié)果：*介質(zhì)改造愈強(qiáng)烈，機(jī)械破壞也愈強(qiáng)*介質(zhì)改造后，地下巖體中出現(xiàn)各種規(guī)模洞穴（插圖12-3）旨地表形成溶斗，落水洞以及各種規(guī)模的洼地，匯集降水水（插圖12-3）*介質(zhì)導(dǎo)水能力增加，地下水位總體下降，水面以上巖體或洞穴失去進(jìn)一步發(fā)展的水動(dòng)力條件。*地下河系發(fā)生襲奇，河系歸并，地下河系流域不斷擴(kuò)大。插圖12-3介質(zhì)改造結(jié)果一一典型巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概化圖二、巖溶水系統(tǒng)演變過程（流動(dòng)系統(tǒng)）巖溶水系統(tǒng)演變過程大致可以分為四個(gè)階段：巖溶發(fā)育初期流動(dòng)系統(tǒng)、局部巖溶水系統(tǒng)形成、巖溶水系統(tǒng)的襲奪、統(tǒng)一的地下水河系的形成。一個(gè)理想的巖溶水系統(tǒng)發(fā)育演化的整個(gè)過程（圖12—5）為例分析。*初期流動(dòng)系統(tǒng)（圖12—5a）:地下水在原有的孔隙一裂隙中流動(dòng)，流動(dòng)系統(tǒng)與流網(wǎng)特征，取決于初期裂隙發(fā)育和勢源匯的分布，通常與連續(xù)分布的孔隙或均勻發(fā)育的裂隙流場特征一致。*局部巖溶水系統(tǒng)（圖12—5b）:隨著差異性溶蝕的進(jìn)行，巖溶水自組織現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)裂隙溶蝕擴(kuò)展到一定程度，形成與局部地下水流動(dòng)系統(tǒng)相適應(yīng)的多個(gè)地下管道系統(tǒng)（地下河）（圖12—5b）。*巖溶水系統(tǒng)的襲奪（圖12—5c）:在多個(gè)管道局部系統(tǒng)上，侵蝕基準(zhǔn)低的地下河勢能較低，構(gòu)成較強(qiáng)的勢匯，吸引更多水流，地下分水嶺發(fā)生偏移。溯源溶蝕的發(fā)展，低勢地下河系的流域不斷擴(kuò)展，擴(kuò)展到與另一側(cè)（地勢較高）的地下河時(shí)，便發(fā)生襲奪，地勢較高系統(tǒng)成為低勢地下河系的一個(gè)部分（圖12—5c）。旨統(tǒng)一的地下水河系的形成（圖12—5d）:巖溶水系統(tǒng)演變的自組織性，系統(tǒng)的襲奪不斷發(fā)生，最終使由不同地下水流動(dòng)系統(tǒng)造成的地下河統(tǒng)一的地下河系。其特點(diǎn)為：統(tǒng)一的地下河系區(qū)域，巖溶水水力梯度小，水位低，位置較高與局部地下水流動(dòng)系統(tǒng)的巖溶洞穴管道懸留于水位之上而干涸，或者說包氣帶中仍保留各種類型的溶洞。初期為區(qū)域地下水流動(dòng)系統(tǒng)的水流循環(huán)加速，最終發(fā)育完整的地下河系。

統(tǒng)一的地下水河系，通常分布在整個(gè)碳酸巖鹽地區(qū)，范圍大、排泄集中，系統(tǒng)內(nèi)巖溶形態(tài)齊全，即：垂直落水洞，漏斗，過路溶洞（無水），常年有水地下河道（參見插圖12-3）。圖12—5巖溶水系統(tǒng)演化過程示意圖（a）碳酸鹽巖（b）局部巖溶水系統(tǒng)形成階段（c）巖溶水系統(tǒng)的襲奪（d）統(tǒng)一地下河系的形成1—碳酸鹽巖；2一隔水層；3一地下水位；4一水的流向；5一泉；6一充水巖溶管道；7一干涸管道三、影響巖溶水系統(tǒng)演變的因素（1）構(gòu)造的開啟性構(gòu)造開啟程度不同，影響巖溶含水系統(tǒng)的地下水徑流交替條件，使巖溶發(fā)育程度不同。如圖12—1：>a含水系統(tǒng)無隔水層覆蓋，有利于接受降水補(bǔ)給與徑流排泄，巖溶最為發(fā)育。>b含水系統(tǒng)上覆隔水層，但斷層導(dǎo)水，徑流條件較差，巖溶發(fā)育較差。"含水系統(tǒng)上覆隔水層且斷層不導(dǎo)水，除裸露區(qū)淺部有短程地下水徑流，有一定的巖溶發(fā)育，深部地下水不發(fā)生徑流，無巖溶發(fā)育。密anm擊圖12-1不同構(gòu)造開啟程度巖溶含水系統(tǒng)中巖溶發(fā)育條件1一非可溶巖隔水層；2—石灰?guī)r；3—導(dǎo)水?dāng)鄬樱?—不導(dǎo)水?dāng)鄬樱?—潛水面；6—地下水流線；7—泉可溶巖與非可溶巖地層組合在可溶巖與下伏隔水層的接觸面上往往會(huì)發(fā)育成層的溶洞，這是由于水流下方受阻，流線密集于接觸界面上所致(圖12—3)。地殼運(yùn)動(dòng)當(dāng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起侵蝕基準(zhǔn)面升降時(shí)，地下水流動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生變化，從而影響巖溶的垂直分帶。間歇性垂向運(yùn)動(dòng)：如圖12—4,地下水的流動(dòng)系統(tǒng)可以區(qū)分為非飽和流動(dòng)系統(tǒng)、局部流動(dòng)系統(tǒng)與區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)。地下水以大氣降水的間歇性垂向運(yùn)動(dòng)為主，與此相應(yīng)，常形成垂向發(fā)育的溶蝕裂隙、落水洞、溶斗及豎井等。

圖12-3碳酸鹽巖與下伏個(gè)水層界面上巖溶發(fā)育示意圖(a)流線示意分布；(b)巖溶示意分布1—石灰?guī)r；2—隔水層；3—地下水位；4—流線；5—泉；6—河流；7—溶蝕管道及裂隙地殼持續(xù)上升：如果地殼持續(xù)上升，飽和帶以下水流系統(tǒng)不斷轉(zhuǎn)化為非飽和帶的垂直水流，整個(gè)碳酸鹽巖體水平巖溶便不發(fā)育，且以垂向溶蝕裂隙及規(guī)模不大的垂向洞穴為主。多階段間歇性抬升與較長時(shí)期的穩(wěn)定相交替：相應(yīng)穩(wěn)定時(shí)期的侵蝕基準(zhǔn)面，可能找到若干層以水平為主的洞穴。穩(wěn)定期后的下降運(yùn)動(dòng):在較長穩(wěn)定時(shí)期形成的水平溶洞，由于后期下降運(yùn)動(dòng)，會(huì)受到后期沉積物的埋沒，則形成埋藏型的巖溶發(fā)育帶。圖12-4地下水流動(dòng)系統(tǒng)與巖溶發(fā)育垂直分布1—石灰?guī)r；2—隔水層；3—地下水位；4—分帶界限；5—包氣帶水流向；6—地下水流線；7—溶蝕裂隙及管道；I—包氣帶；II—局部巖溶水系統(tǒng);III—區(qū)域巖溶水系統(tǒng)第三節(jié)巖溶水的特征一、巖溶水的運(yùn)動(dòng)特征巖溶水的運(yùn)動(dòng)特征受到巖溶系統(tǒng)的空隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的影響（圖12-6），空隙（裂隙-溶洞）網(wǎng)絡(luò)非均質(zhì)性越大，則裂隙-溶洞網(wǎng)絡(luò)中水的運(yùn)動(dòng)差異就越大。圖12—6巖溶含水介質(zhì)示意圖1—巖溶管道；2—裂隙（被溶蝕擴(kuò)大與未被溶蝕擴(kuò)大的）；3—原生孔隙；4—洞穴堆積物中的孔隙；5—水流方向（箭頭長度代表水流大?。r溶系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)有：*層流與紊流共生*有壓與無壓共存*運(yùn)動(dòng)方向的不同步（局部與整體不一致）*水位變化也不一致*缺乏統(tǒng)一的地下水位二、巖溶水的補(bǔ)給，排泄與動(dòng)態(tài)補(bǔ)給方式一灌入式：強(qiáng)烈?guī)r溶化地區(qū)，降水匯集到處于低洼的溶斗、落水洞等直接灌入，短時(shí)間內(nèi)即可順暢地達(dá)到巖溶水水面。入滲系數(shù)大（南方達(dá)60—80%，北方30%）。排泄一一集中大泉（或地下河）：地下河系化，使數(shù)百甚至數(shù)千切范圍內(nèi)降水構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的水系，由一個(gè)巖溶泉或泉群集中排泄，泉流量可達(dá)l誠以上，洪水季節(jié)甚至可達(dá)100歐以上，是名符其實(shí)的地下河。動(dòng)態(tài)一一很不穩(wěn)定：巖溶化在程度愈高，動(dòng)態(tài)愈不穩(wěn)定