第十二章 巖溶水

第十二章巖溶水第1頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第十二章巖溶水12.1巖溶發(fā)育的基本條件與影響因素12.2巖溶水系統(tǒng)的演變12.3巖溶水的特征12.4我國(guó)南北方巖溶及巖溶水的差異第2頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四巖溶(喀斯特)定義：水(主要是地下水)對(duì)可溶巖石進(jìn)行化學(xué)溶解，并伴隨以沖蝕作用及重力崩坍，在地下形成大小不等的空洞，在地表造成各種獨(dú)特的地貌現(xiàn)象以及特殊的水文現(xiàn)象，上述作用及由此產(chǎn)生的各種現(xiàn)象，稱為巖溶(喀斯特)

。作用過(guò)程：包括溶解、遷移、沉積。巖溶作用：溶蝕、沖蝕、侵蝕。結(jié)果：形成各種巖溶形態(tài)：地下：暗河、溶洞、溶隙等地表：石林、孤峰、坡立谷溝通地表和地下的：漏斗、落水洞、豎井等。第3頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四巖溶水：賦存并運(yùn)移于巖溶化巖層中的水，稱為巖溶水（喀斯特水）。研究巖溶水的意義：供水水源，水量豐富；水量豐富的巖溶含水系統(tǒng)是理想的供水水源。旅游資源：巖溶區(qū)的奇峰異洞與大泉，是寶貴旅游資源。如桂林山水；巖溶充水威脅采礦安全、增大采礦成本。水量大，分布不均勻。蓄水、引水工程的滲漏。易于發(fā)生滲漏的巖溶化巖層則給修建水利工程帶來(lái)復(fù)雜的問(wèn)題。我國(guó)可溶巖分布約占全國(guó)面積的三分之一，巖溶及巖溶水的研究具有很大的實(shí)際意義。第4頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四桂林巖溶地貌第5頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四桂林巖溶地貌第6頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四桂林巖溶第7頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四桂林巖溶第8頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四桂林巖溶第9頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四12.1巖溶發(fā)育的基本條件與影響因素巖溶是水與可溶性巖石相互作用的產(chǎn)物，巖溶化過(guò)程是水作為營(yíng)力對(duì)可溶巖層的改造過(guò)程。因此，巖溶發(fā)育必不可少的兩個(gè)基本條件是：巖層具有可溶性及地下水具有侵蝕能力?？紤]到其相互作用，又將兩者一分為二，故基本條件有四個(gè)。即：可溶性的巖石；巖石具有透水性；具有侵蝕能力的水；水是流動(dòng)的。第10頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（一）巖溶發(fā)育的基本條件可溶性巖石鹵化物巖(巖鹽、鉀鹽、鎂鹽)，硫酸鹽巖(石膏等)：分布不廣，巖體較小碳酸鹽巖(石灰?guī)r、白云巖、大理巖等)。分布廣、巖體大，有普遍意義。巖石成分對(duì)其溶解的影響

泥質(zhì)含量比較高的巖石往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性，形成的裂隙張開寬度比較小，延伸性也比較差，不利于巖溶的發(fā)育。

成份不很純的巖層一般沉積間斷比較多，多呈中厚層至中薄層，構(gòu)造裂隙往往密集、短小而均勻，有利于形成溶蝕比較均勻的巖溶含水層。

巨厚的純灰?guī)r形成的構(gòu)造裂隙往往比較稀疏、寬而長(zhǎng)，有利于形成大型巖溶洞穴，巖溶發(fā)育不均勻。碳酸鹽巖由不同比例的方解石和白云石組成，并含有泥質(zhì)、硅質(zhì)等雜質(zhì)。實(shí)驗(yàn)表明，純方解石的溶解速度約為白云石的兩倍，故純灰?guī)r要比白云巖容易溶蝕，硅質(zhì)與泥質(zhì)灰?guī)r最難溶蝕。第11頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四巖石結(jié)構(gòu)對(duì)其溶蝕作用的影響

生物礁巖最易溶蝕，它主要由生物碎屑組成，孔隙大且多。泥晶粒屑碳酸鹽巖及泥晶碳酸巖次之。亮晶碳酸巖，尤其是經(jīng)過(guò)重結(jié)晶作用的亮晶碳酸鹽巖，孔隙度小，最不易溶蝕。經(jīng)受白云巖化的白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖等，雖然增加了較難溶的白云巖，但是，由于方解石白云巖化后體積變小，孔隙度增大，有利于發(fā)育分布均勻的溶蝕小孔，多形成巖溶中等發(fā)育的均一含水層。第12頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四巖石的透水性

碳酸鹽巖的初始透水性取決于它的原生孔隙（細(xì)小）與次生裂隙，但主要取決于構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度。厚層質(zhì)純的灰?guī)r，構(gòu)造裂隙發(fā)育很不均勻，部分初始透水性差別很大，溶蝕作用集中于水易于進(jìn)入與流動(dòng)的裂隙發(fā)育部位，這是巖溶發(fā)育極不均勻的一個(gè)重要原因。

薄層的碳酸鹽巖通常裂隙發(fā)育比較均勻，連通性好的層面裂隙尤其發(fā)育。但由于其層厚限制了水的流動(dòng)，且一般含雜質(zhì)較多，故巖溶發(fā)育比較均勻而不強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為溶蝕裂隙。

泥質(zhì)灰?guī)r的構(gòu)造裂隙張開性及延伸性較差，不溶的泥質(zhì)充填裂隙會(huì)阻礙水的循環(huán)流動(dòng)，不利于溶蝕作用。總之，可溶巖經(jīng)受構(gòu)造變動(dòng)并發(fā)育構(gòu)造裂隙是巖溶發(fā)育的一個(gè)必要條件。第13頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四水的侵蝕能力

水對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕能力，主要取決于其所含的CO2。在CO2參與下，水對(duì)碳酸鹽巖的溶解作用反應(yīng)如下：

CaCO3+H2O+CO2====Ca2+十2HCO3-（1）Ca(HCO3)2的溶解度相當(dāng)大，故Ca2+和HCO3-均以離子狀態(tài)存在于水中。此反應(yīng)是可逆的，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡，溶解作用便不再進(jìn)行。如果條件發(fā)生變化（壓力降低，溫度升高），水中CO2逸出，則反應(yīng)向左進(jìn)行，重新沉淀出CaCO3。水呈酸性時(shí)，下列反應(yīng)向左進(jìn)行，將促使更多的CaCO3溶解。

CO2+H2O====HCO3-+H+

（2）因此含有機(jī)酸較多的水，溶蝕能力較強(qiáng)。同理，當(dāng)水流經(jīng)含有黃鐵礦的巖層時(shí)，由于鐵礦氧化生成H2SO4，水中H+濃度加大，溶蝕能力也加強(qiáng)，巖溶往往格外發(fā)育。富含CO2的水，在溶解CaCO3的過(guò)程中，CO2逐漸消耗減少，侵蝕性逐漸減弱以至完全消失；另一方面，水在流動(dòng)過(guò)程中，由于溫度和壓力等條件發(fā)生變化，CO2也可能重新從水中逸出，沉淀出CaCO3。逸出的CO2一般在地下不易散失，最終仍將進(jìn)入水中，使水的侵蝕性部分恢復(fù)，所以地下水經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的流程以后，仍可具有一定的溶解能力。

第14頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四地下水徑流強(qiáng)度

巖溶發(fā)育的一個(gè)必要條件是水的流動(dòng)。在水流停滯的條件下，隨著水中的侵蝕性CO2不斷消耗，最終完全喪失其侵蝕能力，溶蝕作用便告終止。只有當(dāng)?shù)叵滤粩嗔鲃?dòng)，富含CO2的滲入水不斷得到補(bǔ)充更新，水才能經(jīng)常保持侵蝕性，溶蝕作用才能持續(xù)進(jìn)行。因此，地下水的徑流條件是控制巖溶發(fā)育最活躍最關(guān)鍵的因素。

總之，不同地區(qū)，具有不同的巖性、構(gòu)造、地殼運(yùn)動(dòng)條件及補(bǔ)給條件，故水交替條件各不相同；同一地區(qū)，在不同的時(shí)期，水交替作用也有變化；水交替條件在時(shí)間和空間上的變化，正是巖溶發(fā)育在時(shí)間和空間上不均一的主要原因；而分析水交替條件則是研究巖溶形成和發(fā)育的關(guān)鍵。第15頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（二）巖溶發(fā)育的影響因素氣候因素通過(guò)補(bǔ)給而影響水流條件，從而影響巖溶的發(fā)育。我國(guó)南方降水充沛，年降水量1000mm/a以上，北方地區(qū)一般均小于700mm/a。降水愈多，水交替條件愈好，水的侵蝕性強(qiáng)，作為溶蝕營(yíng)力的水量也越多，巖溶就越發(fā)育。因而多雨的南方巖溶普遍比干燥寒冷的北方發(fā)育。

此外，南方氣溫高，有利于溶解作用的進(jìn)行，并促使植被發(fā)育的土壤中有機(jī)質(zhì)易于分解，為入滲降水及地表水提供大量的CO2和較高的氫離子濃度，從而提供了強(qiáng)大的溶蝕營(yíng)力。地形因素

地形條件有利于匯集降水的地方，巖溶往往也比較發(fā)育。地形往往決定著補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)的分布，決定了水流的去向，從而控制巖溶管道以至地下河系的主要發(fā)育方向。在一定的氣候背景之上，各種自然地理及地質(zhì)因素主要通過(guò)區(qū)內(nèi)地下水的徑流而控制巖溶的發(fā)育。第16頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四地質(zhì)因素可溶巖與非可溶巖相間分布時(shí)，在接近下伏非可溶巖的界面上，可溶巖中巖溶格外發(fā)育。這是由于下滲水流阻隔于界面上，水流在此集中，溶蝕作用特別強(qiáng)烈。巖溶受構(gòu)造的控制也很明顯。褶皺軸部，斷層帶等裂隙發(fā)育的部位，巖溶常較發(fā)育。斷層帶巖體破碎，有利于地下水匯流，常成為骨干地下河的前身。第17頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四12.2巖溶發(fā)育與巖溶水的分帶性可溶巖分布地區(qū)，在有關(guān)因素的控制下，不同部位的水交替與水流狀況不同，巖溶發(fā)育及巖溶水的動(dòng)力條件均顯示分帶性。（一）垂直分帶在厚層裸露石灰?guī)r分布區(qū)，局部的侵蝕基準(zhǔn)面控制著地下水的流動(dòng)狀況，在垂直剖面上，從地表向下，可以劃分為四個(gè)帶：第18頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

包氣帶：位于地表以下，地下水高水位以上，此帶中水流不是經(jīng)常性的。大氣降水沿裂隙垂直向下滲流，常形成垂向分布的溶斗、落水洞及豎井等。溶蝕通道之間相互連通性差，多呈孤立狀態(tài)。本帶厚度取決于當(dāng)?shù)貧夂蚺c地形條件，最大厚度可達(dá)數(shù)百米。第19頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四地下水位季節(jié)變動(dòng)帶：位于高水位與低水位之間。低水位期本帶地下水主要作垂直運(yùn)動(dòng)，高水位期基本呈水平運(yùn)動(dòng)。因此，本帶既有水平方向的，也有垂直方向的溶洞。本帶厚度取決于地區(qū)的潛水位變化幅度，由幾米到幾十米。第20頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四飽水帶：位于最低水位以下，經(jīng)常處于飽水狀態(tài)，常年有水向局部侵蝕基準(zhǔn)面排泄，多發(fā)育互相連通的水平方向的溶蝕通道。河谷附近的巖溶通道往往指向河谷，表現(xiàn)出局部承壓現(xiàn)象。第21頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四深循環(huán)帶：位于局部侵蝕基準(zhǔn)面以下一定深度，地下水運(yùn)動(dòng)不受當(dāng)?shù)睾恿鞯挠绊懀诘刭|(zhì)構(gòu)造條件的控制下，向更遠(yuǎn)更低的區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面運(yùn)動(dòng)。此帶位置較深，水交替遲緩，除局部構(gòu)造斷裂等徑流特別有利部位外，巖溶發(fā)育很弱。更向深部則徑流停滯，無(wú)溶蝕現(xiàn)象。第22頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（二）水平分帶厚層裸露石灰?guī)r分布區(qū)，巖溶發(fā)育除了垂直分帶，還有水平分帶：河流中上游及遠(yuǎn)離河谷的分水嶺地區(qū)，地勢(shì)較為高峻。降水入滲后作垂直運(yùn)動(dòng)，多發(fā)育垂直巖溶，如漏斗、落水洞、溶蝕豎井等。地表多呈峰林地形。到達(dá)地下水面以后，水流作水平運(yùn)動(dòng)，形成水平溶洞。由于水流分散且不經(jīng)常存在，故巖溶發(fā)育較弱，溶蝕通道相互連通性較差，形成較為孤立的水流，常缺乏統(tǒng)一的地下水面，但地下水面總的傾向于河谷及下游。接近河流下游及河谷地帶，以發(fā)育水平巖溶為主，水流集中而經(jīng)常，溶蝕作用強(qiáng)烈，由于洞穴擴(kuò)大導(dǎo)致坍塌，多出現(xiàn)溶蝕洼地、孤峰等。地下多形成暗河，有統(tǒng)一地下水面，水位線，巖溶泉在此集中排泄。第23頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（三）巖溶發(fā)育過(guò)程理想的巖溶水系統(tǒng)發(fā)育演化的整個(gè)過(guò)程：第24頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四當(dāng)最初在可溶巖中形成局部與區(qū)域地下水流動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，地下水在原有的孔隙—裂隙中流動(dòng)。隨著差異性溶蝕的進(jìn)行，當(dāng)裂隙溶蝕擴(kuò)展到一定程度，便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）。第25頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四侵蝕基準(zhǔn)較低的地下河勢(shì)能較低，構(gòu)成較強(qiáng)的勢(shì)匯，吸引較多的水流，使地下水分水嶺不斷向另一側(cè)遷移。溯源溶蝕不斷發(fā)展，地下河系的流域不斷擴(kuò)展。當(dāng)?shù)偷貏?shì)主干地下河擴(kuò)展到與另一側(cè)的地下河相通時(shí)，便襲奪后者使之成為低勢(shì)地下河系的一個(gè)部分。第26頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四巖溶水系統(tǒng)的流域不斷擴(kuò)展、溶蝕作用不斷進(jìn)行，地下洞穴不斷增加，介質(zhì)導(dǎo)水能力不斷加強(qiáng)，介質(zhì)場(chǎng)的演化又反饋?zhàn)饔糜跐B流場(chǎng)，使巖溶水水力坡度變小，巖溶水水位降低，使一部分原先位置較高與局部地下水流動(dòng)系統(tǒng)相適應(yīng)的巖溶洞穴管道懸留于巖溶水水位之上而干涸。而原先徑流緩慢的區(qū)域地下水流動(dòng)系統(tǒng)則水流循環(huán)加速，最終發(fā)育成為范圍包括整個(gè)碳酸鹽巖體的形態(tài)完整的地下河系。巖溶水系統(tǒng)演變的結(jié)果，是使由不同地下水流動(dòng)系統(tǒng)造成的地下河統(tǒng)一成范圍廣大、排泄集中的地下河系。第27頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四12.3巖溶水的特征（一）含水介質(zhì)特征

1.

空間分布極不均勻尺寸不等的多級(jí)次的空隙系統(tǒng)

在最典型的情況下，包含下列尺寸不等的空隙：（1）巖溶管道，通常直徑數(shù)十厘米到數(shù)米，其中還可能包括體積十分巨大的溶洞。（2）各級(jí)構(gòu)造裂隙，寬大者溶蝕顯著，細(xì)小者溶蝕微弱。

(3)成巖過(guò)程中形成的各種原生孔隙與縫隙．包括粒間孔隙，生物體腔孔，干根空，晶間孔隙；潮濕環(huán)境下形成的碳酸鹽巖，在成巖過(guò)程中與淡水接觸，還可發(fā)育各種溶蝕孔道。

(4)充填溶洞的松散沉積物的空隙。第28頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四上述成因與尺寸不等的空隙，按一定序次組合，構(gòu)成宏觀上具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的巖溶含水介質(zhì)。

廣泛分布的細(xì)小孔隙與裂隙，導(dǎo)水性差而總?cè)莘e相當(dāng)大，是主要的貯水空間；大的巖溶管道及開闊的溶蝕裂隙，主起著導(dǎo)水通道的作用；規(guī)模介乎上述兩者之間的不同級(jí)次裂隙構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，兼具貯水空間與導(dǎo)水通道的作用，聯(lián)系著主要導(dǎo)水通道與主要貯水空間。當(dāng)鉆孔或坑道揭露主要導(dǎo)水通道時(shí)，廣大范圍儲(chǔ)水空間中的水，通過(guò)貯水—導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)逐級(jí)匯集到溶蝕管道，水量極大。只揭露少數(shù)規(guī)模不大的裂隙時(shí)，匯集水量有限。打在導(dǎo)水通道與裂隙網(wǎng)絡(luò)之外的鉆孔與坑道，由于細(xì)小孔隙與裂隙導(dǎo)水性差，往往干涸無(wú)水。由此可見(jiàn)，巖溶水的宏觀統(tǒng)一水力聯(lián)系和局部水力聯(lián)系不好，水量分布的極不均勻等特點(diǎn)，是巖溶含水介質(zhì)的極度不均質(zhì)性及多級(jí)次性決定的。

第29頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（二）巖溶水的運(yùn)動(dòng)特征

（1）層流紊流共存

裂隙網(wǎng)絡(luò)與較小的溶蝕管道中的水作層流運(yùn)動(dòng)。巨大的干流通道中洪水期流速高達(dá)每晝夜數(shù)公里，呈紊流運(yùn)動(dòng)。大巖溶通道像河流（瀑漲瀑落），小溶隙滯后（類似于孔隙水）。（2）無(wú)壓流與承壓流并存巖溶水可以是潛水，也可以是承壓水。然而，即使賦存于裸露的巨厚純質(zhì)碳酸鹽巖塊中的巖溶潛水，也與松散沉積物中典型的潛水不同，巖溶管道斷面沿流程變化很大，部分管道往往完全充水而局部承壓。（3）裂隙管道徑流并存

巖溶管道與周圍裂隙網(wǎng)絡(luò)中的水流并不是同步運(yùn)動(dòng)的。雨季，通過(guò)地表的落水洞、溶斗，巖溶管道迅速大量地吸收降水及地表水，水位抬升快，形成水位高脊(圖12—7a)，在向下游流動(dòng)的同時(shí)，還向周圍裂隙網(wǎng)絡(luò)散流。枯水期，管道中形成水位凹槽(圖12—7b)，而周圍裂隙網(wǎng)絡(luò)保持高水位，沿著垂直于管道流的方向向其匯流。在巖溶含水系統(tǒng)中，局部流向與整體流向是不一致的。第30頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（4）存在獨(dú)特的徑流形式——虹吸式徑流虹吸現(xiàn)象

虹吸現(xiàn)象是液態(tài)分子間引力與位能差所造成的,即利用水柱壓力差,使水上升后再流到低處.由於管口水面承受不同的大氣壓力,水會(huì)由壓力大的一邊流向壓力小的一邊,直到兩邊的大氣壓力相等,容器內(nèi)的水面變成相同的高度,水就會(huì)停止流動(dòng).利用虹吸現(xiàn)象很快就可將容器內(nèi)的水抽出.

另外還有明流/伏流并存，地下河系和襲奪等。第31頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（三）巖溶水補(bǔ)給、排泄與動(dòng)態(tài)特征

(1)巖溶水補(bǔ)給特征

a.降水入滲系數(shù)大。我國(guó)南方的巖溶區(qū)，降水入滲常達(dá)降水量的80％以上，北方一般為40—50%。

b.水位瀑漲瀑落。降水通過(guò)落水洞、溶斗等直接流入或灌入，在短時(shí)內(nèi)，通過(guò)順暢的途徑，迅速補(bǔ)給巖溶水，水位瀑漲瀑落。

c.流入巖溶地區(qū)的河流，往往全部轉(zhuǎn)入地下。多瑙河流經(jīng)德國(guó)巖溶地區(qū)后，一年中除去幾個(gè)星期有水外，全部河水漏失，補(bǔ)給12km以外的阿赫泉，然后匯入萊因河。(2)巖溶水排泄特征

集中排泄是巖溶水排泄的重要特征。地下河系化的結(jié)果，使成百甚至成千公里范圍內(nèi)的巖溶水，集中地通過(guò)一個(gè)大泉或泉群排泄。泉流量可達(dá)1m3/s以上，洪水季節(jié)甚至達(dá)100m3/s以上，是名副其實(shí)的地下河。第32頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

(3)巖溶水動(dòng)態(tài)特征

由于巖溶水集中補(bǔ)給與排泄，水位、水量的變幅大，變化迅速而缺乏滯后。其原因是灌注式的補(bǔ)給，在主干管的暢通徑流與局部的徑流不暢，以及空隙率（給水度）較低引起。水位動(dòng)態(tài)的