水文學(xué)第8章-水文地質(zhì)基礎(chǔ)

第8章水文地質(zhì)基礎(chǔ)1.地球的形狀1975年，國際大地測量和地球物理協(xié)會公布的地球形狀數(shù)據(jù)為：赤道半徑：6378.160km兩級半徑：6356.755km平均半徑：6371.017km§8-1地球概述地球的物質(zhì)具有一定的塑性。在地球自轉(zhuǎn)離心力作用下，地球物質(zhì)從兩極向赤道緩慢移動。地球內(nèi)部的可塑性物質(zhì)存在大范圍的物質(zhì)對流，地球是一個不完全對稱梨狀球體，而不是完全對稱的旋轉(zhuǎn)橢球體。2.地球表面形態(tài)特征地球表面分為大陸和海洋兩部分。海洋占地球面積的70.8%。海底平均深度3.9km.最深的海溝是馬里亞納海溝，深度11.022km.海底的山脈稱為海嶺。比較高的海嶺稱為洋脊。海底中的長條形洼地稱為海槽。較深的海槽稱為海溝。海溝的深度普遍超過6000m。海底比較平坦的地方稱為大洋盆地，它占海底面積的45%。海洋靠近大陸的淺海海底稱為大陸邊緣。大陸邊緣的面積占海洋總面積的15.3%。大陸邊緣包括大陸架、大陸坡和大陸基。大陸架是大陸岸邊附近的淺水臺地，平均水深50~70m。大陸架外側(cè)的海底斜坡稱為大陸坡，大陸坡與大洋盆地的過渡地帶稱為大陸基。3.地球的內(nèi)部構(gòu)造揭示地球內(nèi)部構(gòu)造的方法：地震波分析法，測量地震波在地球不同深處的傳播速度，就可以推算出地球內(nèi)部物質(zhì)的密度。地球的構(gòu)造可分為地殼、地幔、地核三個部分。地殼：地球表面部分，由巖石組成。地殼厚度與地球半徑比為1/400。大洋地殼厚度約5~10km，大陸的地殼厚度約35km。地殼分上、下兩層。上層為花崗巖，是富含硅鋁的巖漿巖。下層為玄武巖，是富含鐵鎂的巖漿巖。地幔：地幔的厚度約2800km。分為上地幔和下地幔兩層。上地幔厚度約900km。由超基性巖組成。密度為3500kg/m3。溫度1200~2000℃。壓力達0.4GPa（4000個大氣壓）。下地幔厚度1900km。主要成分為硅酸鹽、金屬氧化物和硫化物。密度為5100kg/m3。溫度2000~2700℃。壓力達150GPa（150萬個大氣壓）。地核：半徑3470km的球體。分內(nèi)核、過渡層和外核。主要成分為含鐵、鎳成分的熔融液體和固體。密度為13000kg/m3。溫度3500~4000℃。壓力達360GPa（360萬個大氣壓）。巖石圈和軟流圈的概念：在上地幔厚度900km的范圍內(nèi)，還可以分為三層。上層100km的范圍是高溫高壓高密度的固體的基巖固體，稱為上地幔巖石圈，它與地殼組成地球的外表殼體。地幔上層的下方是軟基層，其厚度為300km，由接近熔融的軟性巖石組成，稱為地幔的軟流圈。其下方是上地幔的下層，厚度約500km。地球板塊理論地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，地殼分為六大板塊：歐亞板塊、太平洋板塊、美洲按快、印度澳洲板塊和南極板塊。板塊漂移理論1881年，英國費希爾認(rèn)為地幔的熔融巖石存在熱對流現(xiàn)象。20世紀(jì)30年代英國地質(zhì)學(xué)家霍姆斯用地幔熱對流來解析板塊漂流的機理。1968年，法國法國地質(zhì)學(xué)家勒皮雄與麥肯齊、摩根等人提出的一種完整的大陸漂移學(xué)說，他們認(rèn)為六大板塊各以特定的方向在地幔上作水平移動，從而產(chǎn)生各種地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。4.地球的內(nèi)力地質(zhì)作用在地球內(nèi)部能源動力的驅(qū)動下，地表形狀發(fā)生變化，巖石圈的成分和構(gòu)造也發(fā)生變化。地球內(nèi)的這種作用稱為內(nèi)力地質(zhì)作用。包括地殼運動、巖漿作用、變質(zhì)作用和地震作用。地殼運動包括水平運動和升降運動。水平運動引起巖石圈的擠壓，形成褶皺山脈和裂谷。升降運動引起地球表面大面積的上升和沉降，形成大型的隆起和凹陷。巖漿運動是地下巖漿在巨大的壓力下，沿著構(gòu)造軟弱帶或大裂隙上升，最后冷凝成火成巖。變質(zhì)作用是地殼巖石在各種地質(zhì)條件和物理化學(xué)條件下發(fā)生成分和結(jié)構(gòu)的改變，形成所謂變質(zhì)巖。地震作用是大地的快速顫動或震動。其成因是地球板塊的互相擠壓，使得地層沿斷層發(fā)生快速錯動、斷裂。5.地球的外力地質(zhì)作用地球外部的能源動力所引起的地址作用稱為外力地質(zhì)作用，包括風(fēng)化作用和地表水的沖刷及搬運作用。§8.2地殼的巖石地表巖石可分為巖漿巖（火成巖）、沉積巖、變質(zhì)巖三大類。在地面上，沉積巖分布最廣，約占陸地表面積的75%。巖漿巖和變質(zhì)巖約占25%。而地下20km深處，沉積巖僅占5%，沿江沿河變質(zhì)巖占95%。主要巖石特征表序號礦物硬度形狀顏色1滑石1片狀、塊狀白、灰2高嶺土1~1.5塊狀白3石膏2板狀白4云母2.5~3片狀白、黑5方解石3菱柱形白6褐鐵礦5塊狀褐色7輝石6柱狀白序號礦物硬度形狀顏色8赤鐵礦6塊狀磚紅色9正長石6柱狀白10斜長石6.5柱狀白11橄欖石7粒狀橄欖綠12石英7塊狀無色1.巖漿巖（火成巖）巖漿巖的主要物質(zhì)成分：SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3

，F(xiàn)eO，MgO，CaO，K2O。巖漿巖的主要礦物成分：石英、長石、輝石、云母等。常見的巖漿巖：花崗巖，呈肉色，風(fēng)化后呈黃色?；◢彴邘r，其斑晶由石英、長石構(gòu)成。正長石，微紅色或淺黃色。玄武巖，呈黑色、褐色或深灰色。2.沉積巖沉積巖是地表巖石遭受外力地質(zhì)作用進過風(fēng)化、流水搬運、海洋沉積和硬化固結(jié)而形成的巖層。沉積巖的結(jié)構(gòu)：碎屑結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶狀結(jié)構(gòu)。沉積巖的分類：碎屑巖，粘土巖、生物化學(xué)巖礫。地下水主要儲存于沉積巖中。主要沉積巖分類表類型名稱結(jié)構(gòu)成分碎屑巖礫巖礫狀（粒徑>2mm）石英角礫巖礫狀（粒徑>2mm）成分復(fù)雜砂巖砂狀（粒徑0.05~2mm）石英長石粉砂巖砂狀（粒徑0.005~0.05mm）石英粘土巖泥巖泥質(zhì)（粒徑<0.005mm）粘土礦物頁巖粘土礦物生物化學(xué)巖石灰?guī)r隱晶狀方解石白云巖結(jié)晶粒狀白云石泥灰?guī)r微粒狀或泥質(zhì)方解石白云石3.變質(zhì)巖由于發(fā)生地殼運動和巖漿運動，造成高溫高壓條件，使得地殼中原已形成的火成巖、沉積巖的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生變化，形成新種類的巖石，稱為變質(zhì)巖。常見的變質(zhì)巖：板巖：由頁巖變質(zhì)而成，深灰色。片巖：具有片狀結(jié)構(gòu)，由云母、石英組成。石英巖：由石英砂巖和硅質(zhì)巖變質(zhì)而成，質(zhì)地堅硬，呈白色。主要變質(zhì)巖分類表名稱構(gòu)造礦物成分片麻巖片麻狀主要為長石和石英。還有云母、輝石片巖片狀云母、綠泥石、滑石、角閃石千枚巖千枚狀粘土礦物、云母、綠泥石板巖板狀云母、綠泥石大理巖塊狀方解石、云母石石英巖塊狀石英。含少量云母、長石碎裂巖塊狀由原巖的碎屑和礦物碎屑組成§8.3地質(zhì)年代地質(zhì)年代是指地層形成的的年代。1.地質(zhì)年代的確定方法有絕對年代法和相對年代法。絕對年代法使用C14同位素的衰變規(guī)律確定巖層形成倒現(xiàn)在的實際年數(shù)。用放射性元素測得格陵蘭西南部的片麻葉沿具有40多一年的歷史。地球的歷史有46億年。相對年代法是用巖石標(biāo)本比對法確定巖層的形成年代。同一年代的地質(zhì)條件基本相同，所形成的沉積巖的成分、結(jié)構(gòu)相同，而且保存著那個年代特有的古生物化石。將這種具有年代特征的巖石用作標(biāo)本，采用比對法就可以確定某種巖層形成的年代。2.地質(zhì)年代表地質(zhì)年代分為5個代：新生代、中生代、古生代、元古代、太古代。代以下分紀(jì)，紀(jì)以下分世。共有12紀(jì)，32世。較新的世延續(xù)約10~30萬年。較故的世延續(xù)約150~200萬年。按從今到古的排列，有如下的地質(zhì)年代表地質(zhì)年代表代紀(jì)世絕對年代百萬年我國地史

新

生

代Kz第四紀(jì)Q全新世Q4晚更新世Q3中更新世Q2早更新世Q12現(xiàn)代地貌形成，近代松散堆積物、黃土形成，人類出現(xiàn)第三紀(jì)R上新世N2中新世N125我國大陸基本形成，臺灣島、喜馬拉雅山形成。哺乳動物、被子植物繁盛漸新世E3始新世E2古新世E170代紀(jì)世絕對年代百萬年我國地史中生代Mz白堊紀(jì)K晚白堊紀(jì)K2早白堊紀(jì)K1135大爬蟲滅亡哺乳動物出現(xiàn)侏羅紀(jì)J晚侏羅紀(jì)J3中侏羅紀(jì)J2早侏羅紀(jì)J1180我國東部造山運動激烈，恐龍繁盛，我國大部分已上升為陸地。三疊紀(jì)T晚三疊紀(jì)T3中三疊紀(jì)T2早三疊紀(jì)T1225恐龍發(fā)育，華北為陸相，華南為淺海。代紀(jì)世絕對年代百萬年我國地史古生代Pz晚古生代Pz1二迭紀(jì)P晚二迭紀(jì)P2早二迭紀(jì)P1270哺乳動物出現(xiàn)，華北為陸地，華南為淺海。石炭紀(jì)C晚石炭紀(jì)C3中石炭紀(jì)C2早石炭紀(jì)C1350兩棲動物繁茂，華北時海時陸，華南為淺海。泥盆紀(jì)D晚泥盆紀(jì)D3中泥盆紀(jì)D2早泥盆紀(jì)D1400華北為陸相沉積，華南為淺海。魚類繁茂。代紀(jì)世絕對年代百萬年我國地史古生代Pz早古生代Pz2志留紀(jì)S晚志留紀(jì)S3中志留紀(jì)S2早二疊紀(jì)S1440陸地生物出現(xiàn)，華北為陸地，華南為淺海。奧陶紀(jì)O晚奧陶紀(jì)O3中奧陶紀(jì)O2早奧陶紀(jì)C1500華北逐漸上升為陸地，華南仍為淺海。寒武紀(jì)?晚寒武紀(jì)?3中寒武紀(jì)?2早寒武紀(jì)?1600我國大部分為海相沉積。生物初步發(fā)展。代紀(jì)世絕對年代百萬年我國地史遠古代Pt震旦紀(jì)Z晚震旦紀(jì)Z2早震旦紀(jì)Z1800藻類出現(xiàn)，造山運動強烈。華北為未變質(zhì)巖的海相巖。滹沱紀(jì)2500太古代Ar4000太古構(gòu)造運動頻繁。巖漿活動強烈。侵入巖分布廣。地球最初發(fā)育階段4600地殼運動強烈§8.4地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造：在地球外力的作用下，地殼不停地作水平運動和升降運動，形成了不同的構(gòu)造形狀，如褶皺、斷裂等，這些構(gòu)造形狀稱為地質(zhì)構(gòu)造。1.巖層及其產(chǎn)狀巖層產(chǎn)狀：巖層的層面的延伸方向機傾斜角度。產(chǎn)狀三要素：走向、傾傾角。作一水平面與巖層相交，交線為走向線。對于交線上任一點分別在水平面上合眼層面上作交線的垂直線。在水平面上的垂線稱為傾向線，在巖層面上的垂線稱為傾斜線。走向：走向線所指示的方向。傾向：傾向線所指示的方向。傾角：傾向線與傾斜線的夾角。傾向傾角的表示法象限法：走向、傾角、傾向三要素用象限法表示。以北或南為零度。N30°E∠27°SE：走向為北偏東30°，傾角為27°，傾向為南偏東。方位角法：傾向、傾角用方位角表示，以北為零度，順時鐘方向測量角度。215°∠32°：傾向為215°，傾角為32°。在地質(zhì)圖上，用符號表示巖層的產(chǎn)狀。傾斜巖層平面與坡面交線的特征傾斜巖層平面與坡面交線的特征2.褶皺構(gòu)造褶皺：巖層受到地球內(nèi)力作用，局部發(fā)生隆起或凹陷，地層發(fā)生的彎曲變形，稱為褶皺。褶皺的兩種基本型態(tài)：背斜褶皺和向斜褶皺。背斜褶皺的特征：巖層隆起，在地面上，中心部分巖層年代比較古老，兩側(cè)巖層年代依次變新。向斜褶皺的特征：巖層凹陷，在地面上，中心部分巖層年代比較新，兩側(cè)巖層年代依次變老。3.斷裂構(gòu)造巖體受到地球內(nèi)部應(yīng)力作用而發(fā)生的巖層斷裂或錯動，稱為斷裂構(gòu)造。斷裂構(gòu)造分兩類：節(jié)理和斷層。節(jié)理：巖體發(fā)生較小的位移和錯動。斷層：巖體發(fā)生較大的位移和錯動。褶皺、斷層的地質(zhì)符號§8.5地質(zhì)圖地質(zhì)圖的閱讀和分析方法：1.查看圖名和比例尺。2.閱讀圖例。3.分析地形地貌，內(nèi)容：山川形勢，相對高差，地形起伏，地貌特征。4.分析巖層，包括：巖層年代，巖層分布及產(chǎn)狀。5.分析地質(zhì)構(gòu)造，內(nèi)容：褶皺，斷層。讀地質(zhì)圖1.地質(zhì)圖比例尺1：10000。覆蓋黑山寨地區(qū)面積1.2km×1.4km≈1.7km2。2.地形地貌本地區(qū)西北高，最高處高程約560m。東南部低，最低處高程約120m。地勢從北向南傾斜。東部有個小山，高程300m。3.巖層本區(qū)巖層從新到老有：新生代第三紀(jì)R，中生代白堊紀(jì)K，中生代三疊紀(jì)，晚T3，中T2

，早T1

。晚古生代的石炭紀(jì)，中C2

，早C1

。泥盆紀(jì)，晚D3，中D2

，早D1

。4.地質(zhì)構(gòu)造西北部的第三紀(jì)巖層R為水平層。白堊紀(jì)巖層K和三疊紀(jì)巖層T產(chǎn)狀為330°∠35°。可能為向斜褶皺。西南部有向斜褶皺，中心為C2

，北翼為C1

，產(chǎn)狀為170°∠34°。南翼依次有C1

，D3，D2

。南部有一個向斜褶皺，其構(gòu)造與西南部的向斜褶皺結(jié)構(gòu)相同，應(yīng)屬同一褶皺。中心為C2

，北翼為C1

，產(chǎn)狀為180°∠32°。南翼依次有C1

，D3，D2

。產(chǎn)狀為350°∠58°。顯然是斷層F1將此褶皺錯開了。南部還有一個背斜褶皺，中心巖層為D2

，兩側(cè)為D3。東北部有背斜褶皺，中心處巖層為D1

，其南翼巖層D2，D3

，C1

的產(chǎn)狀為160°∠33°。北翼巖層有D3，D2

，D1

，產(chǎn)狀為330°∠35°。東南部有背斜褶皺，中心處巖層為D1

，其北翼巖層D2的產(chǎn)狀為350°∠56°。南翼巖層有D2

，D3，C1

的產(chǎn)狀為180°∠50°。本區(qū)褶皺發(fā)生在早石炭紀(jì)之后，早三疊紀(jì)之前。本區(qū)有兩條大斷層F1和F3

。此外還有兩條小斷層F2和F4

。寧陸河地區(qū)地形地質(zhì)圖寧陸河地區(qū)地形圖寧陸河地區(qū)地質(zhì)圖寧陸河地形地質(zhì)圖1.本圖表示寧陸河地區(qū)4.5km×2.5km范圍的地形、地質(zhì)。2.寧陸河自西北流入東南。河的兩岸為高山。北部的二龍山，東西走向，海拔824m。比河谷高出約500m。西南部的扁擔(dān)峰和東部的紅石嶺，均為南北走向，海拔約為700m。南部的白云山海拔600m。十里溝位于寧陸河谷，海拔約為400m。3.本區(qū)出露的巖層，多為南北走向。自西向東的巖層依次為：P，D3，S，D3

，P，T1-2，P，D3

。河谷地區(qū)地表覆蓋第四紀(jì)松散沉積層。由于有大斷層F3

，因此，南北的巖層分布發(fā)生錯開。4.本區(qū)有三個褶皺構(gòu)造。十里溝褶皺，白玉山褶皺和紅石嶺褶皺。5.十里溝褶皺的軸部在十里溝附近，為背斜褶皺，巖層自西向東的分布次序為P，D3，S，D3

，P。受大斷層F3的影響，十里溝褶皺軸部向北偏移至寧陸河的北端河谷。6.白云山褶皺為向斜褶皺，其軸部從白云山向北延伸至二龍山。巖層自西向東的分布次序為D3，P，T1-2，P，D3。7.紅石嶺有向斜褶皺，巖層自西向東的分布次序為J，K，J。紅石嶺褶皺形成于白堊紀(jì)后期，其地質(zhì)年代晚于十里溝褶皺和白云山褶皺。8.區(qū)內(nèi)由三條斷層。F1為東西走向。綠輝石熔巖沿著斷裂層侵入二疊紀(jì)P和三疊紀(jì)T1-2巖層。綠輝石火成巖形成的地質(zhì)年代，應(yīng)在三疊紀(jì)T1-2之后，侏羅紀(jì)J之前。9.斷層F2呈南北走向。形成于二疊紀(jì)P以后。10.斷層F3是本區(qū)的最大斷層。呈東西走向。形成于三疊紀(jì)T1-2之后，侏羅紀(jì)J之前?！?.6地下水基礎(chǔ)知識1.巖層的孔隙率各類巖層內(nèi)部存在的大小不等、形狀各異的空隙，稱為巖層的孔隙。孔隙是地下水能夠儲存的空間。松散巖層由大小不等的顆粒組成。顆粒與顆粒之間的空間就是孔隙?？紫扼w積與巖層總體積的比值稱為孔隙率。常見沉積巖層的孔隙率沉積巖孔徑，mm孔隙率，%礫石>230~40粗砂2~0.240~50細砂0.2~0.0230~50粉土0.02~0.00240~50粘土<0.00245~55堅硬巖石的顆粒致密，但存在裂縫。堅硬巖石的裂縫空隙稱為裂隙。裂隙體積與巖體體積的比值稱為裂隙率。巖石裂隙率%巖石裂隙率%砂巖3~15玄武巖0.5~1.5片麻巖1.5~2.4正長巖0.5~2.5玢巖0.5~7.5花崗巖0.05~2.02.含水層以及地下水的分類含水層是能夠滲透并能儲存重力水的巖層。構(gòu)成含水層的三個條件：巖層孔隙良好，有隔水層，有水源補給。隔水層是不能滲透不能儲存重力水的巖層。巖層孔隙率越大，儲存地下水的能力就越強。隔水層是地下水能夠儲存在某處的必備條件。垂直方向的地下深處總是有不透水的基巖存在的。因此，要構(gòu)成含水層，還必須有阻隔地下水沿水平方向流動的隔水層。按照多孔介質(zhì)含水層的構(gòu)造特點，將地下水分成三種：孔隙水、裂隙水、巖溶水。按照地下水是否與大氣相通，將地下水分成潛水、承壓水。3.潛水潛水是指具有（通過孔隙）與地表和大氣相通的自由表面的地下水。地下水的自由表面稱為潛水面。一個區(qū)域的潛水面的形狀用潛水面等高線表示。一個斷面的潛水面的形狀用潛水面剖面圖表示。潛水面的形狀基本上與地形傾斜程度一致，但比地形平緩。潛水面水位圖的判讀判讀內(nèi)容：(1)流向：地下水的流向就是潛水面等高線法線方向(2)地下水單寬流量砂礫土的滲透系數(shù)k=8×10-6m/s。A-A’斷面上的地下水單寬流量的計算式為：(3)地下水面埋深點號水面埋深B8m-4.5m=3.5mC14.8m-13.5m=1.3mD25m-17m=8m4.承壓水充滿于兩個隔水層之間的含水層的地下水稱為承壓水。承壓含水層上部的不透水巖層稱為隔水頂板，下部的不透水巖層稱為隔水底板。承壓水的特點：靜壓水頭線高于頂板。水流從高壓區(qū)流向低壓區(qū)。承壓地下水的特點用等壓線描述。藍奧地區(qū)水文地質(zhì)圖1.地面地形藍奧地區(qū)是個盆地地形，最低處高程115m，在東、西、北方向地勢逐漸抬高。東北處最高