岩溶发育的基本条件.ppt

岩 溶 学 及 应 用,第二章 岩溶发育的基本条件,第一节 概述 第二节 岩石的可溶性 第三节 岩石的透水性 第四节 岩溶水溶蚀力 第五节 岩溶水的运动 第六节 岩溶发育的自然因素,第一节 概述,可溶性岩石是岩溶发育的物质基础，水是岩溶发育的基本条件。就岩石而言，首先必须是可溶的，其次必须是透水的，这样水才能与它们发生作用。就水而言，必须有溶蚀力，其次水是流动的。因此，岩石的可溶性、透水性和水的溶蚀性、流动性就成为岩溶作用和岩溶发育的基本条件。此外，气候、地形、生物和土壤等自然条件也作为岩溶发育的外因。,第二节 岩石的可溶性,一、可溶性岩石分类 可溶性岩石的化学成分、矿物成分和岩石结构对岩溶的发育速度、发育程度和发育特征都有明显影响。按岩石的化学成分和矿物成分不同，可溶性岩石基本上可分为三类：（1）卤盐类岩石：石盐、甲盐（2）硫酸盐类岩石：石膏、芒硝；（3）碳酸盐类岩石：石灰岩、白云岩及其过渡岩石；就溶解度而言，卤盐硫酸盐碳酸盐。但卤盐和硫酸盐在自然界的分布很少，而碳酸盐岩分布广泛。因此，碳酸盐岩形成的岩溶现象要普遍得多、典型得多。,卤盐类岩石-岩盐,岩盐常用以表示由石盐组成(化学成分为NaCl的岩石)一般石盐常用来指岩盐。因为它们都是由盐水在封闭的盆地中蒸发而形成盐矿床，因此也被称为卤化物矿物。石盐矿层一般厚几米到300多米，而在干旱地区则以盐霜的形式出现，在盐泉附近以蒸发产物出现，在火山地区以升华物产出。,石膏,石膏是一种矿物名，主要化学成分是硫酸钙（CaSO4），主要是古代盐湖或潟湖的沉积物。石膏用作一种农业肥料，可以改良碱性土壤，用于一般中性或酸性土壤，可以改善土壤结构。广泛用于工业材料、医学材料和建筑材料。可用于水泥缓凝剂、石膏建筑制品、模型制作、医用食品添加剂、硫酸生产、纸张填料、油漆填料、骨折固定等，也能做为黑板用的粉笔。,石膏,碳酸盐岩,碳酸盐岩是主要由方解石和白云石等碳酸盐矿物组成的沉积岩。石灰岩和白云岩是碳酸盐岩的主要岩石类型。碳酸盐岩分布很广，在沉积岩中居第三位。,化学成分：主要化学成分：CaO、MgO、CO2次要化学成分：SiO2、TiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、K2O、Na2O、H2O等石灰岩的化学成分：CaO占42.61%;MgO占7.9%;CO2占41.58%;SiO2 占5.91%,(纯)白云岩的化学成分：CaO占30.4%;MgO占21.8%;CO2占47.8%;,碳酸盐岩的成分特征,（二）同位素：A.18O/16O：区分海陆相、古海水盐度、水温变化、海陆变迁B.13C/12C 和14C：区分海陆相、古海水盐度、水温变化、海陆变迁,14C定年。海相：重同位素含量高,碳酸盐岩的成分特征,矿物成分分类和结构成因分类矿物成分分类（方解石或白云石）50为基本名 5025 质（白云质灰岩）2510 含质（含白云质灰岩）10 不参加命名,二、碳酸盐岩的分类,（一）碳酸盐岩矿物成分分类 根据方解石和白云石相对含量划分的岩石类型,碳酸盐岩的分类,根据方解石、白云石、粘土（或砂）相对含量划分的岩石类型,二、碳酸盐岩的分类,石灰岩(Limestone)简称灰岩，以方解石为主要成分的碳酸盐岩。有时含有白云石、粘土矿物和碎屑矿物，有灰、灰白、灰黑、黄、浅红、褐红等色，硬度一般不大，与稀盐酸反应剧烈。,白云岩，是一种沉积碳酸盐岩。主要由白云石组成，常混入石英、长石、方解石和粘土矿物。呈灰白色，性脆，硬度小,用铁器易划出擦痕。遇稀盐酸缓慢起泡或不起泡，外貌与石灰岩很相似。较石灰岩坚韧。在冶金工业中可作熔剂和耐火材料，在化学工业中可制造钙镁磷肥、粒状化肥等。此外，也用作陶瓷、玻璃配料和建筑石材。另外福建漳州有名为白云岩的景点,白云岩,第三节 岩石的透水性,一、酸盐岩的孔隙和裂隙 1孔隙 孔隙特点：孔隙是碳酸盐岩主要结构组分之一，随沉积物的颗粒类型、大小、形状、圆度、分选，以及充填在颗粒之间的胶结物的含量而变化，还受成岩过程、溶蚀作用和沉积后矿物变化的影响。,可溶性岩石的透水性取决于岩石的孔隙和裂隙。对岩石来说，裂隙比孔隙更重要。,孔隙的成因类型有：（1）粒间孔隙 指存在于各颗粒之间的孔隙，是在沉积时由颗粒之间的相互支架形成的原生孔隙。此种孔隙具有较高的孔隙率和较好的渗透率，常见于灰岩。（2）粒内孔隙 在沉积前颗粒生长过程中形成的原生孔隙，如生物体腔内的孔隙。这种孔隙的绝对孔隙度可以很高，但有效孔隙度不一定大，渗透性不好。（3）结壳孔隙或生物骨架孔隙 在原地生长的造礁生物骨架之间留下的孔隙，具有较高的孔隙度和渗透率。（4）泥晶孔隙（5）晶间孔隙（6）溶蚀孔隙,2裂隙裂隙成因类型：（1）构造裂隙 岩石受构造应力的作用而产生的裂隙。其特点是边缘平直、延伸远，有一定方向，成组分布。构造裂隙是最主要的裂隙类型，也是地下水最主要通道。它的形成、方向、性质和密度，在很大程度上决定于该区的褶皱与断裂错动的关系。,（2）层理裂隙 指原生层理裂隙，它是在岩石形成过程中产生的。当岩层平缓或微微倾斜，这种裂隙对岩石的透水性起着决定性作用。（3）风化裂隙 分布在地表最上层的由于风化作用使岩石上层的构造裂隙和层理裂隙变宽形成的。,裂隙分布特点：（1）在垂直剖面上，往往发育在一定层位，具层位性，主要受岩性控制（是内因）；岩石的脆性越大，裂隙越发育。可溶性岩石的脆性排序为：白云岩云灰岩灰岩泥灰岩盐岩石膏。（2）在平面上，发育在构造的一定部位，受局部构造条件控制（是外因），与大地构造关系不大。（3）水对它有改造作用。,二、碳酸盐岩的空隙性指标,一般认为，孔隙是地下水的储藏空间，而裂隙是地下水溶蚀、运移的主要通道。我们把孔隙和裂隙统称为空隙。孔隙度是碳酸盐岩储水性和透水性的一个主要参数。可以根据岩石的比重、容重求得。但在生产实践中，通常用到的指标有：空隙率、溶孔率、溶洞率。空隙率是指岩石单位体积内含有的孔隙和裂隙的体积（M3/M3）；溶孔率是指已溶蚀岩石单位体积内细小溶孔所占有的体积（M3/M3）；溶洞率是单位面积内溶洞的体积（M3/KM2）；,三、影响碳酸盐岩透水性的其他因素1不透水岩层和透镜体的影响2岩层的产状和厚度的影响,第四节 岩溶水溶蚀力,一、CO2的来源 水的溶蚀力是岩溶发育的必要条件。天然水的溶蚀力主要取决于其中的碳酸含量，即游离的CO2。过去一般认为，大气降水是溶蚀水的主要来源，这是一种误解，仅仅靠雨水中CO2的是很难溶解可溶性岩石的，即便是雨水，那也只能在近地表附近几米深处溶解一些石灰岩，但在地下深处形成巨大溶洞和通道，就无能为力了。,研究证明，CO2主要来自于土壤层，在土壤中有亿万微生物在制造CO2。岩溶发育与生命活动密不可分。另外，大的洞穴不是靠水的溶解作用形成的，溶蚀作用只是在岩溶发育的初期和早期起主要作用。当发育了紊流通道后，地下水的冲蚀、侵蚀就居于主导地位。,二、碳酸盐岩溶蚀的化学机制 碳酸盐岩溶蚀过程的化学机制是CO2、水和岩石间的化学反应过程。过程为：CO2进入水中转变为溶解的CO2：大气、土壤层CO2 溶解CO2溶解的CO2与水作用形成碳酸：CO2+H2O H2CO3碳酸的离解：H2CO3 H+CO32-碳酸钙的溶解：CaCO3 Ca2+CO32-碳酸离解的H+与碳酸钙溶解的CO32-化合：H+CO32-HCO3-CaCO3+CO2+H2O Ca2+2HCO3-,水中的CO2不断消耗，破坏了外界平衡，必然要吸收外界的CO2，达到新的平衡关系，这样不断补充新的能量，使反应链进行下去，岩石逐渐溶解。另外，温度是不可忽视的因素，估计温度每增加10度，反应速度约提高1倍，热带灰岩的溶蚀速度比高山和极地高出4倍。,第五节 岩溶水的运动,水对可溶性岩石进行溶蚀、侵蚀破坏时，必然伴随着地下水的运动和交替。岩溶地下水的动态变化因地而异，主要决定于岩石的透水程度、补给条件和排泄条件。一、按成因类型分类 1水文型 靠近河流、湖泊、海岸的地下水，与河、湖、海连通，水位动态与地表水位变化一致。2气象型 裸露岩溶区的地下水动态直接受气象因素控制。3稳定型 处于深部缓流循环带或层间含水层的岩溶水，基本上不受降雨影响，动态曲线较稳定。4周期型 流量曲线具有周期性的升降变化。,二、水动力剖面垂直分带特征,图2 峰丛洼地地下水垂直分带特征垂直循环带；2.季节变化带；3.水平循环带；4.虹吸管式循环带；5.深部循环带,又称为充气带，位于潜水位之上，平时一般无水或不为水充满；在降雨过程中，水从坡面及地表沿土的孔隙或基岩垂直裂隙向下渗透，溶蚀和机械冲刷作用都较弱。本带的深度取决于潜水面的位置，地下水位埋藏越深，垂直循环带厚度越大，机械冲刷力越小，对表层岩土体的稳定越有利。,（1）垂直循环带,（2）季节变化带 是垂直循环带逐渐向水平循环带过渡的中间区域，水流运动方式随季节的变化而有所改变。在丰水期，潜水面升高，水力坡降减小，从地表渗下的水流以近似水平运动为主，流量增大，对岩土体的横向冲刷作用也增强；而在枯水干旱季节，地下水位降低，渗径减短，水力坡降增大，但流量减小，地下水将以垂直方向运动为主。,（3）水平循环带 该带为水体所饱和，又称为饱水带。在地下岩溶管道中，常表现为形态不规则的地下暗河，该带水流主要沿水平方向运动，从补给区流向排泄区，愈接近排水基准面，这种水平运动愈明显。在雨季，本带水量集中，渗透系数大，常表现为紊流运动，仅在接近补给区，岩溶管道狭窄或裂隙不发育，渗透系数较小时具层流性质。,（4）虹吸管式循环带 本带承接上部的水平循环带，但地下水的运动特征有显著不同。本带一般位于地下暗河河床之下，水完全具有承压性质，主要以虹吸管式沿基岩溶蚀裂隙缓慢流动，流量较小，以层流运动为主，对基岩潜蚀作用较若。（5）深部循环带 本带地下水在水文网的直接影响范围以外运动，沿着地下深部的细小溶隙，十分缓慢地流向排泄区，埋藏越深，流速越小，甚至近于停滞，对上部岩体稳定影响微弱。,第六节 岩溶发育的自然因素,岩溶发育，除必不可少的岩石可溶性和透水性、水的溶蚀力和流动等基本条件外，自然环境因素对岩溶发育也有明显的影响，其中，尤以气候、植被、土壤和地貌较为显著。,一、气候对岩溶发育的影响 可溶性岩石溶蚀作用的强弱，是受气温的高低、雨量的多少等因素影响的。在各种气候带内均有岩溶发育，甚至在永久冻结地区也有，只是岩溶发育速度、发育部位和发育特征有很大不同。,(1)温 度,表5 白云岩的溶解量,（2）雨量,降雨多，可以影响水的渗透条件和水的交替运动，使新鲜的CO2不断得到补充，溶蚀作用大大增强。,（3）岩溶发育随气候变化呈分带性,表6 气候带岩溶发育情况,太平洋中的新几内亚岛位于赤道带，岛上有高山，山顶皑皑积雪。据实地考察，该岛高山随海拔高度的变化，岩溶地貌也发生相应的变化，岩溶具明显的垂直分带性。,表7 新几内亚岛高山岩溶的垂直分带,二、植被、土壤对岩溶发育的影响 1植被对岩溶作用的影响表现为三方面：（1）植物根部的机械破坏作用以及分解的植物残余物、腐殖质，能产生大量的游离CO2。,表8 我国各自然带森林凋落物数量,（2）植被覆盖可增加空气湿度和降水，截留径流，减弱地表径流，加强下渗作用，有利于潜蚀作用，促使地下岩溶发育。（3）由于植被大面积覆盖，不能形成厚层地表径流，阻碍地表冲刷作用，地表岩溶发育缓慢，地下岩溶作用加剧。,2土壤对岩溶作用的影响 岩溶水中的CO2主要来源于土壤，而不是空气。土壤中的CO2是由土壤中的亿万微生物制造的。要发育大型洞穴，它的地表必须有土壤覆盖层。,表9 不同地带土壤空气中的CO2含量（%）,表10 我国各地的溶蚀率,三、地貌对岩溶发育的影响 1地面坡度的影响 地面坡度愈缓，渗透量越大，岩溶较发育；坡面越陡，径流速度越快，渗透量越小，岩溶发育就越差。如广西，在岩溶平原上，漏斗发育，分布密集；在坡度较大的地方，漏斗就少得多。2切割深度的影响 在岩溶平原区，垂直渗入带浅，容易发育埋藏较浅的地下廊道和暗河。在宽平微切割的分水岭地带，垂直入渗带也较薄，可在不深处发育水平岩溶形态。在深切割的山地、高原，垂直入渗带特别厚，地下水埋藏深，以发育垂直岩溶形态为主，只在很深的潜水面附近才发育水平岩溶形态。,3地貌构造单元的影响 在质纯厚层碳酸盐岩分布的地台区，从河谷到分水岭，可分成几个成因地段：（1）岸坡地段 一般地面坡度较陡，如果覆盖层厚、透水性差，大气降水渗入条件差，那么岩溶就不发育；若覆盖层较薄、岩石透水性良好，特别是当岸边剪切裂隙相当发育时，岩溶就会强烈发育，在地下水季节变动带更为明显。,（2）谷坡 位于岸坡之上，具有明显向河谷倾斜的缓坡。在地下水饱和带内，岩溶发育有两种情况：一种是新切割的年轻河谷谷坡，尚保留着原来的水动力条件，水的流向以水平运动、发育水平岩溶形态为主；另一种是古老深谷地区，地下水的水面比降较大，地下岩溶向河谷方向强烈发育。（3）分水岭地段 为界于两河谷谷坡之间的分水岭高地，在降雨入渗条件良好的情况下，岩溶发育具有明显的垂直分带性。,作 业,一、名词解释 岩溶作用二、简答 简述碳酸盐岩溶蚀的化学机制？三、论述题 岩溶发育的条件有哪些？,