地质学-第7章地下水的地质作用.ppt

第七章 地下水的地质作用,第一节 概述第二节 地下水的潜蚀作用第三节 地下水的搬运作用和沉积作用第四节 古岩溶,2学时，观看神秘的地下世界1学时。,第一节 概述,地下水（underground water）：是埋藏在地表以下岩石和松散堆积物空隙中的水体。井(well)和泉(spring)是它的露头。地下水的类型：（1）渗入水由地表水（包括大气降水及地面河、湖中的水）的下渗聚集而成。（2）凝集水由大气中的水汽直接进入岩石或土壤孔隙中冷凝而成。（3）埋藏水（或古水）随着沉积物的堆积被埋藏在地下的水。（4）原生水岩浆活动过程中冷却析离出的水。后三者在地下水中所占比例极小。,一、地下水的化学成分和物理性质,1、化学成分 地下水中常溶有一定数量的气体和矿物质。溶解于地下水的气体O2、N2、CO2、H2S等。地下水中的矿物质Na+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42-、HCO3-、Fe2O3、Al2O3其含量随地而异，主要与流经地段的岩石性质有关。气温、生物活动及地下水补给条件等，都会对地下水的化学成分有影响。2、地下水的物理性质主要有透明度、颜色、嗅味及味感等。,二、地下水的储存及运动条件,地下水能在岩石中储存和运动是因为岩石中有一定的空隙。空隙的类型孔隙、裂隙和溶隙。岩石中空隙的数量、大小及连通情况对地下水的储存、流动特点起着重要影响。空隙率（porosity）衡量空隙数量的指标，即空隙总体积占岩石总体积的百分比。影响空隙率的因素岩石结构、胶结程度、碎屑颗粒均匀程度、埋深。,裂隙水,透水性（permeability）：岩石能透过地下水的性能。透水层（permeable bed）：地下水易于通过的岩石层。含水层（aquifer）：能透过或保存地下水并能在重力作用下释放出相当数量水的岩层。隔水层（impervious bed）：地下水不易透过和储存的岩层。,各种岩石的透水性能,亚沙土、亚粘土是介于粘土和砂土之间的一种地基土。它的特征分别接近沙土和粘土，但颗粒较沙土细、较粘土粗，可塑范围较粘土小。粘土亚粘土亚沙土沙土土沙沙,三、地下水的运动特点,地下水在岩石空隙中的存在形式随岩石的空隙及含水量大小而有所不同。吸着水、薄膜水、毛细水、重力水（1）吸着水（hydroscopic water）：水量少，水分子因静电引力作用，吸附在岩石颗粒表面或孔隙壁面上。（2）薄膜水（thinfilm water）：水的厚度大于几个或几百个水分子的直径时，形成的薄膜状水。,（3）毛细水（capillary water）：水量增多，孔隙孔径小，水受表面张力(液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力)作用，逆重力方向运动的水。（可以被植物吸收）（4）重力水（gravity water）：孔隙孔径大，水的重力大于其表面张力和静电引力，水受重力影响而发生垂直渗流的水。（运动性最强，是地下水的主要研究对象）,包气带（aeration zone）：空隙中没有充满水的带，地下水垂直运动。地下水垂直运动带 饱水带（saturation zone）：地下水下渗时，遇到隔水层阻隔而汇集起来，当水充满空隙时，则形成饱水带。地下水水平运动带,地下水的垂直分带,季节变动带,四、地下水的基本类型,据地下水的运动状态、埋藏条件，可以把地下水分为：包气带水、潜水、层间（承压）水1包气带水：包气带水是埋藏在包气带中的地下水。其中，埋藏在土壤中的也称为土壤水。当水通过包气带下渗时，重力水可以在包气带中的局部隔水层上受阻积聚，形成“上层滞水”。,2潜水（phreatic water）：指埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，具有自由表面的重力水。潜水面隔水层之上，潜水的自由水面。潜水面受地形，构造因素的影响，可以有起伏。3承压水（confined water）：指埋藏在两个稳定隔水层之间的透水层内的重力水。又称为层间水（interlayer water）。,承压水的类型,地下水按其所贮存岩石的空隙特点又可分为：孔隙水主要埋藏于各种成因的松散堆积物和风化基岩的表层。裂隙水贮存于裸露基岩的风化裂隙、岩浆岩的原生裂隙、各种岩石的构造裂隙、断层和构造破碎带中。岩溶水贮存于因溶蚀形成的缝隙或溶洞中。,五、地下水的露头,井泉井（well）（饮水不忘挖井人，吃米不忘袁隆平）是人工揭露的地下水露头，一般民用井只到达上层滞水或潜水，一些深井则可揭露到承压水，因而可获得水量稳定、水质好的地下水。地下水的开采不能超过一定限度。否则会导致地面下沉。,地面塌陷,袁隆平1950年大一期末考试成绩单,袁隆平1950年大一期末考试成绩单清楚地表明：袁隆平当时农学课程成绩并不很突出，反而英文成绩特别好，高达93分。国文64分，植物学65分，普通化学60分，地质学88分，农业概论88分，气象学84分，农场实习67分。他专业成绩在班上仅相当于中等。对此，西南大学教授、国际著名蚕学专家向仲怀表示，成绩并不代表实际能力，袁隆平自己也说过：“书本很重要，电脑很重要，但书本和电脑都种不出水稻”。这验证了一句古诗所讲的道理：“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。”,泉（spring）是地下水的天然露头。是地下水在适当条件下溢出地面的自然现象。泉的分类方案：（1）根据泉水溢出情况，一般把泉分为上升泉和下降泉。（2）根据泉的成因可分为接触泉、断层泉和侵蚀泉。（3）根据泉的温度可分为普通泉、温泉和冷泉。（4）部分泉水中可溶有各种矿物质（如碳酸、硫、氟等，甚至含放射性元素），这种泉称为矿泉（mineral spring）。,接触泉透水层和不透水层的接触面正好遇到地面，于是在岩层里流动的地下水，就会沿着接触面流出地面，这种泉叫接触泉。断层泉地下发生了断层，一侧的含水层正好碰上了不透水层，地下水也会沿着断层溢出地表，这种泉叫断层泉。裂隙泉因岩层有裂隙，这种裂隙正好在地表附近，地下水就会沿着裂隙趁机流出地面，这种泉称为裂隙泉。上升泉上升泉由承压水补给，在压力作用下由地下冒出，有时可喷涌高出泉口几米甚至数百米；下降泉由潜水补给，一般从侧向流出。,被称为“天下第一泉”的名泉,江西庐山的谷帘泉江苏镇江的中泠泉北京西郊玉泉山的玉泉山东济南的趵突泉四川峨眉的玉泉等。,趵突泉，三窟并发，声如隐雷，“泉源上奋，水涌若轮”。泉水一年四季恒定在摄氏18度左右。历代著名文学家、哲学家、诗人诸如曾巩、苏轼、张养浩、王守仁、蒲松龄等都有吟泉佳作和美文。,趵突泉清诗别裁,泰山之水环山来，阴崖汩汩逝不回。（自注：源发于岱崖之阴，至渴马崖始伏。）陡然一落不复见，渴马立壁空崔嵬。济南城西天下绝，珍珠金线交横发。伏流到此倏复通，平地跳出三白龙。初疑风雨至，万籁翻空波撼地。继若骊宫倾，珠玑瑟瑟腾光晶。雷奔箭激不可以逼视，夭矫势欲升天行。其旁有高楼，缥缈如仙灵。流丹百仞映涯涘，飞沫万点喷檐楹。挥手倚楼坐，对此可以倾醁醽。吾闻匡庐瀑，天绅倒挂双峰麓。又闻太华顶，绿净红酣池万顷。未若兹水虚可惊，倒行逆出相喧争。乘风我欲破空去，转恐平地洪涛生。,老残游记 清刘鹗 第三回 金线东来寻黑虎 布帆西去访苍鹰,老残先到趵突泉上吃了一碗茶。这趵突泉乃济南府七十二泉中的第一个泉，在大池之中，有四五亩地宽阔，两头均通溪河。池中流水，汩汩有声。池子正中间有三股大泉，从池底冒出，翻上水面有二三尺高。据土人云：当年冒起有五六尺高，后来修池，不知怎样就矮下去了。这三股水，均比吊桶还粗。池子北面是个吕祖殿，殿前搭着凉棚，摆设着四五张桌子、十几条板凳卖茶，以便游人歇息。,腾冲一泓热海，直径3米多，水深1.5米，水温达97，,第二节 地下水的潜蚀作用,地下水的剥蚀作用称潜蚀作用（underground corrosion）。按作用的方式可分为机械、化学两种。地下水主要在岩石空隙中渗流，流动缓慢，水量分散，冲击力甚小，所以其机械潜蚀作用占次要地位；但水中常富含CO2和各种溶剂，这些成分能与组成岩石的矿物颗粒广泛接触并发生化学反应，因而化学潜蚀作用显著。,一、地下水的机械潜蚀作用,地下水对岩石的冲刷破坏作用称机械潜蚀作用。与地下水的流速以及所流经地区的岩石条件有关。孔、洞机械崩塌黄土发育区土林富含水的砂层流砂粘土层土层蠕动，变形,云南元谋土林,二、岩溶作用和岩溶作用的影响条件,地下水对岩石、矿物所产生的溶解破坏作用称化学潜蚀作用（或称岩溶作用，喀斯特作用（karstfication）。岩溶作用形成的地形称岩溶地形（或称喀斯特地形（karst landform）。喀斯特来源于南斯拉夫亚得里亚沿海的喀斯特高原，该地区以碳酸盐岩石发育为主。,徐霞客在桂林的塑像,地下水对可溶性岩石的溶解力与地下水中CO2的含量有关，CO2的含量越大，对岩石的溶蚀力越大。地下水中的一部分CO2是以碳酸氢根（HCO3-）的形式存在的。含H+和HCO3-的水与石灰岩（主要成分为方解石CaCO3）接触时，便会发生化学反应，使其溶解度大大增加。化学反应式：（1）CO2+H2OH+HCO3-（2）CaCO3+H+HCO3-Ca2+2 HCO3-,（一）岩溶作用的进行条件,1岩石的可溶性碳酸盐岩、卤化物、硫酸盐、硼酸盐、钙质胶结的碎屑岩等。2岩石的透水性 裂隙发育程度、紧闭程度。3地下水的溶蚀力所溶解的CO2的浓度。4地下水的流动特征流速、流动方向。,（二）常见的岩溶地形的类型及其形成过程,溶沟-石芽-落水洞-溶斗-溶洼-溶洞-溶盆-溶原1溶沟与石芽（karren and stony sprout）溶沟地表水沿岩石表面流动溶蚀而形成的沟、槽。石芽脊状突起。云南路南石林（stone forest),小石林阿诗玛,2落水洞（sinkhole）地下水沿裂隙垂直下渗和溶蚀所形成的近于直立的深洞。是包气带的主要岩溶地形。直径小，深度大。,3溶斗与溶洼（funnel and uvala）溶斗地表水沿裂隙集中渗流并溶蚀可溶性岩石，在地表及浅处形成的碟状、漏斗状洼地。溶洼溶斗侧向扩大、合并和加深所形成的小型封闭洼地称为溶洼。,4溶洞（karst cave）饱水带上部或季节变动带的地下水沿近水平方向溶蚀岩石所形成的近水平方向的空洞。溶洞的发育由溶蚀、机械潜蚀和重力崩塌等多种作用共同形成。近于同一高度的洞穴可以连接起来，构成迂回曲折、忽高忽低、时宽时窄的溶洞系统。,美国肯塔基州巨洞国家公园的猛犸洞，长252公里。桂林七星岩有总长16公里的地下溶洞。多层溶洞地壳经过多次抬升和相对稳定的周期性变化形成。北京上房山地区发育有海拔300-500米，500-700米，700-1000米三层溶洞。云水洞位于500-560米高程。,5溶盆和溶原（polje and karstic plain）在可溶性岩石地区经过长期的溶蚀和崩塌作用形成的大型半封闭洼地。溶盆规模较小；溶原面积较大。,峰林地形峰林 峰丛孤峰岩溶发育的阶段性：早期地表形成石芽、溶沟、溶斗、落水洞。地下形成独立的洞穴。中期地表溶洼和峰林；地下溶洞、洞穴系统。晚期溶原、孤峰。,明代地理学家徐霞客曾两次到黔西南考察，称万峰林“磅礴数千里，为西南形胜”。,第三节 地下水的搬运作用和沉积作用,一、地下水的搬运作用地下水的搬运作用以化学方式为主；机械搬运能力通常微弱，但在地下暗河中可以有较大的搬运力，其搬运方式和特点与地面流水相似。地下水的溶运能力与水温、压力、地下水的循环速度及水中所溶解的CO2的数量及酸度有关。溶运物包括各种离子和胶体。,二、地下水的沉积作用,化学沉淀、溶解残余堆积、重力崩塌或机械潜蚀作用产生的碎屑堆积、地下河湖碎屑堆积。（一）化学沉积1溶洞沉积物（1）石钟乳（stalactite）悬挂在洞顶的锥状碳酸钙沉积物。（2）石笋（stalagmite）滴至洞底后向上增长的竹笋状沉积物。（3）石柱（stalacto-stalagmite）石钟乳和石笋连在一起后形成的串通溶洞上下的柱状碳酸钙沉积。,世界上最长的石钟乳是爱尔兰波尔洞的石钟乳，长达11.6米；最高的石笋是法国阿尔芒洞内的石笋，高达29米；最高的石柱是西班牙的内尔雅洞内的石柱，高达59米。,石柱,石钟乳,石笋,2泉华沉淀物石灰华、硅华、硫磺华3渗水裂隙和孔隙中的沉淀物方解石脉、石英脉。硅化木（二）溶蚀残余堆积物碳酸盐岩被溶蚀后，常在溶沟、溶洞、溶洼、溶原等负地形及洞穴的底部，残留富含Fe2O3及Al2O3的红色粘土。（三）碎屑沉积地下水碎屑沉积洞穴崩塌堆积地下河湖沉积。,溶洞常是地史时期动物和古人类的栖息场所，洞穴堆积物中，常能发现古动物化石和古人类化石，有时还保存有人类活动的文化遗迹。北京房山区的周口店有北京猿人和山顶洞人所居住过的洞穴。,土耳其的石灰华,北京猿人洞山顶洞人洞,徐霞客对我国地下水地质作用的研究,云南腾冲硫磺塘“遥望峡中蒸腾之气，东西数处，郁然勃发，如浓烟卷雾，东濒大溪，西贯山峡。先趋其近溪烟势独大者，则一池大四五亩，中洼如釜，水储于中，止及其半，其色浑白，从下沸腾，作滚涌之状，而势更厉，沸泡大如弹丸，百枚齐跃而有声，其中高且尺余，亦异观也。”,桂林象鼻山“上既空明如月，下复内外潆波，水月之称以此。而插江之涯下跨于水，上属于山，中垂外掀，有卷鼻之势，象鼻之称又以此。”,北京延庆硅化木地质公园产在距今亿年间的上侏罗统土城子组一、二段地层中,缅甸硅化木“树化玉”,第四节 古岩溶,古岩溶是指新生代以前发育的岩溶。识别古岩溶在理论上和生产实践中具有一定的意义：（1）古岩溶面代表了地壳抬升的相对稳定阶段，可作为分析地壳运动性质的重要依据。（2）有古岩溶存在，说明当时该区处于温暖潮湿的气候特征，而且是处于古陆被剥蚀的状态，有助于分析古地理和古气候。（3）石油和天然气可储存于古潜山周围和溶洞中。（4）有些金属矿床与溶洞有关，形成“岩溶型矿床”，因而研究古岩溶具有一定的找矿意义。,