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【理论】岩溶水简介

2015-11-12 来源:水文地质学基础 企业名称:

1 岩溶及其研究意义

水对可溶岩石进行化学溶解,将空隙扩大为管道及洞穴,携带泥砂的急速水流,不断冲蚀扩展管道及洞穴,管道及洞穴因冲蚀扩展而导致重力崩塌,有时直达地表;于是,在地下形成贯通的洞穴通道,在地表塑造独特的地貌景观,形成独特的水文特征。上述作用及其所产生的地表和地下现象,称为喀斯特(karst),也叫岩溶。
赋存并流动于岩溶化岩层中的水,称为岩溶水(喀斯特水,karst water。由于介质的可溶性,岩溶水在流动过程中不断扩展改造介质,从而改变自身的补给、径流和排泄条件以及动态特征,即水与含水介质相互作用。岩溶水系统是一个通过水与介质不断相互作用、不断演化的自组织系统。
发育充分的岩溶水系统,含水介质大小相差悬殊,与裂隙比较,更加不均匀,孔隙、溶隙与溶蚀管道及地下河并存。在一定条件下,洞穴管道系统贯通,构成地下河系。地下水流迅速,导致地下水时空变化强烈。雨季地下水位迅速抬升,旱季地下水位急剧下降。补给区地下水埋藏深度大,河流漏失,导致缺水干旱;排泄区水流集中,水量丰富,易发洪涝。
水量丰沛的岩溶水,是理想的供水水源;奇峰、异洞、大泉是宝贵的生态旅游资源;水量大而极不均匀的岩溶水,构成采矿和地下建筑的威胁,导致水坝及水库渗漏;岩溶塌陷威胁着厂矿和城镇的安全。

2 岩溶发育基本条件

溶蚀:是指具有侵蚀性的水将可溶岩的某些组分转入水中,扩展可溶岩空隙的作用。
岩溶发育需要具备四个基本条件:可溶岩的存在,可溶岩必须是透水的,具有侵蚀性的水,水的流动。
岩溶发育的影响因素:均是通过上述岩溶发育的基本条件发挥作用的。例如,土壤中的CO2是决定水的侵蚀性的主要因素,而土壤中的CO2含量取决于气候,湿热气候下土壤CO2含量高,使地下水有较高的侵蚀性,这正是我国南方岩溶比北方岩溶发育的主要原因之一。再如,地质构造对岩溶水发育有重要作用:构造的边界控制了地下水溯源溶蚀的范围,从而决定了岩溶水系统的边界;主要断裂带、背斜和向斜轴部,往往控制地下河系的发育部位与方向。

2.1 岩石的可溶性:碳酸盐岩的成分与结构

可溶岩包括碳酸盐岩(石灰岩、白云岩、大理岩)、硫酸盐岩(石膏等)及卤化物岩(岩盐、钾盐、镁盐)等。卤化物岩和硫酸盐岩分布有限,绝大部分的岩溶发育于碳酸盐类岩石。因此,我们仅就分布最广泛的碳酸盐岩进行讨论。
碳酸盐岩由不同比例的方解石和白云石组成,常含泥质、硅质等杂质。硅质与泥质不溶于水,含有硅质与泥质的碳酸盐岩,难以溶解。溶解残留的泥质经常附着于空隙表面,阻碍进一步的溶蚀作用。碳酸盐岩的可溶性,自大而小依次为:石灰岩>白云岩>硅质灰岩>泥灰岩。

2.2 可溶岩的透水性

碳酸盐岩中存在两类空隙:一类是与沉积同生的孔隙,另一类是后期构造作用形成的裂隙。大部分碳酸盐岩属浅海沉积,其沉积模式与碎屑岩相似,具有孔隙。后期经构造作用,又发育裂隙。
在碳酸盐岩原始发育的孔隙、裂隙的基础上,经溶蚀进一步发展成为溶孔、溶隙、溶蚀管道乃至地下河系。
白云岩发育的溶孔分布均匀,石灰岩发育的溶隙分布不均匀。

2.3 水的侵蚀性:CaCO3-H2O-CO2体系

水对可溶岩的溶解,涉及固相CaCO3、液相H2O及气相CO2的三相复杂系统。
不含CO2的纯水中,碳酸钙溶解反应为:
由此产生的CO32-与水反应:
纯水中碳酸钙溶解度很低,但是,当气相的CO2溶于水中时,则得:
CO2溶于水中反应产生的H+与CaCO3溶解产生的OH-结合,得:
从而使开始的两个反应继续发生,促使CaCO3进一步溶解,直至饱和。
从中还可看出,水的pH值越小,H+浓度越大,水的侵蚀能力越强。
地下水从大气中吸收的CO2非常少,地下水主要从土壤获得CO2。土壤中有机质氧化产生的CO2,以及植物根系呼吸产生的CO2,故使土壤空气中的CO2含量明显高于大气中的CO2含量。是地下水中CO2的主要来源。
显然,如果水不流动,CaCO3、H2O、CO2构成一个封闭体系,随着水中CO2消耗以及Ca2+、CO32-增加,终将达到饱和状态,溶蚀不再继续。因此,溶蚀作用持续进行的必要条件是,体系必须是开放的,溶解碳酸盐成分的“老水”必须不断排走,具有侵蚀能力的“新水”需要源源不断补充。这就是说,水的循环流动是岩溶持续发展的必要及充分条件。
混合溶蚀效应:两种CO2含量不同的CaCO3饱和溶液混合后,会成为不饱和溶液,重新具有侵蚀性。

4 岩溶水特征

4.1 中国南北方岩溶及岩溶水发育的差异

以秦岭淮河为界,我国南方与北方的岩溶与岩溶水的发育都存在一系列差异。
南方岩溶:发育充分,岩溶现象比较典型。地表有峰林、溶斗、落水洞、竖井、溶蚀洼地等。地下多发育地下河系,岩溶介质和岩溶水空间分布极不均匀。
北方岩溶:发育不充分,地表岩溶不发育,多呈常态山形。地下以溶蚀裂隙为主,有个别管道洞穴,未见地下河系,岩溶介质及岩溶水空间分布相对均匀。
南北方岩溶差异产生的原因:
(1)气候。南方:年降水量大,水量丰沛,湿热;北方:年降水量小,干冷。
(2)水的侵蚀能力。南方:土壤空气中的含量高,侵蚀能力大;北方:土壤空气中的含量低,侵蚀能力小。
(3)岩性。南方:质纯,巨厚;北方:厚度不大,杂质多(含泥质、硅质)。
(4)地质构造。南方:多紧密的褶皱,岩溶水系统规模小;北方:多宽缓的单斜,岩溶水系统规模大。
4.2 岩溶含水介质特征
⑴ 由于裂隙发育初始的不均匀性,加之后期差异性岩溶作用,导致岩溶含水介质空间分布的不均匀性和各向异性。
⑵ 按岩溶介质空隙的大小可分为(占体积的百分比):
孔隙和细小的裂隙: 87.19%;宽大的溶隙: 9.6%;管道-洞穴: 3.21%。其中,孔隙和细小的裂隙总容积大而导水性差,是主要的储水空间。宽大的溶隙兼具储水和导水作用。管道-洞穴主要起导水的作用。
⑶ 岩溶含水介质南、北方的差异
南方:空隙和细小的裂隙、宽大的溶隙、管道-洞穴并存,岩溶发育极不均匀,成井率低;北方:主要以溶蚀裂隙为主,仅在大泉出口附近见有少量的管道-洞穴。岩溶发育比较均匀,成井率高。

4.3 岩溶水运动特征

⑴ 岩溶含水介质的空隙大小悬殊,通常是层流与紊流共存。
北方岩溶区:以溶蚀裂隙为主,多为层流;南方岩溶区:在溶蚀裂隙中,地下水做层流运动;在宽大的管道-洞穴中,一般呈紊流运动。
⑵ 不同大小空隙中的地下水运动并不同步。
降雨时,通过地表的落水洞、溶斗等,岩溶管道迅速大量吸收降水及地表水,水位抬升快,形成水位高脊,在向下游流动的同时还向周围裂隙及孔隙散流。枯水期岩溶管道排水迅速,形成水位凹槽,周围裂隙及孔隙中的水,向管道流汇集。
⑶ 有压与无压并存。
由于管道断面沿流程变化大,在某些部位在某一时期,地下水是承压的,在另一些时间里又变为无压的。

4.4 岩溶水补给、径流及排泄特征

在典型的岩溶化地区,灌入式的补给、畅通的径流与集中的排泄。
⑴ 在南方典型岩溶区,吸收降水能力强,灌入式补给。降水入渗系数一般为0.2~0.7,最高可达0.8。北方岩溶区,降水入渗系数一般为0.1~0.3。
⑵ 畅通的径流,地上河与地下河可相互转换。
⑶ 集中排泄,大范围内的地下水通过地下河或大泉集中排泄。上游缺水,贫困山区,石漠化地区;下游富水,易发洪涝,经济发达。

4.5 岩溶水动态特征

南方:岩溶水动态变化显著而缺乏滞后;北方:岩溶水动态变化较稳定。
北方岩溶大泉动态稳定的原因在于:①汇水范围大,降水入渗补给区流向排泄区流程长,溶蚀裂隙中水流速度缓慢,远源和近源入渗降水存在错峰作用;②汇水区内不同部分降水不同步,时间上起错峰作用;③补给区多有松散沉积覆盖,通过包气带入渗,起滤波作用。

4.6 岩溶水化学特征

岩溶水溶滤作用强烈,径流迅速,多为以难溶离子为主的低TDS水,南方岩溶区降水丰富,TDS更低。
南方岩溶水:水化学类型主要为HCO3-Ca及HCO3-Ca•Mg型,TDS普遍小于0.5g/L,平均值为0.26g/L。
北方岩溶水:水化学类型以HCO3-Ca•Mg为多,TDS为0.23~0.88g/L,TDS较南方岩溶水略高。
 

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