24. 岩溶水在线视频

同学们好

前面我们学习了孔隙水和裂隙水

今天我们再来一起学习

第三种类型的地下水

岩溶水

首先我们来认识一下岩溶

水对可溶岩石进行化学溶解

并伴随以冲蚀作用

即重力崩塌

在地下形成大小不等的空洞

在地表形成各种独特的地貌现象

以及特殊的水文现象

上述作用

及其由此产生的

各种现象称为岩溶

也叫做喀斯特

岩溶作用是指地下水和地表水

对可溶岩石的破坏和改造作用

主要包括溶蚀、冲蚀、侵蚀等

岩溶的作用过程

包括溶解、迁移、沉积等部分

典型的岩溶地貌景观

在地表有石林、孤峰、孤立坡等

在地下则形成暗河、溶洞、溶隙等

岩溶水则是指赋存

并运移于岩溶化岩层中的水

由于介质的可能性

岩溶水在流动过程中

不断扩展和改造介质

从而改变岩溶水自身的特征

岩溶水系统

是一个

通过水与介质相互作用

不断自我演化的动力系统

我们一起来看一下动画

地表附近具有风化裂隙和溶隙

水流相对分散

但连通地下岩溶管道的

岩溶漏斗汇聚和导通水流

可以进行差异性溶蚀

使岩层中原有孔隙和裂隙扩展

进一步发生管道化

随着时间的延长

岩溶水系统充分演化

洞穴管道系统贯通

逐渐形成地下河系

地下水主要沿着这些岩溶管道流动

最后以泉的方式排泄

或者排泄到河流

下面我们来看一下

岩溶发育的基本条件

从岩溶的定义

我们可以看出

它主要包括可溶岩和水两方面

从岩石的角度来讲

它分为岩石的可溶性

及可溶岩的透水性

可溶岩的存在

是发育岩溶的先决条件

可溶岩的类型

有碳酸盐岩、硫酸盐岩及卤化物盐等

不同比例的方解石与白云石

含泥质硅质等杂质等成分不同

影响岩溶发育的速度和程度

岩石的另一方面

是可溶岩的透水性

可溶岩的透水性

是与裂隙的发育和分布相关的

初始裂隙发育特征

控制着水流优先运移途径

从而导致差异性溶蚀

而裂隙的发育和分布

又受岩性和构造的影响

因此岩溶发育和分布

基本的格局

是受岩性和构造控制的

例如在厚层质纯的灰岩中

构造裂隙发育不均

岩溶发育极不均匀

在薄层的碳酸盐岩中

裂隙发育比较均匀

岩溶发育比较均匀而不强烈

在泥质灰岩中

构造裂隙张开性和延伸性较差

泥质充填等

不利于溶蚀作用

从水的角度来讲

它分为水的侵蚀性和水的流动性

水对可溶岩的溶解

是岩溶作用发育的基础

纯水对碳酸盐的溶蚀作用很弱

只有水中含有大量的二氧化碳时

其对碳酸盐岩的溶蚀作用才增强

因此，水对碳酸盐岩的侵蚀性

主要取决于其所含的二氧化碳

侵蚀性二氧化碳

是指超过平衡量

并能与碳酸钙起反应的游离二氧化碳

在二氧化碳的参与下

水对碳酸盐岩的溶解作用

反应如下

在这个反应中

重碳酸钙的溶解度相当大

故钙离子和重碳酸根离子

以离子状态存在于水中

当地下水处于不断的流动状态时

被溶解的碳酸钙

以钙离子和重碳酸根离子

状态随水流不断流走

而被消耗的二氧化碳

则随着水交替不断获得补充

反应不断的向右侧进行

溶蚀作用得以继续

使得钙离子

重碳酸根离子的浓度增加

水的另一方面是水的流动性

停滞状态的水，侵蚀性二氧化碳

不断被消耗

最终因溶解饱和

而丧失侵蚀能力

所以地下水的循环交替

可以不断更替补充具有侵蚀性的水

将溶解与侵蚀的物质带走

从而在可溶岩中

形成新的空间

以上就是我们讨论的

岩溶发育的

四个基本条件

概括来讲

可溶的岩石和具有侵蚀性的水

是岩溶发育的必备条件

而岩溶发育的程度和速度

则是与可溶岩的透水性

和水的流动性密切相关的

这是它的充分条件

下面我们来学习

水流对岩溶介质的改造过程

岩溶水

与孔隙水裂隙水最大的不同

就是其介质可以被改造

水流特征不断变化

介质特征也不断变化

岩溶水系统的介质改造机制

可以概括为溶蚀、机械侵蚀、重力崩塌等类型

碳酸盐岩中的岩溶的发育

往往是由溶蚀扩展裂隙开始的

具有侵蚀性的水流进入裂隙

通过溶蚀裂隙壁

不断扩展水流通道

形成溶蚀裂隙及管道

随着裂隙扩展

溶蚀的比表面积降低

溶蚀作用受到限制

当溶蚀管道达到一定宽度时

水流由层流变为紊流

水流携带泥沙对管道产生机械侵蚀

成为管道扩大为洞穴的主要营力

横向环流的水流

使得洞穴横向扩展

当横向扩展达到一定程度时

溶穴发生重力崩塌

重力崩塌成为改造介质的主要营力

崩塌到地表

形成岩溶漏斗和落水洞

以上就是岩溶水系统

介质改造机制的过程

下面我们再来看一下

其水流特征的变化

以及与裂隙的相互作用

在构造及岩性控制下

可溶岩存在张开程度

及密度不等的裂隙

张开裂隙构成的

网络通道中

水流选择途径最短

宽度最大的优势通道流动

水流集中的优势通道

溶蚀作用强烈

裂隙溶蚀扩展迅速

扩展迅速的裂隙

吸引更多的水流

溶蚀更强烈

概括地讲初始裂隙早期以溶蚀作用为主

扩展裂隙

形成优势通道优势

水流汇聚后

机械侵蚀作用加强

进一步扩展优势通道

形成更大规模的优势水流

如果在一个岩溶含水系统中

渗透场有一个初始的渗透系数K0

那么对应着一个初始的水流速度V0

这个初始的水流流经初始裂隙

裂隙就会不断的扩大

其渗透系数就会在K0的基础上

增大形成一个K1

一个增大的渗透系数

又会汇聚更多的水流

流速也就相应的变成更大的V1

当水流汇聚流动后

介质就会再一次被改造

渗透系数就会变成了更大的K2

如此不断的水流

作用于可溶岩的过程

就使得岩溶介质

由原来的K0不断的增大

水的流速也在不断的增大

水流由分散变得集中

由此可见可溶介质的改造

是一种正反馈机制

具有自组织行为

它使得经过改造后的

可溶介质极不均匀

从而岩溶水的空间分布

也极不均匀

下面我们来看一下

可溶岩地区

岩溶水系统演变的过程

如图所示

在阶段a为溶蚀初期

该区域内存在三个

裂隙水局部水流系统

及一个区域水流系统

分别排泄到甲河和乙河

在阶段b随着溶蚀作用的继续

部分主干裂隙

被扩大为岩溶通道

三个原始的裂隙

水流系统发育为

三个岩溶水

局部水流系统

及一个岩溶水区域水流系统

在阶段c溶蚀作用继续进行

势汇最强的局部系统

与区域水流系统汇合，溯源溶蚀

袭夺相邻局部系统水流

范围不断扩展

并使岩溶水水位下降

在阶段d各个局部岩溶水流系统

转变为统一的区域

岩溶水流系统

随着地下水位下降

位置较高的局部系统干涸

水流汇入区域水流系统

统一的地下河系形成

在对岩溶及岩溶水系统的演变

有一定的认识后

我们再来看一下

岩溶水的特征

岩溶水系统

是一个能够通过水与介质相互作用

不断自我演化的动力系统

它经历了演化初期

快速发展

停滞消亡的几个阶段

不同地区

在不同演化阶段的岩溶水

具有不同的特征

岩溶水的特征

主要可以从其岩溶含水介质的特征

岩溶水的运动特征

岩溶水的补给排泄特征

以及岩溶水的动态特征

四个方面来分析

如图所示

从岩溶含水介质特征来看

岩溶含水介质

具有很大的不均一性

既有规模巨大

延伸长达数十千米的管道溶洞

也有十分微小的裂隙

甚至孔隙

初始的岩溶含水介质

包含为数众多的

各种尺度的裂隙

以及孔隙

这些初始的空隙

在溶蚀过程中

不同程度的溶蚀扩展

有的发育成为尺寸很大的溶洞管道

有的仍然保持为细小的空隙

因此岩溶含水介质

实际上是尺寸不同的空隙

构成的多级次的空隙系统

尺度不等的空隙

彼此之间存在着

不同程度的水力联系

构成宏观上

具有统一水力联系的

岩溶含水介质

广泛分布的细小孔隙

与裂隙导水性差

而总的容积大

是主要的储水空间

大的岩溶通道

与开阔的岩溶裂隙

构成主要的导水通道

而规模介于两者之间的裂隙网络

则兼具有储水空间

和导水通道的作用

从岩溶水的运动特征来看

由于岩溶含水介质的空隙大小悬殊

因此岩溶水流系统中

通常是层流、紊流共存

对岩溶水来说

由于溶蚀管道断面变化很大

在大的洞穴中

则呈现出无压水流

有时甚至形成地下湖泊

而在尺寸较小的管道及裂隙中

则形成有压水流

因此在同一岩溶含水体中

无压水流和有压水流并存

还有地下水的水流方向

是不同步的

但区域性的水流

是向最低排泄点

这个方向运动的

所以水流方向不一致

主要是指岩溶含水系统中

局部与整体的水流方向不一致

在一个岩溶特别发育的地区

缺乏统一的区域的地下水位

除了上述的水流的运动特征

还存在这样一个季节性的特征

如图所示

在枯水期溶洞当中的水位比较低

岩溶管道排水迅速

形成水位凹槽

周围裂隙及孔隙中的水

向管道流汇聚

在丰水期通过地表的落水洞、溶洞等

岩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

在向下游流动的同时

还向周围裂隙及孔隙散流

从岩溶水的补给排泄特征来讲

岩溶水的补给水源

主要为大气降水和地表水

有时候大气降水

是岩溶水的

最主要有时甚至是唯一的补给源

在岩溶比较发育的地区

能够获得的主要补给

主要是面状或渗入式的补给

在低洼的溶洞落水洞

主要是点状集中式的贯入式的补给

在南方地区

岩溶地下水与地表水

常常互为一体

互为转换，相互补给

从排泄的角度来看

北方岩溶水

主要是集中以岩溶大泉的方式排泄

南方岩溶水

主要是以地下暗河

泉、基流等形式排泄

在讨论了岩溶水的补给与排泄后

我们再来看一下它的动态特征

我国南方和北方岩溶水的动态

也有明显的区别

通过这张图

我们可以总结出

南方岩溶水的动态特征

总的来说是流量比较大

在旱季流量变小

因此动态变幅较大

动态变幅可以达几百

甚至到几千倍

还有一点就是

南方岩溶水的动态波动大

反应快

对降水的响应十分灵敏

在北方

由于岩溶发育程度比较低

汇水范围很大

大范围的汇水面积

在时间上起到错峰作用

但其流量动态相对稳定

年动态变幅较小

例如山西广胜寺

岩溶泉流量

始终恒定在4~5立方米每秒之间

动态稳定

年动态变幅较小

南方岩溶水系统

还具有几个其他的特征

一是不同地下河系系统之间

水位差异变化大

一般不具有统一的区域地下水位

二是补给资源

与储存资源难以区分

三是地下河水量动态变化特征与

地表水流

具有很好的相似性

四是水位埋深

变化很大

常常出现结构性缺水

这节课我们介绍了岩溶

岩溶发育的四个基本条件

岩溶水系统的演变

以及岩溶水的特征

关于岩溶水

我们就学习到这里

感谢大家的观看

再见