岩溶工程地质

1Ch3岩溶工程地质研究•§1概述•§2碳酸盐岩的溶蚀机理•§3影响岩溶发育的因素•§4岩溶区水库渗漏问题•§5岩溶地基稳定问题•§6岩溶区环境问题2§1概述•定义•岩溶:地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用都叫岩溶作用.这种作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象的总称叫作岩溶,国际上通称喀斯特(Karst).3岩溶作用的表现•1.形成地下和地表的各种奇特的地貌形态•2.形成特殊的水文地质现象4岩溶湖5岩溶湖形成过程•1、岩溶地区，地表上长草并有沙碎石覆盖，草和沙碎石底下是很厚的一层碳酸盐类地层。•2、岩溶-碳酸盐类地层很容易受水的溶蚀，无论来自地表渗透下来的水，还是地下水，迂到此类地层都会起着溶蚀作用。•3、岩层经溶蚀后成空洞，溶蚀愈来愈严重，空洞相应就愈来愈大，大到一定程度，因承受不了地上植被与泥沙碎石的压力时，便发生溶洞崩塌。•4、崩塌后的溶洞，逐渐的积水、储水，从而形成岩溶湖。典型的岩溶湖是由碳酸盐类地层经流水的长期溶蚀所产生的岩溶…6•岩溶湖泊排列无一定方向，形状或圆形或椭圆形，有时也可呈长条形。岩溶湖一般面积不大，水深也较浅。我国岩溶湖大多分布在岩溶地貌较发育的黔、桂和滇等省（区）。7草海•贵州省咸宁的草海，它原是一个构造下陷而成的盆地，早期的湖泊大约形成于15万年以前，当时湖面面积达90km2以上。此后，湖面开始收缩，大约距今12000年前，湖面缩小到60km2；至距今约5900年前，湖面又缩小至30-40km2；大约距今2000-4000年间，因湖水从地下暗河流出，湖泊消亡。据史料记载，明洪武年间“诏卫兵屯兵其中”、“迄今鞠为牧草，郡民牧草其中”，说明当时已成可耕可牧的坝区。19世纪50年代，草海又重现。据称“清咸丰七年（1857），七月落雨40余昼夜，山洪暴发，夹沙抱木，大部落水洞被堵，洪水无法宣泄，盆地东部被掩成湖”。因湖中滋生繁茂的水生植物，故名草海。当湖水位为海拔2170米时，水深为2-5米，湖面积为45.5km2，容积为1.4×108米3。草海是我国湖面面积最大的构造岩溶洞，素有高原明珠之称。8路南石林•素有“天下第一奇观”之称的石林风景区。位于路南县境内，距昆明市100公里，景区由大、小石林、乃古石林、大叠水、长湖、月湖、芝云洞、奇风洞7个风景片区组成。全县共有石林面积400平方公里，是一个以岩溶地貌为主体的，在国内外知名度较高的风景名胜区。910111213新疆岩溶地貌•在阿尔金山自然保护区的阿尔格山中，有一片古老的岩溶地貌，东起布喀达坂山峰，西止阿其克库勒湖，长350公里,宽20～30公里，面积约1万平方公里，深藏在海拔4400米～5000米的崇山峻岭之中。•那一片古老的石灰岩山经过千百年的风吹雨打，溶解分化，呈现出千奇百怪的形状。林立的石峰，有的拔地而起，直插蓝天，有的像“骆驼”、“大象”、“苍龙”、“卧虎”、“笔架”、“天桥”、“庙宇”、“点将台”、“仙人掌”、“石旗杆”、“拴马桩”，维妙维肖；还有那溶沟、石芽、甬道、走廊，更是千姿百态。•更有意思的是，阿尔格山的岩溶地貌，由于局部地区受到第四纪冰川的影响，形成了“静扫群山出，突兀撑青空”的角峰。保护区的岩溶地貌套叠冰川地貌，崖壁奇峭，幽谷深壑，冰川悬挂，气象万千。1415地下岩溶•地下的岩溶地貌是各种溶洞，地下水中含有的碳酸钙在过饱和条件下沉积而成各种化学堆积物：从洞顶往下悬挂的叫石钟乳；从洞底往上生长的叫石笋；石钟乳和石笋相接叫石柱；洞壁上的片状沉积叫石幕。16北京房山石花洞景区17统计资料•可溶性岩石在地球上的分布以碳酸盐岩最广•我国碳酸盐岩的分布面积2*106km2,占国土面积的1/5•其中裸露于地表的约1.3*106km2,1/7•分布位置:西南,华南,华北等地.西藏,新疆等省区•四川,贵州,广西,云南,湖南,湖北等省连续分布,面积达5*105km2,是我国主要的岩溶区181920重庆武隆芙蓉洞2122深切型峡谷23萍乡岩溶24贵州黄果树瀑布•黄果树瀑布是我国最大的瀑布，地处贵州省镇宁县，为打帮河上源白水河上黄果树地段九级瀑布中的最大一级瀑布。瀑布宽约20米（夏季水大时可达30米～40米），从60米高处的悬崖上直泻犀牛潭•黄果树瀑布坐落在石灰岩地区，附近岩溶地貌发育，众多的岩溶洞穴内不仅有各种形态的钟乳石，且多暗河和地下瀑布。2526岩溶与工程建设的关系•(1)水利水电建设中,库坝位置选择不当,岩溶洞穴导致库水渗漏•(2)隧道,地下洞库,采矿,可能遭遇岩溶突水现象•(3)地下硐室施工中遭遇巨大溶洞,必须改线•(4)覆盖型岩溶区,土洞的发育及地表塌陷对农田和建筑物的破坏2728§2碳酸盐岩的溶蚀机理•岩溶营力•地下水和地表水的溶蚀和沉淀•地表水的侵蚀,剥蚀和堆积•地下洞穴高压空气的冲爆和低压空气的吸蚀•地下水的机械潜蚀,冲蚀和堆积•地下洞穴的重力崩坍,塌陷与堆积29一.碳酸盐岩溶蚀过程•前南学者Bogli,把石灰岩的溶蚀过程分为4个阶段•(1)与水接触的石灰岩,在偶极水分子作用下发生溶解•CaCO3Ca2++CO32-(1)•溶解很快,并立即达到平衡30第二阶段•(2)原溶解于水中的CO2与水的反应•H2O+CO2H2CO3H++HCO3-(2)•这时碳酸电离的H+与CO32-化合成重碳酸根•H++CO32-HCO3-(3)•使右边的CO32-不断减少而破坏平衡,进而促使CaCO3的再度溶解31(1),(2)阶段最终反应•CaCO3+H2O+CO2Ca2++2HCO3-32第三阶段•(3)水中溶解的CO2一部分转为化学溶解,即水中部分游离CO2与水化合成为新的碳酸(即H2O+CO2H2CO3),并不断补充H+的消耗及促使CaCO3的溶解33第四阶段•水中CO2减少,必然吸收外界的CO2以便使水中CO2达到新的平衡•封闭系统中:石灰岩的溶解总量取决于水中最原始的CO2含量•开放系统中:水中CO2因溶解石灰岩而减少后,可由外界不断得到补充34二.混合溶蚀效应•定义:不同成分的水混合后，对碳酸盐岩的溶蚀性有所增强，这种作用叫做混合溶蚀效应。•即便两种或两种以上已失去溶蚀能力的饱和水溶液，在碳酸盐岩体内相遇，混合后的溶液则变成不饱和状态，从而产生新的溶蚀作用。35岩溶发育强烈地带•凡是有利于水混合的地带，岩溶发育总是比其他地带强烈。包括：•垂直渗入水与地下水相混合的地下水面附近•地下水面以下能使不同成分的水向它汇集的强径流带，–如断层破碎带–大的构造裂隙–溶蚀裂隙或溶蚀管道36•不同方向裂隙交汇带•地下水的排泄区–如河谷边岸的地下水与河水的混合带等处37三、其他离子的作用•1．酸效应•任何酸所解离出的H+离子，都能与碳酸钙溶解后所形成的CO32-结合成HCO3-，从而增加碳酸钙的溶解度。•在自然界中，除了CO2溶于水所形成的碳酸外，还有各种地球化学作用和生物新陈代谢过程中所产生的各种无机酸和有机酸。38•特别是在硫化矿床氧化带中这种效应最为显著.•在某些铁细菌作用下,黄铁矿通过以下反应生成硫酸•4FeS2+15O2+14H2O4Fe(OH)3+8H2SO439•新生成的硫酸与碳酸钙相互作用,一方面加强碳酸钙的溶解,同时生成新的CO2,使水中侵蚀性CO2增加•CaCO3+H2SO4CaSO4+H2CO3•H2CO3H2O+CO2402．同离子效应水中如溶有与碳酸盐相同的某种离子的物质，例如CaCl2，则由于Ca2+离子浓度增加，就会使碳酸钙的溶解度按质量作用定律而有所减小，从而抑制了碳酸钙的溶蚀。413.离子强度效应溶液中有与碳酸钙不相关的强电解质离子时，这些离子就会以较强的吸引力吸引Ca2+与CO32-离子，实质上是使Ca2+与CO32-之间的引力有所降低。这时，Ca2+与CO32-的实际浓度超过其在纯水中的溶度积时仍不沉淀出来，亦即其溶解度有所增大，故可溶解更多的碳酸钙。42§3影响岩溶发育的因素•岩溶发育的基本条件（索科洛夫1962）归纳为3类：–①具可溶性岩石–②具溶蚀能力的水–③具良好的水的循环交替条件，即具有良好的地下水的补给、径流和排泄条件。其中最为活跃而积极的是地下水的循环交替条件，它受控于气候、地形地貌、地质结构、地表非可溶性岩石覆盖及植被发育条件等。43一、碳酸盐岩岩性的影响•1．碳酸盐岩成分与岩溶发育的关系–碳酸盐岩是碳酸盐矿物含量超过50％的岩石，其成分比较复杂，主要由方解石、白云石和酸不溶物（泥质、硅质等）组成。由于各组分含量不同，可构成性质不同的各种岩性。44碳酸盐岩分类命名•碳酸盐类岩石通常以其组分不同划分为灰岩和白云岩两大类型•岩石中所含方解石在50％以上的属灰岩类•含有50％以上白云石的属白云岩类•当酸不溶物含量超过10％时，以实测的物质，如泥质或硅质等参与碳酸盐岩的命名•当酸不溶物大于50％时为非碳酸盐类45碳酸盐岩详细划分和命名–①灰岩(CaCO380%,酸不溶物10%)–②白云质灰岩（云灰岩）(50%CaCO380%,20%MgCO350%,酸不溶物10%)–③灰质白云岩（灰云岩）–④白云岩(MgCO380%,酸不溶物10%)–⑤泥（硅）质灰岩46–⑥泥（硅）质云灰岩–⑦泥（硅）质灰云岩–⑧泥（硅）质白云岩–⑨泥（硅）灰岩(30%泥（硅）50%)–⑩泥（硅）云岩不同类型的碳酸盐岩，其溶解度相差甚大。直接影响岩石的溶蚀强度和溶蚀速度。47对研究成果的共识•溶蚀性排序：–灰岩→云灰岩→泥灰岩→方解石→大理岩→泥质灰岩→灰云岩→泥质灰云岩→白云岩→泥质白云岩48–①方解石含量比白云石多的碳酸盐岩，其岩溶发育强烈–②酸不溶物质含量愈大，特别是硅质含量愈高且呈分散状态时，岩石愈不易溶蚀–③含有石膏、黄铁矿等的碳酸盐岩，对岩溶发育有利–④含有机质、沥青等杂质的碳酸盐岩，不利于岩溶发育。492．岩石结构与岩溶发育的关系•实践表明，有些地区的白云岩、云灰岩中的岩溶发育较纯灰岩更为强烈，说明仅用岩石成分来解释碳酸盐岩的溶蚀性还有一定的片面性。这就促使了岩溶研究者对碳酸盐岩结构的注意。•实践证明，碳酸盐岩的结构与其溶蚀性有着密切的关系。50碳酸盐岩的结构•粒屑结构•泥晶结构•亮晶结构•生物骨架结构•重结晶交代结构51溶蚀性排序•灰岩类依次为：–泥晶粒屑亮晶•白云岩类依次为：–泥晶细晶中晶粗巨晶52二、气候的影响•气候是岩溶发育的一个重要因素，它直接影响着参与岩溶作用的水的溶蚀能力，控制着岩溶发育的类型、规模和速度。53•气候类型的特点表现：–气温、降水量、降水性质（暴雨、阴雨）、降水的季节分配及蒸发量的大小和变化–气温高低及降水（主要指降雨）量大小对岩溶发育的影响最大54水是生物新陈代谢过程中必需的物质，也是岩溶作用中各种化学反应的介质。降水量大小影响地下水补给的丰缺，进而影响地下水的循环交替条件。降水通过空气，尤其是通过土壤渗透补给地下水的过程中所获得的游离CO2，能够大大加强水对碳酸盐岩的溶蚀能力。因此降水量大的地区比降水量小的地区岩溶发育强烈55•温度高低直接影响各种化学反应速度和生物新陈代谢的快慢，因而对岩溶发育起着十分重要的作用。•碳酸盐岩的溶解速度不仅决定于水中游离CO2的数量，同时还决定于水中化学反应的速度。56•一般来说，温度升高时，溶于水中的CO2减少，但这时的化学反应速度却显著增加。•因此，温度升高时碳酸盐岩的溶蚀量总是增加的，即温度较高的地区常比温度较低的地区岩溶发育。•湿热气候区比其他气候区的岩溶发育规模和速度要大57三、地形地貌的影响•地形地貌条件是影响地下水的循环交替条件的重要因素。•区域地貌表征着地表水文网的发育特点，反映了局部和区域性的侵蚀基准面和地下水排泄基准面的性质和分布，控制地下水的运动趋势和方向，从而也控制了岩溶发育的总趋势。581.地表陡缓直接影响降水渗入量大小•比较平缓的地段，降水渗入量较大，有利于岩溶发育。•地形较陡的地段，地表径流较快，降水渗入量较小，岩溶发育较差。•如谷坡地段垂直渗入带内的岩溶发育比分水岭地段要弱。592.不同地貌部位上发育的岩溶形态不相同•岩溶平原区，垂直渗入带较薄，容易形成埋深较浅的溶洞和暗河•宽缓微