地下水及其作用
地下水的地质作用及小节

与地表水一样，地下水也会发生侵蚀、搬运及堆积作用。

一、地下水的剥蚀作用和喀斯特现象
1. 地下水的剥蚀作用（潜蚀作用）（underground erosion）
（1）机械冲刷（mechanical erosion）
（2）溶蚀（corrosion）—含碳酸根的地下水对可溶性岩石的溶解。
 
    上式是可逆反应，向右向下进行为溶蚀，反方向则为沉淀。水中CO2含量增高，水的溶蚀力增大；反之，水中Ca2+含量增高，水的溶蚀力减弱。

2. 喀斯特（karst）（岩溶）
以地下水为主、地表水为辅，对可溶性岩石进行以化学溶蚀为主、机械冲刷为辅的地质作用，也指由该作用形成的地貌。也有把喀斯特作用称为karstification。

3. 喀斯特地貌
各种喀斯特地貌（karst landform）有（图11-4）：
溶沟和石芽；
落水洞；
溶斗与喀斯特湖；
干谷和盲谷；
峰丛，峰林，孤峰（图11-5）；
溶洞和地下暗河；
溶蚀谷和天生桥；
喀斯特洼地与喀斯特平原。

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图11-4 各种喀斯特地貌示意（据曹伯勋，1995）

形态组合：I-喀斯特高原；II-峰丛-洼地；III-峰林-洼地；IV-喀斯特平原。
喀斯特形态：1-喀斯特塌陷；2-石林；3-溶蚀洼地；4-落水洞（或漏斗）；5-暗河；6-地下湖；7-溶隙；8-溶蚀残丘（或孤峰）；9-石柱；10-石钟乳；11-石笋；12-石幕；13-洞穴角砾；14-抬升的洞穴；15-溶岩泉；16-陡崖。
A-地表溶岩；B-地下溶岩。

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图11-5 海上喀斯特地貌（张珂摄于越南下龙湾）

4. 影响喀斯特发育的因素
（1）气候。温湿地区有利于喀斯特的发育，因此，华南地区喀斯特地貌比华北、西北等地更加发育。
虽然冷水有利于提高CO2溶解度，但却与高温多雨的热带喀斯特地貌更加发育的事实矛盾。研究表明，热带土壤中生物产生的CO2高，水的流动性大，溶蚀能力反而高于寒带。观测和计算表明，华南溶蚀速率是北方的2-4倍（宋林华，2000）。
思考：如果在干冷地区见到发育良好的喀斯特地貌，如何解释？

（2）岩石性质。可溶性岩石是喀斯特形成的物质基础。例如石灰岩、白云岩等，尤其是石灰岩，喀斯特发育更为彻底，白云岩、泥质灰岩、硅质灰岩等喀斯特发育较差。值得一提的是，一些碎屑岩类如红色砂岩虽然碎屑成分为石英、长石等难溶矿物，但胶结物却为碳酸盐类，因胶结物的溶蚀，也能形成千姿百态的地貌（假岩溶地貌），称为丹霞地貌（Danxia Landform） （图11-6）。丹霞地貌最早在广东丹霞山定名，我国研究程度最高，目前已经引起国际地貌学界的广泛关住。

（3）地质构造。显而易见，沿构造破碎带更有利于喀斯特发育，不难发现，许多喀斯特都表现出一定的方向性和等间距性，均是受控于地质构造的表现。

    （4）水质与流动性。含CO2地下水是具有溶蚀性的先决条件。溶解了碳酸盐的地下水只有不断地流走，才能使水中的盐类处在不饱和状态，否则，饱和溶液不再具有溶蚀能力。

    （5）构造运动。构造抬升是喀斯特得以发育的前提。一旦构造抬升，喀斯特作用便迅速展开。否则，如果长期构造稳定，地下水循环微弱，不利于喀斯特作用的进行。

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 图11-6 丹霞地貌素描（彭华教授提供）
左：广东丹霞山巴寨，右：浙江烂柯山天生桥

喀斯特发育的条件可概括为：①可溶性，②透水性，③溶蚀性，④流动性。

5. 喀斯特水循环和溶蚀基准面
（1）喀斯特水循环（karst groundwater cycle）
被河流切割的喀斯特地块中，水流与一般地下水分带类似（图11-2），可大致分为如下几个带（图11-7）：

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图11-7 喀斯特地下水循环示意
1- 垂直循环带，2- 季节变化带，3-水平循环带，4-深部循环带

① 垂直循环带（包气带）（vadose zone, unsaturated zone）。地面至洪水期潜水面之间，地下水以垂直运动为主，发育垂直形态的喀斯特。我国黔南桂西北地区该带厚度达数百米，甚至千米以上。

② 季节变化带（seasonal fluctuation zone）。洪水期和枯水期潜水面之间。地下水水平和垂直流动交替出现，垂直和水平喀斯特兼而有之。

③ 水平循环带（horizontal circulation zone）（潜水）。枯水期潜水面之下，地下水大致呈水平流向河谷，水平洞穴发育。河床之下，部分地下水以虹吸管方式向河谷排泄，具有一定的承压性质。

④ 深部循环带（deep circulation zone）（承压水）。具有承压性质，水流缓慢，喀斯特作用微弱，仅有少量蜂窝状小洞穴。

（2）溶蚀基准面
　　与侵蚀基准面类似，溶蚀基准面（base level of karstification）指的是喀斯特作用的下限。目前发现，世界上许多溶蚀作用发育到地下水位以下很深的位置，司威治就曾认为，溶蚀基准面是碳酸盐岩的底板。但绝大多数喀斯特水流受河水面或海平面的控制，因此，河谷底部和海平面应当是主要的溶蚀基准面。如果把前者称为终极溶蚀基准面的话，那么，后者则相当于地方性的溶蚀基准面了。但终极溶蚀基准面可以低于、也可以高于地方性的溶蚀基准面。

二、地下水的搬运作用和沉积作用
1.搬运作用
主要以化学搬运作用为主（真溶液和胶体），兼有溶洞和地下河的机械搬运作用。

2.沉积作用
（1）机械沉积。与河流沉积相似，水动力减弱是机械沉积作用的原因。
（2）化学沉积。当地下水中CO2分压降低，方程10-1向左进行，便发生沉积，形成石笋、石幔、石柱等钟乳石地貌。
（3）洞穴中的堆积类型：

① 化学沉积。各种钟乳石。
② 重力堆积。各种崩塌形成的崩积物。
③ 地下河湖沉积。与地表河湖类似。
④ 生物和文化堆积。洞穴还是古动物和古人类栖身之地，常有古生物、古人类及古文化堆积。例如周口店猿人、马坝人、汤山人等古人类化石都发现于洞穴中。当然，也有不少洞穴的生物文化堆积是地下河流搬运而来的。
思考：洞穴中如果仅有碳酸盐沉积说明什么问题？如果洞穴中沉积的砾石磨圆好、成份复杂又说明什么问题？

小节

1. 沉积物或地下岩石（层）中的空隙包括孔隙、裂隙和溶隙等3类。

2. 岩石的透水性大小的影响因素有孔隙大小和孔隙多少，以前者为主。不能透过也不能排出地下水的岩层称隔水层，能够渗透地下水的岩层称透水层，既透水又饱含水的岩层称为含水层。

3. 地下水中含量最高的元素（Cl－，SiO42－，Na+，K+，Ca2+，Mg2+）。地下水所含元素的离子、分子和化合物的总含量称为矿化度，其中所含Ca2+与Mg2+的总量为地下水的硬度。

4. 按照埋藏条件，地下水划分为：包气带水、潜水和承压水；按照含水层空隙性质，地下水划分为：孔隙水、裂隙水和喀斯特水，这三种水可以承压，或不承压。

5. 多数情况下，潜水的分布区和补给区一致，承压水的分布区和补给区不一致。地下水的排泄途径有：泉（水平排泄）、蒸发（垂直排泄）和人工开采等。泉又可分为上升泉和下降泉两类，前者承压、后者不承压。

6. 大气降水要形成温泉必须具备两个条件，（一）下渗到深部而被加热的通道（深大断裂），（二）返回地表的水头压力（地形反差）。
7. 地下水的剥蚀作用（潜蚀作用）包括机械冲刷和溶蚀等两种作用，后者受水中CO2和Ca2+含量的控制，前者含量升高以溶解为主，后者含量升高以沉淀为主，是可逆反应。

8. 喀斯特（karst）（岩溶）指以地下水为主、地表水为辅，对可溶性岩石进行以化学溶蚀为主、机械冲刷为辅的地质作用，也指由该作用形成的地貌。

9. 影响喀斯特发育的因素有气候（温湿利于喀斯特发育）、岩性（可溶性岩石）、构造（断裂）、水质（CO2和Ca2+含量）与流动性以及构造运动（抬升）等等。喀斯特发育条件概括为：岩石的可溶性和透水性；水的溶蚀性和流动性。

10. 被河流切割的喀斯特地块中，地下水可大致分为垂直循环带（包气带）、季节变化带、水平循环带（潜水）、虹吸管式循环带和水部循环带（承压水）等等。

11. 溶蚀基准面指的是喀斯特作用的下限。一是碳酸盐岩的底板。二是河谷底部和海平面。

12. 地下水主要以化学搬运作用为主（真溶液和胶体），兼有溶洞和地下河的机械搬运作用。

13. 地下水的沉积作用分为机械沉积和化学沉积两类，前者与河流相似，后者形成石笋、石幔、石柱等钟乳石地貌。

14. 洞穴中的堆积类型：化学沉积、重力堆积、地下河湖沉积以及生物和文化堆积。

重要术语

孔隙（pore），孔隙度（porosity），裂隙（fissure），洞穴（溶隙）（cavity），岩石的透水性（permeability），隔水层（aquitard），不透水层（impermeable），透水层（permeable bed），含水层（aquifer）。
矿化度（degree of mineralization），硬度（总硬度）（hardness）。
包气带水（vadose water, unsaturated zone），潜水（groundwater）和承压水（confined aquifer）。孔隙水（pore water），裂隙水（fissure water），喀斯特水（karst water）。
泉（spring），地下热水（温泉）（hot spring）。
潜蚀作用（underground erosion），机械冲刷（mechanical erosion），溶蚀（corrosion），喀斯特（karst）（岩溶），喀斯特地貌（karst landform）。
垂直循环带（包气带）（vertical circulation zone, vadose zone, unsaturated zone），季节变化带（seasonal fluctuation zone），水平循环带（全饱和带）（horizontal circulation zone, full saturation zone），深部循环带（deep circulation zone）。
溶蚀基准面（base level of karstification）。