表地球浅部层圈水的分布PPT课件

1、第1页/共50页第2页/共50页概 述裂隙水的类型裂隙介质及其渗流裂隙介质的研究方法断裂带的水文地质意义第3页/共50页第一节 概述坚硬基岩在应力作用下产生各种裂隙： 成岩裂隙成岩裂隙 构造裂隙构造裂隙 风化裂隙风化裂隙第4页/共50页基岩裂隙的特征：基岩裂隙的特征： 裂隙率较低；裂隙率较低； 分布很不均匀；分布很不均匀； 在空间上的展布具有明显的方向性；在空间上的展布具有明显的方向性； 裂隙岩层一般不形成具有统一水力联系、水量均匀分布的含水层，而常由部分裂裂隙岩层一般不形成具有统一水力联系、水量均匀分布的含水层，而常由部分裂隙在岩层中某些局部范围内连通构成隙在岩层中某些局部范围内连通构成若干

2、带状或脉状裂隙含水系统若干带状或脉状裂隙含水系统（图（图1 1）。）。第5页/共50页第6页/共50页裂隙水的一般特征：裂隙水的一般特征： 分布特征：分布特征： 裂隙水分布不均；裂隙水分布不均； 裂隙水的分布既有层状，又有脉状：裂隙水的分布既有层状，又有脉状： 层状裂隙水层状裂隙水：裂隙水层状分布，具有良好：裂隙水层状分布，具有良好的水力联系和统一的地下水面，称为层状裂隙水；的水力联系和统一的地下水面，称为层状裂隙水； 脉状裂隙水脉状裂隙水：发育不均，连通性差的脉状：发育不均，连通性差的脉状含水系统，水力联系差，无统一的地下水面，称含水系统，水力联系差，无统一的地下水面，称脉状裂隙水。脉状裂隙

3、水。 裂隙水的分布和富集受构造控制裂隙水的分布和富集受构造控制第7页/共50页 运动特征运动特征 运动状况复杂，呈明显的各向异性；运动状况复杂，呈明显的各向异性； 有局部承压现象；有局部承压现象； 运动速度不大，多呈层流状态，在宽大的裂隙中也可呈紊流状态。运动速度不大，多呈层流状态，在宽大的裂隙中也可呈紊流状态。第8页/共50页第二节 裂隙水的类型不同成因裂隙中的地下水不同成因裂隙中的地下水风化裂隙水成岩裂隙水构造裂隙水第9页/共50页一、成岩裂隙水一、成岩裂隙水 成岩裂隙的概念成岩裂隙的概念： 岩石在成岩的过程中岩石在成岩的过程中受内部应力作用而产生的受内部应力作用而产生的原生裂隙原生裂隙。

4、 沉积岩沉积岩固结脱水、固结脱水、岩浆岩岩浆岩冷凝收缩等均可产生成岩裂隙。冷凝收缩等均可产生成岩裂隙。第10页/共50页 成岩裂隙水的水文地质意义成岩裂隙水的水文地质意义： 沉积岩及深成岩浆岩沉积岩及深成岩浆岩的成岩裂隙通常多是的成岩裂隙通常多是闭合的，闭合的，含水意义不大含水意义不大。 喷出岩、侵入岩的成岩裂隙喷出岩、侵入岩的成岩裂隙具有水文地质具有水文地质意义意义第11页/共50页二、风化裂隙水二、风化裂隙水 风化裂隙的概念：风化裂隙的概念： 暴露于地表的岩石暴露于地表的岩石 ，在温度变化和水、空，在温度变化和水、空气、生物等风化营力作用下形成风化裂隙。气、生物等风化营力作用下形成风化裂隙

5、。 风化裂隙的特征：风化裂隙的特征： 常在成岩裂隙与构造裂隙的基础上进一步发常在成岩裂隙与构造裂隙的基础上进一步发育，育，形成形成密集均匀密集均匀、无明显方向性无明显方向性、连通良好的连通良好的裂隙网络裂隙网络。第12页/共50页风化裂隙的控制因素： 风化裂隙的发育受风化裂隙的发育受岩性岩性、气候气候及及地形地形的控的控制。但一稳定的制。但一稳定的矿物组成矿物组成的岩层（如石英岩）的岩层（如石英岩）风化裂隙很难发育。风化裂隙很难发育。 泥质岩石泥质岩石虽易风化，但虽易风化，但裂隙易被土状风化裂隙易被土状风化物充填而不导水物充填而不导水。 粗粒结晶岩粗粒结晶岩（花岗岩、片麻岩等），多种（花岗岩、

6、片麻岩等），多种矿物组成，不同矿物热胀冷缩不一，矿物组成，不同矿物热胀冷缩不一，风化裂隙风化裂隙发育，风化裂隙水主要发育于此类岩石中发育，风化裂隙水主要发育于此类岩石中。第13页/共50页第14页/共50页v风化营力决定着风化裂隙层呈壳状包裹于地面，一般厚度数米到数十米，未风化的母岩往往构成相对隔水底板，故风化裂隙水一般为潜水，被后期沉积物覆盖的古风化壳可赋存承压水（图）。第15页/共50页 风化裂隙水的特征：风化裂隙水的特征： a.a.多为潜水，埋藏浅，成层分布，水多为潜水，埋藏浅，成层分布，水力联系好，具有统一的地下水面；力联系好，具有统一的地下水面； b.b.分布、动态受气候、岩性、地形

7、等分布、动态受气候、岩性、地形等因素的影响；因素的影响； c.c.分布广泛，水质较好，易于开采，分布广泛，水质较好，易于开采，但一般水量不大。但一般水量不大。第16页/共50页三、构造裂隙水三、构造裂隙水 构造裂隙：构造裂隙： 在地壳运动过程中，岩石在地壳运动过程中，岩石在构造应力作用在构造应力作用下产生的裂隙下产生的裂隙。 最常见、分布范围最广、在一定条件下大最常见、分布范围最广、在一定条件下大量富集。量富集。 构造裂隙水：构造裂隙水： 具有强烈的具有强烈的非均匀性非均匀性、各向异性各向异性、随机性随机性等特点。等特点。第17页/共50页 构造裂隙的特征：构造裂隙的特征： 张开宽度、延伸长度

8、、密度以及导水性张开宽度、延伸长度、密度以及导水性等在等在很大程度上很大程度上受岩层性质受岩层性质（岩性、厚度、相邻岩层（岩性、厚度、相邻岩层的组合等）的组合等）的影响的影响。 塑性岩石塑性岩石中常形成中常形成闭合乃至隐蔽的裂隙闭合乃至隐蔽的裂隙。 脆性岩石脆性岩石中构造裂隙一般比较中构造裂隙一般比较稀疏，但张开稀疏，但张开性好、延伸远，具有较好的导水性性好、延伸远，具有较好的导水性。第18页/共50页 沉积岩的裂隙发育情况沉积岩的裂隙发育情况与与胶结物成分胶结物成分及及颗粒的粒度颗粒的粒度有一定的关系：有一定的关系： 钙质胶结钙质胶结显示脆性岩石特性；显示脆性岩石特性； 泥质及硅质胶结泥质及

9、硅质胶结的与塑性岩石相近。的与塑性岩石相近。 粗颗粒的砂砾岩粗颗粒的砂砾岩裂隙张开性优于细粒的粉砂岩。裂隙张开性优于细粒的粉砂岩。第19页/共50页 如图，云南永仁如图，云南永仁三叠纪煤系地层：三叠纪煤系地层： 自南向北岩性自南向北岩性由由砾岩砾岩、粗砂岩粗砂岩渐变为渐变为细砂岩；细砂岩； 裂隙率裂隙率、裂隙裂隙宽度宽度及钻孔及钻孔涌水量涌水量由大变小。由大变小。第20页/共50页 构造裂隙的特点：构造裂隙的特点： 具有具有明显而又比较稳定的方向性明显而又比较稳定的方向性，这种方向性主要，这种方向性主要由由构造应力场构造应力场控制，不同岩层在同一构造应力场下形成控制，不同岩层在同一构造应力场下

10、形成的裂隙通常具有相同或相近的方向。的裂隙通常具有相同或相近的方向。 一般在一个地区岩层中主要裂隙可划分为一般在一个地区岩层中主要裂隙可划分为3-53-5组组（图）。（图）。第21页/共50页 构造裂隙按裂隙与地层走向关系的分类：构造裂隙按裂隙与地层走向关系的分类： 纵裂隙纵裂隙、横裂隙横裂隙、斜裂隙斜裂隙 层状岩石中还包括：层状岩石中还包括：层面裂隙、顺层裂隙层面裂隙、顺层裂隙第22页/共50页层面裂隙的特征：层面裂隙的特征： 层面裂隙比较层面裂隙比较密集的岩层中的应力分布比较均匀密集的岩层中的应力分布比较均匀，当层面裂隙较稀疏时，岩层中应力往往集中释放。当层面裂隙较稀疏时，岩层中应力往往集

11、中释放。 层面裂隙的多少层面裂隙的多少取决于岩层的取决于岩层的单层厚度单层厚度，单层越，单层越薄，层面裂隙越密集。薄，层面裂隙越密集。 薄层沉积岩中的裂隙往往密集而均匀，而巨厚或薄层沉积岩中的裂隙往往密集而均匀，而巨厚或块状岩层中的裂隙一般稀疏而不均匀（图）。块状岩层中的裂隙一般稀疏而不均匀（图）。第23页/共50页第24页/共50页 构造裂隙按照力学性质的分类及其水文地质构造裂隙按照力学性质的分类及其水文地质特征：特征： 张性裂隙张性裂隙张开性好，为导水裂隙；张开性好，为导水裂隙； 剪性裂隙剪性裂隙平整闭合，一般不导水；平整闭合，一般不导水； 压性裂隙压性裂隙挤压强烈，一般为隔水挤压强烈，一

12、般为隔水裂隙。裂隙。第25页/共50页构造裂隙的发育和分布主要受岩性和构造的控制：构造裂隙的发育和分布主要受岩性和构造的控制： 从岩性上分析：从岩性上分析： 塑性岩石塑性岩石，常形成闭合的细微裂隙构成隔水层； 脆性岩石脆性岩石，形成的裂隙张开性好，延伸远，导水性好，常形成含水层； 粗粒碎硝岩，其粗粒碎硝岩，其含水性要看其粒度及胶结物。 从岩石所受的应力来看：从岩石所受的应力来看： 张性裂隙张开性好，为导水裂隙； 剪性裂隙平整闭合，一般不导水； 压性裂隙挤压强烈，一般为隔水裂隙。 第26页/共50页第三节 裂隙介质及其渗流一、裂隙及裂隙网络一、裂隙及裂隙网络 一个独立的裂隙可以看作两壁之间的一个

13、窄缝一个独立的裂隙可以看作两壁之间的一个窄缝（图图a a），在自身所在平面的两个方向上延伸），在自身所在平面的两个方向上延伸较长，而在第三个方向上延伸很短。较长，而在第三个方向上延伸很短。单个裂隙第27页/共50页 只有只有不同方向的裂隙相互交切构成一个导水不同方向的裂隙相互交切构成一个导水网络网络时（时（图图b b），才能在一定范围内具有传输），才能在一定范围内具有传输地下水的功能。地下水的功能。裂隙网络第28页/共50页 二、裂隙水流的基本特征二、裂隙水流的基本特征 裂隙含水系统：裂隙含水系统：具有具有树状树状或或脉状结构脉状结构，一些大的导水通道作用突出，使，一些大的导水通道作用突出，使

14、裂隙水表现出明显的裂隙水表现出明显的不均匀性不均匀性，有时表现出，有时表现出突变性突变性。第29页/共50页 裂隙水流裂隙水流只只发生在发生在组成导水网络的各组成导水网络的各裂隙通道内裂隙通道内，通常，通常以外没有水流，以外没有水流，裂裂隙水的流场隙水的流场实际上实际上是是不连续的不连续的，渗流，渗流场的势除了裂隙中场的势除了裂隙中的若干点外都是虚的若干点外都是虚拟的（图拟的（图7a7a，b b）；）；裂隙水运动平面裂隙水运动平面图图裂隙水运动剖面图第30页/共50页 水流被限制在曲水流被限制在曲折的网络中运动折的网络中运动，其其局部流向与整局部流向与整体流向往往不一体流向往往不一致致，甚至与

15、整体，甚至与整体流向正好相反流向正好相反（图（图7b7b）。）。孔隙水运动平面图孔隙水运动剖面图第31页/共50页第四节 裂隙介质的研究方法 裂隙介质渗流研究方法的分类：裂隙介质渗流研究方法的分类： 等效多孔等效多孔介质方法介质方法 双重双重介质方法介质方法 非连续非连续介质方法介质方法第32页/共50页一、等效多孔介质法一、等效多孔介质法 等效多孔介质方法等效多孔介质方法 用连续的多孔介质的理论来研究非用连续的多孔介质的理论来研究非连续孔隙介质中的问题。连续孔隙介质中的问题。第33页/共50页v图8（a）非连续的裂隙含水系统： 裂隙水流运移于曲折的裂隙网络中，研究困难很大。 虚拟一个等效的多

16、孔介质场（图8b）来近似代替复杂的裂隙介质场。第34页/共50页 真实的裂隙介质场真实的裂隙介质场与与虚拟的孔隙介质场虚拟的孔隙介质场所控制下所控制下的的两个地下水流场在整体上明显不同两个地下水流场在整体上明显不同，如水头、，如水头、流向、流速、孔隙水压力等均存在明显的差别。流向、流速、孔隙水压力等均存在明显的差别。 但仍但仍可用虚拟的介质来近似代替真实的裂隙介质可用虚拟的介质来近似代替真实的裂隙介质，不要求两个水动力场完全相似，不要求两个水动力场完全相似，只要求只要求某些方面某些方面相近相近。 例如，可通过调整多孔介质的渗透系数例如，可通过调整多孔介质的渗透系数K K，使两个系统的泉流量相等

17、。这时称这个孔隙介质使两个系统的泉流量相等。这时称这个孔隙介质裂隙介质的等效多孔介质。裂隙介质的等效多孔介质。第35页/共50页 等效多孔介质方法具有比较严格的应用条件。等效多孔介质方法具有比较严格的应用条件。等效时含水系统的补、径、排条件不能改变，等效时含水系统的补、径、排条件不能改变，如这些条件变化，等效便不再成立；如这些条件变化，等效便不再成立； 等效是两种介质在特定功能上的等效，像上等效是两种介质在特定功能上的等效，像上面要求泉流量相等，面要求泉流量相等，实际上是要求介质系统实际上是要求介质系统总体导水能力等效总体导水能力等效，其它方面未必等效。，其它方面未必等效。 第36页/共50页

18、二、双重介质法二、双重介质法 有些介质有些介质（如未充分胶结的中粗粒砂岩、经过（如未充分胶结的中粗粒砂岩、经过溶蚀的灰岩、白云岩等），溶蚀的灰岩、白云岩等），存在两种导水能力存在两种导水能力相差悬殊的空隙空间相差悬殊的空隙空间。其中的其中的大空隙大空隙（如裂隙、（如裂隙、溶蚀裂隙、溶蚀孔隙等）溶蚀裂隙、溶蚀孔隙等）导水能力较强导水能力较强；小空小空隙隙（如原生孔隙、微小裂隙、溶蚀小孔等）（如原生孔隙、微小裂隙、溶蚀小孔等）导导水能力很低水能力很低，但为数众多，贮存能力不可忽略。，但为数众多，贮存能力不可忽略。 为了比较准确地刻画这一类介质，可以分别为了比较准确地刻画这一类介质，可以分别用用两种

19、等效的多孔介质近似代替大小两种空隙两种等效的多孔介质近似代替大小两种空隙，这种方法称为双重介质方法这种方法称为双重介质方法。第37页/共50页 在双重介质法中，在双重介质法中，两种空隙空间是分别刻画的两种空隙空间是分别刻画的，各有自己独立的参数各有自己独立的参数( (如渗透系数如渗透系数K K、孔隙度、孔隙度n n、给水度等给水度等) )，但两种空隙存在水力联系，可以进行但两种空隙存在水力联系，可以进行水量交换水量交换（如抽水引起地下水位下降，大空隙导（如抽水引起地下水位下降，大空隙导水能力强而优先释水，在大空隙中形成低水头，水能力强而优先释水，在大空隙中形成低水头，小空隙中的水流向大空隙）。

20、小空隙中的水流向大空隙）。 双重介质法仍属于连续介质方法的范畴，它的基双重介质法仍属于连续介质方法的范畴，它的基本原理是等效多孔介质法，区别仅在于对大小空本原理是等效多孔介质法，区别仅在于对大小空隙进行了分别的描述。隙进行了分别的描述。第38页/共50页三、非连续的介质法三、非连续的介质法 等效多孔介质法等效多孔介质法和和双重介质法双重介质法都是都是宏观、粗略宏观、粗略地处理裂隙介质的方法，地处理裂隙介质的方法，没有没有详细刻画裂隙介质的内部结构详细刻画裂隙介质的内部结构。 而有些而有些水文地质参数水文地质参数（如水头、孔隙水压力、流速等）（如水头、孔隙水压力、流速等）与介质的结构细节存与介质

21、的结构细节存在密切的关系在密切的关系。第39页/共50页 为准确计算这些参数，需要详细地刻画裂隙通为准确计算这些参数，需要详细地刻画裂隙通道及其构成的网络，则用非连续的介质方法。道及其构成的网络，则用非连续的介质方法。 非连续的介质法非连续的介质法对裂隙网络中每条具有实际导对裂隙网络中每条具有实际导水意义的裂隙进行精确地描述水意义的裂隙进行精确地描述，包括每条裂隙包括每条裂隙的的张开宽度张开宽度、延伸长度延伸长度、产状产状、中点坐标中点坐标，并，并要求作出实测的裂隙网络图。要求作出实测的裂隙网络图。第40页/共50页非连续介质方法的优缺及其适用范围：非连续介质方法的优缺及其适用范围： 优点：优

22、点：可可准确计算出裂隙网络内任意一点准确计算出裂隙网络内任意一点的的水头水头、空隙水压力空隙水压力、渗透速度渗透速度、流量等流量等，是研究裂隙渗，是研究裂隙渗流的一种比较理想的方法。流的一种比较理想的方法。 缺点：缺点：对实际资料要求很高，计算复杂，要求用对实际资料要求很高，计算复杂，要求用网络模拟或计算机模拟。网络模拟或计算机模拟。 常用于：常用于：针对裂隙渗流本质的理论研究，实际工针对裂隙渗流本质的理论研究，实际工作中主要用于需要确定孔隙水压力与流速的情况。作中主要用于需要确定孔隙水压力与流速的情况。 适用于：适用于：研究区域较小、工作程度较高的问题研究区域较小、工作程度较高的问题( (如

23、如岩体高边坡稳定性、地下硐室围岩稳定性等岩体高边坡稳定性、地下硐室围岩稳定性等) )研究。研究。第41页/共50页实际工作中三种方法的选用：实际工作中三种方法的选用： 大范围的流量问题大范围的流量问题可采可采用等效多孔介质方法用等效多孔介质方法。 若介质中存在两种导水能力相差悬殊的空隙若介质中存在两种导水能力相差悬殊的空隙，可采可采用双重介质方法用双重介质方法。 小范围的以求解孔隙水压力、流速为主的问题小范围的以求解孔隙水压力、流速为主的问题可采可采用非连续介质方法用非连续介质方法 第42页/共50页第五节 断裂带的水文地质意义 断裂带是应力集中释放造成的破裂形变，大的断裂带是应力集中释放造成

24、的破裂形变，大的断层延伸数十至数百公里，断层带宽达数百米，断层延伸数十至数百公里，断层带宽达数百米，穿切若干岩层，构成具有特殊意义的水文地质穿切若干岩层，构成具有特殊意义的水文地质体。体。 例如：新华夏构造体系例如：新华夏构造体系第43页/共50页第44页/共50页 断层两盘的岩性及断层力学性质，控制着断层的断层两盘的岩性及断层力学性质，控制着断层的导水导水贮水特征；贮水特征； 同一条断层，由于两盘岩性、力学性质的变化，同一条断层，由于两盘岩性、力学性质的变化，不同部位的导水性很不相同；不同部位的导水性很不相同； 导水断层带是有特殊水文地质意义的水文地质体，导水断层带是有特殊水文地质意义的水文地质体，可以起到贮水空间、集水廊道、导水通道的作用；可以起到贮水空间、集水廊道、导水通道的作用； 发育于透水围岩中的导水断层，既是贮水空间，发育于透水围岩中的导水