水文地质学基础课件

1.1水文地质学基础

埋藏在地表下面土中孔隙、岩石孔隙和裂隙中的水，称为地下水。地下水分布很广，与人们的生产、生活和工程活动的关系也很密切。它一方面是饮用、灌溉和工业供水的重要水源之一，是宝贵的天然资源。但另一方面，它与土石相互作用，会使土体和岩体的强度和稳定性降低，产生各种不良的自然地质现象和工程地质现象，如滑坡、岩溶、潜蚀、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等，给工程的建筑和正常使用造成危害。因此，在工程的设计与施工中，当考虑隧道围岩的强度与稳定性、地下开采及矿井涌水等问题时，都必须研究地下水的问题，研究地下水的埋藏条件，地下水的类型及其活动的规律性，以便采取相应措施，保证建筑物的稳定和正常使用。此外，如果在地下水的化学成分中，侵蚀性c02或s02—4、Cl4含量过多，地下水还会对工程上用的普通水泥混凝土产生侵蚀作用，使混凝土结构遭到破坏。所以工程上对地下水问题向来是很重视的，并常把与地下水有关的问题称为水文地质问题；把与地下水有关的地质条件称为水文地质条件。1.1水文地质学基础埋藏在地表下面土中孔隙、岩石孔隙和裂1水文地质学基础一、含水层、隔水层特征

二、主要含水层含水性的研究

三、水文地质边界、补给、迳流、排泄特征及主要迳流带分布

四、降水、地表水与地下水的联系及各含水层之间的联系特征五、岩溶分布规律及陷落柱的调查研究

六、各含水体水化学特征的研究七、地质构造特征及规律的调查研究

水文地质学基础一、含水层、隔水层特征2

一、含水层、隔水层特征㈠含水层（带）的特征贮存有可以自由流动的重力水的岩体，称为含水层（带）。它有两种主要形式，一种是岩石空隙主要受岩层等地质体所控制，并随岩层呈层状均匀分布的含水层，如砾岩和砂岩组成的碎屑岩层，裂隙岩溶发育的石灰岩和白云岩等岩层。另一川是岩石的空隙主要受地质构造或风化带所控制，而不受岩层界面限制的含水带，如风化含水带，断裂含水带岩浆岩中裂隙发育含水部位，侵入岩与石灰岩接触破碎带等。因此，一个含水带可以切穿不同的岩层或岩体，或在同一个岩体、岩层中裂隙发育的部位含水，而裂隙不发育的部位不含水，所以含水带的形状各不相同，有层状、带状、脉状或管状带体。一、含水层、隔水层特征㈠含水层（带）的特征3

1．含水层的构造条件：构成含水层必备以下三个条件：⑴蓄水空间：构成含水层的岩石必须有一定的蓄水空间，储存一定量的水，蓄水空间应该连通，便于地下水的运动和补偿，蓄水空间地下水形成的先决条件。⑵储存地下水的地质结构：地下水活动受地质构造和隔水层的控制。隔水层可做为含水层的顶底板，对含水层起控制作用，也能起良好的封闭作用。⑶充足的补给水源。地下水补给量大小，决定含水层水量大小和保证程度，若补给不足，排泄量过大，在一定条件下含水层由于水不断消耗而变为透水层。1．含水层的构造条件：构成含水层必备以下三个条件：4

2．含水层分类

自然界的含水层是相当复杂的，为了深入研究含水层的特征性，有必要从中找出一些共同特征，将其分类。每一类给予适当的术语，以便于人们更明显的了解它的特征。从不同角度可以把含水层划分为不同类型。⑴根据含水层空隙类型划分为：孔隙含水层：大多数为松散沉积物，如砂砾石含水层，各种砂粒含水层等。裂隙含水层：主要为各种坚硬岩石所构成的含水层，如砂岩裂隙含水层等。岩溶含水层：是指可溶岩层溶蚀发育而构成的含水层，以碳酸盐类岩石为主，如石灰岩含水层。2．含水层分类5⑵根据含水层贮藏条件及水力状态划分为：承压含水层：是两个不透水层或弱透水层之间所夹的完全饱水的含水层，承压含水层中任一点的水压力都大于大气压。潜水含水层（又称无压含水层）：其岩性较单一。为散体粒状或块状结构，呈统一含水层体。含水层之上没有边疆稳定的隔水层复盖，具有自由水面可做为潜水含水层上界面。⑵根据含水层贮藏条件及水力状态划分为：6⑶据岩层含水性可分为：《矿井水文地质规程（试行）》表5-5含水层富水性的等级标准含水层富水性单位涌水量（q）L／s·m含水极丰富的含水层>=10含水丰富的含水层<10-2含水中等的含水层<2-0.1含水小的含水层<0.1一般：富含水层：其钻孔平均单位涌水量q≥2L/s.m，泵水最大流量Q>30L/S，如砂砾石含水层，强岩溶化含水层等。弱含水层：如粉砂、细砂土和裂隙不发育的砂页岩等。

⑶据岩层含水性可分为：7⑷按岩层透水性在空间变化可分为：均质含水层：指透水性能与区域坐标位置无关，含水层中渗透系数变化不大的含水层。均质含水层中，同一点渗透系数在空间各方向上都是相同的，称之为各向同性含水层。反之，称为各向异性含水层。

非均质含水层：含水层的透水性能随区域坐标而变化，即渗透系数在含水层不同空间位置数值不同。⑷按岩层透水性在空间变化8

3．含水层水文地质特征的定量表示

渗透系数（K）：表示含水层过水能力的大小。

导水系数（T）：即T=KM式中：M——含水层厚度。

贮水系数（S）：承压含水层中，承压水头下降1米时从单位面积含水层中释放的弹性水量。

给水度（u）：指疏干潜水含水层时，单位体积的岩石内流出的水量。3．含水层水文地质特征的定量表示9

㈡隔水层（带）的特征自然界中隔水界面有两种形式，即隔水层和隔水带。由不透水岩石组成的岩层，称为隔水层，如页岩、泥岩、泥灰岩以及裂隙不发育的基岩。它们具有阻隔地下水的通过和减弱水流运动的性能，分布范围受某一地质体限制，隔水带是指不受某一岩层所限，并呈带状分布，如空隙不发育的完整带状岩石（体）及压性结构面等。

㈡隔水层（带）的特征10隔水层对地下水的阻隔作用，称为隔水作用。自然界中岩石的隔水作用是相对的，对于单位厚度的隔水层，当水压达到一定数值时，没有一种是不透水的。因而，在实际工作中对隔水层的确定与确定含水层一样，都是结合工作区岩层结构的特点，进行相对比较而确定的。例如：含煤地层中的亚砂土相对粘土是含水的，但相对于富含水的砂砾石可视为隔水层。砂岩相对富含水的岩溶化灰岩可视为隔水层，而相对于页岩又可作为含水层。如峰峰某矿石灰岩层，在标高+50～-100米时，岩溶发育，分布有构造溶蚀破碎带，标高为-100～-250米时，岩溶不发育，属弱含水带。一般把下部的弱含水带，作为上部强含水带的相对隔水层。隔水层的隔水作用应从隔水层厚度，构成隔水层岩石的密度性质和力学性质，以及岩层的结构和构造等多因素分析。厚度越大，岩石密度越大，力学性质越强，其隔水性能越好。隔水层对地下水的阻隔作用，称为隔水作用。自然界中岩石11二、主要含水层含水性的研究

研究含水层的含水性，对评价水文地质条件复杂程度，拟定防治水方案及地下水综合利用等都有着重要的意义。主要含水层可分为三类：1．第四系松散含水层主要为第四系松散含水层及少量第三系半胶结含水层。进行上复松散含水层含水性的研究对开拓井筒及开采上限的合理确定有着主要作用。松散含水层若有地表水体补给则水量丰富且不易疏干。若有饱水流砂层，则对建井和开采极为不利。松散含水层多为层状或透镜状，粘土层分隔成若干含水层组形成复杂的含水体。这时应查明整个含水体的主要含水层层数、结构、水量及其相互间水力联系等。特别要查清最底部含水层的含水性及其补给条件，以使决定留设煤柱类型（防水煤柱或防砂煤柱）和煤柱尺雨。二、主要含水层含水性的研究122.岩层内部砂岩裂隙含水层或薄层灰岩含水层

对砂岩裂隙含水层要研究其含水裂隙的分布规律及最大出水量，以便凿井时不致遇裂隙出水淹井，如开采前采取顶板疏放水措施，改变采面劳动条件，避免因大裂隙出水冲倒棚子等。对煤层顶底板薄层灰岩含水性的研究主要为确定疏干方案提供依据。

3．厚层岩溶含水层

厚层岩溶含水层虽然含水丰富，但其含水性并不均一。通常在一个井田范围内可明显存在强含水区和弱含水区。在强含水区中，又有均匀含水的部位和集中迳流带。2.岩层内部砂岩裂隙含水层或薄层灰岩含水层13从区域来看，岩溶水具有明确的水平和垂直分带规律。在水平方向上，强含水带在褶皱轴部，断层破碎带，可溶岩与非可溶岩接触带呈脉带体分布，具有明显的方向性。强含水带中的岩溶水，水力联系密切，彼此连通具有统一的地下水面，但在强含水带外围，一般含水较小。在垂直方向上，由于岩溶发育具有向深部减弱的规律，但并不绝对。因此浅部岩溶发育，富水性强，为强水带，深部岩溶发育较弱，含水性差，为弱含水带。

例如：某矿岩溶矿床主要含水层——中奥灰岩，通过大量钻孔的裂隙岩溶率统计和抽水资料分析，表明含水性具有明显的差异性。在水动力条件控制下，呈垂向分带规律。强带（地下水面到-50米）q>4～10升/米·秒中带（-50米到-200米）q=1.5～4升/米·秒弱带（-200米到-500米）q<1.5升/米·秒隔水带（-500米以下）q→0

由于构造的分割作用，造成含水层在平面分布上被抬起或深陷，可使上述垂向分带转为平面分区。从区域来看，岩溶水具有明确的水平和垂直分带规律。在水平方向上14三、水文地质边界、补给、迳流、排泄特征及主要迳流带分布

矿区的水文地质边界条件对矿区地下水的补给和水量有控制作用。当其位置和性质不同时，对地下水的约束作用也不同。水文地质边界，可按岩石水文地质性质及水文地质边界的表现形式进行分类如下。

按岩石水文地质性质的不同，可分为隔水边界与透水边界。透水边界是由透水岩石组成，它对地下水起补给或排泄作用，对地下水起补给作用的透水边界。一般位于地下水补给区的上游边界，如地下分水岭，地表水体渗漏补给段，以及人工补给段。排泄边界一般位于地下水排泄区的起始界面，如泉溢出带排泄地下水的河段，地表水体和人工取水，矿井排水地带等都为排泄边界。隔水边界，是指隔水层（带）或隔水岩体，对矿区地下水起封闭作用，它既阻隔了矿区外的补给，又阻挡了矿区内地下水的排泄。如隔水层（带）的分界面、阻水断层、阻水岩体等。补给边界与排泄边界并不都是绝对的，在人工流场下可以互相转化。三、水文地质边界、补给、迳流、排泄特征及主要迳流带分布

矿区15水文地质边界的表现形式，一般有下列四类：地形边界地质边界水文边界人工边界矿区水文地质边界决定着矿区是否接受矿区外的地下水补给，是否向矿区外排泄地下水，决定着矿区井下涌水量的大小。

水文地质学基础课件16地下水的补给地下水的补给来源主要有大气降水，地表水的渗入和含水层之间的互相补给。大气降水的渗入为潜水的主要补给来源。1．补给形式大气降水对地下水的补给主要有两种形式，即渗入和流入。1渗入：大气降水流经孔隙岩石和微小裂隙岩石而对地下水进行的补给。补给过程中，首先形成结合水，多余的水分继续向下渗透，充填毛细空隙形成毛细水，若水还有多余，则下渗形成重力水，最后到达地下饱水带。其过程为：结合水下渗阶段—毛细水下渗阶段——重力水下渗阶段。渗入有两种情况：一是活塞式渗入，即入渗水的湿润锋面整体向下推进，老水先达到地下水面，新水后达到地下水面；二是捷径式渗入，即入渗水沿较大的空隙通道向下渗透，新水可以比老水先到达地下水面。沙砾土中主要为活塞式入渗，粘性土中两者均有发生，裂隙岩石以捷径式为主。2流入：发生于大裂隙、大孔隙及岩溶发育的岩石中。流入过程中不形成结合水和毛细水，而是直接流向地下水形成地下水。流入的效率很高，岩溶地区大气降水的90%可以流入地下。地下水的补给17大气降水2．影响补给的因素1降水的特点降水量大小：降水入渗的一部分要补足包气带岩石的水分亏缺，因此，降水量大，补给地下水的量相对就多。降水强度：暴雨延续时间较短，由于入渗率是基本不变的，所以渗入地下的水量不大，多数降水形成地表径流流走；细雨的降水量小，延续时间短暂，多形成结合水和毛细水，且部分蒸发，对地下水补给几乎没有意义；淫雨的降水强度小没，但延续时间长，有利于对地下水的补给。降水形式：雨、雪等对补给有利。大气降水18大气降水2．影响补给的因素

（2）包气带岩石的透水性和厚度包气带岩石透水性好，有利于降水的入渗补给。透水性差，降水容易形成地表径流。厚度越大，包气带滞留水分越多，不利于补给。太薄，地下水调节空间不足，也不利于降水入渗。（3）地形地形坡度平缓，降水形成的径流在地表滞留时间长，补给量就多。反之，补给量就小。所以，在不同的地貌部位，补给量是不同的。（4）植被覆盖植被发育，可起调节作用，延缓径流途径，并可改善岩石的透水性。值得注意的是各因素是相互制约、互为条件的整体，不能孤立地割裂开来进行分析。大气降水19地表水的补给地表水体入河流、湖泊等沿岸地带的地下水可接受地表水的补给。发生补给的条件是两者之间有水力联系且地表水水位高于地下水水位。1．地表水补给地下水的地区河流下游地区：地表水水位总是高于地下水，常年补给。如黄河下游地区，形成地上悬河。河流中上游地区：洪水季节地表水位高于地下水水位，发生补给，季节性补给。冲洪积扇顶部地区：地表水水位高于地下水水位，常年补给。干旱地区：干旱地区降水少，河流主要由周围山区的冰雪融化补给，形成冲积扇，透水性好，地下水位低于河流水位，地表水总是补给地下水。实际上，干旱地区降水稀少，蒸发强烈，降水对地下水的补给作用很小，主要由河流补给。地表水的补给20地表水的补给2．影响因素地下水与地表水之间存在水位差；沿岸地带岩石透水性。透水性好，补给有利；河流中上游决定于洪水延续时间及洪水位高低；地表水的补给21

含水层水也可以互相补给。例如承压水可以接受潜水的补给，或通过越流补给等。1．形成条件含水层之间要存在水力联系，即两者之间有通道。含水层之间存在一定的水位差。2．补给方式直接补给：含水层之间直接接触发生的补给，高水位补给低水位。也可以是通过天窗形式接触发生补给，在洪积扇中普遍。

间接补给：通过导水断层、弱透水层、止水不良钻孔等的补给。含水层水也可以互相补给。例如承压水可以接受潜水的补给，或通22

地下水的排泄是含水层失去水量的过程。其排泄方式主要有：泉的溢出、向地表水泄流蒸发及人工排泄等。在煤矿中，人工排泄即矿井的排水、疏放水等都为主要排泄方式。地下水从补给向排泄区运动的过程，称为径流。它主要受到补给区和排泄区的水位差、含水层的透水性及地质构造等因素的影响。在矿井中，当井巷揭露含水层时，含水层水在压力差作用下向井巷产生径流，含水层透水性越强，高程差越大，水的径流就越快。地下水的排泄是含水层失去水量的过程。其排泄方式主要23各种类型的地下水，其补给、排泄、迳流条件各不相同，主要径流带分布也不相同。山前倾斜平原的地下水，主要接受大气降水，地表迳流和山区来的地下迳流，主要迳流带分布在近山区处，此处岩石透水性好，而岩溶水其径流条件一般较好，但随深度增加，径流条件会逐渐变差，并有垂直分带的特征。主要径流带一般分布在靠近排泄区。因此处水交替强烈，岩溶发育。地下水的主要径流带也可位于构造带，因为构造带岩石破碎、透水性好，只有在适宜条件下也可构成主要迳流带。在矿井中，构造带被揭露时形成涌水，则此时构造带就变成了主要径流带。要查清主要含水层的富（透）水性能在水平和垂直方向上的分布规律，编制矿区强、弱径流带分布的平面和剖面图，从而找出主要径流带，对巷道布置、防治隧道突水具有指导作用。各种类型的地下水，其补给、排泄、迳流条件各不相同，主要径流带24四、降水、地表水与地下水的联系及各含水层之间的联系特征

大气降水、地表水与地下水是矿井涌水的主要水源。在生产过程中，了解它们之间的水力联系，对于计算矿井涌水量，预测涌水的可能性，以及制定防水措施都具有重要的意义。降水、地表水与地下水发生水力联系，一般有如下几种形式：1．通过第四纪松散层及基岩露头，渗入补给地下水。2．通过构造破碎带或古井直接补给地下水。3．在水体下开拓巷道时，由于岩层开采后，顶板岩层冒落和产生裂隙，使降水、地表水进入井下，补给地下水。

四、降水、地表水与地下水的联系及各含水层之间的联系特征25地表水、大气降水能否进入地下，其渗入量的多少，与煤层上覆岩层的透水性有直接的关系。覆岩的透水性好，则补给水量和井下涌水也大。

如山东淄博煤田的淄河，流经岩溶发育的石灰岩，流量的97%转变为地下径流，成为矿井水的主要补给来源。若矿区内分布有一定厚度稳定的相对隔水层（一般>5米），就可有效地阻止地表水和大气降水的渗入。如安徽闸河煤田，由于煤系地层上部普遍覆盖有10～15米粘土隔水层，地表虽有岱河、龙河通过，但对矿井影响不大。地表水、大气降水与地下水联系密切时，流入井巷的水主要为动储量，其涌水量长期稳定在某个数值上，且不易防治。反之，地下水与之无联系，缺乏补给来源。涌水主要为静储量，水量由大变小，较易防治。地表水、大气降水能否进入地下，其渗入量的多少，与煤层上覆岩层26因此，当矿区附近存在地表水体时，应查明地表水体的分布、规模大小、动态特征。与煤层顶底板岩层或充水断层有无水力联系等。注又红又专矿区的地表水应观测有无渗漏，通常是在河流流入或流出矿区（采空区、塌陷区、含水层露头区等）处设置观测点，测定河流径量，其渗露量可由下式求得：V=V上游-V下游式中：V——地表水渗入量；V上游——上游入口处的水量；V下游——下游出口处的水量。因此，当矿区附近存在地表水体时，应查明地表水体的分布、规模大27

在松散沉积物中，粘性土层构成半含水半隔水层。一方面含水层之间可通过粘性土层中的“天窗”发生联系。（例如，冲积物中前后两期古河道叠置的地方，就可以构成这种“天窗”。另外，当上下含水层具有足够的水头差时，水头市制含水层可以通过半隔水层越流补给水头较低的一层。当然，半隔水层愈薄，隔水性能愈弱。两层水头差愈大，则越流补给便越大。单位面积上的越流补给量是比较小的，但是由于其补给面积很大，因此总量是可观的。由基岩构成的隔水层也可能有“天窗”，但在一般情况下，基岩隔水层比较稳定，隔水性能较好。因此，切穿隔水层的导水断层，往往沟通含水层，使之发生水力联系。

穿过数个含水层的钻孔，可以人为地沟通含水层，使之发生水力联系。在矿区、井、巷也有可能使含水层发生水力联系。另外，含水层之间的联系，还有其它方式（如：第四纪松散沉积岩中的潜水对下伏含水层的补给，等等）。在松散沉积物中，粘性土层构成半含水半隔水层。一方面含水层之28

在碳酸岩矿区，由于岩溶塌陷，形成岩溶陷落柱，如果穿过数个含水层，也可使之发生水力联系。查明含水层之间的补给关系及其联系特征，是很有实际意义的。供水利用某一含水层时，如果该含水层的其它含水层获得补给，则可开采利用的水量将有所增加。矿区疏干排水时，如果不考虑这种关系那将作出错误的排水设计，则达不到预期的疏干降之目的。在碳酸岩矿区，由于岩溶塌陷，形成岩溶陷落柱，如果穿过数个含29五、岩溶分布规律及陷落柱的调查研究

我国许多煤田位于岩溶发育地区或其附近地段，如华北石炭二叠纪煤田中，其下部普遍分布着奥陶纪灰岩。由于岩溶矿区水文地质条件复杂。同时，岩溶含水层中赋存着数量可观的岩溶水，它对采矿影响很大，常以突水形式威胁矿井生产和安全。另一方面，由于岩溶水往往水量大，水质好，是矿区良好的供水水源。因此，了解岩溶的分布规律是很有必要的。岩溶体的空隙形成、发展、分布是有规律的。岩溶发育的两个基本条件：其一，具有溶蚀岩石能力和不断循环于岩石空隙中的地下水，它是岩溶形成的动力条件。其二，具有裂隙发育且透水的可溶岩，它是岩溶形成的物质基础，二者缺一不可。五、岩溶分布规律及陷落柱的调查研究

我国许多煤田位于岩溶发育30

1．岩溶主要分布在质纯的可溶岩地段可溶岩的存在是岩溶发育的先决条件，其成分和结构在很大程度上控制岩溶的发育程度，质纯、层厚的可溶岩岩溶发育强烈，而质不纯的可溶岩，由于非可溶岩成分的存在，不仅减低了岩石的溶解速度，而且也降低了岩石的溶解度，不利于岩溶发育。如广东、曲塘矿区壶天群白云质石灰岩及白云岩、质纯、层厚，平均岩溶率为8.9%，溶洞多且规模大，发育深度大。而天岭组泥炭石灰岩岩溶发育则弱，岩溶率<2.4%，且发育在浅部。就岩性而言，岩溶发育由强到弱顺序大致是：纯石灰岩，白云质灰岩，白云岩，大理岩。1．岩溶主要分布在质纯的可溶岩地段312．岩溶主要分布在断裂带部位地质构造控制岩溶发育的空间分布规律。由于地质构造破坏了岩石的完整性，增加岩石的渗透性能，扩大水与岩石接触可溶机会，加强了岩溶发育规律。构造裂隙对岩溶的形成和发育最有意义，如峰峰矿区，一般溶洞发育的标高在±0～10米，而在构造断裂附近，溶洞发育为-100米～-150米。在断层附近和褶曲轴部位，为构造裂隙最为发育地段，岩石透水性好，地下水交替循环迅速，因而岩溶最为发育。构造体系的复合部位，由于多次构造运动的作用，应力集中，裂隙极为发育，岩溶发育强烈。2．岩溶主要分布在断裂带部位323．岩溶主要分布在可溶岩与非可溶岩接触部位，由于非可溶岩的阻挡，地下水沿接触部位的可溶岩中汇集或沿着非可溶岩以及裂隙改变流动状态，因而加强地下水对可溶岩的溶解冲蚀能力，使这里的岩溶发育。如广东某矽卡岩型铅锌矿床，中生代花岗岩与石炭系石灰岩接触，该部位断裂较发育，溶洞深达百米。4．岩溶主要分布在岩层近地表的部位：岩溶矿区岩溶发育程度，均反映出随深度的增加而逐渐减弱，即浅部岩溶发育强，深部发育弱的特征。在浅部由于风化裂隙发育，故岩溶沿现代风化裂隙最发育。5．地下水天然排泄区岩溶发育：排泄区通道集中，透水性强，水量大，岩溶特别发育。3．岩溶主要分布在可溶岩与非可溶岩接触部位，由于非可溶岩的阻33有时可见到煤层和岩层的塌陷现象，这是由于埋藏在煤系地层下部的可溶性岩（矿）体，在地下水的物理化学作用下形成了大量的岩溶空洞，其上覆岩层，矿层受重力作用而塌陷，因为塌陷体的剖面形状似一柱状，故称“岩溶塌陷柱”。陷落柱具有以下特征：陷落柱出露地表时，被塌陷的岩体与周围正常岩层的层位、产状，与岩性都不一样。同时，该处地貌呈现各种异常，在井下，陷落柱总的形态是一个上小下大的圆锥体，在水平切面上多呈圆形或椭圆形，直径大小不一。陷落柱高度是有限度的，陷落柱内塌陷的岩石碎块，主要来自上覆岩层，棱角显著，形状不规则，排列紊乱，大小混杂，陷落柱与围岩接触面多呈不规则锯齿状，界限明显，接触处的围岩产状基本正常。陷落柱的锥形体的中心轴与岩层层面近似垂直。倾斜岩层，陷落柱也发生歪斜。有时可见到煤层和岩层的塌陷现象，这是由于埋藏在煤系地层下部的34

调查岩溶陷落柱，首先要进行地表预测，主要有：地貌地形异常区的位置、形状、大小、岩层产状变化、岩层的破碎情况等。在井下揭露陷落柱，要认真观测陷落柱与围岩的接触面破碎的岩体和陷落柱周围正常岩层产状变化情况，据已被认识的规律，结合地表上开采水平的资料，判断遇到陷落柱的形状、大小、高度等。在水文地质条件比较复杂的地区，还应该调查陷落柱内充填物的特性，陷落柱有无切穿强大含水层，与地表水有无联系。如果充填物为碎块、砾石等，透水性大，而陷落柱切穿过强含水层，或与地表水有联系，在井下开采时可能造成突水的陷落柱，要特别引起注意及早做出预防措施，以免引起突水。目前，井上下采用物探方法探测岩溶陷落柱正在试验开展，地面采用电法及引进地电仪探测，井下采用坑透仪，地质雷达等都取得一定成效，但距安全要求尚不能满足，还需继续研究提高探测实效。调查岩溶陷落柱，首先要进行地表预测，主要有：地貌地形异常区35六、各含水体水化学特征的研究

地下水化学成分的形成，决定于区域地质发展史，地下水埋藏深度补给迳流条件，以及地下水与岩石、矿床的相互作用。矿区进行地下水化学成分及其变化规律的调查研究，目的在于分析各个含水体之间的水力联系和矿井水的来源，确定水的综合利用，防治水的侵蚀等。

六、各含水体水化学特征的研究36六、各含水体水化学特征的研究

地下水化学成分的形成，决定于区域地质发展史，地下水埋藏深度补给迳流条件，以及地下水与岩石、矿床的相互作用。矿区进行地下水化学成分及其变化规律的调查研究，目的在于分析各个含水体之间的水力联系和矿井水的来源，确定水的综合利用，防治水的侵蚀等。各种起源和各种环境含水体其水的化学成分是各不相同的。大气降水是海洋和陆地所蒸发的水蒸汽凝结而成。它的成分取决于地区条件，变幅较大，在靠近海洋处的降水成分以Na+Cl-为主，而在内陆，其成分与河水相似，以HCO3-Ca2+为主。总之，雨和雪是杂质较小而矿化度很低的软水，一般含盐量从数毫克/升～50mg/l，PH值一般在5.5～7.0之间。

六、各含水体水化学特征的研究37地下水化学成分的形成作用

地下水的化学成分很复杂，不同成因的地下水有不同的原始成分，地下水形成过程中以及形成后与周围岩土不断发生作用，使水的成分随之发生变化，其结果是地下水成分与原始成分往往产生很大的差别。因此，现在所遇到的地下水成分，都是在一定的自然历史过程中，在各种因素影响下，各种作用的综合结果。由于所处的条件不同，各种作用的主次也不同。其中，对于地下水化学成分的形成最有意义的作用主要有：溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用、混合作用以及人类活动的影响。地下水化学成分的形成作用38地下水化学成分的形成作用1．溶滤作用在水和岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这种作用称为溶滤作用。其结果是岩土失去部分可溶的物质，地下水则补充了新的组分。广义的溶滤作用包含两种作用，即溶滤作用和溶解作用：狭义的溶滤作用是在不破坏矿物结晶结构的情况部分物质转入水中的作用，一般是矿物的风化水解作用。溶解作用是组成矿物的各部分按同样的比例全部进入水中的作用，结晶结构被破坏。一般来说，碳酸盐、硫酸盐岩、卤化物等矿物溶解作用为主，硅酸盐类等矿物以溶滤作用为主。溶滤作用的强烈程度取决于组成岩石的矿物的溶解度，溶解度越大，溶滤作用越强。矿物的溶解度大小与矿物的结构、混入的物质以及地下水的温度、PH、EH（氧化还原电位）、成分的饱和度、溶解气体等等有关。地下水化学成分的形成作用392．浓缩作用在干旱半干旱地区，气温高，地下水位埋深浅，蒸发作用是地下水的主要排泄方式。由于蒸发作用只能排走水分，盐分仍保留在水中，随着时间的延续，地下水溶液得到浓缩，矿化度越来越高，化学成分也发生了改变，这种作用称为浓缩作用。在地下水埋深不深，岩石透水性不好，毛细作用大的情况下，也可发生浓缩作用。深部地下水也可在地热的作用下发生浓缩作用。

产生浓缩作用的条件：气温高，地势低平，地下水埋深浅，包气带松散岩石有利于毛细作用，地下水的排泄区。2．浓缩作用403．脱碳酸作用水中二氧化碳的溶解度受环境温度和压力的控制。当温度升高或压力降低时，一部分二氧化碳可从水中逸出，这种作用称为脱碳酸作用。脱碳酸作用的结果使水中的钙、镁、碳酸氢根离子含量减少，矿化度降低。（写出化学反应式）泉口附近的泉华以及溶洞中的石笋、石钟乳、石幔、石柱等都是脱碳酸作用的结果。4．脱硫酸作用在还原环境下，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使硫酸根离子还原成硫化氢，从而使水中硫酸根离子减少甚至消失而碳酸氢根离子增加的作用称为脱硫酸作用。（写出化学反应式）这是一种生物化学作用，多发生于封闭的地质构造的地下水中，如油田水。

3．脱碳酸作用415．阳离子交替吸附作用岩土颗粒表面一般带负电荷，能够吸附阳离子。一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这种作用称为阳离子交替吸附作用。这种作用大小取决于：

1离子电价大小和离子半径：不同的阳离子，吸附于岩土表面的能力不同，按吸附能力，自大而小顺序为：H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+，离子价越高，离子半径越大，水化离子半径越小，吸附能力越强，H+是例外。2离子的浓度：水中某些离子的相对浓度越大，则这种离子的交替吸附能力也随之增大。如，当地下水中Na含量高，而岩土中原来吸附有较多的Ca，则水中的Na将反过来置换岩土吸附的部分Ca。海水入侵陆相沉积物时就会发生这种作用。

3岩土的吸附能力：岩土的吸附能力取决于岩土的颗粒大小，颗粒越细小，交替吸附的规模越大。所以，粘性土最容易产生阳离子交替吸附作用，而粗粒土和岩石实际不会发生阳离子交替吸附作用。5．阳离子交替吸附作用426．混合作用成分不同的两股水汇合在一起，形成化学成分和矿化度于原来两种水都不同的水的作用称为混合作用。如：含SO42-、Na+的地下水与含HCO3-、Ca2+的水混合时，会发生反应，石膏析出，形成以HCO3-、Na+为主的地下水。7．人类活动在地下水化学成分形成中的作用人类活动产生的废弃物污染地下水。大量抽排地下水改变地下水动力条件，使水化学成分发生改变。6．混合作用43地下水化学成分的分析和水化学类型的划分

一、地下水化学成分分析内容地下水化学成分的分析是研究地下水化学成分的基本手段。在实际工作中，根据目的和要求不同，对水质分析的项目和精度要求也不相同。在一般性水文地质调查中，主要有简分析、全分析，有时为了配合专门任务，还要进行专门分析。

简分析用于了解区域地下水化学成分的概貌。它的特点是分析项目少，精度要求低，但要快且及时。这种分析可在野外利用专门的水质分析箱，即可就地进行。分析项目除物理性质外，还需定量分析、pH值，定性分析及游离。根据差数计算。

全分析用于较全面地了解地下水的化学成分。它的特点是分析项目多，精度要求高。通常，在简分析的基础上，选取有代表性的地段取水样进行全分析。全分析一般是定量分析，

以及可溶性游离，耗氧量、pH值等，计算总硬度、水久硬度、暂时硬度及干涸残余物。以及可溶性游离，耗氧量、pH值等，计算总硬度、水久硬度、暂时硬度。地下水化学成分的分析和水化学类型的划分44

专门分析为了某种目的对地下水中某一种或某些元素专门进行的分析。如在燃矿区水文地质调查中，是对Cu、Pb、Zn、Co、U、F等稀有元素和有害离子成分进行专门分析。必须指出，任何目的的专门分析，都必须在取得全分析成果的基础上进行。在以后的水质长期监测工作中，才允许在一定期间内只作一些增选项目的测定。进行地下水的化学分析的同时，还应对有关的地表水体取样分析。这是由于地表水体可能是地下水的补给来源，或是排泄去路。前一种情况，地表水的成分将影响地下水；后一种情况，地表水反映了地下水化学变化的最终结果。对于作为地下水主要补给来源的大气降水，其化学成分也值得注意。

专门分析为了某种目的对地下水中某一种或某些元素专门进45二、水分析成果的表示方法

1)离子毫克数表示法即一升水中所含离子的毫克数(mg／L)。这种方法只表征离子的绝对含量，不易显示水的化学性质。2)百万分含量(ppm)表示法相当于1000g水中含某离子的毫克数。当水的比重为1时，其值与每升水中含离子的毫克数相同。

3)离子毫克当量数表示法即一升水中所含离子的毫克当量(meq／L)。这种方法可以反映各种离子间的数量关系和水的化学性质，检查水分析成果的正确性。4)离子摩尔数表示法即一升水中所含离子的摩尔(mol／L)。5)离子毫克当量百分数表示法将一升水中阴、阳离子的毫克当量总数各作为100％，按阴、阳离子分别计算。即用这种方法可以获得水中各种离子含量百分比例的概念，以便对不同水质类型的地下水进行比较。

二、水分析成果的表示方法46

6)库尔洛夫式表示法将离子毫克当量百分数不小于10%的阴阳离子按递减顺序分别排列在横线上、下方，再将水的总矿化度(M)、气体成分和特殊元素(如I-等)写在式前(单位用g／L表示)，式末列入水温(tC)和涌水量(Q，单位为L／s)，各种含量标在相应符号位置的右下角，而原子数移至右上角。如

7)图示表示法采用不同的图形，来表示水中主要离子的相对含量及总矿化度等。常用的图形有以下三种：(1)圆形指示灯图根据主要阴、阳离子毫克当量百分数绘制成的圆形图。圆直径大小表示矿化度等级(图2—3a)。(2)柱状图根据主要阴、阳离子毫克当量百分数绘制成的柱状图(图2—3b)。(3)水化学玫瑰图根据主要阴、阳离子毫克当量百分数绘制成圆形图，后将圆分成6等分，图中6根半径分别表示地下水中常见的6种离子，并将每根半径分为100等分，然后按各离子的毫克当量百分数分别在半径上定点，联接各点，便显示出该水样特有的攻瑰花图形(图2—4)。

6)库尔洛夫式表示法将离子毫克当量百分数不小于147水文地质学基础课件48

三、地下水化学类型的划分

区域水文地质调查获得的水分析资料，必须加以整理分类，以便阐明一个地区地下水化学成分的特征和变化规律。为此，人们根据不同原则和不同实际用途，提出了多种分类方案。这里仅举三种加以说明。1．舒卡列夫分类法舒卡列夫分类，是根据地下水中常见的6种离子(如Cl-、SO2-

4、HCO-3、Na+、Mg2+、Ca2+等)及矿化度划分的。将含量大25％毫克当量的阴、阳离子进行组合，共分成49种类型(表2—9)。按矿化度又划分为四组，即：A组矿化度小于1．5g／L，B组矿化度为1．5～10g／L；C组为10～40g／L，D组大于40g／L。分类表中，从左上角至右下角的方向大体表示由低矿化水转变为高矿化水。将一个地区的水分析结果，按其化学成分投落在分类丧中，以便进行分析。若分析结果均投落在左上角，如1-A型水，这种类型水为低矿化的HC03=-Ca型水，且往往是溶滤作用形成的；若投落在右下角，如49-D型水，它为高矿化的Cl-Na型水，这种类型水可能是与海水及海相沉积有关的地下水或干旱地区强烈蒸发条件下的地下水。

三、地下水化学类型的划分49

这种分类法的优点是简明易懂，可以利用此表系统整理水分析资料。其缺点：以毫克当量大于25％作为划分类型的依据不充分，此外。划分出的49种水型是由组合方法得到的，其中有些水型在自然界中实际上很少见到，因此也难于解释它的形成过程。2．布罗德斯基分类法布罗德斯基分类法与舒卡列夫法相似，都是考虑六种主要离子成分及矿化度，两者间所不同的是将阴、阳离子备取一对进行组合，便得出36种地下水类型；矿化度按图2—5进行分类。布罗德斯基法的优点，即可用来分析地下水形成的规律和循环条件。例如在典型的山前倾斜平原的地下水，其化学成分的形成和作用方向具有一定的规律：在迳流带内，地下水运动比较强烈，岩石中的可溶性盐类大部分被溶解，剩下的只是钙、镁的碳酸盐，所以在这一带的地下水为淡水(矿化度小于1g／L)；到了溢出带，地下水的矿化度逐渐增高；当地下水流至垂直交替带时，不仅运动缓慢，而且消耗于蒸发，故地下水矿化度极高。这种矿化度由低逐渐增高的作用，布罗德斯基称它为总矿化作用。由这种作用所产生的地下水化学成分的变化，见图2—5。

这种分类法的优点是简明易懂，可以利用此表系统整理水50水文地质学基础课件513．阿廖金分类法

以上述六个主要的阴离子为基础，按含量占多数的阳离子(毫克当量)分为三大类，即：重碳酸水；硫酸水；氯水。每一类再按占多数的阳离子分为三组，即：钙质的、镁质的和钠质的。每一组又按阴、阳离子相对含量关系，将各组水又分为四个型(图2—6)。第I型水。这型水是由火成岩地区溶滤作用形成的，含有相当数量的钠和钾，它也可以由水中的钙同岩石中钠之间的交替作用形成。该型水是碱性的聋水。矿化度低(在内陆湖中或某些油田水中，可以出现高矿化度)。第Ⅱ型水。该类型水与各种沉积岩和风化产物有关。属于这型水的有大部分地表水、浅层地下水及低矿化和中等矿化的地下水。

3．阿廖金分类法52

第Ⅲ型水。该类型水为封闭盆地水和因子交换而发生显著变化的高矿化水。这型水多出现于油田水、湖水和地下盐水，还可以在河水、海水、第四系浅层地下水中见到。第Ⅳ型水HCO-3=O。这水型为酸性水。属于该类型的有矿井水、沼泽水、火山水及工业污染的水。按照阿廖金的分类，水的类别是用主要阴离子的化学符号(即C、S、C1)表示，组别用主要阳离子的化学符号(即Ca、Mg、Na)表示，而型别用脚码表示。如CN2m，表示重碳酸盐类钠组第Ⅲ型水。此分类法是兼顾了主要离子及离子间对比的划分原则，在一定程度上反映水质特点变化的规律性。如矿化度的变化，矿化度逐渐增大的方向是：[c]<[s]<[c1]，ca<Mg<Na，I<Ⅱ<Ⅲ。阿廖金分类法具有许多优点，它适用于绝大部分天然水，简明易于记忆，而且能将多数的离子之间的对比恰当的结合，使水型用来判断水的成因、化学性质及其质量。

第Ⅲ型水。该类53河水，一般矿化度较低（<1g/l），其主要阴离子为HCO3->SO2-4>CL-，湖水要比河水成分复杂得多，因湖水特殊性有的缓慢水交替和蒸发作用，矿化度很高，可达35g/l。埋藏于松散沉积层中的孔隙水，由于其成因不同，补给径流条件不同，造成了化学成分也各不相同。洪积扇的上部迳流带，矿化度低（<1g/e）属HCO3-型水。中部溢出带，矿化度较高，可达10～20g/e，常为SO42—HCO3-或HCO3-—SO42-型水，而在下部垂直交替带，迳流条件差，排泄主要为蒸发作用，矿化度急剧增大（可达50g/e），水化学类型多为CL-—SO42-或SO42—CL-型水。河流上游冲积物中的地下水，由于接受河水补给，矿化度低，多为HCO3-型水，再往下游，水质依次变为SO42-或CL-型水。河水，一般矿化度较低（<1g/l），其主要阴离子为HCO3-54岩溶水，主要决定于可溶岩的岩性及化学成分。石灰岩地区的地下水多为低矿化的HCO3-——Ca2+型。白云岩地区的地下水多为低矿化的HCO3—Ca2+Mg2+型水。但是，环境不同，成分也不同。上述情况一般在近地表处，大气降水补给，迳流条件好，氧化环境下才出现。而在迳流微弱的地区，则可能出现SO42-型或CL-，SO42-型水。例如：华北石炭二迭纪煤田中，奥陶纪喀斯特殊性水与煤系中灰岩夹层中的喀斯特水，有明显的差别，前者多为HCO3Ca水或HCO3—CaMg水，而后者多为SO4—HCO3水或SO4—Ca水。但当有水力联系时，其差别则不甚明显。循环于煤层中的地下水，由于所处的环境以及形成地下水化学成分的作用不同，因此煤矿区地下水成分不是单一的而是复杂多变的。

岩溶水，主要决定于可溶岩的岩性及化学成分。石灰岩地区的地下水55酸性矿坑水

是煤矿区常见的，与周围地下水化学特征有明显的区别，PH值较低，常在2～4之间。硫酸根离子含量高，常在数百～数千mg/e，重金属离子少，（Fe、Ca、Rb等）含量高。煤矿地下水中常见到黄褐色的沉淀，俗称为水锈，是化学反应过程中含铁物质析出所致。由氧化作用生成的酸性水，对金属设备及炭酸盐类构筑物有侵蚀作用，与含Ca物质反应后可转化为中性或弱碱性水。但Fe和SO4含量均高。酸性矿坑水56酸性矿坑水位于深部的含煤地层，常常是缺氧的还原环境，煤层顶、底板为海相粘土岩时，富含有Na+、Na+与地下水中的Ca2+发生阳离子交替作用，使地下水类型由硫酸钙转化为硫酸钠水，然后在还原环境下发生脱硫酸作用，SO42-被还原成H2S，使SO42-含量减少，H2SO4、HCO3-含量增高。此时，地下水转为重碳酸钠水，具碱性水特征。在更深的地层中，矿化度大大增加，逐渐变成氯化物重碳酸水。03:11:38酸性矿坑水07:04:4357七、地质构造特征及规律的调查研究

地质构造是影响地下水赋存的重要因素，它不仅是地质变化的控制因素，同时，对地下水的埋藏、径流条件也具有明显的控制作用，它的存在常常造成突水事故、巷道岩体失稳。因此，地质构造是工程水文地质条件调查的主要内容。七、地质构造特征及规律的调查研究581、总的构造类型可以分为单斜构造、褶曲构造、断块构造等。从地质力学观点可用构造体系要领来分析。如以褶曲为主要构造类型，要了解其次级褶曲的规模、数目、组合、分布及主要构造线方向等；又如以断块为主要构造类型，则要了解各级断裂的性质、断块规模、数目、断裂组合及分布规律，主延展方向等。如主要属多字型新华夏系构造体系类型，则要了解新华夏的主干构造包括其配套的构造以及次级构造和更低序次的构造，分析其配套、组合、分布的规律等等。1、总的构造类型可以分为单斜构造、褶曲构造、断块构造等。591、总的构造类型可以分为单斜构造、褶曲构造、断块构造等。在进行矿区工程水文地质条件的调查研究中，首先掌握了总体构造格局，则其他问题即可进一步深入逐个解决。真正掌握研究区域地质构造的格局特征是非常重要的，但也不是轻而易举的，必须在广泛占有资料基础上进行整体和部分宏观和微观的统一分析，才能得出符合客观实际的认识。1、总的构造类型可以分为单斜构造、褶曲构造、断块构造等。60

二、构造力学性质及构造应力场特征构造力学性质对地下水的存、移及其导水、阻水性起着决定作用。对工程地质条件也有所影响，常构成各种岩体结构面，如断层、节理、劈理等。断层按受力形式不同，可分为张性、压性、扭性、张扭及压扭性五种类型。一般张性结构面有利于地下水的赋存和运移，压性则反之。扭性或剪切结构面易导致岩体沿其结构面滑移。故在实际工作中，见到断层、节理等。首先要鉴别其力学性质。这对研究其工程水文地质条件有重要作用。

地壳岩体内长期存在着构造运动的内力，即构造应力。构造应力在一定的地质时期，在空间上有规律的分布状态，称为构造应力场。研究构造应力场可以揭示造成这些岩石变形的地壳运动方式，有助于我们从总体上，成因上深入地认识地质构造的特征及发育规律，从而对矿区因地质构造而产生的工程水文地质问题的预测提供了依据。

二、构造力学性质及构造应力场特征61研究地质历史过程中的构造应力场只能先从局部的点、小型构造入手，测定其主应力方向，然后汇总在一起，就可以看出全井田或全矿区构造应力方向的变化，从而掌握该区构造应力场。对地下工程影响最大的为现代构造应力场。现代构造应力场的研究除了应用地质力学方法进行一般分析外，主要是应用某些特殊方法进行现场地应力测定，如采用应力解除法、水压致裂法等。测得的原应力大小及最大主应力方向对岩体工程的稳定性及控水构造的分析都具有重要的意义。研究地质历史过程中的构造应力场只能先从局部的点、小型构造入手62三、构造控水特征

地质构造对地下水赋存和运移具有明显的控制作用。这种控制作用主要是由透水岩层的导水作用和隔水岩层的阻水作用而构成的，地质构造对岩层含水性隔水性的控制作用主要表现在：

1．地质构造控制岩层裂隙岩溶的发育程度。2．控制含水层分布埋藏特征。3．控制地下水的运动特征。对地下水赋存和运动起着控制作用的地质构造，称为控水构造。主要表现为蓄水作用。导水作用、阻水作用和汇水作用。故分别称之为蓄水构造、导水构造、阻水构造和汇水构造。控水构造主要有褶皱构造和断裂构造，另外，单斜构造及其它构造对地下水也有一定的控制作用。三、构造控水特征

地质构造对地下水赋存和运移具有明显的控制作63㈠褶皱控水作用在褶皱构造中，如果同时分布有透水岩层（或岩石透水带）与相对隔水岩层时，相对隔水层构成隔水边界。透水岩层成为含水介质。这种褶皱构造在适宜补给条件下，即形成蓄水构造，它包括向斜蓄水构造和背斜蓄水构造。向斜蓄水构造就是能够富集和储存地下水的向斜盆地。其蓄水条件：1．向斜中分布有透水岩层，作为储水的空间条件。2．在透水岩层之下分布有相对隔水层，或隔水层与透水层互层，作为隔水边界条件。㈠褶皱控水作用64

3．地下水从向斜翼部透水层出露地表的地形较高地区接受补给，向地形较低的核部或翼部汇集，构成良好的地下水富集条件。4．向斜构造有利于地下水的汇集，起到汇水作用，赋存地下水，形成地下水资源。在褶皱构造中，不同构造部位的岩层，由于受力状态和应力强度不同而产生不同程度的破裂或压密。使岩层透水性和给水性增强或减弱，因此各部位的富水性也不相同。例如：轴部张应力带里，因裂隙发育而特别富水，而在挤压带，富水性则减弱。背斜蓄水构造，必须具备含水层，相对隔水层，同时地形上又具备有利的补给条件，例如：背斜轴部出露含水岩层的背斜谷，两翼仍被不透水或弱透水岩层覆盖，背斜谷中的含水层成为汇集和储藏地下水的最良好的场所。3．地下水从向斜翼部透水层出露地表的地形较高地区接受补给，65

㈡断层控水作用断层对地下水的控制作用，与断层的力学性质有关。张性、张扭性断层：其构造岩带疏松且多孔隙，透水性和含水性强，常构成富水带或导水带，或者形成蓄水构造压性及压扭性断层：结构面紧密，构造岩多为压片岩、糜棱岩，断层泥及构造透镜体等物质，并常有不同的动力变质作用，如硅化蛇纹石化等，透水性和含水性都很低，构成相对隔水层，起阻水作用。㈡断层控水作用66

1．断层蓄水作用以断层破碎带为含水空间条件，以断层两盘的岩石作为相对隔水层在适宜的补给条件下能够富集和储藏地下水，形成断层蓄水构造。断层地下水赋存于断裂破碎带内，其含水带呈带状或脉状。含水带宽度从数米到数百米不等，变化很大，含水带沿断层走向延伸的长度和沿断层倾向延伸的深度取决于断层规模的大小。

由于断层出露地表接受降水或第四纪含水层的补给，同时，又切穿含水层隔水层，使含水层沟通得到充沛的补给，形成很大的补给量

1．断层蓄水作用67

2．断层导水作用

发育在强透水岩层与弱透水或不透水岩层互层的地层之中的数层可以沟通各含水层水。这种断层其本身是含水的，由于它切穿了不同层位的含水层与隔水层，使含水层之间发生水力联系。导水构造是沟通不同含水体的地质构造，呈狭长的强透水通道。导水断层的地下水以迳流量为主，断层带本身含水层不多，地下水主要来自它所切割的两盘含水体。在煤矿生产中，断层的存在往往造成突水事故。构造断裂对矿井的涌水影响，一方面表现在它本身的富水性，另一方面又往往是各种水源进入井下采、掘工作面的良好通道。2．断层导水作用68

3．断层的阻水作用

压性断层，特别当其发育于柔性岩层中时通常不透水或透水性较弱成为阻水断层。将原来统一的含水层切割分离，形成互不连通的块段。这种情况下，常常使地下水径流受阻，水位抬高，利于地下水的汇集。在地下水深埋以至缺水的山区，阻水层常使地下水滞流汇水。

新构造形成的断层，一般都是富水的，特别是北北东，北西西两组活动性断层，它们在平面上都能延伸很远，可以把很远的水导入井下。构造密集带，应力集中部位，断层交叉点、收敛处、尖来端，这些部位往往裂隙发育，含有丰富的水量。同时，由于这些部位裂隙发育，在岩溶地区则加速了岩溶的进行，促使溶洞的形成，构成富水带。3．断层的阻水作用69

构造对地下水的控制作用，还表现在控制地下水的补给、径流、排泄条件及其运动特征。

例如：切穿承压含水层的断层，即可接受地表水浅部地下水的补给。同时又可在承压水压力作用下排泄地下水，使原来地下水径流条件改变，阻水断层的存在可以使处于流动的承压水变成封存水。总之，要特别注意控水构造，对地质构造进行力学分析，查清构造形迹及力学性质，确定其主构造线。一个矿区，有几组构造线时，要区分构造序次，建立构造体系并分析各构造体系之间的关系，掌握地下水的空隙发育规律及地下水富集规律。

70结束结束71第一节地下水的物理性质和化学成分

由于地下水在运动过程中与各种岩石相互作用、溶解岩石中可溶物质等原因，使地下水形成为一种复杂的溶液。研究地下水的物理性质和化学成分，对于了解地下水的成因与动态，确定地下水对混凝土等的侵蚀性，进行各种用水的水质评价等，都有着实际的意义。第一节地下水的物理性质和化学成分

由于地下水在运动过程中72一、地下水的物理性质地下水的物理性质包括温度、颜色、透明度、嗅(气味)、味(味道)和导电性等。地下水的温度变化范围很大。地下水温度的差异，主要受各地区的地温条件所控制。通常随埋藏深度不向而异，埋藏越深的，水温越高。地下水一般是无色、透明的，但当水中含有某些元素或含有较多的悬浮物质时，便会带有各种颜色和显得混浊。如含高铁的水为黄褐色，含腐植质的水为淡黄色。地下水一般是无嗅、无味的，但当水中含有硫化氢气体时，水便具有臭蛋味，含氯化钠的水味咸，含氯化镁或硫酸镁的水味苦。地下水的导电性取决于所含电解质的数量与性质(即各种离子的含量与离子价)，离子含量越多，离子价越高，则水的导电性越强。由于地下水具有导电性，因而为勘探地下水应用电测法创造了条件。一、地下水的物理性质地下水的物理性质包括温度、颜色、透明度、73二、地下水的化学成分

(一)地下水中常见的成分

地下水中含有多种元素，有的含量很大，有的含量甚微。地壳中分布广、含量高的元素，如02、Ca、Mg、Na、K等在地下水中最常见。有的元素如Si、Fe等在地壳中分布很广，但在地下水中却不多；有的元素如Cl等在地壳中极少，但在地下水中却大量存在。这是因为各种元素的溶解度不同的缘故。所有这些元素是以离子、化合物分子和气体状态存在于地下水中，而以离子状态为主。地下水中含有数十种离子成分，常见的阳离子有H+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe2+、Mn2+等；常见的阴离子有0H-、Cl-、S024-、NO2、HC0-2、C023-、Si023-、P024-等。上述离子中的Cl—、S024-、HC0-2、K+、Na+、Ca2+、Mg2+七种是地下水的主要离子成分，它们分布最广，在地下水中占绝对优势，它们决定了地下水化学成分的基本类型和特点。地下水中含有多种气体成分，常见的有02、N2、C02、H2S。地下水中呈分子状态的化合物(胶体)有Fe2O3、Al2O3和和H2Si03等。二、地下水的化学成分

(一)地下水中常见的成分74(二)氢离子浓度(PH值)

氢离子浓度是指水的酸碱度，用PH值表示。PH＝lg[H+]。根据PH值可将水分为五类(表7—1)。PH:<55`7,7,7~9>9

地下水的氢离子浓度主要取决于水中HC0-3、C023-和H2C03的数量。自然界中大多数地下水的PH值在6．5—8。5之间。氢离子浓度为一般酸性侵蚀指标。酸性侵蚀是指酸可分解水泥混凝土中的caC03成分，其反应式为：(二)氢离子浓度(PH值)

氢离子浓度是指水的酸碱度，用PH75(三)总矿化度

水中离子、分子和各种化合物的总量称为总矿化度，以g／L表示。它表征水的矿化程度。通常以在105—110℃温度下将水蒸干后所得干涸残余物的含量来确定。根据矿化程度可将水分为五类(表7—2)。矿化度与水的化学成分之间有密切的关系：淡水和微咸水常以HC03为主要成分，称碳酸盐水；咸水常以S024—为主要成分，称硫酸盐水；盐水和卤水则往往以Cl—为主要成分，称氯化物水。高矿化水能降低水泥混凝土的强度，腐蚀钢筋，促使混凝土表面风化，故拌合混凝上时不允许用高矿化水，在高矿化水中的混凝土建筑亦应注意采取防护措施。(三)总矿化度

水中离子、分子和各种化合物的总量称为总矿化度76根据总矿化度的大小，天然水分为五类：淡水<1g/L弱矿化水1～3g/L中等矿化水3~10g/L强矿化水10~50g/L盐水>50g/L根据总矿化度的大小，天然水分为五类：772．电导率电导率是物体传导电流的能力。电导率测量仪的测量原理是将两块平行的极板，放到被测溶液中，在极板的两端加上一定的电势，然后测量极板间流过的电流。根据欧姆定律，电导率(G)--电阻(R)的倒数，是由电压和电流决定的。

电导率的基本单位是西门子（S），原来被称为欧姆。因为电导池的几何形状影响电导率值，标准的测量中用单位电导率S/cm来表示，以补偿各种电极尺寸造成的差别。尽管因为空间的限制我们把电导率具体为：μS或mS，这一系列的单位应被理解为相应的单位电导率单位：μS/cm或mS/cm。1μS/cm=0.001mS/cm=0.000001S/cm=1μmho/cm2．电导率78地下水化学成分的形成作用

地下水的化学成分很复杂，不同成因的地下水有不同的原始成分，地下水形成过程中以及形成后与周围岩土不断发生作用，使水的成分随之发生变化，其结果是地下水成分与原始成分往往产生很大的差别。因此，现在所遇到的地下水成分，都是在一定的自然历史过程中，在各种因素影响下，各种作用的综合结果。由于所处的条件不同，各种作用的主次也不同。其中，对于地下水化学成分的形成最有意义的作用主要有：溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用、混合作用以及人类活动的影响。地下水化学成分的形成作用79地下水化学成分的形成作用1．溶滤作用在水和岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这种作用称为溶滤作用。其结果是岩土失去部分可溶的物质，地下水则补充了新的组分。广义的溶滤作用包含两种作用，即溶滤作用和溶解作用：狭义的溶滤作用是在不破坏矿物结晶结构的情况部分物质转入水中的作用，一般是矿物的风化水解作用。溶解作用是组成矿物的各部分按同样的比例全部进入水中的作用，结晶结构被破坏。一般来说，碳酸盐、硫酸盐岩、卤化物等矿物溶解作用为主，硅酸盐类等矿物以溶滤作用为主。溶滤作用的强烈程度取决于组成岩石的矿物的溶解度，溶解度越大，溶滤作用越强。矿物的溶解度大小与矿物的结构、混入的物质以及地下水的温度、PH、EH（氧化还原电位）、成分的饱和度、溶解气体等等有关。地下水化学成分的形成作用802．浓缩作用在干旱半干旱地区，气温高，地下水位埋深浅，蒸发作用是地下水的主要排泄方式。由于蒸发作用只能排走水分，盐分仍保留在水中，随着时间的延续，地下水溶液得到浓缩，矿化度越来越高，化学成分也发生了改变，这种作用称为浓缩作用。在地下水埋深不深，岩石透水性不好，毛细作用大的情况下，也可发生浓缩作用。深部地下水也可在地热的作用下发生浓缩作用。

产生浓缩作用的条件：气温高，地势低平，地下水埋深浅，包气带松散岩石有利于毛细作用，地下水的排泄区。2．浓缩作用813．脱碳酸作用水中二氧化碳的溶解度受环境温度和压力的控制。当温度升高或压力降低时，一部分二氧化碳可从水中逸出，这种作用称为脱碳酸作用。脱碳酸作用的结果使水中的钙、镁、碳酸氢根离子含量减少，矿化度降低。（写出化学反应式）泉口附近的泉华以及溶洞中的石笋、石钟乳、石幔、石柱等都是脱碳酸作用的结果。4．脱硫酸作用在还原环境下，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使硫酸根离子还原成硫化氢，从而使水中硫酸根离子减少甚至消失而碳酸氢根离子增加的作用称为脱硫酸作用。（写出化学反应式）这是一种生物化学作用，多发生于封闭的地质构造的地下水中，如油田水。

3．脱碳酸作用825．阳离子交替吸附作用岩土颗粒表面一般带负电荷，能够吸附阳离子。一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这种作用称为阳离子交替吸附作用。这种作用大小取决于：

1离子电价大小和离子半径：不同的阳离子，吸附于岩土表面的能力不同，按吸附能力，自大而小顺序为：H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+，离子价越高，离子半径越大，水化离子半径越小，吸附能力越强，H+是例外。2离子的浓度：水中某些离子的相对浓度越大，则这种离子的交替吸附能力也随之增大。如，当地下水中Na含量高，而岩土中原来吸附有较多的Ca，则水中的Na将反过来置换岩土吸附的部分Ca。海水入侵陆相沉积物时就会发生这种作用。

3岩土的吸附能力：岩土的吸附能力取决于岩土的颗粒大小，颗粒越细小，交替吸附的规模越大。所以，粘性土最容易产生阳离子交替吸附作用，而粗粒土和岩石实际不会发生阳离子交替吸附作用。5．阳离子交替吸附作用836．混合作用成分不同的两股水汇合在一起，形成化学成分和矿化度于原来两种水都不同的水的作用称为混合作用。如：含SO42-、Na+的地下水与含HCO3-、Ca2+的水混合时，会发生反应，石膏析出，形成以HCO3-、Na+为主的地下水。7．人类活动在地下水化学成分形成中的作用人类活动产生的废弃物污染地下水。大量抽排地下水改变地下水动力条件，使水化学成分发生改变。6．混合作用84地下水化学成分的分析和水化学类型的划分

一、地下水化学成分分析内容地下水化学成分的分析是研究地下水化学成分的基本手段。在实际工作中，根据目的和要求不同，对水质分析的项目和精度要求也不相同。在一般性水文地质调查中，主要有简分析、全分析，有时为了配合专门任务，还要进行专门分析。

简分析用于了解区域地下水化学成分的概貌。它的特点是分析项目少，精度要求低，但要快且及时。这种分析可在野外利用专门的水质分析箱，即可就地进行。分析项目除物理性质外，还需定量分析、pH值，定性分析及游离。根据差数计算。

全分析用于较全面地了解地下水的化学成分。它的特点是分析项目多，精度要求高。通常，在简分析的基础上，选取有代表性的地段取水样进行全分析。全分析一般是定量分析，

以及可溶性游离，耗氧量、pH值等，计算总硬度、水久硬度、暂时硬度及干涸残余物。以及可溶性游离，耗氧量、pH值等，计算总硬度、水久硬度、暂时硬度。地下水化学成分的分析和水化学类型的划分85

专门分析为了某种目的对地下水中某一种或某些元素专门进行的分析。如在燃矿区水文地质调查中，是对Cu、Pb、Zn、Co、U、F等稀有元素和有害离子成分进行专门分析。必须指出，任何目的的专门分析，都必须在取得全分析成果的基础上进行。在以后的水质长期监测工作中，才允许在一定期间内只作一些增选项目的测定。进行地下水的化学分析的同时，还应对有关的地表水体取样分析。这是由于地表水体可能是地下水的补给来源，或是排泄去路。前一种情况，地表水的成分将影响地下水；后一种情况，地表水反映了地下水化学变化的最终结果。对于作为地下水主要补给来源的大气降水，其化学成分也值得注意。

专门分析为了某种目的对地下水中某一种或某些元素专门进86二、水分析成果的表示方法

1)离子毫克数表示法即一升水中所含离子的毫克数(mg／L)。这种方法只表征离子的绝对含量，不易显示水的化学性质。2)百万分含量(ppm)表示法相当于1000g水中含某离子的毫克数。当水的比重为1时，其值与每升水中含离子的毫克数相同。

3)离子毫克当量数表示法即一升水中所含离子的毫克当量(meq／L)。这种方法可以反映各种离子间的数量关系和水的化学性质，检查水分析成果的正确性。4)离子摩尔数表示法即一升水中所含离子的摩尔(mol／L)。5)离子毫克当量百分数表示法将一升水中阴、阳离子的毫克当量总数各作为100％，按阴、阳离子分别计算。即用这种方法可以获得水中各种离子含量百分比例的概念，以便对不同水质类型的地下水进行比较。

二、水分析成果的表示方法87

6)库尔洛夫式表示法将离子毫克当量百分数不小于10%的阴阳离子按递减顺序分别排列在横线上、下方，再将水的总矿化度(M)、气体成分和特殊元素(如I-等)写在式前(单位用g／L表示)，式末列入水温(tC)和涌水量(Q，单位为L／s)，各种含量标在相应符号位置的右下角，而原子数移至右上角。如

7)图示表示法采用不同的图形，来表示水中主要离子的相对含量及总矿化度等。常用的图形有以下三种：(1)圆形指示灯图根据主要阴、阳离子毫克当量百分数绘制成的圆形图。圆直径大小表示矿化度等级(图2—3a)。(2)柱状图根据主要阴、阳离子毫克当量百分数绘制成的柱状图(图2—3b)。(3)水化学玫瑰图根据主要阴、阳离子毫克当量百分数绘制成圆形图，后将圆分成6等分，图中6根半径分别表示地下水中常见的6种离子，并将每根半径分为100等分，然后按各离子的毫克当量百分数分别在半径上定点，联接各点，便显示出该水样特有的攻瑰花图形(图2—4)。

6)库尔洛夫式表示法将离子毫克当量百分数不小于188水文地质学基础课件89

三、地下水化学类型的划分

区