【理论】岩溶水简介

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1 岩溶及其研究意义

水对可溶岩石进行化学溶解，将空隙扩大为管道及洞穴，携带泥砂的急速水流，不断冲蚀扩展管道及洞穴，管道及洞穴因冲蚀扩展而导致重力崩塌，有时直达地表；于是，在地下形成贯通的洞穴通道，在地表塑造独特的地貌景观，形成独特的水文特征。上述作用及其所产生的地表和地下现象，称为喀斯特（karst），也叫岩溶。

赋存并流动于岩溶化岩层中的水，称为岩溶水（喀斯特水，karstwater）。由于介质的可溶性，岩溶水在流动过程中不断扩展改造介质，从而改变自身的补给、径流和排泄条件以及动态特征，即水与含水介质相互作用。岩溶水系统是一个通过水与介质不断相互作用、不断演化的自组织系统。

发育充分的岩溶水系统，含水介质大小相差悬殊，与裂隙比较，更加不均匀，孔隙、溶隙与溶蚀管道及地下河并存。在一定条件下，洞穴管道系统贯通，构成地下河系。地下水流迅速，导致地下水时空变化强烈。雨季地下水位迅速抬升，旱季地下水位急剧下降。补给区地下水埋藏深度大，河流漏失，导致缺水干旱；排泄区水流集中，水量丰富，易发洪涝。

水量丰沛的岩溶水，是理想的供水水源；奇峰、异洞、大泉是宝贵的生态旅游资源；水量大而极不均匀的岩溶水，构成采矿和地下建筑的威胁，导致水坝及水库渗漏；岩溶塌陷威胁着厂矿和城镇的安全。

2 岩溶发育基本条件

溶蚀：是指具有侵蚀性的水将可溶岩的某些组分转入水中，扩展可溶岩空隙的作用。

岩溶发育需要具备四个基本条件：可溶岩的存在，可溶岩必须是透水的，具有侵蚀性的水，水的流动。

岩溶发育的影响因素：均是通过上述岩溶发育的基本条件发挥作用的。例如，土壤中的CO₂是决定水的侵蚀性的主要因素，而土壤中的CO₂含量取决于气候，湿热气候下土壤CO₂含量高，使地下水有较高的侵蚀性，这正是我国南方岩溶比北方岩溶发育的主要原因之一。再如，地质构造对岩溶水发育有重要作用：构造的边界控制了地下水溯源溶蚀的范围，从而决定了岩溶水系统的边界；主要断裂带、背斜和向斜轴部，往往控制地下河系的发育部位与方向。

2.1岩石的可溶性：碳酸盐岩的成分与结构

可溶岩包括碳酸盐岩（石灰岩、白云岩、大理岩）、硫酸盐岩（石膏等）及卤化物岩（岩盐、钾盐、镁盐）等。卤化物岩和硫酸盐岩分布有限，绝大部分的岩溶发育于碳酸盐类岩石。因此，我们仅就分布最广泛的碳酸盐岩进行讨论。

碳酸盐岩由不同比例的方解石和白云石组成，常含泥质、硅质等杂质。硅质与泥质不溶于水，含有硅质与泥质的碳酸盐岩，难以溶解。溶解残留的泥质经常附着于空隙表面，阻碍进一步的溶蚀作用。碳酸盐岩的可溶性，自大而小依次为：石灰岩＞白云岩＞硅质灰岩＞泥灰岩。

2.2可溶岩的透水性

碳酸盐岩中存在两类空隙：一类是与沉积同生的孔隙，另一类是后期构造作用形成的裂隙。大部分碳酸盐岩属浅海沉积，其沉积模式与碎屑岩相似，具有孔隙。后期经构造作用，又发育裂隙。

在碳酸盐岩原始发育的孔隙、裂隙的基础上，经溶蚀进一步发展成为溶孔、溶隙、溶蚀管道乃至地下河系。

白云岩发育的溶孔分布均匀，石灰岩发育的溶隙分布不均匀。

2.3水的侵蚀性：CaCO₃－H₂O－CO₂体系

水对可溶岩的溶解，涉及固相CaCO₃、液相H₂O及气相CO₂的三相复杂系统。

不含CO₂的纯水中，碳酸钙溶解反应为：

由此产生的CO₃^2-与水反应：

纯水中碳酸钙溶解度很低，但是，当气相的CO₂溶于水中时，则得：

CO₂溶于水中反应产生的H⁺与CaCO₃溶解产生的OH^-结合，得：

从而使开始的两个反应继续发生，促使CaCO₃进一步溶解，直至饱和。

从中还可看出，水的pH值越小，H⁺浓度越大，水的侵蚀能力越强。

地下水从大气中吸收的CO₂非常少，地下水主要从土壤获得CO₂。土壤中有机质氧化产生的CO₂，以及植物根系呼吸产生的CO₂，故使土壤空气中的CO₂含量明显高于大气中的CO₂含量。是地下水中CO₂的主要来源。

显然，如果水不流动，CaCO₃、H₂O、CO₂构成一个封闭体系，随着水中CO₂消耗以及Ca²⁺、CO₃^2-增加，终将达到饱和状态，溶蚀不再继续。因此，溶蚀作用持续进行的必要条件是，体系必须是开放的，溶解碳酸盐成分的“老水”必须不断排走，具有侵蚀能力的“新水”需要源源不断补充。这就是说，水的循环流动是岩溶持续发展的必要及充分条件。

混合溶蚀效应：两种CO₂含量不同的CaCO₃饱和溶液混合后，会成为不饱和溶液，重新具有侵蚀性。

4 岩溶水特征

4.1中国南北方岩溶及岩溶水发育的差异

以秦岭淮河为界，我国南方与北方的岩溶与岩溶水的发育都存在一系列差异。

南方岩溶：发育充分，岩溶现象比较典型。地表有峰林、溶斗、落水洞、竖井、溶蚀洼地等。地下多发育地下河系，岩溶介质和岩溶水空间分布极不均匀。

北方岩溶：发育不充分，地表岩溶不发育，多呈常态山形。地下以溶蚀裂隙为主，有个别管道洞穴，未见地下河系，岩溶介质及岩溶水空间分布相对均匀。

南北方岩溶差异产生的原因：

（1）气候。南方：年降水量大，水量丰沛，湿热；北方：年降水量小，干冷。

（2）水的侵蚀能力。南方：土壤空气中的含量高，侵蚀能力大；北方：土壤空气中的含量低，侵蚀能力小。

（3）岩性。南方：质纯，巨厚；北方：厚度不大，杂质多（含泥质、硅质）。

（4）地质构造。南方：多紧密的褶皱，岩溶水系统规模小；北方：多宽缓的单斜，岩溶水系统规模大。

4.2岩溶含水介质特征

⑴由于裂隙发育初始的不均匀性，加之后期差异性岩溶作用，导致岩溶含水介质空间分布的不均匀性和各向异性。

⑵按岩溶介质空隙的大小可分为（占体积的百分比）：

孔隙和细小的裂隙： 87.19%；宽大的溶隙：9.6%；管道-洞穴：3.21%。其中，孔隙和细小的裂隙总容积大而导水性差，是主要的储水空间。宽大的溶隙兼具储水和导水作用。管道-洞穴主要起导水的作用。

⑶岩溶含水介质南、北方的差异

南方：空隙和细小的裂隙、宽大的溶隙、管道-洞穴并存，岩溶发育极不均匀，成井率低；北方：主要以溶蚀裂隙为主，仅在大泉出口附近见有少量的管道-洞穴。岩溶发育比较均匀，成井率高。

4.3岩溶水运动特征

⑴岩溶含水介质的空隙大小悬殊，通常是层流与紊流共存。

北方岩溶区：以溶蚀裂隙为主，多为层流；南方岩溶区：在溶蚀裂隙中，地下水做层流运动；在宽大的管道－洞穴中，一般呈紊流运动。

⑵不同大小空隙中的地下水运动并不同步。

降雨时，通过地表的落水洞、溶斗等，岩溶管道迅速大量吸收降水及地表水，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。枯水期岩溶管道排水迅速，形成水位凹槽，周围裂隙及孔隙中的水，向管道流汇集。

⑶有压与无压并存。

由于管道断面沿流程变化大，在某些部位在某一时期，地下水是承压的，在另一些时间里又变为无压的。

4.4岩溶水补给、径流及排泄特征

在典型的岩溶化地区，灌入式的补给、畅通的径流与集中的排泄。

⑴在南方典型岩溶区，吸收降水能力强，灌入式补给。降水入渗系数一般为0.2~0.7，最高可达0.8。北方岩溶区，降水入渗系数一般为0.1～0.3。

⑵畅通的径流，地上河与地下河可相互转换。

⑶集中排泄，大范围内的地下水通过地下河或大泉集中排泄。上游缺水，贫困山区，石漠化地区；下游富水，易发洪涝，经济发达。

4.5岩溶水动态特征

南方：岩溶水动态变化显著而缺乏滞后；北方：岩溶水动态变化较稳定。

北方岩溶大泉动态稳定的原因在于：①汇水范围大，降水入渗补给区流向排泄区流程长，溶蚀裂隙中水流速度缓慢，远源和近源入渗降水存在错峰作用；②汇水区内不同部分降水不同步，时间上起错峰作用；③补给区多有松散沉积覆盖，通过包气带入渗，起滤波作用。

4.6岩溶水化学特征

岩溶水溶滤作用强烈，径流迅速，多为以难溶离子为主的低TDS水，南方岩溶区降水丰富，TDS更低。

南方岩溶水：水化学类型主要为HCO₃－Ca及HCO₃－Ca•Mg型，TDS普遍小于0.5g/L，平均值为0.26g/L。

北方岩溶水：水化学类型以HCO₃－Ca•Mg为多，TDS为0.23～0.88g/L，TDS较南方岩溶水略高。

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