第十一章 裂隙水

null第十一章 裂隙水第十一章 裂隙水 11.1 裂隙水的特点 11.2 成岩裂隙水 11.3 风化裂隙水 11.4 构造裂隙水 11.5 断层带的水文地质意义11.1 裂隙水的特点11.1 裂隙水的特点一、裂隙： 坚硬的基岩在各种地质作用下产生的各种裂隙。 二、裂隙的成因分类： 1.成岩裂隙：成岩过程中所形成的岩石裂隙； 2.风化裂隙：风化作用过程中，岩石的开裂形成的裂隙； 3.构造裂隙：岩石经历构造变动，由地应力产生的裂隙。 三、裂隙水的特点： 1.由于裂隙发育具有方向性，特别是构造裂隙，因此，裂隙水的分布多具方向性。表现为渗透的各向异性。 2.由于裂隙分布不均匀，导致裂隙水极不均匀，水力联系不统一。 3.单一裂隙或同一方向若干裂隙不一定构成连续空间，只有不同方向裂隙相互交切连通，才在一定范围内构成连续分布的空间—裂隙网络，形成网络裂隙水。 4.裂隙水多呈脉状含水系统，裂隙率要比松散岩层孔隙度小很多，裂隙分布不均匀且具有方向性。只有当张开裂隙密集均匀分布，构成具有统一水力联系的层状含水系统，才可近似称为层状裂隙水。 基于上述特点，常见基岩区取水，打在同一岩层中相距很近的钻孔，水量悬殊，甚至一孔有水，而邻孔无水；相邻井孔水位差别大，水质和动态变化也不同，有时一孔抽水，远处的井孔水位下降，而近处井孔的水位无变化。null 裂隙含水系统 1-不含水张开裂隙 2-含水张开裂隙 3-包气带水流向 4-饱水带流向 5-地下水位 6-水井 7-自流井 8-无水干井 9-季节性泉 10 常年性泉11.2 成岩裂隙水11.2 成岩裂隙水一、成岩裂隙：岩石在成岩过程中受内部应力作用而产生的原生裂隙。 沉积岩固结脱水、岩浆岩冷凝收缩等均可产生成岩裂隙。其中，沉积岩中形成的干裂缝由于被后期充填而闭合，深成岩浆岩的成岩裂隙通常也多是闭合的，因此，它们的含水意义不大。而陆地喷溢的玄武岩成岩裂隙最为发育，可以形成好的成岩裂隙水。 二、成岩裂隙水类型及特点： 1. 陆地喷溢的玄武岩成岩裂隙水： 岩浆冷凝收缩时，由于内部张力作用产生垂直于冷凝面的六方柱状节理及层面节理。成岩裂隙大多张开且密集均匀，连通良好，常构成贮水丰富、导水通畅的层状裂隙含水系统。 如：美国夏威夷群岛玄武岩裂隙水十分奉富，檀香山城即以此作为供水水源，钻孔总涌水量达7.5m3/s 之多。 2.岩脉及侵入岩接触带成岩裂隙水： 由于冷凝收缩，以及冷凝较晚的岩浆流动产生应力，张开裂隙发育，常形成近乎垂直的带状裂隙含水系统。 3.熔岩孔洞或管道含水系统： 熔岩流冷凝时，留下喷气孔道，或表层凝固，下部未冷凝的熔岩流走而形成熔岩孔洞或管道，这类孔道洞穴最大直径可达数米，往往可以获得可观的水量。11.3 风化裂隙水11.3 风化裂隙水一、风化裂隙： 暴露于地表的岩石，在温度变化和水、空气、生物等风化营力作用下在岩石表面或地壳浅部形成的裂隙。 风化裂隙常在成岩裂隙与构造裂隙的基础上进一步发育，形成密集均匀、无明显方向性、连通良好的裂隙网络。 二、风化裂隙水的分布和控制因素： 1.分布：在地表或地表以下不深的范围内，形成的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。 2.控制因素： 1）岩性： a.单一稳定的矿物组成的岩层（如石英岩）风化裂隙很难发育。泥质岩石虽易风化，但裂隙易被土状风化物充填而不导水； b.由多种矿物组成的粗粒结晶岩（花岗岩、片麻岩等），不同矿物热胀冷缩不一，风化裂隙发育，风化裂隙水主要发育于此类岩石中。 2）气候： a.气候干燥而温差大的地区，岩石热胀冷缩及水的冻胀等物理风化作用强烈，有利于形成导水的风化裂隙； b.湿热气候区以化学风化为主，泥质次生矿物及化学沉淀常充填裂隙而降低其导水性。null 3）地形： 地形比较平缓，剥蚀及堆积作用微弱的地区，有利于风化壳的发育与保存；如果地形条件也利于汇集降水，则可能形成规模稍大，常年能提供一定水量的风化裂隙含水层。 另外，由于水流切割或人工开挖形成减压（卸荷）裂隙，也可以形成较好的裂隙含水层（带）。 风化裂隙水示意图 1母岩 2-风化带 3-粘土 4-季节性泉 5-常年性泉 6-井及地下水位11.4 构造裂隙水11.4 构造裂隙水一、构造裂隙发育规律与岩层透水性 1.构造裂隙：岩石在地壳构造运动中受应力作用影响产生的裂缝。 2.构造裂隙发育规律的控制因素及岩层透水性 1）岩石性质—内因： ①岩石的力学性质： a.塑性岩石：页岩、泥岩、凝灰岩、千枚岩等，受力多发生塑性形变，常形成闭合乃至隐蔽的裂隙。虽然密度很大，但张开性差，延伸不远，缺少对地下水贮存特别是对传导有意义的“有效裂隙”而构成相对隔水层；只有在暴露于地表之后经过卸荷及风化才具有一定的贮水及导水能力。 b. 脆性岩石：致密石灰岩、岩浆岩、钙质胶结砂岩等，其构造裂隙一般比较稀疏，但张开性好、延伸远，具有较好的导水性。 ②岩石组成： a.粒度：粗颗粒的砂砾岩裂隙张开性优于细粒的粉砂岩。 b.胶结物：钙质胶结者显示脆性岩石特性，裂隙张开性好；泥质及硅质胶结的则与塑性岩石相近，裂隙张开性差。null 岩性变化与裂隙率及涌水量的关系null2.构造应力—外因对裂隙性质的控制 1）应力类型： ①张应力：使岩石产生与主构造线一致的纵节理或垂直构造线的横节理。一般节理张开性好，形成贮、导水裂隙。 ②剪应力：产生剪节理，节理面多平整而闭合，多半不导水。 ③扭张力：产生扭张裂隙，其张开性介于上述两者之间，导水一般。 ④层面滑动：造成层面裂隙，延伸可很远，具有一定的张开性。 2）应力作用位置（构造部位）： 应力集中的部位，裂隙常较发育，岩层透水性也好。 如：背斜轴部较两翼富水，断层带附近较两侧富水，倾斜岩层较平缓岩层富水。 3）不同岩层中的裂隙发育： 夹于塑性岩层中的薄层脆性岩层，往往发育密集而均匀的张开裂隙。脆性岩层夹层越薄，抗拉能力越小，张开裂隙就越密集。该夹层上下为隔水层，它往往是好的含水层。 4）深度影响： 随着深度加大，围压增加，地温上升，岩石的塑性加强，裂隙张开性变差。因此裂隙岩层的透水性通常随深度增大而减弱。null 层状岩石构造裂隙示意图 1—横裂隙；2—斜裂隙；3—纵裂隙；4—层面裂隙；5—顺层裂隙null 夹于塑性岩层中的脆性岩层裂隙发育特征 1-脆性岩层 2-塑性岩层 3-张开裂隙 4-井及地下水位 5-无水干井 A-脉状裂隙水 B-层状裂隙水 null二、裂隙含水系统 1.裂隙含水系统发育的局限性： 1）岩性变化不均匀； 2）构造应力作用不均匀。 因此，难以形成分布均匀、相互连通的张开裂隙系统，即很难构成统一的裂隙含水系统。 2.特殊情况下形成的裂隙含水系统： 1）夹于塑性岩层中的薄层脆性岩层：张开裂隙密集均匀，连通好，上下为隔水层，使夹层具有统一水力联系，而形成层状裂隙含水系统。 2）应力集中的部位：当岩性有利，该部位往往形成张开裂隙相互连通的裂隙含水系统。 3.裂隙含水系统：指一定范围内相互连通的不同级次的裂隙所构成的具有统一水力联系的空隙网络形成的含水系统。 层状岩石裂隙含水系统中的各级裂隙组成： 1）大裂隙（巨裂隙）：纵张、横张裂隙，间距几十—几百米，宽度大，穿切多个岩层； 2）中裂隙（顺层的）：包括层面裂隙，多在褶皱轴部，如沿层面脱开的层面张裂隙等，几条/m ，隙宽较大； 3）微小裂隙（原生和次生的）：限于某一岩层的各个裂隙组。几十~十几条/m ，隙宽小。nullnull 上述不同级次的裂隙普遍扩容、连通，便在一定范围内构成含水裂隙网络。该系统水位受该系统最低出露的的控制。 层状裂隙和小裂隙多为贮水构造，而大裂隙—主干裂隙多为导水构造。断层是最高层次的导水裂隙，它们共同构成含水裂隙网络。 注意：同一岩层中，可包含若干个裂隙含水系统，彼此并无水力联系，裂隙含水系统的含水性能完全取决于各级裂隙之间的相互连通情况。 null三、构造裂隙水的其它特点： 1.透水性显示各向异性： 某些方向上的裂隙张开性好，另一些方向上的裂隙张开性差，因此，不同方向上的K值相差很大。仅用裂隙率或平均渗透系数描述裂隙岩层的透水性不足以说明问题，方向性极为重要。 2.构造裂隙水可以是潜水，也可以是承压水： 只要不是裂隙发育十分密集均匀，则没有一明确水位，即使是潜水，也显示局部承压性。 3.构造裂隙水流向的特殊性： 构造裂隙水在位置和方向上均在受限制的空间上运动，局部流向往往与整体流向不一致，迂回绕行，有时甚至相反，在平面和剖面上局部流向多不垂直于等水头线，与孔隙水的流动明显不同。 剖面上的裂隙水水位和平面上的裂隙水等水位线，除了若干点以外，都是虚拟的，岩层中张开裂隙愈是稀疏，分布愈不均匀，这一特点就愈明显。 null 裂隙渗透场与孔隙渗流场的比较 （a）裂隙水运动平面图 （b）裂隙水运动剖面图（c）孔隙水运动平面图（d）孔隙水运动剖面图 1-裂隙水 2-砂 3-地下水等水头线（m）4-剖面中的地下水位 5-包气带水流向 6-饱水带流向 7-泉 null四、断层带的水文地质意义 1.断层带：是应力集中释放造成的破裂形变带，其两侧岩盘发生大的距离相对滑动。 大的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体。 2.断层带导水—贮水性的控制因素： 两盘的岩性及断层力学性质 1）张性断裂： a.脆性岩层：断层中心多为疏松多孔的构造角砾岩，两侧一定范围内则为张开度及裂隙率都增大的裂隙增强带，常具良好的导水能力。 b.塑性岩层：构造岩夹有大量泥质，两侧的裂隙增强不如脆性岩层中明显，往往导水不良甚至隔水。 2）压性断裂： a.脆性岩层：中心构造岩细碎紧密，透水性很差；但两侧多发育开张性较好的扭张裂隙，成为导水带。当断层面比较平缓时，上盘的扭张裂隙更为发育，导水性好。 b.塑性岩层：中心为致密不透水的糜棱岩、断层泥等，两侧多发育张开性差的扭节理，通常是隔水的。 注意：同一条断层，由于两盘岩性以及力学性质的变化，不同部位的导水性可以很不相同。浅部两盘都是脆性岩层，断层导水；深部两盘为塑性岩层，断层隔水。此外，原来导水的断层带可因后期的胶结作用而降低导水性，也可由于后期的溶滤作用而增强导水性。null3.导水断层的水文地质意义 1）导水断层作为特殊的水文地质体，它可以起到贮水空间、集水廊道与导水通道的作用。 2）贮水空间：断层带本身由断层断层角砾岩组成，空隙多（空隙度可达百分之几十），而两侧裂隙增强带（裂隙率可较围岩大1—2 个数量级，达到百分之几到十几）裂隙密集均匀，张开性较好，因此，可构成局部的带状贮水空间。 3）集水廊道：在透水性围岩中的导水断层，当打井揭露断层带的某一部位时，水位下降迅速波及导水畅通的整个断层带，形成延展相当长的水位低槽，断层带就像集水廊道似的，汇集广大范围围岩裂隙中的水。 4）导水通道：导水断层可沟通若干个含水层及地表水体，因此，可作为各含水层的导水通道以及地表水和地下水的联系通道。 4.阻水断层的水文地质意义 1）当断层断距较大且断层隔水时，原来连通的含水层可被切割成为相对独立的块段。由于这种含水块段与外界的水力联系减弱，有利于排水疏干而不利于供水。 2）由于断层阻隔作用，大的断层往往构成地下含水系统的边界。 3）在地下水位深埋的缺水山区，地下径流强，地下水不易保存而散失，但阻水断层可在一定范围内局部滞留汇集，则有利于山区找水。null 断层的阻水作用 1—含水层；2—隔水层；3—断层；4—地下水位；5—泉null 阻水断层局部滞留汇集地下水