矿床水文地质徐九华.ppt

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1、第三篇 矿床水文地质 hydrogeology,李克庆,水文地质学 专门研究地下水的地质科学,水文地质学是研究地下水的数量和质量随空间和时间变化的规律，以及合理利用地下水或防治其危害的学科。,在不同环境中地下水的埋藏、分布、运动和组成成分均不相同。查明这些状况，可为科学地利用或防治地下水提供根据。水文地质学对地下水的研究，着重自然历史和地质环境的影响。,学科演化： 水文地质学的研究，目前已形成了一系列分支学科：,地下水动力学 水文地球化学 供水水文地质学 矿床水文地质学* 农业水文地质学 区域水文地质学 古水文地质学,水文地质学,矿床水文地质学 水文地质学的一部分，是研究矿床开发过程的水文地质

2、 问题的分支。,研究内容 1. 地下水的分布、形成规律 2. 地下水的物理性质、化学成分 3. 地下水运动规律、动态变化 4. 矿山充水条件、富水分析 5. 防排水工程,第三篇 矿床水文地质,第 11章 地下水基本知识 11.1 地下水赋存状态 1.岩土的空隙性 2.水在岩土中存在形式 3.岩土的水理性质 11.2 地下水的物理性质、化学成分 1.物理性质 2.化学成分 11.3 地下水的分类及各类地下水的特征,概述 1. 自然界的水 大气水(Atomospharic Water) 地表水(Surface Water) 地下水(Underground Water) 2. 矿床地下水 埋藏、运动

3、在矿床范围的地下水 3. 水的循环,第11章 地下水基本知识,132.2亿亿吨,3.8亿亿吨,8600万亿吨,0.34 (地表水+大气水）,自然界水的循环,陆地上的淡水来自天上。海水在阳光下蒸发，盐留在了海里，而淡水蒸发到天上，形成云。云被风吹到陆地的上空，凝结后降落到大地上。如此，陆地上的江河、湖泊、湿地才得以形成，它们是陆地生命的淡水源。,自然界水的循环,434,11.1 地下水赋存状态 1. 岩土的空隙性,岩土中的空隙是地下水存在的环境。空隙的大小、多少、连通程度及分布状况等是决定地下水存在和运动规律的重要因素。 根据岩土空隙的成因和结构的不同，岩石的空隙可分为三种类型：孔隙、裂隙和岩溶

4、溶洞。, （1）孔隙 Pove 土(粘土、砂土、砾石等)和碎屑岩等沉积岩中的颗粒和颗粒集合体间存在的空隙。, 不同的岩土，孔隙的大小和发育程度不同，在科学研究和工程应用中，常用孔隙度(n)来表示孔隙的发育程度： n=Vn/V 或 n =Vn/V100% Vn 孔隙体积； V 包括孔隙在内的岩石(土)总体积。 松散岩土的孔隙度：2647.5% 坚硬岩石： 岩浆岩、变质岩13% 砂岩、砾岩310%,（2）裂隙 坚硬岩石由于岩浆的冷凝作用、地壳运动中构造应力作用或风化剥蚀作用，在岩石中产生的裂缝，称为裂隙。 裂隙在岩石中的分布不均匀。,裂隙度（裂隙率 Kt ） 衡量裂隙发育程度的指标度，也称为裂隙率

5、。 Kt=Vt/V100% 在岩层露头处或坑道中 Ka=LB/F100% (面裂隙度) 岩层露头面积(F)，该面积上裂隙的长度(L)及平均宽度(B) 钻孔中所取岩心 Kl=B/L100% ( 线裂隙度) ,（3）岩溶溶洞 地下水溶蚀了某些可溶性岩石(如石灰岩、石膏、岩盐等)，而在岩石中形成的洞穴称岩溶溶洞。 岩石中岩溶溶洞的不均匀性较裂隙更甚，大的岩溶溶洞，体积可达数十万立方米以上。 溶洞度(Kk)，岩溶率 衡量岩溶溶洞发育程度的指标 Kk=Vk/V100% Vk 岩溶溶洞的体积； V 总体积(包括Vk ) 岩溶溶洞度通常通过钻孔中所取得的岩心测量而得。,2. 水在岩土中的存在形式,根据水在空

6、隙中的物理状态，水与岩土颗粒的相互作用等特征，将其分为气态水、结合水、毛细水、重力水、固态水等五类。,气态水 即水蒸气，和空气一起充填在岩土的空隙中。,结合水 包括吸着水和薄膜水。由于细小的土粒表面带电，而水又是极性分子，在土粒表面静电引力作用下而被吸附的水称为结合水。,指紧靠土粒表面的结合水，极其牢固的结合在土粒表面上，性质接近于固体，密度约为1.22.4g/cm3，冰点为78，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度，没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力；,紧靠于吸着水的外围形成一层的结合水膜。它仍然不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向临近的较薄的水膜缓慢移动。,2. 水在岩土中的存在形式,

7、毛细水由毛细力作用而充满在岩土毛细空隙(一般指直径小于1mm的孔隙和宽度小于0.25mm的裂隙)中的水。,重力水充满于非毛细空隙中的液态水。当薄膜水的薄膜更加增大时，水与岩土颗粒间的作用力逐渐减小，当这种力量不能保持薄膜水时，薄膜水即变为液态水滴受重力影响而在岩土空隙中运动。,固态水以冰的形式存在于岩土中的水。高寒地区冬季或全年地壳表层冻结，其中液态水即变成固态水。它在我国的西北和西藏的高寒山区的永冻层中广泛分布。,水在岩土中存在形式,3. 岩土的水理性质,地下水存在和运动于岩土空隙中时，岩土所表现出来的各种性质，称为岩土的水理性质。主要包括容水性、持水性、给水性和透水性。 容水性 岩土空隙所

8、能容纳水的性能 容水度（Water Capacity） 体积容水度 VH2O/V=Vn/V+Vt/V+Vk/V 重量容水度 WH2O/W岩(干)=Wn/W+Wt/W+Wk/W,持水性 在自然条件下，岩土能够保持一定水量的性能 持水度（Water-holding property） W薄膜水/W岩(干) 或 V薄膜水/V岩(干),给水性 岩土在重力作用下，自由排出重力水的性能 给水度（Specific yield）= 容水度-持水度 = VH2O/V- V薄膜水/V岩(干),透水性 岩土能使水透过本身的一种性能 渗透率（permeability）表示岩土透水性能大小的指标，称为渗透系数,3. 岩

9、土的水理性质,11.2 地下水的物理性质、化学成分,（1）温度 TH=TB+(H-h)/G H=(TH-TB)/r+h TH - 在H(m)处地下水的温度(C)； TB - 所在地区年平均气温(C)； H - 所测地下水水温处的深度(m); h - 所在地区年常温带深度(m)； G - 地温梯度，33m/C； r - 地热增温率(1/G),H,1. 物理性质,TH=TB+(H-h)/G H=(TH-TB)/r+h TB =15C (所在地区年平均气温)； H =510m (所测地下水水温处的深度); h =15m (所在地区年常温带深度); G=33m/C 地温梯度；,例,则 TH =15+(

10、510-15)/33=30C 即在地下510m处地下水的温度30C,根据水温不同的地下水分类,(2)颜色 含FeO的水呈浅蓝色 含Fe2O3的水呈褐红色 含腐殖质的水呈暗黄褐色 含悬浮杂质的水悬浮物本身的颜色；颜色的深浅水中悬浮物的化学成分和含量的多少。,(3)密度 11.3g/cm3，死海含盐30%，海水的密度为1.1721.227 ，人体密度1.0211.097,2.化学成分,(1)地下水成分 地下水中常见的成分如下： 阳离子：H+、Na+、K+、NH+ 4 、Mg2+、Ca2+、Fe3+、Mn2+等； 阴离子：OH-、Cl-、SO2-4、NO-、NO-3 、HCO- 3 、CO2-3、S

11、iO2- 3及PO3-4等。 化合物分子：Fe2O3、Al2O3及H2SiO3等。 地下水的化学定名和评价就是根据七种离子进行的。,2.化学成分,(3)硬度 指水中Ca2+、Mg2+的总量，包括暂时硬度和永久硬度。 水中Ca2+、Mg2+以碳酸盐形式存在的部分，因其遇热即形成碳酸盐沉淀而被除去，故称为暂时硬度； 以硫酸盐、硝酸盐和氯化物等形式存在的部分，因其性质比较稳定，故称为永久硬度。 总硬度=暂时硬度+永久硬度 1mmol/L=2.8德国度,(4)总矿化度,单位体积水中所含有的离子、分子和各种化合物(不包括游离状态的气体)的总量称为水的总矿化度（M），以g/L表示。 通常以105110下将

12、水蒸干后所得的干涸残余物含量来表示。,2.化学成分,由于某些组分挥发以及一些含水盐类的生成，干涸残余物重量亦不能确切地代表水的总矿化度。 一般的地下水总矿化度多在0.5g/L以下，很少超过1g/L。,按总矿化度大小，地下水可分为五种：淡水、弱半咸水、强半咸水、咸水和盐水 通常我们所饮用的所谓“淡水”就是指矿化度1的水。,3.地下水化学成分表示方法及水质评价,(1)库尔洛夫式,实例：周口店关砥村南民井某日抽水资料如下: HCO- 3 60 毫克当量% Na+ 50 毫克当量% Cl- 25 毫克当量% Mg2+ 45 毫克当量% SO2- 4 10 毫克当量% Ca2+ 10 毫克当量% CO2

13、 0.016g/l 稀有元素 无 总矿化度 M 0.28 g/l 水温 15 C 涌水量 Q 60 m3/day (试用库式表示）,HCO360Cl25 CO20.016M0.28 T15Q60 Na50Mg45,答案,水生命之源,(2)地下水的水质评价,1）饮用水的水质评价 天然状态下，水中存在有害物质或缺乏某些人体所需的物质时，称第一环境地质问题； 由于人为因素污染了地下水，使水中存在着有害的物质，称第二环境地质问题。,(2)地下水的水质评价,据国家卫生部颁布的生活饮用水卫生规程规定： 物理性质：要求无色、透明、无嗅、无味，温度以低些为宜，最高也不能超过当地的平均气温。 化学成分：要求总矿

14、化度不超过1000mg/L。总硬度不超过25度。pH值在6.59之间。 饮用水有害成分的极限含量：铅0.1mg/L，砷0.05mg/L，氟化物1.5mg/L，铜3.0mg/L，锌5.0mg/L，铁总量0.3mg/L，不能含汞、六价的铬及钡等。缺水地区，只要无毒就可作为饮用水。,(2)地下水的水质评价,2）水对金属的侵蚀性评价 水泵、金属管道、钢轨、支架、采掘机械等各种金属设备，当它们接触地下水时，可产生化学反应遭受腐蚀，这就是水对金属的侵蚀性。 各种金属设备，周围存在氧和水汽时，则易发生强烈的侵蚀。酸性水，即pH6.5或软水，对钢铁设备具有侵蚀作用。,(2)地下水的水质评价,3）水对混凝土的侵蚀性评价 碳酸侵蚀：混凝土固结后表面及内部均生成碳酸钙。当含有CO2的地下水与混凝土接触时，就能溶解碳酸钙，使混凝土的结构遭到破坏。 硫酸盐侵蚀：当硫酸根离子含量高的水渗入混凝土体内时，可形成使混凝土膨胀和破坏的盐类。 生成CaSO42H2O(石膏)时，其体积增大倍； 生成Al2(SO4)318H2O时，其体积增大1400%。使混凝土构筑物结构胀松而破坏。,