岩溶围岩隧道.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流岩溶围岩隧道岩溶围岩隧道剧仲林2011/4/11岩溶发育须具备三个条件和两个因素目录1.岩溶产生奇峰异洞的一种自然现象31.1 喀斯特名称之由来31.2岩溶之定义32.岩溶的发育42.1岩溶发育的基本条件42.1.1岩石的可溶性52.1.2水的溶蚀能力82.2制约岩溶发育的基本因素15岩石的透水性和水的流动性152.2.1地质构造条件对岩溶发育的制约作用岩石的透水性152.2.2气候因素对岩溶发育的制约作用水的流动性173.岩溶地貌203.1 地表岩溶地貌203.2 地下岩溶地貌233.3 岩溶地貌组合244.岩溶围岩隧道264.1 岩溶围岩
2、隧道的特点264.2 岩溶围岩隧道的几种地质现象264.2.1 突泥、突水264.2.2 岩爆264.3 岩溶围岩隧道的关键施工措施271. 岩溶产生奇峰异洞的一种自然现象1.1 喀斯特名称之由来岩溶,国外称为Karst(音译为喀斯特),原为Kras,即石头的意思。是斯洛文尼亚境内伊斯特里亚半岛(Istria Peninsula)上一个有石灰岩分布的地方的地名。这个地方靠近意大利,意大利人称之为Carso,而德国人称之为Karst。因早期有关研究这种石灰岩的景观多用德文,后来即以德语Karst命名这类地貌现象;英文也沿用此名称。我国也像世界上其他国家那样,在描述或研究这种孕育着奇峰异洞的石灰岩
3、地貌时,沿用这一专有名词,并音译为“喀斯特”。1966午3月,在广西桂林召开的中国地质学会第一次全国岩溶学术会议上,根据一些学者的提议,认为“喀斯持”在我国分布广泛而典型,与广大民众日常生活及工农业建设,具有密切的关系,而且用音译“喀斯特”不易为群众所理解,于是建议另用可反映这种作用与现象的名称以代替之。通过百多位学术界人士的讨论,最后选用“岩溶”这一名称。因为奇峰异洞这种现象,就是由于岩石被水溶解这个主要因素而产生的,用岩溶这个名称,也反映了这种地质作用的本质。为了推广这个名词,建以初期可用“岩溶(喀斯特)”作为过渡;目前,仍有学者采用“喀斯持”这个名称,但“岩溶”使用更加普遍。当时还建议,
4、为了与国外文献相一致,在用外文发表文章及外语交流中,仍用Karst。1.2岩溶之定义岩溶,主要是指水对可溶性岩石碳酸盐岩(石灰岩、白云岩等)、硫酸盐岩(石膏、硬石膏等)和卤化物岩(岩盐)等的溶蚀作用,及其所形成的地表及地下的各种景观与现象。在岩溶作用过程中,经常伴随发生的侵蚀、潜蚀、冲蚀、崩塌、塌陷与滑动,以及化学、物现与机械的风化、搬运、堆积与沉积等作用,过有不少的生物,例如微生物、菌类、藻类、植物与动物的生命活动及其死亡机体的分解作用等,都可对岩溶的发育产生影响。岩溶作用多数是发生在大气降水的条件下,也可在冰雪覆盖的环境中进行;地下的热液活动可产生另一类热液岩溶作用,所有这些作用,都是以可
5、溶岩被水溶解的作用为基础的,所以最本质的现象就是“岩石的溶解”,即岩溶作用。凡是以地下水为主、地表水为辅,以化学过程(溶解和沉淀)为主、机械过程(流水侵蚀和沉积、重力崩塌和堆积)为辅的对可溶性岩石的破坏和改造作用都叫岩溶作用。这种作用所造成的地表形态和地下形态叫岩溶地貌。岩溶作用及其所产生的水文现象和地貌现象统称岩溶。2. 岩溶的发育2.1岩溶发育的基本条件岩溶的发育,要以可溶的物质可溶岩,以及可以溶解可溶岩的水的存在作为基本条件。在岩溶地区,水与岩石是构成岩溶作用的一对矛盾。就岩石而言,首先必须是可溶的,否则水就不可能进行溶蚀,岩溶作用也就无从发生;其次,岩石必须是透水的,当岩石具有透水性时
6、,地表水才能渗入地下并转化为地下水,这样地下水才能起主导作用,形成作为岩溶标志的地下洞穴。就水而言,首先水必须具有溶蚀力,如果水没有溶蚀力,岩溶作用就很难进行;其次,水必须是流动的,因为停滞的水很快就会变成饱和溶液,因而失去溶蚀力,岩溶作用就会停止。因此,岩石的可溶性、透水性,水的溶蚀力、流动性,就成为岩溶作用的基本条件。2.1.1岩石的可溶性可被水溶解的溶质取决于可溶岩的岩性。常见的可溶岩是碳酸盐岩、硫酸盐岩和卤化物岩。碳酸盐岩主要是以碳酸钙为主的石灰岩,以及主要成分为碳酸钙和碳酸镁(MgCO3)的白云岩。此外,根据泥质、硅质含量的不同,碳酸盐岩又可分为泥质碳酸盐岩、泥灰岩,以及硅质碳酸盐岩
7、等。硫酸盐岩主要有硬石膏(硫酸钙CaSO4)、石膏(双水硫酸钙CaSO42H2O)、芒硝(硫酸钠NaSO410H2O)、钙芒硝(CaSO4NaSO4)等。卤化物主要是岩盐(NaCl,又称钠盐)和钾盐(KCl);广义的钾盐又包括钾盐镁矾(KClMgCl26H2O)、杂卤石(K2SO4 MgSO4 2CaSO4 2H2O)等。碳酸盐岩主要由海相沉积形成,故称为海相碳酸盐岩;也有少量为内陆湖相沉积的湖相碳酸盐岩。海水中所含有的碳酸钙胶状溶质、富含钙质的生物贝壳及珊瑚尸体的堆积,都可形成为碳酸盐岩。沧海桑田。处地球演化过程中,地面不断上升和下降,海水面也是不断变动的,因此在海水下就有不同的地形地貌,如
8、盆地、陆棚、斜坡、台地等的差别,相应地也就具有不同的沉积物,由于沉积环境的不同,沉积的物质也有差异;由于主要成分粒屑、泥晶、亮晶、骨架和孔隙等的不同,碳酸盐岩的结构也就有很大的差别。粒屑是在沉积盆地内,由化学、生物化学及机械作用而形成的。也称内碎屑。泥晶也称微晶方解石泥、灰泥、软泥等,是介质海水中决速沉积的粘粒。亮晶为胶结物,又称淀晶,是粘粒之间的孔隙中,后期产生化学沉积的晶体。骨架则是在礁灰岩中生活的生物的分泌物,将钙质骨骼紧密粘结而生成的。珊瑚虫为腔肠动物。多群居而成一群体。它们的石灰质骨骼聚集就生成为珊瑚;珊瑚虫的骨骼大量堆积,就形成大海中的珊瑚礁。珊瑚礁多见于热带海洋中。珊瑚礁灰岩具有
9、较多的孔隙,有利于油气的生成及储集。碳酸盐岩的骨架除了珊瑚骨骼之外,尚有藻类、苔藓虫、层孔虫、海绵、棘皮动物等, 碳酸盐岩沉积后,受自身及上覆沉积层的荷重压实:将别是由于海水消落、使原来的海底变成陆面。原来海水下的沉积物便迅速固结,成为坚硬的碳酸盐岩。其岩性由于原生物质的不同,也就呈现出差异性。由海水中腔肠动物生成的珊瑚礁,转变为陆地上礁灰岩的过程,可较好反应碳酸盐岩的生成机理。碳酸盐岩中的白云岩,由于受后来环境影响而变为石灰岩,这个过程称为去白云岩化作用;而石灰岩由于构造下降而被埋入地下深处,也可转变为白云岩,这个过程称白云岩化作用,共化学反应式为:碳酸盐岩的白云岩化作用和去白云岩化作用,是
10、一个非常复杂的问题。简而言之,碳酸盐岩自沉积成岩后,其岩性不是不变的,而是有多种演化过程。但在其白云岩化和去白云岩化这两种变化过程中,都相应发生岩溶作用。对于碳酸盐岩岩性的结构的分类,要考虑晶粒直径、形态、晶粒大小结构及晶粒组合结构,也要考虑成岩后其他作用的影响。现将其岩性结构及其成岩后其他作用的影响归纳于下表2.1。表2.1 碳酸盐岩岩性结构分类综合表晶粒直径直径(mm)20.520.250.50.0750.250.010.0750.01晶粒大小分类砾晶粗晶中晶细晶粉晶泥晶晶粒形态分类自形、半自形、他形晶、自形他形晶晶粒大小结构分类等粒、不等粒、斑状、团簇状、花状晶粒组合结构分类全晶质、镶嵌
11、状、花岗状、缟状、条带状、散晶状、散花状、层块状、裹晶状、残脉状、骨架状作用影响成岩作用、白云岩化及去白云岩化重结晶作用、后期溶蚀作用的综合效应从岩石成分来看,可溶性岩石基本上分为三类:碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩、硅质灰岩和泥灰岩);硫酸盐类岩石(石膏、芒硝);卤盐类岩石(石盐和钾盐)。就溶解度而言,卤盐 硫酸盐 碳酸盐。但是,卤盐类岩石和硫酸盐类岩石分布不广,岩体较小,而碳酸盐类岩石分布很广,岩体一般都很大。所以发育在碳酸盐类岩石中的岩溶较之卤盐类和硫酸盐类岩石中的岩溶要普遍得多。碳酸盐类岩石的矿物成分主要是方解石 CaCO3 或白云石(CaMgCO3),其次是SiO2 、Fe2O3 、A
12、l2O3 ,以及粘土物质。石灰岩的成分以方解石为主,白云岩的成分以白云石为主,硅质灰岩是含有燧石结核或条带的石灰岩,泥灰岩则为粘土物质与CaCO3的混合物。一般说来,石灰岩比白云岩易溶蚀,白云岩比硅质灰岩易溶蚀,硅质灰岩又比泥灰岩易溶蚀。碳酸盐岩结构对岩溶发育的影响,主要是原生孔隙性的影响。一般说来,盆地或大陆架深水区沉积生成的碳酸盐岩孔隙小而少,不利于岩溶发育,而过渡性沉积区生成的碳酸盐岩多孔隙,有利于岩溶发育。2.1.2水的溶蚀能力纯水的溶蚀力是微弱的,只有当水中含有CO2时,才有较强的溶蚀作用,将CaCO3溶解,把不能溶解的残余物质留下,或呈悬浮状态带走。可溶岩被溶解,是由于溶液水对它有
13、溶蚀能力。硫酸盐岩类和卤化物岩类可以被水直接溶解;而碳酸盐岩被水溶解或溶蚀,就会借助于二氧化碳及其他酸类起溶剂作用。水是怎么形成的?可以说,水的起源是和地球起源相关联的。地球分为岩石圈、水圈、大气圈和生物圈。已成岩的碳酸盐岩属于岩石圈。地球表部水圈中的水体大部分集聚在海洋中。由地球浅层至大气对流层低空,构成狭义的水圈。其中的水循环表现为:大气降水汇聚为地表径流,地表水向地下渗透成为地下径流,地下水又排到地表转为地表径流,地表径流汇集注入海洋;海水、湖水及河水的蒸发成为水蒸气而散入大气中,遇冷再出现降水。这是浅层的水循环,其中尚包括水的冻融及冷凝等作用过程。大气降水、地表水及地下水,只要对某种可
14、溶岩没有呈过饱和的溶解状态,都可继续对该可溶岩产生溶解或溶蚀作用,通常水的矿化度(即水中溶有的物质总量)小于1g/L,对易溶性的卤化物岩及中溶性的硫酸盐岩,都具有较大的溶解和溶蚀能力。至于咸水湖和盐湖,在混入淡水、雨水或在水动态变化的状态下,仍可对卤化物岩产生溶蚀作用;但在溶蚀的过程中,又伴有快速的沉积作用,即一方面对卤化物岩产生溶蚀,另方面在附近又立即产生沉淀、沉积作用。地球的水圈在广义上包括从地核直至地表及大气圈一部分。水和地球在形成与演化的同一过程中,是密切相关的。地核及地幔也是含水的,这些水也是不断向上部地壳进行补给的。所以,整个水圈应包括:地核地幔内生带、软流圈聚水三相流带、壳幔深层
15、保水输水带、水圈上层积极循环带(包括深层承压渗流亚带、潜水运动亚带、水气变化亚带)。见图2.1。深部的水也可对熔岩产生溶蚀作用。溶解作用通常属于水对可溶岩的化学溶解过程。溶蚀作用就是在地质作用的基础上、水对可溶岩产生的溶解过程。浅层的水循环见图2.2。水中所含的成分。阳离子主要为钾(K+)、钠(Na+)、钙(Ca+)、镁(Mg+);阴离子主要是重碳酸根(HCO3-)、硫酸根(SO42-)、氯离子根(Cl-)。可将水质划分力重碳酸根水质类型、硫酸根水质类型及氯化物水质类型。二氧化碳(CO2)是水对碳酸盐岩产生溶蚀作用的主要溶剂,有了二氧化碳,水才能对碳酸盐岩产生溶蚀作用,即:二氧化碳的作用,在于
16、由气态变为液态,形成碳酸:碳酸在水中离解为:这系列化学反应,表示石灰岩碳酸钙为含有二氧化碳的水所溶解。通常化学反应式为:同理,白云岩碳酸钙、镁被含二氧化碳的水所溶解,其化学反应式为:图2.1 地球水圈分带示意图(1)大气中二氧化碳(CO2)的来源大气圈包围着地球,其质量的70%75%聚集于对流层中,主要成分为氮(N2)占78%;氧(O2)占21%;氩(Ar)占0.93%;二氧化碳(CO2)占0.03%。目前大气圈中除了地球自然演化而产生二氯化碳成分之外,尚有人类活动如工业、交通及日常生活有关燃料的燃烧而生成的二氧化碳。(2)土壤中二氧化碳的来源土壤中的二氧化碳主要来源于各种细菌、微生物的作用,
17、如丁酸细菌可分解碳化物,纤维细菌可分解碳水化合物等。许多细菌的活动都能产生二氧化碳及其他侵蚀性酸类。细菌氧化与分解有机质的基本化学反应式是:(3)地球深部二氧化碳的来源地球深部存在的二氧化碳,是地球演化过程中的自然现象。可以说,所行地球圈层中的气体,都是来自地球自身,特别是来自地核、地幔、深部地壳,以及上下地幔间的软流圈。例如,火山喷发,其物质主要来自软流圈,喷发物有气体及火山碎屑(火山灰、火山砾、熔渣和火山弹等)。其中的气体以水蒸气为主(占 70%90%)。其次为碳酸(H2CO3)、氨气、硫化氢、二氧化碳、氮气、碳化合物及硫磺等。火山喷发的物质可作为地球深部含有水及二氧化碳的实证。此外,原先
18、沉积的碳酸盐岩,由于地壳沉降而埋伏于地下深处,受地热影响也可分解而生成二氧化碳。碳酸盐岩分解而生成的二氧化碳列于表2.2。表2.2 碳酸盐岩热解生成二氧化碳简表碳酸盐岩名称成分热分解温度()一般深度(m)产物白云岩CaMg(CO3)24001320CaCO3+MgO+CO2石灰岩CaCO39003000CaO+ CO2硅质灰岩CaCO3SiO24701500CaSiO3+MgO+CO2硅质白云岩CaMg(CO3)2- SiO24701500CaMgSiO3+MgO+CO2(4)其他酸类的生成及其溶剂作用覆盖在土壤上的枯枝落落叶层,含有大量的有机酸,如醋酸、蚁酸、草酸。琥珀酸和柠檬酸等,可以对碳
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