地下水对地壳岩石圈产生剥蚀作用,由于其在地下进行,故常称为潜蚀作用。按作用方式可分为机械冲刷和化学溶蚀两种。地下水一般情况下流动缓慢、水量分散、冲击力很小,所以其机械冲刷作用居次要地位;但地下水中常富含CO2和其它溶剂,这些成分与周围介质广泛接触发生化学溶蚀,作用显著。
一、机械冲刷作用
地下水在运动过程中其机械冲刷作用可使岩石或松散物强度减弱、结构变松,带走细小的矿物颗粒,使其空隙逐步扩大。尽管地下水渗流速度缓慢,动能很小,冲刷力量微弱,但由于作用时间长久,尤其对未成岩的沉积物,细颗粒被冲走,空隙变大,水的流速加快,动能
加大,将会冲刷更大的颗粒,使空隙更大、冲刷能力更强,最终可能形成较大的空隙,甚至形成空洞,造成管涌、流沙或地表塌陷等危害工程设施的不良现象。
影响机械冲刷作用的主要是地下水的水力梯度、岩土结构、颗粒成分与致密程度。通常,水力梯度愈大 (亦即渗流速度愈大),土石结构愈松散,颗粒大小愈悬殊,愈有利于机械冲刷的进行。
二、化学溶蚀作用及岩溶地貌
地下水通过对岩石、矿物的溶解所产生的破坏作用,即化学溶蚀作用,国外称为喀斯特作用(karstfication),我国称作岩溶作用(1966年我国第二次喀斯特会议决定的)。这种作用使可溶岩石 (碳酸盐岩、石膏、盐岩等) 中的空隙逐渐扩大,形成各种形状和大小不一的溶隙、洞穴和管道等岩溶现象。以下从岩溶作用与岩溶地貌两个方面予以讨论。
(一) 岩溶发育的基本条件与影响因素
岩溶是水与可溶岩介质相互作用的产物,岩溶作用过程实际上就是水作为营力对可溶岩石的改造过程。因此,岩溶发育必不可少的两个基本条件是:岩层具有可溶性及地下水具有侵蚀能力。由上述两个基本条件派生出一系列影响因素。例如,苏联学者索科洛夫(Д.С.Соколов) 即曾提出岩溶发育应具备四个条件:可溶岩的存在、可溶岩必须是透水的、具有侵蚀能力的水及水是流动的。
1.可溶岩性质的影响
卤化物岩(岩盐、钾盐、镁盐),硫酸盐岩(石膏等)及碳酸盐岩(石灰岩、白云岩、大理岩)等都是可溶岩。卤化物盐类和硫酸盐类岩石分布范围小、岩体较小;而碳酸盐类岩石分布广、岩体大,具有普遍意义。为此,这里仅对分布最广最有实际意义的碳酸盐岩进行分析。
碳酸盐岩类的溶蚀强度受其成分与结构影响,碳酸盐岩由不同比例的方解石和白云石组成,有时还会有泥质、硅质等杂质。实验表明,纯方解石的溶解速度约为纯白云石的两倍,故纯灰岩的岩溶最发育,白云岩次之,硅质与泥质灰岩最难溶蚀。
大部分碳酸盐岩属浅海沉积,通常包含有粒度相当于粉粒到砾的粒屑,粒度细小的泥晶,以化学沉淀方式充填于颗粒之间的方解石亮晶和生物碎屑。结构不同的碳酸盐岩以生物礁岩最易溶蚀,它主要由生物碎屑组成,孔隙大且多。泥晶粒屑及泥晶碳酸盐岩次之。亮晶碳酸盐岩,尤其是经过重结晶作用的亮晶碳酸盐岩,孔隙变小,最不易溶蚀。在裂隙不发育的条件下,孔隙对岩溶发育起控制作用,多形成岩溶中等发育、比较均一的岩溶含水层。
2.可溶岩透水性的影响
可溶岩具有一定透水性,是进行溶蚀作用不可缺少的条件。各种碳酸盐岩虽然具有原生的孔隙,但比较细小,连通性不好,如果没有构造裂隙连通,水仍然很难进入可溶岩发生溶蚀作用。因此,可溶岩经受构造变动并发育构造裂隙,是岩溶发育的良好条件。例如,在褶皱轴部尤其是向斜轴部,往往张开裂隙发育,又是地下水汇集的部位,地下岩溶发育,地下河系的主干往往沿此分布。断裂带往往也是岩溶集中发育的地带。
3.地下水溶蚀能力的影响
进入透水的可溶岩层中的水,一般都含有或多或少的CO2。研究表明,碳酸盐岩、水与二氧化碳之间的相互作用是一个涉及固、液、气三相的复杂化学体系,其化学过程通常以CaCO3—H2O—CO2体系为例进行分析。其主要反应为:
水中的CO2 能够促进CaCO3 溶解,是因为CO2溶于水的生成物H + ,能与CaCO3 溶于水的生成物 OH- 结合,降低了 CaCO3 溶于水的生成物OH-的浓度,带动反应向正反应方向进行,使CaCO3 进一步溶解。由此可见,地下水CO2含量增加将有利于碳酸盐岩溶蚀作用的进行。
除了水中溶解CO2 生成的碳酸,其它酸类同样会离解产生 H+ 而提高水中
碳酸盐岩的溶解量。天然条件下,对提高水的溶蚀性有影响的是植物腐殖质产
生的有机酸,以及硫化物氧化生成的硫酸。所以,当碳酸盐岩附近存在金属硫
化物矿床氧化带及含黄铁矿的煤系地层时,岩溶往往格外发育。
4.地下水流动的影响
地下水流动是岩溶发育的主要因素。在水停滞的条件下,随着CO2的不断损耗,当达到化学平衡状态,水成为饱和溶液而完全丧失溶蚀能力,溶蚀作用便告终止。只有当地下水不断流动,水中溶蚀的物质被带走,富含CO2的渗入水不断补充更新,水才能经常保持侵蚀性,溶蚀作用才能持续进行。
因此,地下水径流条件好坏是控制岩溶发育的最活跃因素。地下水径流愈强烈,地下水循环速度愈快,其侵蚀性愈强,通过的水量也愈多,水流溶解带走的CaCO3也愈多,在可溶岩中造成的空洞总体积就愈大。从这个意义上说,可溶岩中溶洞乃是水流的 “化石印模”,它保存着地质历史时期地下水径流方向、强度乃至持续时间的信息。换个角度讲,为了掌握岩溶发育及岩溶水分布规律,必须致力于恢复现代及地质历史时期可溶岩层中水动力场的研究。
控制岩溶发育的各种自然地理、地质构造,在很大程度上正是通过影响地下水的径流起作用的。
我国南方的岩溶发育远远超过北方,重要原因之一是气候因素。南方降水丰沛,地下水补给量大,径流交替强烈;同时,湿热气候下植被茂盛,土壤层生物化学作用强烈,下渗水中富含CO2及有机酸等,都加强了地下水的溶蚀能力。