تشکیل آب زیرزمینی
مقدمه
منشا اصلی آب زیرزمینی بارش است. آب باران ممکن است مستقیما به زمین نفوذ کند یا آنکه ابتدا به صورت رودخانه جریان یافته ، یا به‌صورت آب ساکن و دریاچه درآمده و به تدریج وارد زمین شود. قسمتی از آبهای زیرزمینی بر اثر ذوب برف و یخ موجود در سطح و نفوذ طبیعی آب حاصل به داخل زمین تامین می شود. به کلیه آبهای فوق اصطلاحا «آب جوی» گفته می‌شود. قسمتی از آب زیرزمینی که از زمان تشکیل رسوبات در آنها به تله افتاده‌اند «آب محبوس» یا «آب فسیل» نامیده می‌شود. بخش ناچیزی از آبهای زیرزمینی نیز ممکن است بر اثر فرایندهای درونی و از ماگمای در حال سردشدن حاصل شده‌باشد. این آبها چون برای اول بار وارد چرخه آب می‌شود «آب جوان» نام دارند.
محل استقرار آب زیرزمینی
آب جوی پس از ورود به زمین ، فضاها و منافذ موجود در خاک را اشغال می‌کند. خلل و و منافذ موجود در خاک اغلب کوچک و در ارتباط با هم‌اند. در سنگها ، این درزها و شکستگیهاست که فضاهای لازم را برای آب زیرزمینی به‌وجود می‌آورد. گاهی در بعضی از سنگها فضاهای خالی بزرگی یافت می ود. در پاره‌ای از سنگها منافذ سنگ ممکن است باهم ارتباط نداشته‌باشند و در نتیجه آب در درون سنگ قادر به حرکت نباشد.
تقسیم‌بندی منافذ موجود در سنگها از نظر نحوه تشکیل
مجموعه فضاهای خالی است که همزمان با تشکیل سنگ در آن به وجود آمده است، مثل فضاهای موجود در بین دانه‌ها در یک سنگ رسوبی .
فضاهایی خالی است که در نتیجه فرایندهایی که پس از تشکیل سنگ به‌روی آن اثر کرده ، ایجاد شده‌اند. مقدار فضاهای خالی را باکمیت «تخلخل» بیان می‌کنند. بنابراین تخلخل عبارتست از درصد حجم فضاهای خالی موجود در یک سنگ یا خاک ، به حجم کل آن ، میزان تخلخل در سنگها و رسوبات مختلف متفاوت است و از نزدیک صفر تا بیش از 50 درصد تغییر می‌کند.
مقدار تخلخل در سنگها به عوامل گوناگونی بستگی دارد. در مواد رسوبی دانه‌ای ، تخلخل به شکل و نحوه قرار گرفتن دانه‌ها و ذرات تشکیل دهنده سنگ و درجه جورشدگی ، سیمان‌شدگی و تراکم سنگ بستگی دارد. در سنگهای متراکم ، انحلال ثانوی قسمتی از کانیهای سنگ بوسیله آبهای نفوذی و شگستگیهایی که بعدا در سنگ ایجاد می‌شود نیز در مقدار تخلخل موثر است. مواد رسوبی تخریبی ، به‌خصوص رسوبات آبرفتی ، از نظر تشکیل مخازن آب زیرزمینی بیشترین اهمیت را دارند.
توزیع قایم آب زیرزمینی
با بررسی نحوه توزیع قایم آب در زیر زمین دو منطقه مجزا را می توان مشخص کرد. یکی «منطقه تهویه» در بالا و دیگری «منطقه اشباع» در زیر . در منطقه تهویه قسمتی از منافذ ، از آب و قسمتی از هوا پرشده است. ولی در منطقه اشباع تمام منافذ سنگ یا خاک بوسیله آب اشغال شده‌است. سطح فوقانی منطقه اشباع را اگر با لایه نفوذ ناپذیری محصور نشده‌باشد «سطح استیابی» می‌گویند.
منطقه تهویه
به‌تدریج که آب از سطح به داخل زمین نفوذ می‌کند بخشی از آن پیش از رسیدن به منطقه اشباع ، به‌علت جاذبه مولکولی بین آب و سنگ و همچنین جاذبه بین خود ذرات ، علی‌رغم نیروی جاذبه زمین ، به‌صورت معلق می‌ماند. این آب را اصطلاحا «آب معلق» می‌نامند. منطقه تهویه را می‌توان به سه منطقه کوچکتر تقسیم کرد:
این منطقه در مجاورت سطح زمین قرار گرفته و دربرگیرنده ریشه گیاهان است و آب لازم برای گیاهان را تامین می‌کند. قسمتی از ابی که وارد این منطقه می‌شود به‌وسیله گیاهان مصرف می‌گردد، بخشی بر اثر تبخیر به اتمسفر باز می‌گردد و بقیه از آن عبور می‌کند و به قسمتهای پایینتر می‌رود. آبهای موجود در منطقه آب خاک را به 3 گروه می‌توان تقسیم کرد :
رطوبتی است که مستقیما از هوا جذب می‌شود و ورقه نازکی بر روی ذرات خاک تشکیل می‌دهد. این رطوبت فرورفتگیها و شیارهای میکروسکوپی ذرات را پر می‌کند. چون نیروی چسبندگی هیگروسکوپی به ذرات خیلی زیاد است، نمی‌تواند مورد استفاده گیاهان قرار گیرد. این رطوبت با بخار آب موجود در هوا متعادل می‌شود و فقط با حرارت قابل دفع است و به‌وسیله نیروی مویی یا نیروی گرانی حرکت نمی‌کند.
به‌صورت ورقه‌های نازک ممتدی ذرات خاک را احاطه می‌کند. این آبها بر اثر خاصیت «کشش سطحی» نگهداشته می‌شوند و توسط نیروی میین حرکت می‌نمایند. آب مویین می‌تواند مورد استفاده گیاهان واقع شود.
آبی است که تحت اثر نیروی گرانی از میان منافذ سنگ و خاک به حرکت در می‌آید.
در زیر منطقه آب خاک قرار گرفته و آب در آن به علت جاذبه مولکولی به‌صورت معلق است، مگر زمانی که آب باران یا ابهای نفوذی دیگر به ان می‌رسد، که در این ورت آب اضافی به‌طرف پایین حرکت می‌کند. ضخامت منطقه میانی به‌شرایط محلی بستگی دارد و در مناطق خشک ، مثل مناطق مرکزی ایران ، ممکن است به صدها متر برسد در حالیکه در مناطق مرطوب ، مثل بخشهایی از جلگه گیلان ، ممکن است اساس وجود نداشته‌باشد.
آبهایی که به علت نیروهای بین مولکولی در منطقه میانی نگهداشته می‌شوند، به «آب پوسته‌ای» معروف‌اند. آب هیگروسکوپی و پوسته‌ای تنها بر اثر تبخیر و تعرق از خاک خارج می‌شوند.
در مجاور ت و بلافاصله در روی سطح آب زیرزمینی قرار دارد. در این محل آبهای زیرزمینی به‌علت خاصیت میینگی از مجاری نازک موجود در سنگها یا رسوبات به‌طرف بالا کشیده می‌شوند. مقدار صعود آب به قطر این مجاری نازک بستگی دارد. هرچه رسوبات دانه‌ریزتر و در نتیجه منافذ و مجاری نازکتر باشند، آب بیشتر بالا خواهدرفت. ضخامت منطقه مویینه معمولا بین چند سانتیمتر تا 2 الی 3 متر است.
منطقه اشباع
بخشی از زمین است که در آن همه منافذ سنگ یا خاک از آب پرشده است. منطقه اشباع منبع واقعی آب زیرزمینی است. سطح فوقانی منطقه اشباع که درآن فشار آب مساوی فشار اتمسفر است «سطح استیابی» یا سطح «استیابی استاتیک» گفته می‌شود. عمق سطح استیابی متغیر و به مقدار بارش و وضع زمین‌شناسی منطقه بستگی دارد. نوسانات سطح استیابی در طول سال به‌مقدار تغذیه منبع زیرزمینی و تخلیه آن بستگی دارد. حد پایین منطقه اشباع را معمولا سنگهایی با نفوذپذیری نسبی کمتر تشکیل می‌دهد که اصطلاحا «سنگ بستر» نامیده می‌شوند.
سفره آب زیرزمینی
سفره آب به لایه یا منطقه قابل نفوذی در زیر سطح زمین گفته می‌شود که آب در آن می‌تواند جریان یابد. سفره آب همچنین باید قابلیت آبدهی خوبی داشته‌باشد.
سطح فوقانی سفره آب ، یا سطح استیابی همواره افقی نیست و به‌طور طبیعی از منطقه تغذیه آن ، یعنی محل و منطقه‌ای که آب زیرزمینی را تامین می‌کند، به طرف محل تخلیه دارای شیب است. به‌طور کلی شکل سطح استیابی غالبا از شکل سطح زمین پیروی می‌کند. ولی برآمدگیهای آن هموارتر است. بنابراین استیابی در نواحی پست در نزدیک سطح زمین و در تپه‌ها و کوه‌ها در عمق زیادتر قرار دارد. به‌طور معمول در مناطق پرباران و در دشتها سطح استیابی بالا و در مناطق خشک و کوهستانی پایین است. در مناطق مرطوب سطح استیابی ممکن است تا نزدیک سطح زمین بالا بیاید. در گودیهای چنین نقاطی ، ممکن است «آبگیر» و در صورت وجود پوشش گیاهی ، «باتلاق» به‌وجود آید. تغییرات ارتفاع سطح استیابی را بر حسب زمان به‌صورت نمودارهایی به‌نام هیدروگراف نشان می‌دهند.
سفره‌های دارای بازدهی قابل توجه اغلب در رسوبات ناپیوسته شنی و ماسه ای تشکیل می‌شوند. آبرفتها ، یعنی رسوباتی که توسط رودها در دره‌ها و دشتها برجای گذارده می‌شوند، معمولا سفره‌های آب زیرزمینی خوبی تشکیل می‌دهند. رسوبات رسی گرچه از تخلخل زیادی برخوردارند، ولی چون قابلیت نفوذ کمی دارند، با وجود حجم آب زیادی که ممکن است در خود ذخیره کرده‌باشند، سفره آب زیرزمینی تشکیل نمی‌دهند و به‌عنوان مواد غیر قابل نفوذ در نظر گرفته می‌شوند. در سنگهای متراکم نیز آب معمولا در نمونه‌هایی ایجاد می‌شود که از تخلخل ثانوی قابل توجه برخوردار باشند. در این میان بهترین سفره آبها معمولا در سنگهای آهکی درز و شکافدار ایجاد می‌شود.
تقسیم بندی سفره‌های آب زیرزمینی
در سفره‌های آزاد سطح استیابی ، همان سطح فوقانی منطقه اشباع است. مقدار فشار در سطح استیابی سفره‌های آزاد برابر فشار اتمسفر است. سطح استیابی بسته به‌مقدار تغذیه یا تخلیه آن ، آزادانه نوسان می‌کند، زیرا لایه غیر قابل نفوذی در بالای ان قرار ندارد.
حالت خاصی از سفره‌های آزاد «سفره‌های معلق» اند. این سفره‌ها معمولا در داخل منطقه تهویه یا منطقه اشباع نشده خاک و در روی لایه‌های نفوذ ناپذیری که گسترش محدودی دارند ، مثلا عدسیهای رسی ، تشکیل می‌شوند. از این سفره‌های مقدار کمی آب و آنهم به طور موقت می‌توان بدست آورد.
سفره‌های تحت فشار یا محصور یا آرتزین در محلی تشکیل می‌شود که آب زیرزمینی به‌وسیله لایه‌ای نسبتا نفوذناپذیر از بالا محدود شود و در نتیجه تحت فشاری بیش از اتمسفر است. علت آنکه در سفره‌های تحت فشار اب از محل خود بالاتر می‌آید آن است که محل تغذیه سفره ، یعنی منطقه‌ای که از طریق آن آب سفره تامین می‌شود، در ارتفاعی بالاتر از سطح فوقانی منطقه اشباع در محل حفر چاه قرار دارد. در سفره‌های تحت فشار به‌جای سطح استیابی سطح پیرومتریک را در نظر می‌گیرند و آن عبارت از سطحی فرضی است که در هر منطقه با ارتفاع فشار هیدروستاتیک آب در سفره تحت فشار مطابقت دارد. به زبان ساده‌تر منظور سطحی است که اگر چاهی در هر نقطه از صفره تحت فشار حفر کنیم ارتفاع صعود یا فوران آب چاه را در آن نقطه نشان می‌دهد.
