Geology Science

مطالب تخصصی زمین شناسی

توصیفی اجمالی در مورد آب های زیر زمینی

توصیفی اجمالی در مورد آب های زیر زمینی

در ادامه مطلب موارد زیر شرح داده می شود:

» سفره آب زیرزمینی (groundwater Table)

» تقسیم بندی سفره‌های آب زیرزمینی

» تئوري هاي مربوط به منشأ آب هاي زيرزميني

» حالت هاي مختلف آب ها در قشر جامد زمين

» خواص فيزيكي آب هاي زيرزميني

» ساختمان شيميايي آب هاي زيرزميني

» مشکلات و آلودگی آبهای زیرزمینی

 

آب های  زیرزمینی (groundwaters)

آب زیرزمینی آبی است که در زیر سطح زمین ، درزه‌ها و فضاهای حفره‌ای را در صخره‌ها و رسوبات پر می‌کند. اکثر آبهای زیرزمینی بطور طبیعی خالص هستند. اکثر اوقات ، آبهای زیرزمینی سالها حتی قرنها قبل از مصرف دست نخورده باقی می‌مانند. بیش از 90% آب آشامیدنی کل جهان از آب زیرزمینی است. مردم ما هر روز 1700 میلیارد لیتر آب مصرف می کنند. 97% آبهای کره زمین درون اقیانوسها است و 2% آن یخ زده است. ما آب مورد نیاز خود را از 1% باقیمانده تهیه می‌کنیم که از یکی از دو منبع زیر بدست می آید: سطح زمین (رودخانه‌ها ، دریاچه‌ها و نهرها) و یا از آبهای زیرزمینی. امروز حدود 117 میلیون نفر ، یعنی بیش از نیمی از جمعیت آمریکا متکی به آبهای زیرزمینی به عنوان منبع آب آشامیدنی هستند. جای تعجب نیست که کشف آلودگی آبهای زیرزمینی در تمام دنیا موجب بروز نگرانیهای شدیدی شده است.

 

سفره آب زیرزمینی (groundwater Table)

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 داشته‌ باشد. سطح فوقانی سفره آب ، یا سطح ایستایی 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. بطور کلی شکل سطح استیابی غالبا از شکل سطح زمین پیروی می‌کند. ولی برآمدگیهای آن هموارتر است. بنابراین ایستایی در نواحی پست در نزدیک سطح زمین و در تپه‌ها و کوه‌ها در عمق زیادتر قرار دارد.

بطور معمول در مناطق پرباران و در دشتها سطح ایستایی بالا و در مناطق خشک و کوهستانی پایین است. در مناطق مرطوب سطح ایستایی ممکن است تا نزدیک سطح زمین بالا بیاید. در گودیهای چنین نقاطی ، ممکن است «آبگیر» و در صورت وجود پوشش گیاهی ، «باتلاق» بوجود آید. تغییرات ارتفاع سطح ایستایی را بر حسب زمان به صورت نمودارهایی به نام هیدروگراف نشان می‌دهند.سفره‌های دارای بازدهی قابل توجه اغلب در رسوبات ناپیوسته شنی و ماسه‌ای 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 به عنوان 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

سفره‌های آزاد

در سفره‌های آزاد سطح ایستایی ، همان سطح فوقانی منطقه اشباع است. مقدار فشار در سطح ایستایی سفره‌های آزاد برابر فشار اتمسفر است. سطح ایستایی 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» هستند. 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 آن هم بطور موقت می‌توان بدست آورد.

سفره‌های تحت فشار

سفره‌های تحت فشار یا محصور یا آرتزین در محلی تشکیل می‌شود که آب زیرزمینی بوسیله لایه‌ای نسبتا نفوذناپذیر از بالا محدود شود و در نتیجه تحت فشاری بیش از اتمسفر است. علت آنکه در سفره‌های تحت فشار آب 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 ایستایی 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 سفره تحت فشار حفر کنیم ارتفاع صعود یا فوران آب چاه را در آن نقطه نشان می‌دهد.

 

تئوري هاي مربوط به منشأ آب هاي زيرزميني

برای منشأ آب های زیرزمینی تئوری های متعددی بیان گردیده است که از همه مهمتر تئوری نفوذ آب در زمین است . قسمت بزرگی از آبی که به صورت برف و باران به زمین می رسد در زمین نفوذ کرده و پس از برخورد با سنگ ها و طبقات غیر قابل نفوذ مخازن آب های زیرزمینی را می سازند . این تئوری اولین بار در قرن 18 میلادی توسط یک نفر فیزیکدان فرانسوی به نام ماریوت عنوان گردیده و بعد توسط لومونوسوف مورد تأیید واقع شد . با این توصیف که ترکیب شیمیایی این آب ها پس از نفوذ در زمین ثابت نمی ماندو بر حسب سنگی که در آن جریان یافته است تغییر می یابد .

تئوری فوق مدتی مورد قبول واقع شد ولی در مورد آب هایی که در مناطق مختلف زیرزمینی محبوس بودند بدون این که در آنجا نزولات آسمانی قابل توجهی دیده شده باشد ، صادق نبود . لذا در اواخر قرن 20 تئوری جدیدی توسط ولگر ارائه گردید . این تئوری منشأ آب های زیرزمینی را از طریق آب های نفوذی قابل قبول نمی داند بلکه تشکیل آن ها را از تراکم بخار آب موجود در هوا که در بین ذرات و خلل و فرج سنگ ها نفوذ می کند استنباط می نماید . بنابراین تئوری جدیدی به نام تئوری تراکم آب به وجود می آید .

این تئوری به شدت از طرف اکثر دانشمندان انتقاد می شود و آن را غیر واقعی اعلام می دادند زیرا که بخار آب موجود در فضا به اندازه کافی نیست که بتواند مستقلاً منابع عظیمی از آب های زیرزمینی را تشکیل دهند .

در اوایل قرن 20 تئوری دیگری به نام تئوری آب های ابتدایی توسط یک نفر دانشمند اتریشی به نام E-  Suess ارائه داده می شود که از طرف بسیاری از آبشناسان استقبال می گردد . طبق این تئوری بخارها و گازهایی که از ماگما در اعماق زمین برمی خیزد با نزدیک شدن به سطح زمین متراکم شده و به صورت آب ابتدایی ظاهر می گردند . تجربیات کافی امروزه این نظریه را نیز رد می کند .

بالاخره تئوری آب های فسیل مطرح می شود . تئوری مذبور آب های زیرزمینی نواحی عمیق را به باقی مانده آب های حوضه های قدیمی که در زیر رسوبات مدفون شده اند ربط می دهد . پس از اظهار نظر آبشناسان ممالک مختلف و بررسی تئوری های فوق ، قریب به اتفاق متخصصین تئوری اول یعنی تئوری آب های نفوذی را در مورد آب های زیرزمینی قابل قبول می دانند .

نفوذ آب در زمین تا برخورد به قشرهای نفوذ ناپذیر ادامه می یابد . به محض این که آب ها به این قبیل لایه ها رسیدند و جریان آنها از هر طرف متوقف گردید در خلال حفره های سنگ ها جمع شده و سفره های آبدار و یا مخازن زیرزمینی آب را تشکیل می دهند .

چون غالباً در اعماق زمین طبقات نفوذ پذیر و غیر قابل نفوذ متناوباً قرار دارند ، لذا ممکن است در ناحیه ای از زیرزمین چندین سفره آبدار بر روی یکدیگر وجود داشته باشند . بالاترین سفره های آبدار زمین را که نزدیک به سطح زمین است و چاه های معمولی به آن می رسد سفره های آب سطحی و یا مخزن چاه ها می نامند و سفره های زیرین را آب های عمیق و مخصوصاً آن هایی که در اعماق زیادتر قرار دارند آب های محصور و یا سفره های محاط می خوانند . مخازن سطحی آب های زیرزمینی با تغییر نزولات و درجه گرمای بیرون بسیار تغییر می کند . به همین جهت مقدار آب چاه هایی که از این مخازن تغذیه می نمایند سریعاً کم و زیاد می شود .

در صورتیکه چاه های عمیق که از مخازنعمیق تر زمین ( منطقه اشباعی دائم ) آب می گیرند مقدار آبشان چندان تغییر نمی نماید . به علاوه از نظر بهداشت هم آب چاه های عمیق ( مخصوصاً در نواحی مسکونی ) پاک تر از آب چاه هایی است که به مخازن سطحی مربوط می شوند .عوارض خارجی سطح زمین باعث می شود که سطح ایستایی آب های زیرزمینی افقی نباشد . آنانکه در مجاورت دره ها که نیروی جذب سنگ های مخزن کمتر است و از مقاومت در مقابل مسیر جریان آب در داخل زمین کسر می شود سطح ایستایی پایین تر قرار می گیرد ، بدین ترتیب سطح ایستایی آب های زیرزمینی عموماً در کنار دره ها انحنا پیدا می کند و تحدب سطح مزبور به سمت بالا می رود .همانطوريكه برجستگي هاي سطح زمين باعث تقسيم آب هاي سطحي از يكديگر است ، چين خوردگي لايه هاي غير قابل نفوذ در اعماق زمين هم وسيله جدا بودن حوضه هايي از سفره هاي آبدار زيرزمين مي گردد و باعث مي شود تغييرات آب يك مخزن در مخزن مجاور مؤثر نباشد .

 

حالت هاي مختلف آب ها در قشر جامد زمين

قسمت عمده از آبی که بصورت برف و باران به زمین می رسد پس از نفوذ در زمین و رسیدن به طبقات زیرین کلیه درزها و شکاف ها و خلل و فرج بین ذرات سنگ ها را اشغال می نماید و پس از برخورد به سنگ های غیر قابل نفوذ مخازن آب های زیرزمینی را می سازد. آب های زیرزمینی به صورت زیر دیده می شوند :

1) آب محبوس ، 2) آب ثقلی یا آب آزاد  ، 3) آب اشباع

1) آب محبوس : آبی است که به وسیله نیروی چسبندگی مولکول ها در حجم سنگ نگاهداری می شود و این نیرو همیشه بزرگتر از نیروی ثقل است .

2) آب آزاد : عبارت از مقدار آبی است که در داخل خلل و فرج و یا فضاهای آزاد سنگ ها تحت تأثیر نیروی ثقل جریان می یابد مشروط بر اینکه سنگ مزبور از آب اشباع شده باشد .

3) آب اشباع : حداکثر مقدار آبی است که سنگ قابل نفوذ می تواند در خود نگاهدارد . آب های محبوس از نظر کانی شناسی و سنگ شناسی بسیار حائز اهمیت می باشند . در صورتیکه آب های آزاد چون در داخل سنگ ها جریان می یابند و یا ذخیره می شوند از نقطه نظر آب های زیرزمینی قابل توجه هستند .

پیشرفت اقتصاد و صنعت هر کشوری با مقدار آب های زیرزمینی رابطه مستقیم دارد بطوریکه آب مصرفی اکثر کارگاه های صنعتی بوسیله این آب ها تأمین می گردد.آب های زیرزمینی به علت داشتن عناصر مفید در فعل و انفعالات شیمیایی وارد می شوند . به علت خاصیت انحلال بعضی از مواد موجود در داخل سنگ ها از قبیل سنگ طعام و آهک و غیره را به حالت محلول در می آورند و بدین نحو تغییراتی در ترکیب و ساختمان سنگ روی می دهد.با داشتن قدرت حمل و رسوب گذاری تشکیلاتی از کانی های مفید را در زمین ایجاد می نمایند مانند معادن مس ، منگنز ، کربنات ژیپس و غیره .

آب های زیرزمینی در تشکیل گازهای کانی ساز مخصوصاً مخازن آب های گرم و معدنی در عمل دگرگونی سنگ ها بسیار مؤثر هستند .

 

خواص فيزيكي آب هاي زيرزميني

خواص فيزيكي آب هاي زيرزميني شامل زلاليت ، رنگ ، بو ،‌طعم و درجه حرارت است كه در ذيل به طور خلاصه به هر يك مي پردازيم :

زلاليت :  آب هاي طبيعي به دو حالت صاف ( زلال ) و در ( تيره ) يافت مي شوند . آب موقعي كدر است كه مقدار مواد معدني و يا ساير مواد معلق در آن وجود داشته باشند . بنابراين كم و يا زياد بودن مواد فوق در شدت تيرگي آب بسيار مؤثر است.

رنگ : آب آشاميدني معمولاً بي رنگ است ولي در محيط هاي وسيع به رنگ آبي ديده مي شود . رنگ آب هاي زيرزميني به علت وجود مواد خارجي تغيير مي كند . املاح آهن و يا هيدروژن سولفوره آب را به ترتيب به رنگ هاي قرمز و آبي درمي آورند . آب هايي كه داراي تركيبات منگنز هستند سياه رنگ است در صورتي كه آب باتلاق ها به علت زياد بودن اسيد هوميك زرد رنگ است .

بو:  به طور كلي آب هاي زيرزميني بدون بو هستند . وجود بوي مخصوص در آب نماينده اين است كه آب مزبور به وسيله چاه هاي مختلف تغذيه مي شود و يا اينكه در آن بعضي از مواد شيميايي داخل گرديده است .مثلاً بوي گنديده بعضي از آنها مربوط به اسيد هوميك است

طعم يا مزه:طعم آب بسته به تركيب مواد مختلفي است كه در آن محلول هستند . اگر مقدار كلرورها ( نمك طعام و غيره ) آن حدود 300 ميلي گرم در ليتر باشد مزه شور دارد . چنانكه مقدار سولفات هاي محلول در آن از 400 تا 450 ميلي گرم در ليتر برسد مزه كاملاً تلخ مي دهد . اگر ازمناطقي كه ژيزمان هاي سولفوره دارند عبور كند مزه اسيد به خود مي گيرد . بنابراين مقدار مواد محلول و نوع بستري كه آب در آن جريان مي يابد و يا ذخيره مي شود در طعم آن مؤثر است .

حرارت:  درجه حرارت آب هاي زيرزميني با عمق سفره ، وجود كانون آتشفشاني و موقعيت جغرافيايي محل فرق مي كند . لذا از روي درجه حرارت مي توان آنها را به چند دسته به شرح زير تقسيم كرد :

- آب خيلي سرد ( حداكثر تا 5 درجه سانتي گراد(

- آب سرد ( 10 درجه سانتي گراد (

- آب نسبتاً ملايم ( 18 درجه سانتي گراد(

- آب ملايم ( 25 درجه سانتي گراد (

- آب ولرم ( 37 درجه سانتي گراد)

- آب گرم ( بالاتر از 40 درجه سانتي گراد)

درجه حرارت آب در اثر نمك يا گازهاي محلول در آن تغيير مي نمايد .

 

ساختمان شيميايي آب هاي زيرزميني

بطوريكه مي دانيم آب از يون هاي هيدروژن H+ و هيدروكسيل OH- تركيب يافته و مقدار يون هاي مزبور در آب معمولي در درجه حرارت معين ثابت است . چنانكه مقدار هر يك از اين يون ها تغيير يابد آب حالت اسيدي ( يون هيدروژن زيادتر ) و يا حالت قليايي ( هيدروكسيل بيشتر ) به خود مي گيرد.از نظر PH آب را مي توان به سه دسته تقسيم كرد:

 

- آب هاي خنثي كه PH آنها در حدود 7 است

- آب هاي اسيدي كه PH آنها كمتر از 7 است .

- آب هاي قليايي كه PH آنها بيشتر از 7 است .

 

به طوركلي ساختمان شيميايي آب هاي زيرزميني بر حسب مصارف مختلف فرق مي كند.ساختمان شيميايي آب آشاميدني غير از ساختمان شيميايي آب است كه در صنعت از آن استفاده مي شود . بنابراين در استخراج و بهره برداري از آب هاي زيرزميني مي بايست شرايط زمين شناسي و هيدرولوژيكي محل مورد نظر كاملاً بررسي و مطالعه گردد.اگر از آب هاي زيرزميني براي تأمين مصارف شهري مخصوصاً آشاميدن بهره برداري نمايد بايد دقت شود كه آب مزبور به وسيله مواد آلي و يا ساير مواد زيان آور آلوده نگردد . اصطلاح سنگيني آب هم در مقوله ساختمان شيميايي آب مطرح مي شود . آب موقعي سنگين است كه داراي كلسيم ( Ca ) و منيزيم ( Mg ) باشد . معمولاً هر 5 ميلي گرم كربنات كلسيم محلول در يك ليتر آب را يك درجه سختي مي نمايد.سنگيني تمام آب هاي طبيعي ممكن است منوط به وجود بيكربنات ها ، سولفات ها ،‌كلرورها يا نيترات هاي كلسيم و منيزيم و آهن و يا عناصر معدني ديگر باشد . ايجاد فلس هاي نامحلول روي ديواره مخازن و قشر سفيد ابري در ليوان مربوط به سنگيني آب است .

 

مشکلات و آلودگی آبهای زیرزمینی

به دلیل عدم شناخت صحیح و یا عدم درک میزان آسیب پذیری سریع آبهای زیرزمینی ، سهل‌انگاری های زیادی صورت گرفته است. اجازه داده‌ایم که بنزین و سایر مایعات مضر از مخازی زیرزمینی به درون سفره‌های آبهای زیرزمینی نفوذ کند. آلاینده‌ها ، از محل‌های دفن زباله یا سیستم های فاضلاب که بطور غلطی ساخته شده‌اند، به داخل آن تراوش می‌‌کنند. آبهای زیرزمینی از طریق زهاب حاصله از مزارع کشاورزی کود داده شده و مناطق صنعتی ، آلوده می‌شوند. صاحبان خانه‌ها با ریختن مواد شیمیایی به داخل فاضلاب یا روی زمین ، آبهای زیرزمینی را آلوده می‌کنند.

+ نوشته شده در  دوشنبه 1 اسفند1384ساعت   توسط ๑۩۞۩๑ محمد ๑۩۞۩๑  |