اگرچه این ممکن است تعجب آور به نظر برسد، اما آب در زیر زمین امری عادی است. معمولا آب های زیرزمینی به آرامی و بی صدا در زیر سطح حرکت می کنند، اما در برخی مکان ها در چشمه ها به سطح حباب می زند. محصولات فرسایش و رسوب توسط آب های زیرزمینی در فصل فرسایش و رسوب توضیح داده شد.

سفره های زیرزمینی

ویژگی های یک آبخوان

برای اینکه یک آبخوان خوب باشد، سنگ موجود در آبخوان باید دارای موارد زیر باشد:

تخلخل: فضاهای کوچک بین دانه ها

نفوذپذیری: اتصالات بین منافذ

قطرات آب در منافذ بین دانه های رسوب یافت می شود که تخلخل است. وقتی آب می تواند بین سنگ معدن حرکت کند، این نفوذپذیری است.

گاهی اوقات لایه های سنگ متخلخل در زمین کج می شوند. ممکن است یک لایه محصور کننده سنگ کمتر متخلخل هم در بالا و هم در زیر لایه متخلخل وجود داشته باشد. این نمونه ای از آبخوان محدود است. در این حالت، سنگ های اطراف آبخوان فشار سنگ متخلخل و آب آن را محدود می کند. اگر چاهی در این سفره تحت فشار حفر شود، فشار داخلی ممکن است (بسته به توانایی سنگ در انتقال آب) کافی باشد تا آب را به سمت بالا چاه و به سطح بدون کمک پمپ فشار دهد، گاهی اوقات. به طور کامل از چاه به این نوع چاه آرتزین می گویند. فشار آب از یک چاه آرتزین می تواند بسیار چشمگیر باشد.

لزوماً رابطه ای بین ظرفیت تحمل آب سنگ ها و عمقی که در آن یافت می شوند وجود ندارد. یک گرانیت بسیار متراکم که آب کمی به چاه می دهد یا اصلا آب نمی دهد ممکن است در سطح زمین قرار گیرد. برعکس، یک ماسه سنگ متخلخل، مانند ماسه سنگ داکوتا که قبلا ذکر شد، ممکن است صدها یا هزاران فوت زیر سطح زمین قرار گیرد و ممکن است صدها گالن در دقیقه آب تولید کند. سنگ هایی که آب شیرین تولید می کنند در اعماق بیش از 6000 فوت و آب شور از چاه های نفت در اعماق بیش از 30000 فوت به دست آمده است. با این حال، به طور متوسط، تخلخل و نفوذپذیری سنگ ها با افزایش عمق آنها در زیر سطح زمین کاهش می یابد. منافذ و شکاف‌های سنگ‌ها در اعماق زیاد بسته می‌شوند یا به دلیل وزن سنگ‌های پوشاننده به شدت کاهش می‌یابند.

حرکت آب در سفره های زیرزمینی

حرکت آب در سفره های زیرزمینی به شدت به نفوذپذیری مواد سفره بستگی دارد. مواد نفوذ پذیر حاوی شکاف ها یا فضاهای به هم پیوسته ای هستند که هم به اندازه کافی زیاد و هم به اندازه کافی بزرگ هستند تا آب آزادانه حرکت کند. در برخی مواد نفوذپذیر، آب زیرزمینی ممکن است چندین متر در روز حرکت کند. در جاهای دیگر در یک قرن فقط چند سانتی متر حرکت می کند. آب های زیرزمینی بسیار آهسته از طریق مواد نسبتاً غیر قابل نفوذ مانند خاک رس و شیل حرکت می کنند.

آب پس از ورود به آبخوان به آرامی به سمت مکان‌های پایین‌تر حرکت می‌کند و در نهایت از چشمه‌ها از سفره خارج می‌شود، به نهرها نفوذ می‌کند یا توسط چاه‌ها از زمین خارج می‌شود. آب‌های زیرزمینی در سفره‌های زیرزمینی بین لایه‌های سنگ با نفوذپذیری ضعیف، مانند خاک رس یا شیل، ممکن است تحت فشار محدود شوند. اگر چنین آبخوان محدودی توسط یک چاه بهره برداری شود، آب از بالای آبخوان بالا می رود و حتی ممکن است از چاه به سطح زمین سرازیر شود. به آبی که به این روش محدود می شود تحت فشار آرتزین گفته می شود و آبخوان را آبخوان آرتزین می گویند.

تجسم فشار آرتزین

آکویتارد نوع دیگر آبخوان محدودی است که در بالا و پایین آن یک آکویتارد وجود دارد. یک آبخوان اساساً متضاد یک آبخوان است با یک استثنای کلیدی. آکویتاردها نفوذپذیری بسیار کمی دارند و اصلا آب را به خوبی منتقل نمی کنند. در واقع، در زمین اغلب به عنوان مانعی برای جریان آب عمل می کنند و دو سفره آب را از هم جدا می کنند. یک استثنای کلیدی این است که آکویتاردها می توانند تخلخل بالایی داشته باشند و مقدار زیادی آب را در خود نگه دارند، اما به دلیل نفوذپذیری کم آنها قادر به انتقال آن از منافذ به منافذ نیستند و بنابراین آب نمی تواند به خوبی در داخل یک آکویتارد جریان یابد. یک مثال خوب از آکویتارد یک لایه خاک رس است. خاک رس اغلب تخلخل بالایی دارد اما تقریباً هیچ نفوذپذیری ندارد به این معنی که اساساً مانعی است که آب نمی تواند از آن عبور کند و آب درون آن به دام می افتد. با این حال، به دلیل فرآیندهای دیگری که اکنون وارد آنها نمی شوم، هنوز جریان آب محدودی در داخل آکویتاردها وجود دارد

نمودار ساده آب های زیرزمینی و سطح آب. در نمودار سه لایه وجود دارد: در پایین سنگ غیر قابل نفوذ، بالای آن سنگ متخلخل اشباع شده از آب زیرزمینی، و در بالا سنگ متخلخل/خاک غیر اشباع از آب زیرزمینی قرار دارد. سطح آب مرز بین این دو سطح بالاست.

برای رسیدن به یک سفره آب، آب های سطحی از طریق فضاهای کوچک یا منافذ سنگ به سمت پایین به داخل زمین نفوذ می کنند. آب از طریق سنگ نفوذپذیر به سمت پایین حرکت می کند تا به لایه ای برسد که منافذ ندارد. این سنگ غیر قابل نفوذ است این لایه سنگ نفوذ ناپذیر پایه آبخوان را تشکیل می دهد. سطح بالایی که آب زیرزمینی به آن می رسد، سطح آب است.

نفوذپذیری یکی دیگر از ویژگی های ذاتی همه مواد است و ارتباط نزدیکی با تخلخل دارد. نفوذپذیری به چگونگی اتصال فضاهای منافذ به یکدیگر اشاره دارد. اگر ماده نفوذپذیری بالایی داشته باشد، فضاهای منفذی به یکدیگر متصل شده اند و اجازه می دهند آب از یکی به دیگری جریان یابد، اما اگر نفوذپذیری پایینی وجود داشته باشد، فضاهای منفذی ایزوله شده و آب در آنها محبوس می شود. به عنوان مثال، در یک شن، همه منافذ به خوبی به یکدیگر متصل شده اند و اجازه می دهند آب از آن عبور کند، اما در خاک رس، بیشتر فضاهای منافذ مسدود شده است، یعنی آب نمی تواند به راحتی از آن عبور کند.

آبخوان

آبخوان اصطلاحی است برای نوعی خاک یا سنگ که می تواند آب کاملاً اشباع شده از آب را در خود نگه دارد و انتقال دهد. این بدان معنی است که همه آن به سادگی یک لایه خاک یا سنگ است که دارای تخلخل و نفوذپذیری نسبتاً بالایی است که به آن اجازه می دهد آب را در خود داشته باشد و نسبتاً سریع آن را از منافذی به منافذ دیگر منتقل کند و همه فضاهای منفذی با آب پر شوند. نمونه‌های خوب سفره‌های زیرزمینی خاک‌های یخبندان یا شنی هستند که هم تخلخل و هم نفوذپذیری بالا دارند. سفره های زیرزمینی به ما این امکان را می دهد که با پمپاژ سریع و آسان آب های زیرزمینی را بازیابی کنیم. با این حال، پمپاژ بیش از حد می تواند به راحتی مقدار آب موجود در سفره را کاهش دهد و باعث خشک شدن آن شود. سفره های زیرزمینی زمانی پر می شوند که آب سطحی از طریق زمین نفوذ کرده و فضاهای منافذ موجود در سفره را دوباره پر کند. به این فرآیند شارژ مجدد می گویند. به ویژه مهم است که اطمینان حاصل شود که شارژ مجدد تمیز و بدون آلودگی است یا ممکن است کل آبخوان آلوده شود. دو نوع اصلی آبخوان وجود دارد. آبخوان محصور نشده به آبخوانی گفته می شود که در بالای آن آبخوان ندارد اما معمولاً در زیر آن وجود دارد.

هنگامی که یک سنگ آبدار به راحتی آب را به چاه ها و چشمه ها منتقل می کند، به آن آبخوان می گویند. می توان چاه ها را در سفره های زیرزمینی حفر کرد و آب را به بیرون پمپاژ کرد. بارش در نهایت آب (شارژ مجدد) را به سنگ متخلخل آبخوان اضافه می کند. با این حال، میزان شارژ مجدد برای همه سفره‌های زیرزمینی یکسان نیست، و این باید هنگام پمپاژ آب از چاه در نظر گرفته شود. پمپاژ بیش از حد آب با سرعت زیاد، آب موجود در سفره را پایین می آورد و در نهایت باعث می شود که چاه آب کمتر و کمتری تولید کند و حتی خشک شود. در واقع، اگر هر دو از یک سفره آب زیرزمینی پمپاژ می‌کنید، اگر هر دوی شما از یک سفره زیرزمینی پمپاژ می‌کنید، چاه همسایه‌تان را با سرعت زیاد پمپاژ کنید، حتی می‌تواند باعث خشک شدن چاه همسایه‌تان شود.