جغرافیای آب ها

[M.A.H.S.A]

منشاء و سن آبهاي زيرزميني
بارش هاي جوي منبع اصلي آب شيرين زيرزميني هستند. آب ممکن است به طور مستقيم از جايي که به زمين مي رسد به طرف زيرزمين نفوذ کند يا ممکن است ابتدا از طريق جريان سطحي رودخانه ها و درياچه ها جمع شود و سپس به زمين نفوذ نمايد. آب زيرزميني با منشاء جوي که قسمت جديدي از سيکل هيدرولوژي بوده و به نام (آب نيواري) خوانده مي شود. اصطلاح جديد مربوط به دوره معاصر زمين شناسي است، که ده ها هزار سال را در بر مي گيرد.
قديمي ترين آب زيرزميني که منشاء جوي داشته ولي ميليون ها سال است که از سيکل هيدرولوژي جدا شده آب زنداني (محبوس) ناميده مي شود. اين آب به طور مشخص آن قسمت از آب زيرزميني است که وقتي سازندهاي زمين شناسي تشکيل مي يافته، درآنها وجود داشته است، يعني آبي است که در حين تشکيل رسوبات در بين رسوبات باقي مانده است. آب زنداني غالباً در قسمت هاي عميق حوضه هاي آب زيرزميني يافت مي شود. کيفيت اين آب معمولاً نامناسب است مخصوصاً اگر با رسوبات نمکي يا ساير سنگ هاي تبخيري در تماس بوده باشد. چون آب زنداني توقف زيادي در زيرزمين داشته است ممکن است مسافتهاي زيادي نيز طي کرده باشد، حتي اگر سرعت آن خيلي کند باشد.
آب ژونيل که ژرفا نيز ناميده مي شود (Primitive Water) آبي است که هرگز در سيکل هيدرولوژي شرکت نکرده است. اين نوع آب در درون زمين تشکيل شده و منشاء آتشفشاني يا مواد مذاب دروني دارد. آب ژونيل در نتيجه فعاليت هاي آتشفشاني مي تواند به طرف پوسته زمين جاري شود. در هر صورت، اين آب مواد معدني زيادي در خود دارد و احتمالاً به عنوان منبع آب قابل توجهي به شمار نمي رود (مک گنيس، 1963).
آب هاي ماگمايي شامل آب آتشفشاني (که از مواد مذاب دروني کم عمق جدا شده) و آب پلوتونيک (آتشفشاني) (که از مواد مذاب عميق زمين جدا شده است) مي باشند.
نفوذ آبهاي سطحي به مناطق فعال ماگمايي

[M.A.H.S.A]

آب دگرگوني آبي است که در فاصله زماني دگرگوني در سنگ ها وجود داشته است. آب دريايي آبي است که از اقيانوس ها به طرف لايه هاي آبدار زيرزميني حرکت کرده است.
در ارتباط با عمر آب زيرزميني مي توان چنين گفت: عمر آب زيرزميني ممکن است از چندين سال يا کمتر تا ده ها هزار سال يا بيشتر تغيير کند. با فرض اينکه 25% بارندگي در ايالات متحده امريکا تبديل به آب زيرزميني مي شود، حجم آب زيرزميني تا عمق 800 متري معادل تغذيه در يک فاصله زماني 160 ساله مي باشد، که نشان دهنده حدود عمر متوسط آب زيرزميني در ايالات متحده و مناطق ديگري با شرايط زمين شناسي و اقليمي مشابه مي باشد.
آب نيواري قديمي غالباً در مناطق خشک پيدا مي شود. در چنين مکان هايي بيشتر آب زيرزميني درحين فواصل زماني پيشين اقليمي با بارندگي زياد تشکيل شده است. تاچر و همکاران (1961) سن تعيين شده با کربن 14 را براي آب زيرزميني لايه هاي آب دار تحت فشار واقع در عربستان صعودي را (که از اعماق 382 متر تا 214 متر نمونه برداري شده) از 20000 سال تا بيشتر از 33000 سال تخمين زده اند.

[M.A.H.S.A]

تقسيم بندي منافذ موجود در سنگ ها از نظر نحوه تشکيل
منافذ اوليه:مجموعه فضاهاي خالي است که همزمان با تشکيل سنگ در آن به وجود آمده است. مثل فضاهاي موجود در بين دانه هاي يک سنگ رسوبي.
منافذ ثانوي: فضاهاي خالي است که در نتيجه فرايندهايي که پس از تشکيل سنگ به روي آن اثر کرده، ايجادشده اند. مقدار فضاهاي خالي را با «تخلخل» بيان مي کنند و بنا به تعريف تخلخل عبارت است از درصد حجم فضاهاي خالي موجود در يک سنگ يا خاک، به حجم کل آن، ميزان تخلخل در سنگ ها و رسوبات متفاوت است و از نزديک صفر تا بيش از 50% درصد تغيير مي کند.
توزيع قائم آب زيرزميني
با بررسي توزيع آب در زير زمين دو منطقه مجزا را مي توان مشخص کرد. يکي «منطقه تهويه» در قسمت بالا و ديگري « منطقه اشباع» در قسمت پايين. در منطقه تهويه قسمتي از منافذ، از آب و قسمتي از هوا پر شده است. ولي در قسمت اشباع تمامي منافذ سنگ يا خاک به وسيله آب اشغال شده است. سطح فوقاني منطقه اشباع را اگر با لايه نفوذ ناپذيري محصور نشده باشد «سطح ايستايي» گويند.

[M.A.H.S.A]

منطقه اشباع
بخشي از زمين است که در آن همه منافذ سنگ يا خاک از آب پر شده است. منطقه اشباع منبع واقعي آب زيرزميني است. سطح فوقاني منطقه اشباع که در آن فشار آب مساوي با فشار اتمسفر است «سطح ايستابي» يا «سطح ايستايي استاتيک» گفته مي شود. عمق سطح ايستايي متغير و به تعداد بارش و وضعيت زمين شناسي منطقه بستگي دارد. نوسانات سطح ايستايي در طول سال به مقدار تغذيه منبع زيرزميني و تخليه آن بستگي دارد. حد پايين منطقه اشباع را معمولاً سنگ هايي با نفوذپذيري نسبي کمتر تشکيل مي دهد که اصطلاحا «سنگ بستر» ناميده مي شوند.
نمايي شماتيک از زونها اشباع و غير اشباع و ساير وابسته هاي آنها

نمايي شماتيک از لايه هاي آزاد و تحت فشار

[M.A.H.S.A]

لايه هاي آبدار
سازندهاي زمين شناسي دربرگيرنده آب که جهت انتقال آب به اندازه کافي قابل نفوذ باشد و مقادير قابل ملاحضه اي از آب را انتقال داده و تأمين کند" لايه آبدار" خوانده مي شود.
معمولاً مواد تشکيل دهنده لايه آبدار ماسه ها و شن يا سنگ ريزه هايي هستند که هنوز سخت نشده اند. اين گونه لايه ها در دره هاي آبرفتي و بستر قديمي رودخانه هاي پوشيده از رسوبات ريز (دره هاي مدفون)، دشت هاي ساحلي، شن هاي روان (تپه شني) و رسوبات يخچالي ديده مي شوند. از اين نظر( لايه آبدار) ، ماسه سنگ ها مواد مطلوبي هستند و سنگ آهک هاي پوک و حفره دار با کانال هاي کنده شده (درنتيجه حل مواد)، غارها و رودهاي زيرزميني و ساير پيشترفتگي هاي کارستي مي توانند لايه هاي آبدار با بده زياد محسوب گردند. ساير سنگ هاي رسوبي (سنگ هاي رسي – آهک هاي پيوسته و غيره) اصولا لايه هاي آبدار مطلوبي را تشکيل نمي دهند. همين امر درمورد گرافيت، گنايس و ساير سنگ هاي کريستالي (بلوري) و متامورفيک نيز صادق است. بازالت ها، گدازه ها و ساير مواد آتشفشاني اگر به اندازه کافي متخلخل و شکاف دار باشند لايه هاي آبدار قابل توجهي را به وجود مي آورند. در مورد گدازه آتشفشاني نيز، اگر حفره هاي کوچک با هم ارتباط داشته باشند، لايه آبدار ايجاد شده بسيار مطلوب خواهد بود.
دو نوع لايه آبدار وجود دارد: آزاد و تحت فشار
لايه هاي آبدار آزاد: شبيه درياچه هاي زيرزميني در موادي متخلخل مي باشند. دربالاي آب زيرزميني لايه رسي و يا ساير مواد محدود کننده وجود ندارد. بنابراين سطوح آب زيرميني به طور آزاد بالا يا پايين مي رود. قسمت فوقاني يک لايه آبدار آزاد سطح سفره آب است، که عبارت از صفحه اي است که در روي آن فشار آب زيرزميني برابر با فشار اتمسفري است. ارتفاع سطح سفره آب عبارت است از سطح آب متعادل در چاه هايي که در لايه آبدار وجود دارند.
اصطلاحات ديگري که براي سطح لايه آب به کار مي برند عبارتند از سطح آزاد و سطح فراتيک. بالاي سطح سفره آب ناحيه ثقلي است، که در آن فشار آب کمتر از فشار اتمسفري است. معمولاً هوا در ناحيه آب هاي ثقلي پيوسته است، به وجهي که لايه هاي آبدار آزاد با اتمسفر در تماس هستند. حد پايين لايه هاي آبدار آزاد طبقه اي است که از خود لايه قابليت نفوذ کمتري دارد. چنين طبقات غير قابل نفوذ ممکن است شامل رس يا مواد ديگر با دانه بندي ريز يا شيست رسي، سنگ آهک سخت، سنگ آذرين يا لايه سنگي ديگري باشد. لايه هاي آبدار آزاد غالباً در دره هاي رسوبي، دشت هاي ساحلي – شن هاي روان (تپه هاي شني) و رسوبات يخچالي پيدا مي شوند. عمق آنها از چند متر (يا کمتر) تا چندين صد متر يا بيشتر فرق مي کند. منبع اصلي آب زيرزميني در لايه هاي آبدار آزاد نفوذ قسمتي از بارش ها مي باشد که اين آب ها از خاک بالاي لايه آبدار، به طور مستقيم (وقتي روي خاک مي بارد) يا به طور غير مستقيم (از طريق جريانات سطحي) نفوذ مي کند و يا از درياچه ها و رودها تراوش مي نمايد. در دره هايي که تحت آبياري قرار دارد آبي که توسط گياهان جذب نشده باشد مي تواند به سوي پايين تر از منطقه ريشه ها نفوذ کند و به لايه آبدار برسد. هنگامي که در يک لايه آبدار آزاد آب زيرزميني توسط عمل پمپاژ به داخل چاه جريان پيدا مي کند سطح آب زيرزميني افت حاصل مي کند و هواي جريان يافته در ناحيه آب هاي ثقلي جايگزين آبي که از خلل و فرج و ساير فضاهاي خالي مواد لايه آبدار در قسمت فوقاني خارج شده اند مي گردد.
آبهاي زيرزميني به طور طبيعي وبه طور کلي تحت اثر وزن خود از نقاط مرتفع به سوي نقاط پست حرکت مي کنند. حرکت افقي آب در زير زمين اغلب بسيار آهسته تر از رودخانه هاست، به نحوي که سرعت آب در رودخانه ها را با متر در ثانيه مي سنجند در حالي که سرعت آبهاي زيرزميني با سانتي متر در روز و حتي متر در سال سنجيده مي شود.

[M.A.H.S.A]

جابجايي آب در زيرزمين
در تجزيه و تحليل حرکت آب زيرزميني، مسير واقعي پرپيچ وخم مولکول هاي آب از خلال منافذ رسوبات و درز و شکاف سنگ ها را به صورت مسيرهاي صافي در نظر مي گيرند، به طوري که گويي مولکول هاي آب مستقيماً از درون ذرات جامد عبور مي کند. خطوط صاف مسير حرکت مولکول هاي آب را اصطلاحاً «خط جريان» مي گويند. جريان آب زيرزميني معمولاً به صورت يکنواخت و ماندگار است. با استفاده از ارتفاع سطح آب در چاههايي که در يک سفره حفر شده اند مي توان «نقشه خطوط هم تراز ايستايي» را تهيه کرد. خطوط تراز آبهاي زيرزميني را خطوط هم پتانسيل نيز مي گويند.
مايي شماتيک از نحوه جريان آب زيرزميني
نمايي از شوره زار نتيجه نزديک شدن سطح ايستابي با سطح زمين و عمل تبخير

[M.A.H.S.A]

عوامل موثر در سرعت آب زيرزميني
شيب آبي
شيب آبي يا گراديان هيدروليک بين دو نقطه از سطح ايستايي عبارت است از نسبت بين اختلاف ارتفاع دو نقطه به فاصله بين همان دو نقطه است و منعکس کننده کاهش بار ناشي از اصطکاک در طول حرکت آب بين آن دو نقطه مي باشد.
نفوذپذيري
نفوذ پذيري به معني قابليت عبورآب است. نفوذپذيري علاوه بر اندازه فضاهاي خالي سنگ و خاک به ارتباط بين آن فضاهاي خالي با يکديگر نيز بستگي دارد. سنگي که تخلخل زيادي دارد، اگر منافذ آن به هم راه نداشته باشند غير قابل نفوذ خواهد بود. در اغلب شرايط، نفوذپذيري سنگ ها تابعي از وضعيت درزها و شکستگي هاي آنها، از جمله فاصله آنها از يکديگر، مقدار بازشدگي و پرشدگي آنها و بالاخره اندازه حفرات و نحوه توزيع آنهاست. به دليل نامنظم بودن اين اشکال و عدم تداومشان در سنگ، اغلب ممکن است برآورد نفوذپذيري سنگ با خطاي قابل ملاحظه اي همراه شود. نفوذپذيري يکي از مهمترين پارامترهاي تعيين کننده ويژگي هاي مصالح است.

تخليه طبيعي آب از زيرزمين
آبي که در زيرزمين حرکت مي کند، سرانجام به طور طبيعي از زيرزمين خارج مي شود. با نزديک شدن سطح ايستايي به سطح زمين، آب زيرزميني مستقيماً از طريق خاک تبخير مي شود يا جذب گياهان شده و براثر عمل تعريق به اتمسفر باز مي گردد. در پاره اي از نقاط، با نزديک شدن سطح ايستايي به سطح زمين و تبخير آب يک منطقه تبخيري و شوره زار به وجود مي آيد. بخش مهمي از آبهاي زيرزميني مستقيماً وارد آبهاي سطحي يعني رودخانه ها، درياچه ها و درياها مي شود. رودخانه هايي که آبهاي زيرزميني را زهکشي مي کنند «رود زاينده» يا آبزا ناميده مي شوند.

[M.A.H.S.A]

فرسايش و رسوبگذاري توسط آبهاي زيرزميني
آبهاي زيرزميني در ضمن حرکت خود تغييرات زيادي را به وجود مي آورند. آبهاي زيرزميني به علت سرعت بسيار کم نمي توانند، همانند رودخانه ها، از راه سايش با کندن مستقيم سنگ ها باعث فرسايش زمين شوند، ولي قادرند به تدريج مقادير بسيار زيادي از مواد را حل کرده با خود ببرند و در مقاومت مواد تأثير منفي بگذارند. در شرايط مناسب با اتصال مجراهاي انحلالي و بزرگتر شدن آنها «غار» تشکيل شده و جريانهاي رودخانه اي زيرزميني ايجاد مي شود.عمل انحلال بيشتر در امتداد (درزه - درزها)، گسل ها يا سطوح لايه بندي سنگها، مخصوصاً سنگ هاي آهکي، انجام مي شود.
مواد محلولي که به وسيله آبهاي زيرزميني جابجا مي شوند ممکن است با تغيير شرايطي چون تغيير فشار و دما، افزايش مواد محلول، تبخيرآب، فعاليت باکتريها و غيره، در نقاط ديگري، بار ديگر رسوب کنند. به اين ترتيب ممکن است موادي مثل کربنات کلسيم، سيليس و اکسيدآهن در لا به لاي رسوبات ديگر ته نشين شوند ذرات ناپيوسته آن رسوبات را به هم بچسبانند و سنگ متراکم و يکپارچه اي را به وجود آورند که به اين مواد اصطلاحاً «سيمان» گفته مي شود. مواد محلولي که به وسيله آبهاي زيرزميني حمل مي شوند، گاهي ممکن است جانشين مواد ديگر شوند، يعني آب زيرزميني همزمان با حل کردن مواد موجود، مواد جديدي را به جاي آن ته نشين سازد.
وقتي آبهاي زيرزميني در سطح زمين ظاهر مي شوند ممکن است بخشي از مواد محلول خود را در محل ظهور باقي بگذارند. اين گونه رسوبات، به خصوص به وسيله چشمه هاي معدني فراوان تشکيل مي شود. يکي از رسوباتي که در دهانه اغلب چشمه هاي معدني يافت مي شود، کربنات کلسيم است. گاهي کربنات کلسيم ممکن است در دهانه چشمه ها بر اثرخروج گاز CO2 حفره دار شده باشد، که در اين صورت تراورتن ناميده مي شود. تراورتن به دليل سهولت دسترسي و سادگي برش، به مقدار زياد به عنوان روکار بناها مورد استفاده قرار مي گيرد.
نمايي از غار ايجاد شده توسط عمل خورندگي آبهاي زيرزميني در سازندهاي آهکي

[M.A.H.S.A]

محل استقرار آب زيرزميني
آب پس از ورود به زمين، فضاها و منافذ موجود در خاک را اشغال مي کند. منافذ موجود در خاک اغلب کوچک و درارتباط باهم هستند. در سنگ ها، درزها و شکستگي هايي وجود دارد که فضاهاي لازم را براي آب زيرزميني به وجود مي آورد. گاهي در بعضي از سنگ ها فضاهاي خالي بزرگي يافت مي شود. در پاره اي از سنگ ها منافذ سنگ ممکن است با هم ارتباط نداشته باشند و در نتيجه آب در درون سنگ قادر به حرکت نباشد.

[M.A.H.S.A]

آبهاي بارشي- چرخه آب
منشاء آب هاي فرورو که ناشي از چرخه آب در طبيعت است، درياها و اقيانوس ها مي باشد که وسعت آنها را به 365 ميليون کيلومتر تخمين زده اند. چنين سطحي برابر با 73% سطح کره زمين مي باشد. از طرفي انتقال حرارت که توسط پرتوافکني خورشيد صورت مي گيرد، روزانه باعث تبخير 2 تا 3 ليتر آب در هر متر مربع مي گردد. در صورتي که به چنين رقمي استناد شود مقدار آبي که در طول يک روز در کره زمين به صورت بخار درمي آيد حدود 1012 مترمکعب (يعني برابر هزار ميليارد متر مکعب) برآورد مي گردد. در نتيجه پرتوافکني خورشيد، بخشي از آب درياها و قاره ها به بخار تبديل مي شود که به اتمسفر صعود مي نمايد. اين بخار در هوا، داراي بخشي است که متأثر از درجه حرارت سطح آب مولد مي باشد. به اين ترتيب که در يک درجه حرارت معين، هرمتر مکعب هوا حداکثر چند گرم از آب تبخير شده را در خود نگه مي دارد. بعداً وقتي چنين هوائي سرد مي شود، ريزش آب به صورت باران يا برف آغاز مي گردد. به طور خلاصه از تمام اين کيفيات، ريزش آب به صورت باران يا برف نتيجه مي شود. لازم به تذکر است که اين بارش در بعضي از موارد بايستي برانگيخته شود حتي اگر شرايط درجه حرارت و وضع رطوبتي هوا مساعد و مطلوب باشد. در حقيقت براي ايجاد توده هاي مايع يا جامد، مي بايست در اتمسفر هسته هاي تراکمي وجود داشته باشد. در ارتفاعات بالا، ابرهاي اشباع شده از بخار آب نادر نيستند. اين ابرها قادرند در نتيجه يک تراکم محلي مقادير متنابهي آب يا يخ به صورت نزولات جوي به سطح زمين ببارند. بنابراين هوا عامل اصلي انتقال آب بارندگي است، در اثر عبور از روي درياها و آب هاي قاره اي و در نتيجه حرکات جانبي و صعودي، مناطقي از اتمسفر به حرکت درمي آيد که حائز شرايط مساعد براي باريدن بخشي از آب هاي درخود باشد.
در صورتي که درجه حرارت هواي مجاور سطح زمين به قدر کافي پايين باشد، آبي که به صورت برف نازل مي شود، باقي مي ماند و تشکيل يخچال کوهستان هاي بلند را مي دهد يا باعث تغذيه سفره هاي عظيم يخ که نواحي قطبي را مي پوشانند مي گردد. اين آب ها سرانجام هنگام تابستان که درجه حرارت بالا مي رود دوباره به حالت مايع باز مي گردند.در فصل تابستان قسمتي از توده هاي برف يا يخ بدون گذشتن از حالت مايع مستقيماً در اتمسفر بخار مي شوند. يخچال هاي کوهستان و يخچال هاي قطبي به دنبال ذوب دائمي سطح قاعده خود بر اثر فشار به طرف دره ها و يا درياها جا به جا مي شوند. گاهي چنين ذوبي، انجمادي به دنبال ندارد و بدين ترتيب سيل هاي واقعي زيريخچالي تشکيل مي گردد و در صورتي که زميني که روي آن جريان دارد قابل نفوذ بوده باشد، نقش مهمي را در تغذيه سفره هاي آب زيرزميني، به ويژه زير جرياني (Underflow) ايفا مي نمايد. هم چنين گاهي اين سيلاب روي يک زمين غير قابل نفوذ جاري گشته که در اين صورت از قاعده يخچال خارج مي شود.
وقتي که آب به شکل باران بر سطح زمين نازل مي شود، که رايج ترين مورد مي باشد، به سه قسمت تقسيم مي گردد. بخشي از آن تبخير شده مجدداً به چرخه جديد آب باز مي گردد. اين تبخير يا بلافاصله صورت مي گيرد يا اين که به وسيله عمل موجودات زنده، گياهان و جانوران به تعويق مي افتد. يک بخش ديگر نفوذ مي کند و اين بخش منظور مورد نظر ما مي باشد زيرا که براي تغذيه آب هاي زيرزميني به کار خواهد رفت. سرانجام قسمت سوم جاري شده، به جريان هاي آب ملحق گرديده، به دريا باز مي گردد.
سهم هريک از سه قسمت تبخير، نفوذ، جريان که مجموع آنها نمايانگر توده آبي است که حقيقتاً باريده است، بسيار متغير مي باشد. نفوذ که به ويژه منظور مورد نظر ما مي باشد بستگي به شرايط بارندگي دارد. براي مثال بارانهاي ريز قطره و طولاني بيشتر از بارانهاي رگباري نفوذ مي نمايند. هم چنين ماهيت زمين نقش بسيار مهمي را در نفوذ آب به درون آن ايفا مي نمايد. در يک شبکه کارستي، آب به طور کامل نفوذ مي نمايد، ليکن اين اتفاق محدود به مناطقي با وسعت کم مي باشد. آب حاصل از ذوب برف و يخ در صورتي که ذوب به کندي صورت گيرد (زمستان)، بيشتر از فصل بهار نفوذ مي کند، زيرا در اين فصل تبخير آب درنتيجه پرتوافکني خورشيد رو به فزوني مي گذارد. پوشش گياهي خاک باعث سهولت تبخير آب مي شود، هم چنين به احتمال زياد نفوذ آب را آسان مي نمايد.