فوران آب زیرزمینی: چشمهای که از فشار میجوشد
آب زیرزمینی و سفرههای آب: مخزن نامرئی زمین
زمین مانند یک اسفنج غولپیکر است. باران و برف ذوبشده به داخل خاک و شکافهای سنگها نفوذ میکند. این آب به تدریج پایینتر میرود تا به لایهای نفوذناپذیر7 مانند سنگهای رسی یا گرانیت متراکم برسد. در بالا و پایین این لایه نفوذناپذیر، لایههای متخلخل8 مانند ماسهسنگ، شن یا سنگآهک شکسته قرار دارند که میتوانند آب را در خود نگه دارند. به این مجموعه، یک سفره آب زیرزمینی میگوییم.
| نوع سفره | شرایط فشار | نتیجه حفاری | مثال |
|---|---|---|---|
| سفره آزاد (غیرتحتفشار) | سطح آب با سطح ایستایی9 منطبق است. فشار اتمسفر بر آن حاکم است. | آب تا سطح ایستایی بالا میآید، اما فوران نمیکند. نیاز به پمپ دارد. | اکثر قناتها و چاههای سنتی |
| سفره محصور یا آرتزین5 (تحتفشار) | آب بین دو لایه نفوذناپذیر محصور شده و فشار آن از فشار اتمسفر بیشتر است. | اگر چاه به سفره برسد، آب میتواند به خودبهخود و گاهی با فوران تا سطح زمین بالا بیاید. | چشمههای آرتزین در دشتهای کمارتفاع |
مکانیزم فوران: قانون طبیعت در ظروف مرتبطه
برای درک فوران، یک آزمایش ساده را تصور کنید: یک لوله U شکل بردارید. در یک طرف آن آب بیشتری بریزید. آب در طرف دیگر لوله بالا میآید تا سطح آب در دو طرف برابر شود. این اصل ظروف مرتبطه است. حالا یک سفره آرتزین را مانند آن لوله U شکل در نظر بگیرید.
منطقه تغذیه10، جایی در ارتفاعات است که آب باران وارد سفره محصور میشود. این نقطه، دهانه بالایی لوله U شکل ماست. آب در آن ناحیه جمع میشود و ستون آبی با ارتفاع h ایجاد میکند که به کل آب درون سفره فشار وارد میکند. اگر در منطقه پستتر (دهانه پایینی لوله) یک راه خروج مانند یک شکاف طبیعی یا یک چاه ایجاد شود، آب تحت آن فشار، به سمت بالا رانده میشود. اگر فشار کافی باشد، آب نه تنها چاه را پر میکند، بلکه از آن فوران کرده و تا ارتفاعی بالاتر از سطح زمین در منطقه پست ادامه مییابد.
نمایشهای گوناگون فوران آب زیرزمینی در طبیعت
این پدیده بسته به شرایط زمینشناسی و نوع آب، شکلهای مختلفی به خود میگیرد:
1. چشمههای آرتزین: اینها رایجترین مثال هستند. وقتی یک گسل یا شکاف، لایه نفوذناپذیر بالایی سفره محصور را میشکافد، آب تحت فشار به آرامی و پیوسته به سطح میرسد و یک چشمه دائمی تشکیل میدهد. بسیاری از روستاها در گذشته در کنار چنین چشمههایی شکل گرفتند.
2. چاههای آرتزین فورانکننده: وقتی انسان چاهی را تا عمق یک سفره محصور تحت فشار حفر میکند، آب ممکن است با سرعت از چاه بیرون بزند و مثل یک فواره عمل کند. این چاهها به چاههای آرتزین واقعی معروفند. برای کنترل آنها اغلب از شیر و لوله استفاده میشود.
3. گلفشانها6: پدیدهای جذاب و کمیاب. در این حالت، آب زیرزمینی با رسوبات رسی و گاهی گازهای طبیعی (مانند متان) مخلوط شده و خمیری از گل ایجاد میکند. فشار گاز و آب، باعث میشود این گل به تناوب از دهانه یک مخروط گلی فوران کند. گل فشان پیرگل در استان سیستان و بلوچستان ایران یک نمونه معروف است.
از نظریه تا عمل: حفر چاه و مدیریت فوران
مهندسان از اصل سفرههای تحت فشار برای دسترسی به آب استفاده میکنند. نقشههای زمینشناسی به آنها کمک میکند تا مناطق تغذیه و محل احتمالی سفرههای محصور را پیدا کنند. با حفر چاه در نقطه مناسب (معمولاً در دشتهای پاییندست منطقه تغذیه)، میتوان به آب دست یافت بدون نیاز به پمپ یا با هزینه پمپاژ بسیار کمتر.
اما این کار خطراتی هم دارد. اگر فشار خیلی بالا باشد، فوران کنترلنشده میتواند به سازه چاه آسیب بزند و باعث هدررفت عظیم آب شود. برای جلوگیری از این اتفاق، از سیستمی به نام کلاهک کنترل11 استفاده میشود. این کلاهک مانند درپیچ یک بطری آب گازدار است که بهآرامی اجازه خروج آب را میدهد و از فوران ناگهانی جلوگیری میکند.
مثال کاربردی: دشت کویر مرکزی ایران در بسیاری مناطق پاییندست رشتهکوههای البرز و زاگرس قرار دارد. بخشهایی از این دشت میتوانند محل سفرههای محصور باشند. اگر چاهی در شهر کاشان (منطقه پست) حفر شود و به سفرهای برسد که منطقه تغذیه آن در دامنههای کرکس (ارتفاع بالاتر) است، احتمال فوران آب از چاه بسیار زیاد خواهد بود.
پرسشهای متداول و باورهای نادرست
خیر. این یک باور خطرناک است. این آبها هم از بارش در منطقه تغذیه تغذیه میشوند. اگر بهصورت بیرویه و بیشتر از نرخ تغذیه طبیعی از آنها برداشت شود، فشار از بین رفته و چاه خشک میشود یا حتی ممکن است جهت جریان برعکس شده و آبهای شور از لایههای پایینتر به سفره شیرین نفوذ کنند.
قطعاً نه. فوران تنها زمانی رخ میدهد که سه شرط اصلی همزمان وجود داشته باشد: 1) سفره بین دو لایه نفوذناپذیر محصور باشد. 2) منطقه تغذیه آن در ارتفاعی بهمراتب بالاتر از نقطه خروج (چاه) قرار داشته باشد. 3) فشار ناشی از اختلاف ارتفاع، بیشتر از مقاومت مسیر خروج و فشار هوا باشد.
بله، اگر کنترل نشود. فوران شدید میتواند تجهیزات حفاری را نابود کند، باعث آبگرفتگی و فرسایش زمینهای اطراف شود و حتی با شستن خاک، باعث نشست زمین گردد. همچنین، اگر آب گرم یا حاوی مواد معدنی خاص باشد، میتواند برای محیط زیست خطرناک باشد.
پاورقی و واژهنامه
1 فوران آب زیرزمینی (Artesian Eruption / Spring Flow): خروج خودبهخودی آب زیرزمینی به سطح زمین به دلیل فشار هیدرواستاتیک.
2 آب زیرزمینی (Groundwater): آبی که در زیر سطح زمین، در فضاهای خالی خاک و سنگها انباشته شده است.
3 لایه آبدار (Aquifer): لایه یا سازند زمینشناسی متخلخل و نفوذپذیر که توانایی ذخیره و انتقال آب را دارد.
4 سفره آب (Aquifer): معادل دیگر لایه آبدار.
5 آرتزین (Artesian): صفتی که به سفرههای محصور تحت فشار و چشمهها یا چاههای ناشی از آنها اطلاق میشود. ریشه آن از منطقه آرتویس در فرانسه گرفته شده است.
6 گلفشان (Mud Volcano): ساختاری مخروطی شکل که از فوران دورهای گل، آب و گاز تشکیل میشود.
7 لایه نفوذناپذیر (Aquiclude / Impermeable Layer): لایهای با تخلخل و نفوذپذیری بسیار کم که جریان آب را بهشدت محدود میکند (مانند رس متراکم).
8 متخلخل (Porous): داشتن حفرهها و فضاهای خالی ریز.
9 سطح ایستایی (Water Table): سطح بالایی منطقه اشباع شده از آب در یک سفره آزاد.
10 منطقه تغذیه (Recharge Area): منطقهای در ارتفاعات که آب باران یا ذوب برف از طریق آن به داخل سفره آب نفوذ میکند.
11 کلاهک کنترل (Wellhead Control / Blowout Preventer): مجموعهای از شیرها و تجهیزات که روی دهانه چاه نصب میشود تا جریان و فشار خروجی را مدیریت کند.
