4.1 المكون الصخري والطبقي التركيبي

طبيعة وتوزيع الطبقات الحاملة للمياه الجوفية Aquifers و الكتيمة Aquitards في النظامالجيولوجي تتحكم فيه المكون الصخري والطبقي والتركيبي للترسبات والتكوينات الجيولوجية. المكون الصخري هو المكون الطبيعي ويشمل التركيب المعدني وحجم الحبيبات وحشدها للرسوبيات أو الصخور التي تكون النظام الجيولوجي. المكون الطبقي يصف العلاقات الهندسية والعمرية بين العدسات والطبقات والتكوينات المتعددة في النظام الجيولوجي ذات الاصل الرسوبي. المظاهر التركيبية في اسطح الانفصام والشقوق والطيات والصدوع (فوالق) هي الخصائص الهندسية للنظام الجيولوجي الذي تم احداثه بالتشوه بعد الترسيب أو التبلور. في الرسوبيات الغير متصلبة، المكون الصخري والطبقي يمثلان اهم العوامل التحكمية. في معظم المناطق معرفة المكون الصخري والطبقي والتركيبي يؤدي مباشرة لفهم توزيع الخزانات الجوفيةوالطبقات الكتيمة.

المواقف التي يتحكم فيها المكون الصخري والتركيبي لحدوث الخزانات الجوفية والطبقات الكتيمةتوجد في الشكل (4.1). في ولايات السهول الوسطى Great Plains وفي غربي كندا يوجد عدة مواقع من الصخور الرسوبية الكريتاسية أو البليوزوية مطوية داخل جبال الروكي أو على طول التداخلات النارية في الجبال السوداء Black Hills. الحجر الرملي النفاذي عبارة عن خزانات جوفية artesian اقليمية (شكل 4.1 أ) والتي يتم تغذيتها في مكاشف الصخور وبالتسرب عبر الطبقات الطينية المغطاة. في intermountain basins في غربي الولايات المتحدة خزانات الرمل النفاذ والحصى المكونة في المراوح الفيضية تتداخل مع طبقات من الطين والغرين silt مرسب على بحيرات بلايا playa lakes (شكل 4.1 ب). المياه تغذي الخزانات عبر الجبال. الظروف المحصورة تتكون (تتطور) حينما تتعدس الخزانات الى الخارج الى مواقع الحوض المنبسطة. في مناطق صحراء افريقيا الطبقات في النفاذية المائلة بدرجات بسيطة تكون الخزان الاقليمي الذي يحصل ماءه عبر جبهات الجبال البعيدة وبالترسيب العمودي. وجود المياه السطحية تتحكم فيهاالصدوع والطيات او حينما يكون سطح الصحراء مجواة حتى قرب أعلى الخزانات الجوفية (شكل 4.1 ج).

عدم التوافق هو عبارة عن مظاهر طبقية ذات اهمية ختصة في المياه الجوفية. سطح عدم التوافق يمثل فترة زمنية خلالها لم يتم اي ترسيب او ترسيب قليل جدا او بصورة عامة ان السطح تمت تعريته وترحيله وتشققه خلال هذه الفترة. عادة الصخور التحتية تم طيها او ميلها قبل الترسيب لمواد جديدة فوق اسطح عدم التوافق. الخزانات الجوفية عادة ما ترتبط بسطوح عدم التوافق اما في المنطقة المجواة او المكون الموجود مباشرة تحت السطح او في المنطقة النفاذية ذات الرسوبيات ذات الحبيبات الخشنة الملقاة فوق السطح حينما بدأ النظام الدخول في مرحلة جديدة من التزايد. في معظم المناطق الثابتة تكتونيا في داخل امريكا الشمالية حيث توجد الصخور الرسوبية شبه افقية الموجودة تحت الغطاء الرسوبي ووجود سطوح عدم التوافق هوالمفتاح لتوزيع الخزانات الجوفية و الطبقات الكتيمة ونوعية المياه فيهم.

في الاراضي التي تم طيها وتصدعها ليس من السهل تمييز الخزانات الجوفية بسبب التعقيداتالجيولوجية. في هذه الحلات الجزء الاساسي في البحث عن المياه الجوفية هو التحليل التركيبي للوضع الجيولوجي.

4.2 الترسبات الفيضية

الترسبات الغيرمتحولة تتكون من جزيئات الحصى والرمل والغرين والطين والتي لم يتم ترابطهاوتقويتها باسمنت المعادن او الضغط او بالتغيير الحراري للحبيبات. الترسبات الفيضية هي المواد التي تم ترسيبها بعوامل طبيعية في مجاري الانهار او سهول الفيضان. هذه المواد تسمى ايضا الرسوبيات الفيضية. في هذا القسم سيتم التركيز على المواد الفيضية التي ترسبت في بيئة غير جليدية. الرسوبيات التي تكونتبالانهار ذات المياه الذائبة يتم مناقشتها في القسم 4-4.

المواد الفيضية يمكن ان توجد في كل الاقاليم (المناطق). في معظم المناطق الخزانات الجوفية ذاتالاصل الفيضي يعتبر اهم المصادرwater supply. (الشكل 4.2) يمثل الشكل الخارجي والمتغيرات في الرسوبيات المكونة بالانهار المضفرة Braided rivers والانهار المتعرجة. بسبب تغير الانهار لمجاريها والتغيير المستمر لسرعة الترسيب، الترسبات النهرية لها خصائص ملمسية متغيرة والتي تسبب عدم الانسجام الكثير في توزيع الخصائص الهايدروليكية. الانهار المضفرة Braided توجد عموما في النظم حيث الرسوبيات المعدة للنقل لها حبيبات رملية خشنة او حصى وحيث السرعة عالية بسبب الانحدار الطبوغرافي (الاقليمي) عالي. التحول في مواقع المجاري وbars والتغيير في السرعة يمكن أن يؤد الى ترسبات واسعة لطبقات الرمل والحصى مع بعض الاجزاء (النطاقات) رسوبيات من الغرين والطين تملأ المجاري المهجورة. الانهار المتعرجة وبيئة السهول الفيضية المرتبطة بها لها ايضا ترسبات خشنة وناعمة. الوفرة النسبية والعلاقات التركيبية للرسوبيات، هو عموما اكثر اختلافا من رسوبيات الانهار المضفرة. الرسوبيات التي تملأ المجاري الغرينية او الطينية هي اكثر وفرة من تلك التي في رسوبيات الانهار المضفرة. الرمال ذات التطبق التياري والتي عادة ما تكون ناعمة او متوسطة الحبيبات مع وجود محتوى متغير من الغرين والطين يتم ترسيبها على الحاجز و السهول الفيضية. الرمال الخشنة والحصى عادة ما تكون على الpoint bars. ترسبات الحصى تكون channel lag. الوفرة النسبية للترسبات المتعددة الموجودة على الانهار المتعرجة وسهولها الفيضية تتأثر عموما بطبيعة الرسوبيات التي وصلت الانهار من مستجمعات المياه watershed. بسبب تنوع مصادر الرسوبيات والفيض flow تحديد نطاقات الخزانات الجوفية في هذه الترسبات باستخداممعلومات الابار يعتبر عملا صعبا يحتاج عادة الى متخصصين.

أعداد كبيرة من تجارب الموصلية الهايدروليكية في الحقل والمعمل تم عملها في الترسبات الفيضية.نتائج تجارب البريميتر على عينات لبابية اوضحت تغيرات في نفس النطاق النفاذي في حدود اكثر من 2 او 3 order of magnitude. هذه التغيرات تعكس الفرق في توزيع حجم الحبيبات في الطبقات المختلفة خلالالترسبات الكلية.

حينما يتم اعتبار الخصائص المتوسطة للأخجام الكثيرة، خاصية التطبق للترسبات الفيضية تحمل عدمتجانس قوي للنظام. في نطاق صغير ممثل بالعينات اللبابية، التي تختبر في المعمل يوجد عدم تجانس في النفاذية Permeability ولكنه غير ملحوظ. جونسون ومورس (1962) لاحظو موصليات هادروليكية عمودية وافقية ل61 عينة في المعمل للرسوبيات الفيضية والبحيرية لوادي San Joaquim بكاليفورنيا. 46 من هذه العينات لها موصلية افقية اكبر من الموصلية العمودية. 11 منها متجانسة و4 عندها موصلسة عموديةاكبر.الموصلية الافقية حوالي 2 – 10 مرات اكبر من قيم المولية العمودية.

4.3 الترسبات الهوائية (الريحية)

المواد المنقولة والمترسبة بالرياح تسمى ترسبات هوائية (ريحية). تتكون الترسبات الريحية من الرملوالغرين. تتكون القيزان الرملية على الشاطئ وفي داخل الاراضي حينما تكون الامطار قليلة والرمال المفككة موجودة على السطح جاهزة للإنتقال والترسيب. الرمال الريحية الغير متغيرة Nonindurated تتميز بالنقص من مكون الغرين والطين وبالملمس المتجانس وبحبيبات ذات احجام تتراوح من الناعم الى المتوسط ولها استدارة. هذه الرمال لها نفاذية متوسطة (‎^6–10 – ‎^4–10 م\ث) وتكون خزانات جوفية في اماكن ذات سمك متشبع معقول. المسامية تتراوح بين 30-45%. بالمقترنة مع الترسبات الفيضية الرمال الريحية متجانسة و isotropic أكثر من اي ترسبات موجودة في الطبيعة. عملية الفرز للرياح تؤدي الى انتاج ترسبات متجانسةمحليا وفي بعض الاحيان اقليميا.

أكثر الترسبات الريحية الغير متغيرة الشاسعة في امريكا الشمالية هي الترسبات الغطائية blanketمن الغرين والمعروفة باللويس loess. اللويس loess توجد على السطح أو على أعماق ضحلة تحتى السطح في مناطق كثيرة من Midwest و Great plains بامريكا الشمالية. اللويس ترسبت في زمن البلايستوسين وما بعد البلايستوسين نتيجة لنشاط الرياح التي سببت سحب من الغرين لتنتقل الى الاراضي الشاسعة. بسبب بعض المقادير القليلة من الطين وكربونات الكلسيوم الموجودة دائما تصبح اللويس قليلة الى متوسطة التماسك. مسامية اللويس تتراوح عادة بين 40-50%. الموصلية الهيدروليكية ‎^5–10م\ث للوجه الخشن النظيف ال‎ى^7–10م\ث أو اقل للوجه الناعم او الاكثر طينا والتي ليس لها نفاذية ثانوية.

الشقوق والمجاري الجذرية وحفر الحيوانات تسبب عادة نفاذية ثانوية في الاتجاه العمودي التي تزيدبكثير عن النفاذية الاولية. نتيجة للفترات المتكررة من حركة الفرز بواسطة الطقس توجد التربة المدفونة في اللويس. في مناطق النفاذية الثانوية عادة ما ترتبط بهذه التربة. في بعض مناطق اللويس توجد نفاذية كافية في الاعماق لتمنح المزارع و الاستخدام المنزلي الامداد المائي. الخزانات الجوفية الكبيرة Major على اي حال لا توجد في اللويس. في بعض الاحيان طبقات الغطاء من اللويس تحتل طبقات كتيمة تعلو خزانات جوفية كبيرة. للاطلاع على معلومات اضافية عن نفاذية ووجود المياه في اللويس يمكن الرجوع الى McGary & Lambert (1962)‎ و Gibbs & Holland (1960)‎.

4.4 الترسبات الجليدية

من اخص الاهمية الهايدروليكية في شمال الولايات المتحدة وكندا واوروبا هي الترسبات التي تكونت بـ أو ارتبطت بالانهار الجليدية القارية.الترسبات تتضمن الـTills الجليدي، الرسوبياات الجليدية الفيضية والرسوبيات الجليدية البحيرية. في بحيرات ذات ياه الجليد الذائب التي تكونت في زمن البلايستوسين ترسبت غرين وطين بحيري جليدي على الشواطئ. هذه الترسبات كونت على انتشار واسع بعض الطبقات الكتيمة الضحلة في شمال امريكا.ترسبات الرمل والحصى تم ترسيبها بالقرب من الشواطئ وعلى المنطقة الساحلية وتمثل الخزانات الجوفية في بعض المناطق. بالمقارنة بالخزانات الجوفية التي اصلها جليدي فيضي تعتبر هذه الخزانات ذات الاصل البحيري الجليدي ذات اهمية قليلة.

الTill الجليدي هو اكثر المواد التي ترسبت على سطح الارض خلال زمن البلايستوسين. التلالجليدي يكزن الخزانات الجوفية المحلية في بعض المناطق. في مناطق الصخور الرسوبية في شمال امريكا تنتج التعرية الجليدية till له عادة كمية كبيرة من الغرين والطين وعليه فإن نفاذيته قليلة. طبقات ال till منهذا النوع تعتبر طبقات كتيمة.

الشكل 4.3 يوضح صورة تخطيطية او صور للخزانات الجوفية والطبقات الكتيمة في Great plains و Midwest في شمال امريكا. معظم الخزانات الجوفية في هذه المناطق تتكون من رمل جليدي فيضي و حصى مغطاة بطبقات من الtill او الغرين والطين الجليدي البحيري . الخزانات الجوفية توجد في صورة طبقات ممتدة او كترسبات حجازية في السطح او الوادي المدفون. ترسبات الرمل والحصى في الاودية المدفونة تكون الخزانات الجوفية التي عموما تمتد الى عشرات الكيلومترات طولا وعدة كيلومترات عرضا. الاودية المدفونة الكبيرة يمكن ان يصل عرضها عشرات الكيلومترات. في كل الاحوال لاتوجد دلائل على وجود خزانات الأودية المدفونة الجوفية. الtill والذي يوجد فوقها عادة يكون سمكه عشرات الامتار او اقل
ولكن عموما يمكن ان يكون سمكه في حدود مائة متر.

معظم الانهار ذات المياه الذائبة والتي كونت رسوبيات الخزانات الجوفية تم تضفيرها Braided بالشكل الموجود في (4.2 أ)؛ والبقية تفيض في المجاري العميقة أو الأودية تمت تعريتها في اراضي جليدية او صخور رسوبية. امثلة للخزانات التي تكونت في الاودية او في ترسبات طبقية توجد في الشكل (4.3).

بالاضافة لانواع ترسبات المياه الذائبة الكلاسيكية والتي تم تكوينها بالمياه الذائبة للانهار التي تفيضما بعد حدود الانهار الجليدية توجد مناطق جليدية كثيرة لها رسوبيات من الرمل والحصى والتي تتكونن فوق كتل الجليد الثابت خلال اوقات تراجع الجليد.هذه الترسبات تعرف بالغسيل الخارجي المتراكم collapsed outwash او ترسبات الجليد المتصل. مثال لهذا النوع من الترسبات يظهر في الشكل (4.4). الخزانات الرملية والحصوية من هذا الاصل توجد في السطح او مدفونة تحت ترسبات الـTill الذي ترسب اثناء اعادة تقدم الجليد. التل till الكثيف ذو الحبيبات الناعمة وترسبات الغرين والطين الجليدي البحيري هم اكثر الطبقات الكتيمة في معظم انحاء الولايات المتحدة والجزء الجنوبي لكندا. هذه الترسبات لها موصليات هايدروليكية متداخلة متدنية جدا حيث تتراوح قيمها ما بين ‎^12–10-^10–10 م\ث. في حالة الميل الهيدروليكي يساوي 0.5 وهو أحد اقرب الارقام العليا للميول التي تم ملاحظتها في هذه الطبقات الكتيمة، وبإعتبار أن الموصلية الهايدروليكية ‎^11–10 م\ث فانه ستحتاج الى 10 الف سنة لمرور المياه في طبقة غير متشققة سمكها 10 متر من هذه المادة. الترسبات الممتدة في التل till الطيني أو الطين الجليدي البحيري يمكن أن تسبب عزل الخزاناتالجوفية المدفونة من مناطق الفيض للميه الجوفية القريبة من السطح.

في مناطق Great plain وبعض أجزاء Midwest وجنوب اونتاريو تم ملاحظة أنه في بعض ترسبات التل till الغريني والطيني و الطين الجليدي البحيري لهم شبكات من الشقوق التي تشبه الشعيرات. هذه المظاهر عادة ما تعرف بالشقوق fissures أو الفواصل joints. الشقوق عادة ما تكون عمودية او شبه عمودية. المسافات بين الشقوق تراوح ما بين عدة سنتمترات الى أمتار عديدة. تملأ هذه الشقوق عادة بالجبص أو الكالسيت. نسيج التربة بالقرب من هذه الشقوق عادة ما يتميز بتغيير اللون بسبب الدرجات المختلفة للأكسدة أو الإختزال. في بعض المناطق يتم ملاحظة وجود بعض الجذيرات ‏Rootlets عبر هذه الشقوق من اعماق ‎10-5 متر تحت السطح. في بعض الاحيان تمر الشقوق عبر طبقات متتالية من التل till والطين. في الحالات الاخرى فانهم يتركزون في الطبقات المنفردة.

في كثير من مناطق التل الجليدي والطين الجليدي البحيري المناطق عالية التشقق عادة ما توجد في عدة امتار على السطح. الشقوق الضحلة تتكون بمتغيرات قوي القص الناتجة من دورات الرطوبة والجفاف والتجمد و الإنصهار . الفتحات التي تسببت بالجذر ايضا تسبب نفاذية ثانوية. أصل شبكات الشقوق في الاعماق يعتبر مشكلة كبيرة. عدة باحثين اقترحو اطلاق قوي القص بسبب الحمل الجليدي والارتداد الارضي وتغيير الحجم بسبب العمليات الجيوكيميائية كتبادل الكاتيونات. للمزيد من المعلومات على طبيعة والاهمية الجيولوجية للشقوق في التل و الطين الجليدي البحيري يمكن الرجوع الى روي (1972)، ويليامز وفارقولدن (1969)،جرساك وشيري (1975) و جرساك واخرون (1976).

4.5 الصخور الرسوبية

الحجر الرملي

حوالي 25 ٪ من الصخور الرسوبية في العالم هي حجر رملي. في العديد من البلدان، تشكل طبقات الحجر الرملي طبقات المياهالجوفية الإقليمية التي تحتوي على كميات كبيرة من مياه الشرب الجوفية. ترجع أجسام الحجر الرملي ذات الأهمية الهيدرولوجية الرئيسيةإلى بيئات ترسيبية مختلفة، بما في ذلك السهول الفيضية والسواحل البحرية والدلتا والأيولية وبيئات تيار التعكر. يمكن الحصول علىمعرفة توزيع النفاذية في الأحجار الرملية بشكل أفضل ضمن إطار تفسيري مبني على فهم البيئات الترسيبية التي تشكل فيها الرمل وفيهذا المسعى من الضروري معرفة علم الرسوبيات. تقدم دراسة بلات وآخرون (1972) مناقشة شاملة لأصل وطبيعة الحجر الرملي.

لدى الرمال الغير متغيرة مسامية في المدى 30-50٪. في صخور الحجر الرملي، عادة ما تكون المسامية أقل بسبب الدمج والإحكام وبسبب المواد اللاصقة بين الحبيبات. في الحالات القصوى، تكون نسبة المسامات أقل من 1٪ وتقترب الموصلية الهيدروليكية من تلك التي تتكون من الحجر الطيني والصخر غير المتكسر (أي أقل من ‎^10–10 م / ث). أكثر المواد اللاصقة شيوعًا هي معادن الكوارتز والكالسيت والطين. تتكون هذه المعادن نتيجة هطول الأمطار أو تغيير المعادن أثناء دوران المياه الجوفية عبر الرمال. يعد الضغط مهمًا في العمق الكبير، حيث تكون درجات الحرارة والضغوط عالية. تظهر الدراسات التي قام بها شيلينجار (1963) وماكسويل (1964) وأتواتر (1966) تبين أن مسامية الحجر الرملي تقل بشكل منتظم مع العمق.

في خزانات البترول في لويزيانا، وجد أتواتر أن الانخفاض يبلغ متوسطه حوالي 1.3٪ لكل 300 متر في عمق الدفن. شيلينجار (1963) أظهر أنه عندما يتم تجميع الرمل والحجر الرملي وفقًا لفئات حجم الحبوب، فهناك اتجاهات محددة جيدًا لزيادة النفاذية مع زيادة المسامية (الشكل 4.5). تتوافق الزيادة في المسامية التي تبلغ عدة بالمائة مع زيادة كبيرة في النفاذية.

تشير اختبارات مقياس النفاذية على العينات الأساسية من طبقات الحجر الرملي إلى أن الموصلية يمكن أن تختلف محليًا بعامل يصل إلى 10-100 في المناطق التي تبدو، على أساس الفحص البصري، متجانسة نسبيًا. الشكل 4.6 هو رسم تخطيطي لملف توصيلية هيدروليكية رأسية من خلال حجر رملي سميك متجانس نسبياً. تعكس اختلافات الموصلية تغييرات طفيفة في ظروف الترسيب التي كانت موجودة عند ترسيب الرمل.

يشير ديفيس (1969) إلى أن وجود طبقات صغيرة الحجم في الحجر الرملي يتيح نفاذية عينات كبيرة جدًا يمكن اعتبارها غير متجانسة بشكل موحد. ويشير إلى أن التأثير الإجمالي لطبقية النفاذية هو أن النفاذية الرأسية الفعالة للكتل الكبيرة من الحجر الرملي يمكن أن تكون منخفضة حتى في المناطق التي تكون فيها النفاذية الأفقية عالية جدًا. يقول ديفيس أن المعرفة المتعلقة بالتباين على نطاق صغير من الحجر الرملي غير مكتملة إلى حد ما، ولكنها مع ذلك أفضل تأسيساً من فهمنا للتباين الإجمالي للكميات الكبيرة. بناءً على قياسات الموصلية الهيدروليكية لعدد كبير من العينات الأساسية، لاحظ بيرسول وآخرون (1940) أن النسبة المتوسطة للتوصيل الأفقي إلى الرأسي هي 1.5. فقط 12٪ من العينات لديها نسب أعلى من 3.0.

عندما تصبح الرمال أكثر رسوخًا ومضغوطًة (أي أكثر صلابة)، تزداد مساهمة الكسور في النفاذية السائبة للمواد. يتم استبدال ميل قيم النفاذية الكبيرة التي تحدث في الاتجاه الأفقي بتفضيل نفاذية كسر أعلى في الاتجاه الرأسي. يمكن أن تعكس طبيعة التباين في الوسط المتكسر تاريخًا جيولوجيًا معقدًا يتضمن العديد من دورات الإجهاد.

صخر الكربونات

تتكون صخور الكربونات، في شكل الحجر الجيري والدولوميت، في الغالب من معادن الكالسيت والدولوميت ، مع كميات طفيفة جدًا من الطين. يشير بعض المؤلفين إلى صخرة الدولوميت على أنها دولوستون. في هذا النص، يستخدم الدولوميت للدلالة على كل من المعدن والصخور. كل الدولوميت تقريبًا ثانوي الأصل، يتكون من تغيير جيوكيميائي للكالسيت. هذا التحول المعدني يسبب زيادة في المسامية والنفاذية لأن الشبكة البلورية للدولوميت تحتل مساحة أقل بحوالي 13٪ من مساحة الكالسيت. جيولوجيا عادة ما تحتوي صخور الكربونات الصغيرة على مسامات تتراوح من 20٪ للحجر الجيري الخشن إلى أكثر من 50٪ للطباشير سيئة التصلب (ديفيس، 1969). مع زيادة عمق الدفن، عادة ما يتم ضغط مصفوفة معادن الكربونات اللينة وإعادة بلورتها إلى كتلة صخرية أكثر كثافة وأقل مسامية.

عادة ما تكون النفاذية الأولية للحجر الجيري والدولوميت غير المجزأة أقل من ^7–10 م/ث عند درجة حرارة قريبة من السطح. يمكن أن تكون صخور الكربونات ذات النفاذية الأولية بهذا الحجم مهمة في إنتاج البترول ولكنها ليست مصادر مهمة لإمدادات المياه الجوفية. العديد من طبقات الكربونات لديها نفاذية ثانوية ملحوظة نتيجة للكسور أو الفتحات على طول أسطح التطيق. قد تتضخم الفتحات الثانوية في صخور الكربونات الناتجة عن التغيرات في ظروف الإجهاد نتيجة لتذويب الكالسيت أو الدولوميت عن طريق تدوير المياه الجوفية. لكي تتسبب المياه في توسيع شبكة النفاذية، يجب أن تكون غير مشبعة فيما يتعلق بهذه المعادن. يتم وصف أصل فتحات المحلول في صخر الكربونات في الفصل 11.

تشير الملاحظات في المحاجر والحفريات الأخرى في صخور الكربونات المستوية إلى أن فتحات المحاليل على طول المفاصل العمودية متباعدة بشكل عام. تكون الفتحات على طول أسطح التطبق أكثر أهمية من ناحية عطاء المياه من الآبار (ووكر، 1956؛ جونستون، 1962). في صخور الكربونات الأفقية تقريبًا مع الكسور الرأسية المنتظمة وأسطح التطبق الأفقية، عادة ما يكون هناك احتمال أكبر بكثير أن تواجه الآبار فتحات أفقية من الكسور الرأسية. هذا موضح في الشكل 4.7. في صخور الكربونات المكسورة، يمكن أن توجد الآبار الناجحة وغير الناجحة على مقربة شديدة، اعتمادًا على تكرار مواجهة الكسور من حفرة البئر. موسمياً، يمكن أن تختلف مستويات المياه في الآبار الضحلة بشكل كبير لأن مسامية الكسر الأكبر تكون بشكل عام نسبة قليلة أو أقل.

في بعض صخور الكربونات، توفر خطوط الكسور الرأسية المركزة مناطق ذات نفاذية عالية. يوضح الشكل 4.8 الحالة التي تنعكس فيها تقاطعات الكسر والأنسجة في شكل سطح الأرض. المناطق التي تتركز فيها الكسور هي مناطق تدفق المياه الجوفية الأسرع. قد يؤدي الانحلال إلى زيادة نفاذية هذه المناطق. وقد أظهرت الدراسات المكثفة للأنماط في صخور الكربونات من قبل باريزيك وزملاء العمل أن احتمال الحصول على آبار ناجحة يتحسن إلى حد كبير إذا كانت مواقع الحفر تقع على طول التصدعات أو عند تقاطعاتها (لاتمان وباريزيك, 1964, باريزيك و درو, 1966). ومع ذلك، في بعض المناطق، تمنع السماكة المفرطة للرسوبيات السطحية التعرف على تصدعات الأساس، ولا يمكن البحث عن مواقع حفر مواتية بهذه الطريقة.

في مناطق صخور الكربونات المطوية، ترتبط مناطق تركيز الكسر وتضخيم المحلول بشكل عام مع قمة الخطوط المضادة، وبدرجة أقل مع أحواض متزامنة (الشكل 4.9). في الحالات التي يمكن أن تحدث فيها إعادة الشحن المباشر السريع، يكون لتضخم الكسر عن طريق الذوبان تأثير كبير. في الحالة الموضحة في الشكل 4.9، فإن المياه التي تتسرب إلى صخور الكربونات المكسورة تحت الطبقة الغرينية سوف تتسبب في تضخيم المحلول إذا ما كان تحت الطبقة الغرينية خاليا من معادن الكربونات. إذا كانت طبقة الغرين يحتوي على نسبة كبيرة من الكربونات المعدنية، فإن المياه الجوفية عادة ما تصبح مشبعة فيما يتعلق بالكالسيت والدولوميت قبل الدخول إلى مناطق الكسر في صخر الكربونات. في صخور الكربونات المكسورة التي نشط فيها توجيه المحلول في الماضي الجيولوجي، يمكن أن تتشكل الكهوف أو الأنفاق الكبيرة، مما يجعل النفاذية المحلية لا نهائية تقريبًا مقارنة بالأجزاء الأخرى من نفس التكوين.

الفحم

تعتبر طبقات الفحم شائعة الحدوث ضمن سلاسل من الصخور الرسوبية المتكونة في بيئات السهول الفيضية أو الدلتا. في جزء كبير من المناطق الداخلية لأمريكا الشمالية، خاصة في أجزاء من داكوتا الشمالية، ومونتانا، وايومنغ، ساسكاتشوان، وألبرتا، تشكل طبقات من الفحم اللجنيت الناعم طبقات مياه جوفية كبيرة. إن طبقات الفحم، التي هي من العصر الثالث أو العصر الطباشيري، عادة ما تكون أقل من 0-20 م، والعديد من سمك متر أو اثنين. هذه الخزانات الجوفية مصدر مشترك لإمدادات المياه للمزارع والبلدات الصغيرة في هذه المنطقة.

على الرغم من أهميتها، لا يُعرف إلا القليل عن الخصائص الهيدروجيولوجية لطبقات المياه الجوفية للفحم. دراسة الموصلية الهيدروليكية لطبقات الفحم اللجنيت الضحلة بواسطة فان يوست وهيدجز (1975) وموران وآخرون (1976) تشير إلى القيم بشكل عام في النطاق ‎^4–10 – ^6–10 م⁄ث مع تناقص القيم عند أعماق أكبر من 50-100 م. نادرا ما تكون طبقات الفحم أقل من حوالي 100 متر قادرة على توفير المياه بمعدلات كافية لإمدادات المياه. يمكن أن تعزى الموصلية الهيدروليكية السائبة لطبقات الفحم إلى المفاصل والفتحات على طول اسطح التطبق. تكون مسامية الكسر الأكبر عمومًا جزءًا صغيرًا من 1٪. أصبح الدور الهيدروجيولوجي للفحم في منطقة السهول الكبرى مؤخرًا موضع اهتمام نتيجة الزيادة السريعة في تعدين الشريط في هذه المنطقة. يتم استنزاف طبقات المياه الجوفية للفحم القريبة من السطح مع استمرار عملية التعدين في بعض المناطق. قد تكون طبقات الفحم الأعمق بمثابة إمدادات مائية بديلة. معظم طبقات الفحم مغطاة وتحت سطحها بواسطة رواسب الطمي أو الطين التي تعمل كقنوات مائية إقليمية. أقل شيوعًا، تحدث طبقات الفحم أعلى أو أسفل الحجر الرملي من أصل السهول الفيضية. عندما يحدث الفحم والحجر الرملي معًا، غالبًا ما يعملان كنظام طبقة مياه جوفية واحدة.

الطفل الصفحي

تشكل السجلات الصخرية السميكة والأكثر اتساعًا في معظم الأحواض الرسوبية. ينشأ الصخر الزيتي على شكل طين يتم وضعه على قيعان المحيطات، في مناطق المياه الرقيقة في الدلتا، أو في بيئات المستنقعات الخلفية لسهول الفيضان الواسعة. العمليات الدياجينية (Diagenetic) المتعلقة بالضغط والنشاط التكتوني تحول الطين إلى الصخر الزيتي. يمكن أن يكون للطين، الذي يتشكل منه الصخر الزيتي، مسامات تصل إلى 70-80٪ قبل الدفن. بعد الضغط، يكون الصخر عمومًا مسامية أولية أقل من 20٪ وفي بعض الحالات أقل من 5٪. عادة ما يكون الصخر الزيتي هشًا ومكسورًا وغالبًا ما يكون نافذًا في مناطق النتوء. ولكن في العمق، يكون الصخر الطري عمومًا أكثر نعومة، والكسور أقل تكرارًا، والنفاذية منخفضة جدًا بشكل عام. بعض الطبقات الصخرية من البلاستيك تمامًا والكسور غير ذات أهمية.

قيم الموصلية الهيدروليكية لعينات سليمة من الصخر الزيتي التي تم اختبارها في المختبر (بيترسون، 1954؛ يونغ وآخرون، 1964؛ ديفيس، 1969؛ موران وآخرون، 1976) نادرا ما تكون أكبر من ‎^9–10 م / ث وهي عادة في نطاق ‎^10–‎10-^12–10 م / ث. يتضح من علاقة دارسي أنه حتى في ظل التدرجات الهيدروليكية القوية، لا يمكن أن تتحرك المياه الجوفية في الصخر الزيتي غير المتكسر بمعدلات أكبر من بضع سنتيمترات في القرن. لا تكاد هذه المعدلات مهمة على نطاق زمني للإنسان، ولكن على نطاق زمني جيولوجي، يمكن أن يكون تدفق المياه الجوفية عبر الطفل الصخري السليم مكونًا مهمًا في ميزانية المياه لطبقات المياه الجوفية المحصورة بواسطة الطفل. في غضون بضع مئات من الأمتار من سطح الأرض، يمكن للكسور في الصخر الزيتي أن تنقل مكونًا مهمًا من المسامية الثانوية والنفاذية. حتى في الحالات التي توجد فيها كسور خط الشعر في تباعد واسع نسبيًا، فإن المسامية الثانوية الصغيرة جدًا التي يخلقونها (ربما منخفضة من ‎^4–10-^5–10) يمكن أن تنتج نفاذية ثانوية بأحجام تتجاوز النفاذية الأولية.

4.6 الصخور النارية والمتحولة

العينات الصلبة من الصخور المتحولة غير المجزأة والصخور النارية البلوتونية لها مسامات نادرا ما تزيد عن 2 ٪. الفراغات بين البلورات التي تشكل المسامية دقيقة والكثير منها غير مترابط. بسبب أحجام المسام الصغيرة ودرجة التوصيل البطيء للمسام، فإن النفاذية الأولية لهذه الصخور صغيرة للغاية. تشير القياسات على العينات السليمة من الصخور المتحولة (الصخور الرسوبية الأولية) من منطقة التعدين ماركيت في ميشيغان إلى قيم النفاذية الأولية في نطاق 0.00019 مليليتر (‎^13–10-^11–10 م/ث) يتم التعبير عنها على أنها التوصيل الهيدروليكي في درجة حرارة الغرفة للكوارتزايت، الميكا شيست، شيرت، سليت، جرايواك (ستيوارت وآخرون، 1954). قياسات نفاذية الجرانيت في الآبار التي تكون فيها الكسور غائبة بشكل عام تعطي قيم إنتاجية بترتيب ‎^3–10 مليدارسي (‎^11–10 م/ث). تشير نفاذية بهذا الحجم إلى أن هذه الصخور غير منفذة في سياق معظم مشاكل المياه الجوفية. في التضاريس التي تتكون من الصخور النارية البلوتونية والصخور المتحولة البلورية، تحدث نفاذية الكسر الملحوظة بشكل عام على بعد عشرات الأمتار وفي بعض الحالات على بعد بضع مئات من الأمتار من سطح الأرض.

تحدث الشقوق بسبب التغيرات في ظروف الإجهاد التي حدثت خلال نوبات مختلفة في التاريخ الجيولوجي للصخور. عرض فتحات الشق عادة أقل من 1 مم. نظرًا لأن تصريف المياه الجوفية يتناسب مع عرض الشق الذي تم رفعه إلى قوة تبلغ حوالي 3 (المعادلة 2.86)، فإن الفرق في النفاذية بين كتل الصخور بعرض الشق بعشر المليمتر وتلك التي لها عروض شق على بالمليمترات أو أكثر هائلة.

تولمان (1937) وديفيس (1969) لفتا الانتباه إلى حقيقة أن إذابة الصخور السيلكية في بعض الحالات قد تؤدي إلى زيادات كبيرة في عرض فتحات الكسر. قدم ديفيس مثالًا افتراضيًا حيث يقوم إعادة شحن المياه المارة عبر العشرة أمتار العليا من الكوارتزيت بإزالة كمية كافية من السيليكا لتوسيع الكسور بمقدار 0.38 ملم في 10⁵ عامًا. يمكن أن يكون هذا التوسيع مهمًا جدًا من حيث تدفق السوائل. يشير ديفيس إلى أن عدة عوامل تقلل أو تنفي الاتجاه نحو الانفتاح السريع بمحلول الشقوق في الصخور البلورية. عندما تمر المياه الجوفية من خلال الرسوبيات السطحية قبل دخول الصخور المشققة، فإنها عادة ما تحصل على السيليكا المذابة. لذلك فهي غير عدائية نسبيًا فيما يتعلق بمعدن السيليكات على طول أوجه الشق. على عكس معظم صخور الكربونات، الغنية بالسيليكا تحتوي الصخور على بقايا غير قابلة للذوبان في شكل أكاسيد الحديد والألمنيوم التي تميل إلى سد الشقوق الصغيرة بعد بدء التجوية. واحدة من أكثر السمات المميزة لنفاذية الصخور البلورية هو الاتجاه العام لانخفاض النفاذية مع العمق.

إن النتائج (الشكل 4.10) لدراسة منطقة الصخور البلورية (الجرانت، الجابرو، النايس، والشيست) في ولاية كارولينا الشمالية بواسطة ليجراند (1954) هي تعبير كمي عن الاتجاه الذي يلاحظه حفارو الآبار بطريقة أكثر نوعية في العديد من مناطق الصخور البلورية. كما قام سامرز (1972) بتأسيس علاقات كمية بين العمق والإنتاج الجيد لمنطقة ما قبل الكمبري الصخرية في ويسكونسن. تكون الصخور البلورية المشققة أقل نفاذية على عمق أكبر لأن اختلافات الإجهاد التي تسبب الشقوق تكون أكبر، ومع مرور الوقت الجيولوجي، تحدث بشكل متكرر بالقرب من سطح الأرض. تميل الشقوق إلى الإنغلاق عند العمق بسبب الضغوط الرأسية والجانبية التي تفرضها الأحمال المثقلة بالضغط والضغوط الأفقية “المغلقة” ذات المنشأ التكتوني. تحتفظ الصخور بالكثير من طابعها الهش على أعماق عدة كيلومترات. وبالتالي، يمكن أن توجد نفاذية الشق إلى عمق كبير. والدليل الواضح على ذلك يأتي من الأنفاق ومن المناجم على أعماق كيلومتر واحد وأكثر حيث تتدفق المياه بنشاط إلى مهاوي وعُدد. في الصخور البلورية، تعد المناجم الجافة الاستثناء وليست القاعدة.

في الجرانت، يعزى حدوث شقوق شبه أفقية موازية لسطح الأرض كما وصف ليجراند (1949) لإزالة كتلة الرسوبيات السطحية الناجم عن التعرية. في منطقة في جورجيا تمت دراستها بواسطة ليجراند، تعد هذه الشقوق الصفيحية مصدرًا مهمًا لإمدادات المياه من الأعماق الضحلة. مع العمق، تنخفض الشقوق من هذا النوع بسرعة في التردد وعرض الفتحة. على الأرجح ليسو مساهمين للنفاذية على أعماق أكبر من حوالي 100 متر (ديفيس و دي ويست، 1966). نظرًا لأن العديد من الكسور تدين بأصلها إلى ضغوط قريبة من السطح مرتبطة بشكل مباشر أو غير مباشر بالظروف الطوبوغرافية، فليس من المستغرب أن يرتبط العديد من مناطق الصخور البلورية بتواتر الآبار وعطاء الآبار بالطوبوغرافيا. نتائج الدراسة بواسطة ليجراند (1954) يمكن استخدامها مرة أخرى كتوضيح كمي للعلاقات ذات العائد الجيد، هذه المرة فيما يتعلق بالتضاريس. يشير الشكل 4.11 إلى أن انتاجية الصخور البلورية في منطقة الدراسة بولاية نورث كارولينا هي الأعلى في الوديان والوديان العريضة والأدنى عند قمم التلال أو بالقرب منها. تقع الغلات في المرتفعات المسطحة وتحت المنحدرات بين هذين النقيضين. في العديد من الأماكن، تتطور الوديان والوديان على طول مناطق الصدع. إن ميل نطاقات الصدوع إلى زيادة النفاذية هو العامل الأساسي في العلاقة ذات العائد الجيد.

تتكون الصخور البركانية نتيجة لترسيخ الصهارة عند سطح الأرض أو بالقرب منه. بالمعنى الهيدروجيولوجي، تختلف هذه الصخور بشكل عام عن معظم الصخور البلورية الأخرى في أنها تحتوي على سمات أساسية تسبب النفاذية داخل كتلة الصخور الصلبة الأخرى. ديفيس (1969)، في وصف ممتاز لنفاذية ومسامية الصخور البركانية، يلاحظ أن هذه الميزات مرتبطة بتاريخ الصخور.

عندما تنبثق الصهارة إلى سطح الأرض وتتدفق كحمم بركانية، فإن الصخور التي تتكون عند التبريد تكون نفاذة جدًا بشكل عام. على السطح، التبريد السريع وهروب الغازات يسبب مفاصل التبريد ومساحات تشبه المسام. أثناء حركة الحمم البركانية، تتكون قشرة على السطح العلوي أثناء حدوث التبريد. يتسبب تدفق الحمم أسفل القشرة في تكون شقوق، مما ينتج كتلة صخرية ممتلئة يتم سحبها عادة تحت الحافة الأمامية لتدفق الحمم البركانية. والنتيجة النهائية هي كتلة صلبة تحتوي في العديد من الأماكن على مناطق ركام خشنة فوق وتحت صخور أكثر كثافة (ديفيس، 1969). يتم تغطية الحصى المرسبة بواسطة الجداول على مناظر الحمم البركانية في وقت لاحق بتدفقات جديدة. الكتل الصخرية المتكتلة والكتل المتداخلة المصاحبة لها تنتج نفاذية كبيرة عالية جدًا في معظم البازلت الجديد. الأسباب الأخرى للنفاذية العالية في البازلت الصغيرة هي فتحات الغاز وأنابيب الحمم وقوالب الأشجار. يؤدي التغيير عن طريق الدفن العميق أو تدفالق سوائل اللاحمة خلال الوقت الجيولوجي إلى انخفاض النفاذية.

على نطاق واسع نفاذية البازلت متباينة للغاية. مراكز تدفقات الحمم البركانية منيع بشكل عام. تتطور التربة المدفونة التي تنتج نفاذية عالية في الجزء العلوي من تدفقات الحمم البركانية المبردة. تحدث الترسبات بين التدفقات. تعمل مناطق الأنقاض بشكل عام موازية لاتجاه التدفق. وبالتالي فإن اتجاه أعلى نفاذية موازٍ عمومًا للتدفقات. يشير ديفيس إلى أنه داخل التدفق تكون النفاذية عادة أكبر في اتجاه الانحدار الأصلي الأكثر حدة للتدفقات. تم توضيح هذا بشكل تخطيطي في الشكل 4.12، والذي يشير إلى اتجاه وحجم النفاذية الإجمالية للصخور البازلتية الصغيرة. ومع ذلك، في بعض الحالات، قد لا يكون اتجاه المحاور الرئيسية بيضاويًا.

يقع أحد أكبر تراكمات الصخور البازلتية في العالم في الجزء الشمالي الغربي من الولايات المتحدة في المنطقة المعروفة باسم هضبة نهر كولومبيا. خلال فترة الميوسين والبليوسين، إمتزجت كميات هائلة من الصهارة من خلال الشقوق وانتشرت في صفائح عريضة على مناطق تقدر بأنها تصل إلى عدة ملايين من الكيلومترات المربعة. ونتيجة لذلك، كانت الكثير من الصهارة تحتوي على نسبة منخفضة من الغاز. البازلت في هذه المنطقة كثيف بشكل عام، مع مناطق محدودة فقط من البازلت ذو البنية الحويصلية. تحدث الرواسب المترسبة من النهر بين العديد من تدفقات البازلت. يبلغ متوسط إجمالي سمك تسلسل البازلت فوق هضبة نهر كولومبيا حوالي 550م.

أسفرت الدراسات عن الآبار في الجزء السفلي من تسلسل البازلت في موقع في الجزء الجنوبي الشرقي من ولاية واشنطن عن التوصيل الهيدروليكي، والانتقال، وبيانات المسامية (شركة أتلانتيك ريتشفيلد هانفورد، 1976)، ملخصة في الجدول 4.1.

 
إن المساحات المتجمعة النهرية المترسخة ومناطق البازلت التي تكون حويصلية أو مجزأة أو متقلبة أو متقشرة هي طبقات مياه جوفية يحدث فيها تدفق إقليمي أفقي في الغالب. تحتوي مناطق البازلت الكثيفة على توصيل هيدروليكي أقل ومسامية فعالة ولكنها، مع ذلك، قادرة بشكل عام على نقل كمية كبيرة من الماء. تحتوي بعض مناطق البازلت الكثيفة غير المجزأة على توصيل هيدروليكي منخفض جدًا وربما تعمل كقنوات مائية إقليمية.

4.7 التربة الصقيعية

داخل الدائرة القطبية الشمالية، توجد الأرض المتجمدة دائمًا والمعروفة باسم التربة الصقيعية في كل مكان تقريبًا. في معظم المناطق الشمالية من كندا وألاسكا وغرينلاند واسكندنافيا واتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، فإن التربة الصقيعية مستمرة، ولكن في معظم المناطق الشمالية المأهولة أو الحدود الشمالية للموارد، تكون مناطق التربة الصقيعية غير متصلة. باستثناء جبال الأنديز المرتفعة وأنتاركتيكا، فإن التربة الصقيعية غائبة في نصف الكرة الجنوبي.

على عكس ما قد يتوقعه المرء بشكل بديهي، لا تتكون التربة الصقيعية بالضرورة في جميع المواقع حيث تنخفض درجة حرارة الأرض إلى 0 درجة مئوية. غالبًا ما تكون درجات الحرارة أقل بكثير من 0 درجة مئوية لبدء تغيير مسام الماء إلى الثلج (أندرسون ومورجنسترن، 1973؛ بانين وأندرسون، 1974). يعتمد حدوث وحجم المنخفض في نقطة التجمد الأولية على عدد من العوامل، بما في ذلك ضغط السوائل، ومحتوى الملح في المسام، وتوزيع حبيبات التربة، ومعادن التربة، وهيكل التربة (فان إيفردينجين، 1976). يوضح الشكل 4-13 العلاقات بين محتوى الماء السائل في ماء المسام ودرجات حرارة الوسط السائب. عندما يتم تجميد التربة جزئيًا، تحتوي المادة على كل من الماء السائل والثلج. يجب الاحتفاظ بمصطلح “التربة الصقيعية” للمواد التي تستمر فيها المياه في الحالة المجمدة أو المجمدة جزئيًا على مدار العام. تشير حالة درجة الحرارة 0 درجة مئوية إلى القليل عن الحالة المادية الدقيقة لمسام المسام.

تكمن الأهمية الهيدروجيولوجية للتربة الصقيعية في الاختلافات الكبيرة في الموصلية الهيدروليكية الموجودة لمعظم المواد الجيولوجية بين حالاتها المجمدة وغير المجمدة. يوضح الشكل 4-14 (أ) العلاقة بين محتوى المسام غير المجمدة ودرجة الحرارة في العديد من أنواع التربة، ويوضح الشكل 4.14(ب) تأثير هذه العلاقة على الموصلية الهيدروليكية. ينخفض محتوى الماء غير المجمد ويزداد محتوى الجليد المسامي عندما تنخفض درجة حرارة المادة من 0 درجة مئوية إلى -1 درجة مئوية. تنخفض الموصلية الهيدروليكية بعدة درجات حيث تنخفض درجة الحرارة بضع أعشار من درجة أقل من 0 درجة مئوية. على سبيل المثال، الرمل الناعم، الذي يمكن أن يكون طبقة مياه جوفية في حالة غير مجمدة في ظل الظروف الطبقية المناسبة، يصبح حوضًا ذا نفاذية منخفضة عند درجة حرارة أقل بقليل من صفر درجة مئوية. يصبح الطمي الذي يمكن أن يكون له خصائص قاذفة متسربة في حالة غير مجمدة قاحلاً منيعًا عندما يتم تجميده بالكامل.

يمكن إظهار أهمية تكوين التربة الصقيعية على توزيع طبقات المياه الجوفية بالإشارة إلى المقاطع العرضية عبر وديان غرينية في منطقة فيربانكس شمال شرق ألاسكا (الشكل 4.15).

الرواسب من الحصى والرمل تحت قاع الطمي في وادي الشق السعيد (Happy creek) هو طبقة مائية تنتج كميات وفيرة من المياه. يتم إعادة شحن المياه من خلال مناطق غير مجمدة على المنحدرات العليا وفي الترسبات النهرية في الروافد العليا للجداول. تحت شق قبة ، من ناحية أخرى، تمتد قاعدة التربة الصقيعية إلى صخرة الأساس تحت الرمال والحصى. ونتيجة لذلك، لا يمكن الحصول على الماء من هذه المواد الخشنة الحبيبية. بسبب تأثير حصر التربة الصقيعية، تظهر المياه الجوفية في مناطق الأساس تحت قاعدة التربة الصقيعية رؤوس هيدروليكية ترتفع فوق سطح الأرض، وتواجه الآبار المتدفقة في العمق.

مراجع مقترحة

BROWN, I. C., ed. 1967. Groundwater in Canada. Geol. Surv. Can., Econ. Geol. Rept. No. 24, pp. 65-171.

DAVIS, S. N. 1969. Porosity and permeability of natural materials. Flow Through Porous Media, ed. R. J. M. De Wiest. Academic Press, New York, pp. 53-89.

DAVIS, S. N. and R. J. M. DE WIEST. 1966. Hydrogealogy. John Wiley & Sons, New York, pp. 318-417.

MCGUINNESS, C. L. 1963. The role of groundwater in the National Water Situation. U.S. Geol. Surv. Water-Supply Paper 1800.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

The Groundwater Project is a registered charity in Canada and is administered at the University of Guelph, Guelph, Ontario, Canada.
Contact: [email protected]