การสำรวจหาชั้นน้ำบาดาลโดยการสำรวจธรณีฟิสิกส์

ธันวาคม 28, 2023

น้ำบาดาลเป็นน้ำส่วนหนึ่งของวัฏจักรน้ำของ hydrologic cycle (รูปที่ 1) จะไหลติดต่อได้กับน้ำฟ้า น้ำผิวดิน น้ำใต้ดินหรือน้ำบาดาล น้ำจะไหลวนเวียนอยู่ในระบบของโลก (earth System) ต่อไปนี้ ได้แก่ ชั้นบรรยากาศ (atmosphere) เป็นพวกก๊าซต่าง ๆ ที่ล้อมรอบอยู่เหนือส่วนที่เป็นน้ำหรืออุทกภาค (hydrosphere) ซึ่งประกอบไปด้วยน้ำต่าง ๆ ปกคลุมผิวโลกอยู่ ส่วนที่เป็นผิวโลกหรือธรณีภาค (lithosphere) จะเป็นพวกหินแข็งที่อยู่ใต้ส่วนที่เป็นน้ำหรืออุทกภาค ลงไป ซึ่งวัฏจักรของน้ำนี้จะไหลเวียนอยู่ในระบบของโลก (earth system) ทั้งสามส่วน เป็นน้ำจากความลึกเฉลี่ยน้อยที่สุดประมาณครึ่งไมล์ในส่วนที่เป็นผิวโลกหรือธรณีภาค ไปจนถึงความสูงประมาณ 10 ไมล์ในชั้นบรรยากาศ

รูปที่ 1 แสดงวัฏจักรของน้ำ (hydrologic cycle)

น้ำบาดาล คือ น้ำผิวดินที่ไหลซึมลงไปกักเก็บอยู่ระหว่างช่องว่าง รูพรุน ของ ดิน กรวด ทราย หรือรอยแตกของหินที่อยู่ลึกใต้ผิวดินลงไป ซึ่งน้ำที่กักเก็บใต้ผิวดินนี้เรียกว่า ชั้นน้ำบาดาล (aquifer) โดยแบ่งได้เป็น 2 ชนิด ดังนี้

ชั้นน้ำบาดาลไร้แรงดัน (unconfined aquifer) คือชั้นน้ำบาดาลเปิด มีระดับน้ำใต้ดิน (water table) ขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำในชั้นบาดาล ปริมาณการสูบ ระบายน้ำ แหล่งเพิ่มเติมแหล่งน้ำ และอัตราการซึมผ่าน (รูปที่ 2)

ชั้นน้ำบาดาลมีแรงดัน (confined aquifer) คือ ชั้นน้ำบาดาลปิด เป็นน้ำที่กักเก็บในชั้นที่มีแรงดันมากกว่าแรงดันบรรยากาศ โดยมีชั้นทึบน้ำและชั้นต้านน้ำ ปิดทับและรองรับชั้นน้ำบาดาล (รูปที่ 2)

ที่มา : https://www.connectedwaters.unsw.edu.au/schools-resources/fact-sheets/groundwater-levels-and-aquifer-storage

รูปที่ 2 แสดงชนิดของชั้นน้ำบาดาล (type of aquifers)

การสำรวจหานํ้าบาดาล มีวิธีการที่จำเป็นต้องอาศัยความรู้จากวิชาการแขนงต่าง ๆ เข้ามาประกอบกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งความรู้ด้านธรณีวิทยา อุทกวิทยา และธรณีฟิสิกส์ ในหลักการแล้ว การสำรวจหานํ้าบาดาลสามารถแยกออกได้เป็น 3 วิธี คือ (1) การสำรวจทางธรณีวิทยา (2) การสำรวจทางอุทกวิทยา และ (3) การสำรวจทางธรณีฟิสิกส์

วิธีการสำรวจทางธรณีวิทยาและวิธีการทางอุทกวิทยานั้น มีจุดมุ่งหมายที่จะให้ได้ข้อมูลทางธรณีวิทยาและอุทกวิทยาที่เกี่ยวข้องกับชั้นหินอุ้มน้ำ เพื่อให้ทราบถึงคุณลักษณะ สภาพทางธรณีวิทยา โครงสร้างทางธรณีวิทยา ตลอดจนคุณลักษณะ สภาพแวดล้อมทางอุทกวิทยา ปริมาณนํ้าไหลเข้า ปริมาณนํ้าไหลออก จากระบบนํ้าบาดาลนั้น ๆ ทำให้ทราบถึงคุณสมบัติในการให้นํ้าหรือจ่ายนํ้าของชั้นหินอุ้มนํ้า และระบบนํ้าบาดาล การสำรวจโดยวิธีการธรณีฟิสิกส์จะเป็นอีกวิธีการหนึ่งที่ช่วยให้ได้ข้อมูลที่สำคัญทางธรณีวิทยา โครงสร้างทางธรณีวิทยา คุณลักษณะของชั้นหินอุ้มน้ำ เพื่อเป็นข้อมูลประกอบและยืนยันการแปลความหมายของผลการสำรวจต่าง ๆ ทำให้การสำรวจหานํ้าบาดาลเป็นไปอย่างถูกต้อง และมีประสิทธิภาพมากขึ้น

การสำรวจทางธรณีฟิสิกส์ จะอาศัยความแตกต่างของคุณสมบัติทางกายภาพของหินและแร่ประกอบหินเป็นสำคัญ และนำข้อมูลที่ได้มาแปลความหมายถึงคุณสมบัติและสภาพทางธรณีของชั้นดินชั้นหินในบริเวณที่ทำการสำรวจ สำหรับคุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญและเป็นพื้นฐานของการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์ มีดังนี้

(1) ความหนาแน่น (density) ซึ่งจะมีผลต่อขนาดและแรงดึงดูดของโลก เป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นพื้นฐานของวิธีการสำรวจธรณีฟิสิกส์ ที่เรียกว่า วิธีสำรวจวัดค่าแรงโน้มถ่วง (gravitational method)

(2) คุณสมบัติทางแม่เหล็ก (magnetic properties) ของแร่ประกอบหิน ซึ่งจะมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงความเข้มของกระแสแม่เหล็ก ณ ตำแหน่งต่าง ๆ กัน เป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นพื้นฐานของวิธีการสำรวจธรณีฟิสิกส์ ที่เรียกว่า วิธีการสำรวจสนามแม่เหล็ก (magnetic method)

(3) ความหยุ่นและความหนาแน่น (elasticity and density) ของหิน ซึ่งจะมีผลต่อความเร็วของคลื่นไหวสะเทือน (seismic wave) ซึ่งเคลื่อนผ่านชั้นหินนั้น ๆ เป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นพื้นฐานของวิธีการสำรวจธรณีฟิสิกส์ที่เรียกว่า วิธีการสำรวจคลื่นไหวสะเทือน (seismic method)

(4) คุณสมบัติทางไฟฟ้า (electrical properties) ที่สำคัญ ได้แก่ ความต้านทานไฟฟ้าจำ เพาะ (electrical resistivity) และการนำไฟฟ้าจำเพาะ (electrical conductivity) และเป็นคุณสมบัติทางกายภาพ
ที่เป็นพื้นฐานของวิธีการสำรวจธรณีฟิสิกส์ ที่เรียกว่า วิธีสำรวจความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะ (resistivity method) และวิธีสำรวจแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic method)

การสำรวจธรณีฟิสิกส์ดังกล่าวข้างต้น เป็นเทคนิคการสำรวจที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ในกรณีที่ต้องการทราบสภาพธรณีวิทยาที่อยู่ใต้ผิวดินลงไป เพราะเป็นวิธีการที่ค่าใช้จ่ายไม่สูงมากเกินไป เมื่อเปรียบเทียบกับการเจาะบ่อสำรวจ จริง ๆ แล้ววิธีการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์ส่วนใหญ่พัฒนามาจากอุตสาหกรรมน้ำมัน แต่สามารถใช้สำรวจและให้ข้อมูลที่สำคัญและเป็นประโยชน์ได้ทั้งในอุตสาหกรรมเหมืองแร่ อุตสาหกรรมนํ้าบาดาล วิศวกรรมธรณี และอื่น ๆ อย่างกว้างขวาง นอกจากนี้ การสำรวจทางธรณีฟิสิกส์ยังสามารถดำเนินการสำรวจได้ทั้งบนอากาศ
(air-borne survey) บนผิวดิน (ground survey) หรือในหลุมเจาะ (subsurface survey) ที่เรียกว่า การหยั่งธรณีฟิสิกส์ในหลุมเจาะ (geophysical well-logging)

ในแง่ของนํ้าบาดาลและงานทางด้านวิศวกรรมธรณี เนื่องจากข้อมูลที่จำเป็นต้องศึกษา ส่วนใหญ่จะอยู่ในระดับไม่ลึกจากผิวดินมากนัก ดังนั้น การสำรวจธรณีฟิสิกส์ที่ใช้อย่างแพร่หลายและให้ประโยชน์อย่างเด่นชัด ก็คือ การสำรวจโดยวิธีความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะ วิธีคลื่นไหวสะเทือน ในขณะที่การสำรวจโดยวิธีกระแสแม่เหล็กโลก และวิธีแรงโน้มถ่วงโลก จะให้ข้อมูลในระดับลึกมาก ๆ ได้ดี จึงเป็นประโยชน์ในงานด้านอุตสาหกรรมเหมืองแร่ อุตสาหกรรมนํ้ามัน และอื่น ๆ

การสำรวจโดยวิธีวัดค่าความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะ เป็นวิธีการวัดค่าความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะ (Resistivity, ρ) ของวัตถุใด ๆ โดยหมายถึง ความต้านทานไฟฟ้า (Resistance, R) ของวัตถุต่อหน่วยความยาว (L) เมื่อวัตถุนั้นมีพื้นที่หน้าตัดหนึ่งตารางหน่วย (A) เมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าไหลตามความยาว ดังนั้นค่าต้านทานไฟฟ้าจำเพาะ จะเป็นส่วนกลับค่านำไฟฟ้า (conductivity) นั้นคือ เมื่อวัตถุใด ๆ มีค่าความต้านทานไฟฟ้าสูงจะมีค่านำไฟฟ้าต่ำ (รูปที่ 3)

ค่าความต้านทานไฟฟ้าจําเพาะของหินจะแตกต่างกันมากขึ้นอยู่กับชนิดของหิน ความหนาแน่น ความพรุน ขนาดและรูปร่างของช่องว่าง ปริมาณและคุณภาพของน้ำ และอุณหภูมิโดยปกติของหินหรือแร่ประกอบหินโดยทั่ว ๆ ไป เช่น ควอตซ์ เฟลด์สปาร์ ไมก้า และอื่น ๆ จะไม่นําไฟฟ้า กล่าวคือ เป็นฉนวนแต่เนื่องจากหินมีช่องว่างซึ่งมีน้ำหรือสารละลายเกลือแร่ละลายกักเก็บอยู่ อาจเป็นในลักษณะเพียงบางส่วนหรืออิ่มตัวทั้งหมด สารละลายหรือน้ำเหล่านี้จึงเป็นตัวนํากระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่านไปมาในตัวหินได้ ดังนั้น ความต้านทานไฟฟ้าจําเพาะ ซึ่งเป็นส่วนกลับกับการนําไฟฟ้าจําเพาะจะขึ้นอยู่กับสาเหตุหรือปัจจัยที่สําคัญ 2 ประการ คือ

การนําไฟฟ้าของน้ำหรือสารละลายที่แทรกอยู่ โดยขึ้นอยู่กับปริมาณของเกลือแร่ที่ละลายอยู่ หรือขึ้นอยู่กับคุณภาพของน้ำ

ปริมาณของสารละลายที่แทรกหรือถูกกักเก็บอยู่ในช่องว่าง ซึ่งจะขึ้นอยู่กับค่าความพรุน ตลอดจนสภาวะที่หินนั้นอยู่ กล่าวคือ อยู่เหนือหรือต่ำกว่าระดับน้ำบาดาล