下雨時，一些落在土地上的水下沉或滲入地下，這個過程被稱為滲透。實際上，地殼上部就像一塊巨大的海綿，可以吸收水分。水向下滲透過程中，有些隻會滲入土壤，附着在礦物顆粒和有機碎片的表面。這種水，即土壤水分，後來可能蒸發，被植物的根吸收，或者被新的土壤水分推回到地面。

其餘部分下沉到更深的沉積物或岩石中，與岩石形成時被困在岩石中的水一起，構成了地下水。地下水流動緩慢，可能在地下停留幾個月、幾萬年甚至幾百萬年，然後返回地表，再次進入水文循環。地下水主要存在于地殼上部，因為在地下大約20到30公裡的深處，變質反應吸收水分，岩石呈塑性流動，水不再保持液态。

為了了解地下水存在的位置，我們必須首先考察孔隙度和滲透率的性質。實際上隻有一小部分地下水存在于露天洞穴或地下溪流中。大多數地下水存在于沉積物或岩石中固體礦物顆粒之間的相對較小的開放空間中，或存在于各種大小的裂縫中。

在我們讨論石油如何在地下産生時，一個空間或在一定體積的沉積物或岩石中形成的裂縫被稱為孔隙，而孔隙率指的是物質中開放空間的總體積，以百分比表示。例如，如果我們說一塊岩石有30%的孔隙度，那麼這塊岩石30%的體積是由孔隙組成的。

水文地質學家區分了兩種基本孔隙度。原生孔隙在沉積物沉積或岩石形成過程中發育。它包括顆粒沒有完全接觸的空隙。次生孔隙是指岩化後形成的新孔隙空間。當地下水穿過岩石并溶解礦物時，或者由于與節理和斷層作用相關的裂縫發育而形成這種孔隙。

孤立的孔隙出現在砂岩的顆粒之間，水或空氣會充滿這些空隙

如果固體岩石完全包圍一個孔隙，孔隙中的水就不能流到另一個位置。為了使地下水流動，孔隙必須通過管道(開口)連接起來。物質允許流體通過相互連接的孔隙流動的能力就是滲透性。地下水很容易流過具有滲透性的物質，如松散的礫石。水流緩慢地通過低滲透物質，但不能通過不透水的物質流動。物質的滲透性取決于以下幾個因素：

通道數量增加，滲透性也随之增加

流體在較寬通道中的流速比在較窄通道中的流速快

流體通過直線通道的速度高于彎曲通道的速度

要注意的是，孔隙度和滲透性并不是一回事，一種孔隙相互隔離的材料可以具有高孔隙度，但低滲透性。滲透性是指岩石或沉積物中孔隙之間的聯系和水從一個孔隙移動到另一個孔隙的程度。

考慮到孔隙度和滲透性的概念，水文地質學家識别了具有高滲透性和孔隙度的含水層、沉積物或岩石，以及無論孔隙度如何，具有相對低滲透性的儲水層、沉積物或岩石。地質學家進一步區分了無壓含水層(從地表開始向下延伸)和承壓含水層。

含水層由高孔隙度、高滲透率的岩石組成。弱含水層由低滲透岩石組成。有些含水層不受壓，有些則受壓

水文地質學家認為飽和區是水完全充填孔隙空間的地下區域。通常，不飽和區從地表向下延伸一定深度，在不飽和區中，水隻部分地覆蓋孔隙，因此保留了一些被空氣覆蓋的孔隙空間。不飽和區和飽和區之間的地下邊界被稱為地下水位。地下水位形成了地下水的頂部邊界。由于表面張力以及水分子之間和表面之間的吸引力，一些地下水沿着顆粒滲出。在毛細作用下，在地下水位之上産生一個毛細邊緣的濕潤。

地下水位的深度随位置的不同而變化很大。如果地下水位位于地表，則不存在非飽和帶，地面是濕的、潮濕的。如果地面低于地下水位，低水位就會下降，變成湖泊或溪流。地下水位隐藏在地表以下的地方，地表通常是幹燥的。在潮濕地區，水通常在地表幾米或幾十米的範圍内，而在幹旱地區，水可能在地表以下數百至數千米。

在丘陵地區，地下水位的形狀傾向于以一種柔和的方式模拟上覆地形的形狀。這就意味着，在丘陵下面的地下水位比在山谷下面的要高。地下水位的高度因地面地形的不同而變化，這似乎令人吃驚。畢竟，當你把一桶水倒進池塘時，池塘的表面會立即調整到保持水平。

地下水位的高度是不同的，因為地下水在岩石和沉積物中移動太慢，不能迅速形成一個水平表面。當雨水落在山上，水滲透到地下水位時，地下水位會輕微上升。在沒有雨的一段時間裡，地下水位下降得很慢，以至于當再次下雨并導緻地下水位再次上升時，地下水位還沒有來得及下降很遠。

在一些地方，透鏡狀的不透水岩石層(如頁岩)位于厚厚的含水層中。在該地區地下水位以上的高度上，這樣一個弱透水層上方可能堆積着一堆地下水。水文地質學家将這樣一堆地下水的頂部表面稱為“上層滞水面(Perched water table)”。

在非飽和區，水隻是向下滲透，但在地下水位以下的飽和區，地下水的流動更為複雜，因為該區域的水不僅響應重力，而且響應差壓力。壓力會導緻地下水側向流動，甚至向上流動。因此，要了解地下水流動的性質，首先必須了解地下水壓力的來源。為了簡單起見，我們隻考慮未承壓含水層中的地下水。

對地下任一特定點，地下水的壓力來自于從該點到地下水位的所有上覆水的重量。(上覆岩石的重量對施加在地下水上的壓力沒有貢獻，因為礦物顆粒之間的接觸點承受着岩石的重量。)

因此，在地下水位以下深度較大的點比深度較小的點感受到的壓力更大。如果地下水位是水平的，那麼在地下水位以下某一特定深度的一個假想的水平面在任何地方都受到同樣的壓力。但如果地下水位不是水平的，施加在某一特定深度水平面上各點上的壓力會逐點變化。

地下水的高度和水内的壓力可以驅動地下水流動。水文地質學家已經确定，從剖面上看，地下水通常沿着凹凸彎曲的路徑流動。這些彎曲的路徑最終将地下水從地下水位高的地區(如山下)帶到地下水位低的地區(如山谷下)。水進入地面的位置(即水流有向下軌迹的地方)是補給區，而地下水回流到地面的位置則是釋放區。與沿淺層路徑進入地下深處的地下水相比，沿淺層路徑進入地下深處的地下水通常必須從補給區移動到釋放區，因此在地下停留的時間更長。

在陡峭的河道中，水流的速度可以達到每小時30公裡。相比之下，地下水每年移動的速度在5到500米之間。地下水的流動速度比地表水慢得多，首先，地下水必須遵循一個彎曲的微小管道網絡，比它沿直線走的距離大得多。其次，地下水和管道壁之間的摩擦減緩了水流。

某一地點地下水流動的實際速度取決于地下水位的坡度和地下水流動所通過物質的滲透性。地下水流過高滲透性岩石的速度比流過低滲透性岩石的速度快，而且在地下水位坡度陡的地區，地下水流過的速度比在地下水位坡度平緩的地區快。法國研究人員亨利·達西(Henry Darcy)提出了一個方程式，即現在為人所知的達西定律，它更全面地描述了地下水流動的控制。

如果你有機會乘飛機飛越幹旱地區，看看窗外，看看綠色作物的圓形斑點。在每個農田的中央都有一個水泵吸幹地下水，為一個在農田提供灌溉。在地表水不存在的幹旱地區或地表水受到污染的溫帶或濕潤地區，地下水可能是清潔淡水的唯一來源。我們可以從水井，或者從泉水獲得地下水。

想象一個被沙漠的幹沙包圍的綠色的棕榈樹綠洲。這些植物賴以生存的水從何而來？沙漠綠洲的水從泉水中流出，泉水是地下水自然溢出或滲漏到地表的自然出口。

泉水可以提供新鮮、清澈的水供飲用或灌溉，而無需花費鑽探或挖掘的費用，因此世界上許多村莊和城鎮都毗鄰泉水而建。雖然我們可以看到泉水溢出到幹燥的土地上，但許多泉水淹沒在溪流或湖泊下面。這些泉水提供了穩定的水源，有助于保持河流或湖泊的水流。泉水可在各種地質環境中形成。

當地下水到達不滲透的屏障時，它會上升

地下水從地下水位與斜坡相交的地方滲出

相互連接的裂縫把水引導到山丘表面

地下水從不透水床頂部的懸崖表面滲出

當受壓力的水位于弱透水層以下時，裂縫可為自流水提供通道

大峽谷壁上的泉水

在沒有泉水的地方，也可以通過挖洞來獲取地下水。如今人們通常通過鑽探來打井更容易。水文地質學家根據井中水的壓力來區分兩種井。

在普通的井中，井底位于地下水位以下，所以水隻是簡單地從地下蓄水層滲入井中，并将其推到地下水位的水平。在地下水位以上的鑽孔中無法獲得水源。一些普通的井是季節性的，這意味着它們隻在雨季，當地下水位超過井底的時候才發揮作用。在旱季，地下水位在這些井的底部以下，因此它們變得幹燥。

現代的普通井是用電泵抽水的，填充的沙子過濾了水

要從一口普通的井中提取水，你可以用桶把水提上來，也可以用泵把水抽出來。隻要地下水滲入井中的速度等于或超過你抽走水的速度，井附近的地下水位就會保持不變。但是如果你把水從井裡抽出的速度過快，井周圍的地下水位就會下降，形成一個向下的錐形表面，稱為凹錐。深井的下降可能會導緻附近鑽探的淺井幹涸。

如果地下水位高于地面，那麼這口井就是一口自流井，從這樣一口井裡流出的水會源源不斷地從地下湧出。當含水層補給區域的海拔高度高于井的位置時，即存在自流井。

斯康辛州的一口自水井

區域自流系統的構造，由于水受到壓力，水會上升到承壓含水層之上

就是公元60左右。當時，占領英國的羅馬人在現在的英國巴斯城修建了一個公共澡堂。士兵們會花幾個小時在灑滿熱水的遊泳池裡放松。為什麼要在巴斯建這樣的溫泉？羅馬人不需要建造爐子來加熱水，因為巴斯鎮周圍就有一個溫泉。

溫泉水的溫度在30℃到104℃之間，形成于兩種地質環境。由于地熱梯度，大多數地方地下幾公裡深處的溫度都在30攝氏度以上。如果地下水從這些深處以足夠快的速度上升，那麼當它上升的時候就不會失去熱量，這種情況發生在斷層或裂縫為上升的深水提供高滲透通道的地方。在火成岩活動地區也有溫泉，在這些地區，岩漿加熱岩石中的地下水。

在火成岩活動地區，溫泉形成了許多獨特的特征。例如，由溫泉滋養的天然水池可能會因為在熱水中生長的嗜熱細菌和古菌而變得色彩鮮豔。

在黃石國家公園五顔六色的細菌和古細菌

在黃石國家公園五顔六色的細菌和古細菌

冰島的溫泉被地下的岩漿加熱，吸引着來自世界各地的遊客

在熱水上升到富含火山灰和粘土的土壤的地方，就會形成一種粘性的泥漿，并使泥盆沸騰。當含有高濃度溶解礦物的熱水從溫泉中流出并冷卻後，礦物沉澱和其他化學沉積岩形成多彩的石灰土丘或階地。在一些溫泉地區，滾燙的水定期從溫泉中噴湧而出。這種噴泉被稱為間歇泉。

在土耳其的Pamukkale，礦物質階地沉澱

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