นักธรณีฟิสิกส์พบว่าแผ่นดินไหวทำให้น้ำบาดาลเป็นกรด

          เมื่อพูดถึงแผ่นดินไหว (Earthquake) คนส่วนใหญ่คงจะนึกถึงการสั่นสะเทือนของพื้นดินจนทำให้เกิดโคลนไหลหลาก (Mudflow) ดิน-หินถล่ม (Landslide) สิ่งก่อสร้างที่โยกคลอนแล้วพังทลายลงมา รวมถึงสึนามิ (Tsunami) ที่ถาโถมเข้าสู่ชายฝั่ง ความเสียหายเหล่านี้มักจะเป็นผลสืบเนื่องจากแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ที่นานๆ จะเกิดขึ้นสักครั้ง แต่สำหรับแผ่นดินไหวขนาดเล็กที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งกว่า ผลกระทบที่เกิดขึ้นอาจมีเพียงการสั่นสะเทือนค่าน้อยๆ โดยไม่มีสิ่งใดพังทลาย แต่เมื่อไม่นานมานี้ ผลการศึกษาทางอุทกแผ่นดินไหววิทยา (Hydro-seismology) ซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของธรณีฟิสิกส์ (Geophysics) พบว่าแผ่นดินไหวขนาดเล็กสามารถเปลี่ยนแปลงค่าพีเอช (pH) หรือค่ากรด-เบสของน้ำบาดาลได้ แต่ก่อนที่ผู้เขียนจะเล่ารายละเอียดของงานวิจัย ผู้เขียนจะต้องอธิบายเรื่องฟิสิกส์ของน้ำบาดาลก่อน           น้ำบนโลกหมุนเวียนเปลี่ยนสถานะไปตามวัฏจักรของน้ำ (Water cycle) โดยอยู่ในรูปของของแข็ง ของเหลว และแก๊ส แบ่งออกเป็นน้ำในบรรยากาศ (Atmospheric Water) น้ำผิวดิน (Surface Water) และน้ำใต้ดิน (Subsurface Water) เมื่อหยาดน้ำฟ้า (Precipitation) ตกลงมายังพื้นดิน น้ำส่วนหนึ่งจะไหลบ่าไปตามผิวดิน (Runoff) ขณะที่น้ำอีกส่วนหนึ่งจะไหลซึมลงสู่ใต้ดินและถูกกักเก็บเอาไว้ในช่องว่างของวัสดุธรณี (Geologic Material) จำพวกตะกอน ดิน และหินที่ระดับความลึกต่างๆ หากน้ำใต้ดินสะสมตัวอยู่ในส่วนที่อิ่มน้ำจะเรียกว่า น้ำบาดาล (Groundwater) โดยอัตราส่วนของปริมาตรช่องว่างที่ต่อเนื่องกันภายในปริมาตรทั้งหมดของวัสดุธรณีจะเรียกว่า ความพรุนต่อเนื่อง (Effective Porosity) ตามสมการ

            เมื่อ n_e คือ ความพรุนต่อเนื่อง (ไม่มีหน่วย), V_v คือปริมาตรของช่องว่างต่อเนื่อง (เมตร³) และ V_t คือ ปริมาตรทั้งหมดของวัสดุธรณี (เมตร³) จากความสัมพันธ์ดังกล่าว ปริมาตรน้ำบาดาลกักเก็บ (Groundwater Storage) จึงแปรผันตรงกับความพรุนต่อเนื่องภายในปริมาตรของชั้นน้ำ โดยสามารถคำนวณได้จากสมการ           เมื่อ V_gw คือ ปริมาตรน้ำบาดาลกักเก็บ (เมตร3) และ V_aq คือปริมาตรของชั้นน้ำ (เมตร³)


          ชั้นวัสดุธรณีที่มีน้ำบาดาลสะสมอยู่จะเรียกว่า ชั้นน้ำ (Aquifer) ส่วนชั้นวัสดุธรณีที่ไม่ยอมให้น้ำไหลผ่านหรือไหลผ่านได้น้อยมากจะเรียกว่า ชั้นทึบน้ำ (Confining Layer) โดยชั้นน้ำสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ


          1. ชั้นน้ำไม่มีแรงดัน (Unconfined Aquifer) หมายถึงชั้นน้ำที่ไม่มีชั้นทึบน้ำปิดอยู่ด้านบน น้ำในชั้นนี้จึงอยู่ภายใต้ความดันที่ใกล้เคียงกับความดันบรรยากาศ หากทำการเจาะบ่อน้ำบาดาลจะพบว่าระดับน้ำภายในบ่อไม่ถูกดันให้สูงขึ้น ส่วนกรณีที่น้ำไหลลงไปขังอยู่บนชั้นทึบน้ำขนาดเล็กที่มีลักษณะคล้ายแอ่ง ชั้นน้ำดังกล่าวจะมีน้ำสะสมอยู่น้อยเรียกว่า ชั้นน้ำปลอม (Perched Aquifer)


          2. ชั้นน้ำมีแรงดัน (Confined Aquifer) หมายถึงชั้นน้ำที่มีชั้นทึบน้ำปิดอยู่ด้านบนและด้านล่าง น้ำในชั้นนี้จึงได้รับแรงดันสูงจากน้ำหนักของชั้นทึบน้ำ ทำให้มีความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศ เมื่อทำการเจาะบ่อน้ำบาดาลจะพบว่าน้ำในชั้นนี้พุ่งสูงขึ้นมาตามท่อ
            ความสูงของน้ำบาดาลในแต่ละแห่งอาจมีค่าไม่เท่ากัน ระดับน้ำบาดาล (Groundwater Level) หรือระดับแรงดันชลศาสตร์ (Hydraulic Head) หมายถึงระดับน้ำใต้ดินซึ่งเป็นรอยต่อระหว่างน้ำบาดาลกับอากาศ หรือระดับแรงดันน้ำที่เป็นระนาบเชื่อมโยงระดับน้ำบาดาลในบ่อน้ำบาดาลที่มีแรงดันหลายๆ บ่อ ซึ่งระดับแรงดันชลศาสตร์ทั้งหมด (Total Head) ในบ่อน้ำบาดาลจะเป็นผลรวมของความสูงจากระดับทะเลปานกลางของปลายด้านล่างของท่อทึบ (Elevation Head) และระยะแรงดันน้ำที่ยกสูงขึ้นมาภายในบ่อ (Pressure Head) ซึ่งสัมพันธ์กับความหนาแน่นของน้ำและความเร่งจากแรงโน้มถ่วงสามารถเขียนเป็นสมการ
            เมื่อ h_gw    คือระดับแรงดันชลศาสตร์ (เมตร), h คือความสูงจากระดับทะเลปานกลางที่ปลายท่อทึบ (เมตร), P_w คือความดันน้ำ (นิวตัน/เมตร²), ρ_gw คือความหนาแน่นของน้ำบาดาล (กิโลกรัม/เมตร³) และ g คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (เมตร/วินาที²)


          น้ำบาดาลที่ถูกกักเก็บเอาไว้ใต้ดินจะมีอัตราการไหลเข้าและไหลออกภายในระบบเรียกว่า สมดุลน้ำบาดาล (Groundwater Balance) หากน้ำที่ไหลเข้ากับไหลออกมีปริมาณเท่ากัน น้ำในแหล่งกักเก็บจะอยู่ในสภาวะสมดุล แต่หากปริมาณน้ำที่ไหลเข้ากับไหลออกมีค่าไม่เท่ากัน ปริมาณน้ำในแหล่งกักเก็บก็จะเกิดการเปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงสมดุลของน้ำบาดาลสามารถอธิบายด้วยสมการ

            เมื่อ ∆S_gw คือการเปลี่ยนแปลงปริมาตรกักเก็บน้ำบาดาล (เมตร³), Gvr คือปริมาตรน้ำเติมแนวดิ่ง (เมตร³), Glr คือปริมาตรน้ำเติมแนวราบ (เมตร3), G_d คือปริมาตรน้ำบาดาลไหลออก (เมตร³) และ W คือปริมาตรการสูบน้ำบาดาล (เมตร³)


          การไหลของน้ำบาดาลเป็นเช่นเดียวกับน้ำผิวดิน กล่าวคือน้ำจะไหลจากจุดที่มีศักย์สูงไปยังจุดที่มีศักย์ต่ำ อัตราการไหลของน้ำผ่านหน้าตัดที่มีค่าคงที่จึงแปรผันตรงกับความต่างศักย์ของระดับน้ำทั้งสองจุดตามกฎของดาร์ซี (Darcy’s Law) และเนื่องจากน้ำไหลผ่านวัสดุธรณีที่มีความพรุนต่อเนื่อง ความเร็วในการไหลของน้ำบาดาลจึงสามารถอธิบายด้วยสมการ           เมื่อ v_gw คือความเร็วการไหลของน้ำบาดาล (เมตร/วัน), K คือสัมประสิทธิ์การซึมได้ (เมตร/วัน) และ ∆H/∆L คือความลาดชันชลศาสตร์ (ไม่มีหน่วย)


          น้ำบาดาลที่ไหลออกไปสู่พื้นที่ต่ำอาจกลายเป็นน้ำพุหรือบรรจบกับพื้นที่ชุ่มน้ำ ทะเลสาบ แม่น้ำ และทะเล โดยบริเวณรอยต่อระหว่างน้ำจืดกับน้ำเค็มที่ริมชายฝั่งทะเล (Interface) จะพบว่าหากเราพิจารณาจากความหนาแน่นของน้ำเพียงอย่างเดียว รอยต่อระหว่างน้ำจืดกับน้ำเค็มจะอยู่ที่ความลึกประมาณ 40 เท่าของความสูงของน้ำจืดเมื่อวัดจากระดับน้ำทะเลปานกลางเรียกว่า ความสัมพันธ์ของไกเบน-เฮอร์ซเบิร์ก (Ghyben-Herzberg’s Relation) โดยสามารถเขียนเป็นสมการ

             เมื่อ z คือความลึกของรอยต่อเมื่อวัดจากระดับน้ำทะเลปานกลาง (เมตร), p_f คือความหนาแน่นของน้ำจืด มีค่าเท่ากับ 1 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร, ρ_s คือความหนาแน่นของน้ำทะเล มีค่าเท่ากับ 1.025 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร และ h_f คือความสูงของน้ำจืดเมื่อวัดจากระดับน้ำทะเลปานกลาง (เมตร)


            การจะทราบว่าน้ำบาดาลอยู่ที่ใดและลึกเท่าไร เราจะต้องทำการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์ โดยการสำรวจที่ได้รับความนิยมมีอยู่ 2 วิธี คือ วิธีความต้านทานไฟฟ้า (Resistivity Survey) และวิธีคลื่นไหวสะเทือนแบบหักเห (Refraction Seismic Exploration) เมื่อพบแหล่งน้ำบาดาลเรียบร้อยแล้ว เราจะต้องทำการทดสอบชั้นน้ำ (Aquifer Testing) เพื่อประเมินว่าน้ำบาดาลมีคุณภาพและปริมาณที่เพียงพอต่อการใช้งานหรือไม่ การนำน้ำบาดาลขึ้นมาใช้จะต้องทำการก่อสร้างบ่อน้ำบาดาล (Groundwater Well) ซึ่งหมายถึงบ่อที่ขุดเจาะลงไปใต้ผิวดินจนถึงชั้นน้ำบาดาลแล้วทำการใส่ท่อที่มีรูเปิดเพื่อรักษาโครงสร้างของบ่อและให้น้ำบาดาลไหลเข้ามาในบ่อ บ่อบาดาลแบ่งออกเป็นบ่อตื้น (Shallow Well) ที่มีความลึกไม่เกิน 20 เมตร และบ่อลึก (Deep Well) ที่มีความลึกมากกว่า 20 เมตร ปริมาณการสูบน้ำบาดาลสามารถคำนวณได้จากสมการ           เมื่อ V_gwp คือปริมาตรการสูบน้ำบาดาล (เมตร³), Q_gw คืออัตราการสูบน้ำบาดาล (เมตร³/นาที) และ t คือระยะเวลาการสูบน้ำบาดาล (นาที) อย่างไรก็ตาม หากเราสูบน้ำบาดาลขึ้นมาเยอะจนเกินไปก็อาจทำให้ระดับน้ำบาดาลลดลงจนชั้นตะกอนหรือชั้นดินเกิดการทรุดตัวลงมาเรียกว่า แผ่นดินทรุด (Land Subsidence) ซึ่งการบรรเทาปัญหาสามารถทำได้โดยการบังคับใช้กฎหมายควบคุมการสูบน้ำบาดาล รวมถึงการเติมน้ำเทียม (Artificial Recharge) เพื่อชะลอการทรุดตัวของแผ่นดิน แต่การเติมน้ำเทียมไม่สามารถทำให้แผ่นดินยกตัวขึ้นมายังระดับเดิมได้และต้องระมัดระวังไม่ให้น้ำบาดาลเกิดการปนเปื้อนจากมลภาวะ (Pollution) อีกด้วย

            จบเรื่องฟิสิกส์ของน้ำบาดาลไปแล้ว เราจะกลับมาที่งานวิจัย เรื่องมีอยู่ว่าคณะวิจัยนำโดย Mark Stillings จากคณะวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมแห่ง University of Strathclyde ได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาเกี่ยวกับการเป็นกรดของน้ำบาดาล (Groundwater Acidification) ลงในวารสาร Geophysical Research Letters โดยคณะวิจัยได้ทำการศึกษาผลกระทบของแผ่นดินไหวขนาดไมโคร (Microearthquake) ที่ Grimsel Test Site ซึ่งเป็นอุโมงค์ทดลองใต้ดินที่ตั้งอยู่ใกล้กับทะเลสาบ Räterichsboden ของประเทศสวิตเซอร์แลนด์ คณะวิจัยพบว่าแผ่นดินไหวขนาดเล็กกว่า 1 สามารถเปลี่ยนแปลงสมบัติทางเคมีของน้ำบาดาลไปชั่วขณะหนึ่ง เนื่องจากการสั่นสะเทือนค่าน้อยๆ ที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งจะทำให้พันธะเคมีของแร่ภายในหินเกิดการแตกหัก ส่งผลให้ค่าพีเอชของน้ำบาดาลลดลง 1 ถึง 3 หน่วยเป็นระยะเวลาไม่เกิน 24 ชั่วโมง ก่อนจะกลับเป็นปกติ โดยค่าพีเอชที่ลดลงจะทำให้น้ำบาดาลมีค่าความเป็นกรดอยู่ระหว่างน้ำประปากับน้ำส้มสายชู           นักวิทยาศาสตร์ทราบมานานแล้วว่าแผ่นดินไหวที่มีขนาดมากกว่า 3.5 ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและเกิดจากกิจกรรมของมนุษย์ เช่น การกักเก็บน้ำในเขื่อน (Dam Reservoir) การขุดเจาะน้ำมันและแก๊สธรรมชาติด้วยการฉีดน้ำ ทราย และสารเคมีแรงดันสูง (Hydraulic Fracturing หรือ Fracking) การพัฒนาแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Energy) และการกักเก็บคาร์บอนใต้ผิวดิน (Underground Carbon Storage) สามารถทำให้สมบัติของน้ำบาดาลและสมบัติทางธรณีเคมี (Geochemistry) เปลี่ยนแปลงได้ แต่ผลการศึกษาในครั้งนี้บอกเราว่า แม้แผ่นดินไหวจะมีขนาดเล็กมาก แต่หากเกิดขึ้นบ่อยๆ ก็สามารถส่งผลกระทบต่อสมบัติทางเคมีของน้ำบาดาลไปชั่วระยะเวลาหนึ่งได้เช่นเดียวกัน


          ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์มิได้ศึกษาผลกระทบของแผ่นดินไหวที่มีต่อน้ำบาดาลเท่านั้น แต่มีการศึกษาย้อนกลับว่าน้ำบาดาลมีความสัมพันธ์ต่อแผ่นดินไหวอย่างไร เช่น การเปลี่ยนแปลงระดับน้ำบาดาลก่อนการเกิดแผ่นดินไหว และปริมาณน้ำบาดาลที่มีผลต่อแรงเสียดทานของระนาบรอยเลื่อน เป็นต้น

 

เอกสารและสิ่งอ้างอิง

• หนังสือ น้ำบาดาล โดย ทวีศักดิ์ ระมิงค์วงศ์
• หนังสือ อุทกธรณีวิทยา โดย กิจการ พรหมมา
• https://eos.org/research-spotlights/earthquakes-can-acidify-groundwater?fbclid=IwAR13XCvhpborqKIQwaWt8r4UOU0-FA5h2-z9hDDGrmAS0BfR9pb_3UTtZEI
• https://phys.org/news/2021-02-tiny-micro-earthquakes-groundwater-acidic.html?fbclid=IwAR0v-4-sFyICEsnuyI9aKrqR8kffEiHG0BSo5FNAaFGMYvBGYXD09nc_60Y
• https://www.usgs.gov/natural-hazards/earthquake-hazards/science/groundwater-effects-earthquakes?fbclid=IwAR0ttbrwpvy87l4EcDBGwGmzmeiHZP5DraUdx-126-eAzMfVZ_jyFOCsPYQ&qt-science_center_objects=0#