Территория города Тамбова расположена в Приволжско-Хоперском артезианском бассейне, который представляет собой сложную систему водоносных горизонтов и комплексов с различной степенью взаимосвязанности между собой и с поверхностными водами.
Гидрологические условия городского округа можно представить в виде трех расчетных гидрологических комплексов и двух разделяющих слабопроницаемых слоев.
Первый от поверхности земли четвертичный водоносный комплекс включает водоносные горизонты, приуроченные к песчаным четвертичным и неогеновым отложениям. Отсутствие между этими водоносными горизонтами разделяющих слабопроницаемых слоев и водоупоров определяет тесную гидравлическую связь между ними и близкий к естественному режим подземных вод. Этот расчетный комплекс гидравлически связан с реками, имеет высокую гравитационную водоотдачу и благоприятные условия восполнения запасов за счет инфильтрации атмосферных осадков. Общая мощность комплекса 20 - 90 м, средний коэффициент фильтрации водовмещающих песков составляет 4,0 м/сутки. Подземные воды - безнапорные, коэффициент фильтрации песков - 4 м/сутки.
Второй неогеновый водоносный комплекс приурочен к пескам валанжинского яруса и имеет мощность 5 - 30 м. Он является переходным между грунтовыми водами четвертичных отложений и нижележащими межпластовыми водами меловых отложений.
Третий нижнемеловой водоносный комплекс включает баткелловейский и верхнефаменский водоносные горизонты, приуроченные к пескам, имеет мощность 3 - 5 м и распространен повсеместно. Зона активной фильтрации в них приурочена к верхней части карбонатных отложений, мощность ее приблизительно около 30 м.
Между первым и вторым расчетным комплексом находится неокомаптский разделяющий слой, представленный глинами с прослоями и линзами разнозернистого песка.
Между вторым и третьим расчетным комплексом залегает верхнеюрский водоупор, представленный глинами мощностью около 15 м.
Подземные воды всех горизонтов, развитых в городском округе, относятся к пресным, как правило, гидрокарбонатным кальциевым. Для них также характерно повышенное содержание железа.
Наиболее благоприятными подземными водами для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения города Тамбова является верхнефаменский водоносный горизонт. Местное питание он получает из вышележащих водоносных комплексов, а разгружается в глубоко врезанных долинах рек. Водовмещающими породами служат долотомизированные известняки, доломиты и мергели различной степени трещиноватости и кавернозные.
Глубина залегания водовмещающих известняков колеблется от 60 - 80 м в долине реки Цны до 100 - 120 м на водоразделе.
Горизонт обладает высокими напорами, которые в естественном режиме изменяются от 75 - 80 м в прирусловой части долины и до 90 - 150 м на водоразделах.
Водообильность горизонта в целом высокая и колеблется в широких пределах по площади. Удельные дебиты скважин изменяются от 0,3 л/сек до 20 - 25 л/сек, с преобладанием 2 - 5 л/сек. Значения коэффициента фильтрации известняков изменяются от 0,05 до 50 м/сутки, коэффициент водопроводности - от 50 до 3000 м2/сутки.
В кровле верхнефаманского водоносного горизонта залегает верхнеюрский водоупор (представленный глинами), а в местах его отсутствия - неокомский водоносный горизонт. Нижним водоупором являются слаботрещиноватые или практически монолитные карбонатные породы девонского возраста.
Питание водоносного горизонта осуществляется на водораздельных пространствах за счет подземных вод питающего комплекса, где уровни подземных вод этого комплекса располагаются выше уровня фаменского водоносного горизонта. В долине реки Цны, где уровни верхнефаменского водоносного горизонта превышают уровни питающего комплекса, происходит разгрузка подземных вод горизонта путем восходящей фильтрации.