ارزیابی هیدروژئولوژیکی آبخوان سازند سخت مس سرچشمه

دسته آب شناسی
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و چهارمین گردهمایی علوم زمین
نویسنده نوذر سامانی (استاد بخش علوم زمین)، ندا رحیم پور(دانشجوی کارشناسی ارشد)، مهرداد پسندی( دانشجوی دکتری)
تاريخ برگزاری ۱۴ اسفند ۱۳۸۴

چکیده:

معدن مس سرچشمه یکى از بزرگترین معادن رو باز دنیا مى باشد. در این معدن با توجه به پایین رفتن عمق حفارى وهمتراز شدن محدوده استخراج  با سطح تراز آبهاى زیرزمینى ودر نتیجه ورود آب به پیت معدن در امر استخراج اختلال ایجاد شده است. براى ادامه معدنکارى و عملیات استخراج باید معدن به روش مناسبى زهکشى گردد که این امر مستلزم ارزیابى خصوصیات هیدرولیکى آبخوان است. این منطقه از سازندهاى سخت نظیرآندزیت، هورنبلند وگرانودیوریت تشکیل شده است.

 درز و شکافها در سازندهاى سخت به شدت بر جریان سیال در این مناطق اثر مى گذارند. معادلات رایج جریان که براى آبخوان هاى همگن ارائه گردیده اند براى توصیف جریان در سنگهاى درز و شکافدار مناسب نمى باشند. مکانیسم جریان سیال در سنگهاى درز وشکافدار بسیار پیچیده است در نتیجه مدلهاى مربوطه نیزازتعداد زیادى پارامترتشکیل شده اند که با توجه به پیچیدگى وحجم زیاد محاسبات، این مدلها براى تجزیه و تحلیل آزمون پمپاژ از جذابیت کمترى برخوردار مى باشند.

از آنجاییکه رفتار آبخوان مورد پمپاژبه وسیله ناهمگنى و همچنین توسط شرایط مرزى داخلى و خارجى کنترل مى شود بدین جهت پیش بینى صحیح پارامترهاى آبخوان نیاز به تعیین نقش عوامل مذکوردررژیم جریان آبخوان دارد. آنالیز مشتق تشخیص بخشهاى مختلف رفتار آبخوان در طى آزمون و جداسازى قسمتى که جریان شعاعى حکمفرماست را امکان پذیر مى سازد.

روش هاى معمول آنالیز نمودارهاى افت-زمان به همراه منحنى هاى مشتق افت- زمان و سپس تلفیق با زمین شناسى منطقه طبیعت ناهمگنى واثرآن بر عکس العمل آبخوان درمقابل پمپاژ را آشکار مى سازد.

با استفاده از آنالیز نتایج آزمایش پمپاژ و بکارگیرى روش مشتق گیرى ومدل (Kazemi et al, ۱۹۶۹) مشخص گردید که منطقه مورد نظر از مدل تخلخل دو گانه پیروى مى کند وآبخوان آب زیرزمینى این منطقه با استفاده از این روش ها ارزیابى وپارامترهاى آن تعیین شده است.

Abstract

The Sarcheshmeh copper deposit is an open cast mine. At present the excavation level has reached the water table. So groundwater enters the mine pit and causes some problems. Even in some places of mine increase in groundwater head prevents drilling operation. To continue mining, the water table in the mine should be lowered. For this

hydraulic properties of fractured aquifer should be estimated. The aquifer composed of hard fractured rocks such as peripheral Andesitic volcanics, Hornblend porphyry, Sarcheshmeh porphyry (Granodiorite stock). Fractures in a rock formation strongly influence the fluid flow in the formation, Conventional well-flow equations, developed primarily for homogeneous aquifers, and do not adequately describe the flow in fractured rocks. Because the mechanism of the fluid flow in fractured rocks is complex, the models are complex too, comprising, as they do, several parameters or a combination of parameters. Consequently, few of the associated well functions have been tabulated, so, for these models, one first has to calculate a set of function values. This makes such models less attractive for our purpose. Accurate prediction of aquifer parameters requires an evaluation of heterogeneities prevailing in the flow regime of aquifer. Derivative analysis allows us to identify test segments for which the assumption of radial flow (Theisian flow) is valid. Conventional time-drawdown analyses and derivative curves are then integrated with geology to identify the nature of heterogeneities and assess their impact on long-term aquifer response to pumping. analyzing aquifer test data by Derivative and (Kazemi et. al,۱۹۶۹) methods indicate that the flow in the aquifer follows double porosity behavior.

مقدمه:

 رژیم جریان درآبخوانهای درز وشکافدارکه معمولاً ناهمگن و ناهمسان هستند بسیار پیچیده است. از این نظر برای مطالعه جریان در این سازندها به شبیه سازی متوسل می شوند. همانند آبخوانهای آبرفتی در شبیه سازی این آبخوانها هم روش تحلیلی و هم روش عددی بکار گرفته شده است. در روش تحلیلی سیستم پیچیده تا حد ممکن ساده و معادلات دیفرانسیلی جریان حل می گردند. دو مدل تحلیلی تدوین شده برای آبخوانهای درزو شکافدار عبارتند از:

1-                    مدل تخلخل یگانه(Single Fractured Model)

2-                    مدل تخلخل دوگانه(Double Porosity Model)

 در مدل اول فرض می شود سازند سخت توسط درزه ها به بلوکهای سنگی متعددی تقسیم شده و آب از طریق درزو شکافها جریان می یابد و بلوکهای سنگی فاقد هر گونه تخلخل هستند. در مدل تخلخل دو گانه سازند سخت علاوه بر داشتن تخلخل ناشی از درز و شکافها بلوکهای سنگی نیز دارای تخلخل بوده و به آن تخلخل زمینه می گویند. در مدل تخلخل دو گانه فرض می شود تخلخل زمینه عمدتاً نقش ذخیره سازی آب را داشته و از تراوایی کمی برخوردار است و تخلخل ناشی ازشکافها و شکستگیها از تراوایی بالایی برخوردار و فاقد ذخیره است. از میان مدلهای تخلخل دو گانه یکی مدل(Warren and Root, 1963) می باشد که در آن جریان از تخلخل زمینه به تخلخل درز و شکاف شبه پایدار (Pseudo-Steady State) و دیگری مدل (Kazemi et al. 1969) است که جریان از بلوک به درزو شکافها حالت گذرا (Transient) را دارد Kruseman (1991).

  معدن مس سرچشمه واقع در km160 جنوب غرب کرمان ، دارای طول جغرافیایی´55 و º53 شرقی و عرض جغرافیایی ´58 و º29 شمالی می باشد. ارتفاع متوسط این منطقه از سطح دریا 2620 متر و ارتفاع بلندترین نقطه آن 3100 متر می باشد. کانسار مس سرچشمه در قسمت مرکزی سلسله کوههای زاگرس قرار گرفته و متشکل از سنگهای چین خورده سنگهای رسوبی سنگهای گسله و مواد آتشفشانی اوایل دوران سوم  می باشد.

از نظر ترکیبات تشکیل دهنده به سه منطقه تقسیم می شود:

1- منطقه اکسید ( Oxide Zone)

این منطقه تا عمق 26 متری از سطح زمین قرارگرفته و دارای کربنات مس(مالاکیت و آزوریت)سولفات ها؛ سیلیکاتها و اکسیدهای مس می باشد.

2-منطقه سوپرژن (Supergen Zone )

پس از ناحیه اکسید قرار دارد و تا عمق تقریباٌ80 متری بعد از منطقه اکسید ادامه دارد ترکیبات در این زون شامل سولفورهای مس از نوع کالکوسیت و کوئولیت می باشد.

3- منطقه هایپوژن (Hypogen Zone)

این ناحیه بعد اززون سوپرژن بوده و کانی های آن متشکل از کالکوپیریت مولیبدنیت و برونیت می باشد.

کانسار مس سرچشمه در یک توده پورفیری گرانودیوریتی به نام سرچشمه پورفیری متمرکز است. این توده نفوذی به یک مجموعه دیوریت کوارتز دار مهمتر که بیرون زدگی های مهمی در اطراف کانسار دارد وابسته است. این فازهای نفوذی به وسیله دایکهایی همزمان یا بعد از مراحل کانی سازی قطع شده اند که دارای امتدادیافتگی غالب N25W می باشند.

مشکلات ناشی از حضور آب در حین عملیات معدنکاری در معدن مس سرچشمه، اجرای یک طرح زهکشی را اجتناب ناپذیر ساخته است. در بررسی هر طرح زهکشی، تعیین ویژگیهای هیدرولوژیک و هیدروژئولوژیک منطقه از مهمترین مراحل مطالعات می باشد.

در این مقاله با استفاده از ترسیم منحنی مشتق افت-زمان در سیستم لگاریتمی رفتار آبخوان مس سرچشمه در مقابل پمپاژ و رژیم های جریان حاکم بر آن شناسایی گردید و سپس با مدل تخلخل دو گانه کاظمی و همکاران پارامترهای هیدرولیکی آبخوان محاسبه گردیدند. لازم به ذکر است که پتانسیل منحنی مشتق افت-زمان در شناسایی رژیم های جریان در آبخوانهای مختلف توسط  Spane,1993و Samani and Pasandi,2000 ارزیابی گردیده است.

 

 

 

بحث و روش کار:

 تجزیه و تحلیل نمودارهای تمام لگاریتمی افت- زمان با توجه به اینکه شناسایی رژیم های مختلف جریان و زمان ایجاد جریان شعاعی بر روی این نمودارها مشکل می باشد، استفاده از این نمودارها و مدلهای مربوطه که از منحنیهای متعددی تشکیل شده اند را غیر جذاب می کند. نمودار نیمه لگاریتمی و استفاده از روش  حل کوپر-ژاکوب در این حالت مناسب تر است. اما باز تشخیص قسمت های مختلف نمودار نیم لگاریتمی افت-زمان و جداسازی قسمت متاثر ازجریان شعاعی به طرف چاه به راحتی امکان پذیر نیست. مشتق افت به صورت مشتق عددی مرتبه اول افت نسبت به لگاریتم طبیعی زمان ln(t) انجام می گردد و سپس مشتق در یک فاصله مشخص بین نقاط قبل و بعد میانگین گیری می شود (McConnel, 1992)  :

 

          (1) 

 

 

ti ، ti+j و ti-k به ترتیب زمانهای مرکز شیب، زمانهای  از 1/0تا 5/0 سیکل لگاریتمی قبل و بعد از ti و si ، , si+j si-k  به ترتیب افت در زمانهای ti ، ti+j و ti-k  می باشند. منحنی حاصله از پتانسیل خوبی برای تفکیک رژیم های مختلف جریان بر خوردار است .(Samani &Pasandi, 2001)

 در این مقاله آزمون آبخوان آب زیر زمینی در سازند سخت معدن مس سرچشمه با استفاده از روش مشتق داده های افت نسبت به لگاریتم طبیعی زمان و سپس به کمک روش (Kazemi et al.1969) ارزیابی گردیده است.

در معدن مس سرچشمه بر اساس استانداردهای موجود آزمایش پمپاژ در مکانهایی از معدن که بیشترین مشکل را در رابطه با آبهای زیرزمینی و در ضمن کمترین مشکل را از لحاظ عملیاتی داشته اند انجام گردیده است.

در هر مکان یک آزمایش کوتاه مدت به مدت 4 ساعت و یک آزمایش بلند مدت بین96 تا99 ساعت انجام شده و نتایـج آنــها مـورد بررسی و تجـزیه و تحـلیـل قـرار گـرفته اســت. با ترســیم نـمودارهـای نیــمه لــگاریتـــمی (Cooper & Jacob,1946) و نمودارهای تمام لگاریتمی مشتق افت-زمان داده های آزمایش پمپاژچاههای موجود مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند ) شکلهای 1تا (3 . بررسی این منحنی ها رفتار تخلخل دو گانه آبخوان مس سرچشمه را معرض نمود.

 

ایستگاه شماره 1:

در این ایستگاه یک چاه پمپاژ در مرکز بوده و 4 چاه مشاهده ای در دو جهت عمود بر هم در دو سمت آن قرار گرفته اند. در این ایستگاه آزمایش کوتاه مدت به مدت 4 ساعت و آزمایش بلند مدت به مدت 96 ساعت انجام شده است، دبی پمپاژ در این چاه با قطر 260میلی متروعمق 5/77متر، برابر با 544/752متر مکعب بر روز بوده است. در این تحقیق نتایج مربوط به دو چاه مشاهده ای P1ob1 وP1ob2 موجود در این ایستگاه آمده است.

با توجه به نمودارشماره (1) مربوط به چاه مشاهده ای P1ob1 که در فاصله 75 متری چاه پمپاژ قرار گرفته، جریان شعاعی مربوط به جریان آب در درزو شکافها از زمان 30 تا 100 دقیقه، جریان انتقالی زمینه به درزو شکافها از 100 تا 600 دقیقه و جریان شعاعی ناشی از زمینه از زمان 600 تا 1500 دقیقه برقرار است. و بعد ازاین زمان  وجود دایک بعنوان مرز خارجی بر میزان R2( جریان شعاعی ناشی از زمینه) تاثیر گذاشته تا جاییکه در بعضی از چاهها آنرا کاملاً پوشانده است.

در حالیکه در چاه مشاهده ای P1ob2 که در فاصله نزدیکتری نسبت به چاه پمپاژ(r=25m) قرارگرفته، جریان شعاعی مربوط به جریان آب در درز و شکافها از زمان35 تا 120 دقیقه، جریان انتقالی زمینه به درز و شکافها از 120 تا 380 دقیقه و جریان شعاعی ناشی از زمینه 380 تا 3500 دقیقه برقرار است (شکل 2). درمنحنی این چاه wellbore Inefficiency   نیز مشاهده می شود که به دلیل نزدیک تر بودن این چاه به چاه پمپاژ قابل مشاهده است. Wellbore Inefficiency می تواند متاثر از اثر اسکین (skin) باشد که در این حالت نفوذ پذیری آبخوان در مجاورت چاه پمپاژ به علت خرد شدگی در طی عملیات حفاری و نفوذ گل حفاری کاهش یافته باشد. همچنین می تواند کیفیت توسعه چاه را نشان دهد (McConnell,1993). با توجه به این فاصله جریان شعاعی به علت تاثیر بیشتر استرس پمپاژ در زمان طولانی تری بر قرار می گردد.

 

 

ایستگاه شماره 2:

در این ایستگاه یک چاه پمپاژ در مرکز بوده و 4 چاه مشاهده ای درسه جهت عمود بر هم در سه  طرف آن قرار گرفته اند. در این ایستگاه آزمایش کوتاه مدت به مدت 4 ساعت و آزمایش بلند مدت به مدت97 ساعت انجام شده، دبی پمپاژ در این چاه با قطر 260میلی متروعمق 96 متر، برابر با 432/1134متر مکعب بر روز بوده است. در اینجا نتایج مربوط به چاه مشاهده ای P2ob1 آمده است.

در نمودارهای لگاریتمی مشتق افت-زمان چاههای مشاهده ای اطراف چاه پمپاژP2 تاثیر مرز بخوبی مشاهده شد که این با واقعیت کاملاً منطبق است. این اثر در چاههایی که نزدیکتر به دایک هستند در زمان کمتری نمایان شده وبر جریان شعاعی حاصل از جریان داخل زمینه نیز تاثیر گذاشته است. درنمودار شماره (3) چاه مشاهده ای P2ob1 که در فاصله 20 متری از چاه پمپاژ قرار دارد، جریان شعاعی مربوط به جریان آب در درزو شکافها از زمان 3 تا 12دقیقه، جریان انتقالی زمینه به درزو شکافها از12 تا 180 دقیقه و جریان شعاعی ناشی از زمینه از 180 تا 400 دقیقه برقرار است.  از زمان 400 دقیقه به بعد اثر مرز کاملاً بارز است.

با توجه به مطالب فوق کاملاً مشخص است که رفتار آبخوان مس سرچشمه از نوع تخلخل دو گانه است، از این نظربا استفاده از مدل تحلیلی تخلخل دو گانه کاظمی و همکاران و فرمولهای مرتبط با آن که در زیر ارائه شده است قابلیت انتقال و ضریب ذخیره برای درز و شکافها و زمینه به تفکیک محاسبه گردیده اند. نتایج مربوطه در جدول شماره (1) آورده شده است.

 

(2)

 

                                                                                     

(3)                                                                                                          


           (4)                                                                                        

که در این فرمولها :

Tf: قابلیت انتقال آبخوان 

Q: دبی پمپاژ

s Δ: شیب خط مماس بر منحنی 

Sf : ضریب ذخیره درز و شکافها 

t1: زمانی که از امتداد خط مماس بر منحنی در زمانهای ابتدایی پمپاژ در نقطه s=0   بدست می آید

r: فاصله چاه مشاهده ای تا چاه پمپاژ

ضریبی که برای زمانهای اولیه پمپاژ برابر صفر و برای زمانهای طولانی برای سیستم درز و شکاف ارتوگونال برابر  و برای حالت لایه ای برابر 1 در نظر گرفته می شود.

Sm : ضریب ذخیره زمینه (بلوکها)

t2: زمانی که از امتداد خط مماس بر منحنی درزمانهای انتهایی پمپاژ در نقطه s=0   بدست می آید.

 

نتیجه گیری:

تجزیه و تحلیل داده های پمپاژ آبخوان مس سرچشمه به کمک منحنی های لگاریتمی و نیمه لگاریتمی افت-زمان و همچنین منحنی مشتق افت-زمان نشان می دهد که این آبخوان به صورت یک آبخوان تخلخل دوگانه رفتار می کند. به عبارت دیگر رژیم جریان دارای سه مرحله است. در مرحله اولیه پمپاژ جریان از نوع شعاعی و منعکس کننده حضور درز و شکافها در سازند سخت می باشد. این جریان روی منحنی نیمه لگاریتمی به صورت یک خط مستقیم و شیبدار و بر روی منحنی مشتق افت-زمان به صورت یک خط افقی تظاهر می کند. در مرحله میانی جریان میان تخلخلی (interporosity flow) برقرار می گردد، که روی منحنی نیمه لگاریتمی متمایل به افق می شود و بر روی منحنی مشتق به صورت یک فرورفتگی ظاهر می شود. در مرحله بعدی بین دو تخلخل تعادل برقرار شده و جریان شعاعی شکل می گیرد که روی منحنی نیمه لگاریتمی بصورت یک خط مستقیم شیبدار و برروی منحنی مشتق به صورت یک خط افقی نمود پیدا می کند. این مرحله در بعضی از چاه ها بعلت حضور مرز غیرقابل نفوذ(دایک ها) دارای شیب تند تر می شود. با توجه به مطالب فوق صحیح نیست برای تجزیه و تحلیل داده های پمپاژ و محاسبه پارامترهای هیدرولیکی آبخوانهای سازند سخت از روش هایی که در آبخوانهای آبرفتی مرسوم است استفاده شود.

 

 

سپاسگزاری:

از مجتمع مس سرچشمه (آقای مهندس صحرایی وآقای مهندس آتش پنجه) بخاطر در اختیار قرار دادن اطلاعات مورد نیاز این تحقیق تشکر می شود.

 

 

منابع:

1- Kruseman, G. P.(1991). Analysis and Evaluation of Pumping Test Data, 2d ed, ILRI pub. Co. Chap.17, Notherlands, p: 249-261

2- Cooper, H. H., Jr., & Jacob, C. E. 1946. A generalized graphical method for evaluating formation constants and summarizing well-field history. American Geophysical Union, Transaction27 (4):526-534.

3- Ehlig-Economides, C.1988. Use of the pressure derivative for diagnosing pressure-transient behavior. Journal of Petroleum Technology, October: 1280-1282.

4- McConnell, C.L. 1993. Double porosity well testing in the fractured carbonate rocks of the Ozarks. Ground Water, 31(1),75-83.

5-Ostrowski, L.P.& Kloska, M.B.1989. Use of pressure derivative in analysis of slug test or DST flow period data. Soc. Pet. Engrs. SPE paper 18595

6- Samani N, Pasandi,M(2001). Derivative-assisted Evaluation of a Heterogeneous Aquifer. XXI, IAH Congress Munich, Germany, 10-14th sept:395-399

7- Spane, F. A., Jr. & Wurster, S. K. 1993. DERIV: A program for calculating pressure derivatives for hydrologic test data. PNL-SA-21569, Pacific Northwest Laboratory, Richland, Washington.

 

کلید واژه ها: سایر موارد