بکارگیری توموگرافی الکتریکی دوبعدی در تعیین مسیرهای جریان آب کارست

دسته ژئوفیزیک
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و ششمین گردهمایی علوم زمین
نویسنده فرهاد عبدالهی
تاريخ برگزاری ۰۲ اسفند ۱۳۸۵

 

مقدمه :

فروریزش جاده ها، بزرگراه ها، پی ساختمانها و نشت از سدها مسائلی هستند که مرتبط با عوارض کارستی می باشند. در مناطق کارستی به طور مکرر مشاهده شده است که گمانه ها و چاه های حفر شده به زون های آبدار و مورد نظر در زیر زمین برخورد نمی نمایند. چاه ها و گمانه هایی که در نقاط مناسب حفر نشده باشند و در تعیین محل آنها خطا وجود داشته باشد می توانند داده های زیرسطحی ای را ارائه کنند که حاوی خطا باشد و می توانند چنان تفسیرهای نامناسبی از وضعیت زیرزمین ارائه نمایند که منتهی به هزینه های سنگین تر جهت مطالعات بیشتر شوند. موفقیت تعیین محل های انجام شده جهت چاه های اکتشافی، چاه های بهره برداری و گمانه ها در سیستم های کارستی بطور واضح بسته به چاه هایی است که به شکاف های آبدار موجود در سیستم برخورد نموده باشند. هنگامی که شکاف ها و سیستم های جریان آب توسط لایه های رویین و یا رسوبات ناشی از هوازدگی سازند ها پوشیده شوند یافتن آنها بسیار دشوار بوده و روش یک بعدی در ژئوفیزیک راه حل مستقیمی برای یافتن آنها ارائه نمی نماید. در بسیاری موارد روش های قدیمی و مرسوم قادر به یافتن شکاف هایی با ضخامت چندین سانتی متر که در اعماق قرار گرفته اند نیستند در حالی که این شکستگی ها از نظر هیدروژئولوژیکی و انتقال آب می توانند بسیار مهم باشند. از طرف دیگر می توان روش دوبعدی ژئوالکتریک را برای افزایش شانس برخورد به شکستگی ها در طی حفاری بکار برد. سیستم های کارستی به واسطه ناهمگنی شدید دارای پیچیدگی های خاص بوده و شناخت ساختار آنها بدون استفاده از روش های ژئوالکتریک بسیار دشوار می باشد. در شرایطی که الگوی غالب سیستم کارستی از نوع مجرایی (Conduit) باشد شناسایی مسیرهای جریان آب بسیار دشوار      می باشد. روش های دوبعدی توموگرافی الکتریکی نشان داده اند که به صورت قدرتمندی قابلیت تعیین مسیرهای جریان آب را دارند [۳,۴,۵,۶,۷] .

مطالعات توموگرافی الکتریکی (ERT) تغییرات گسترده ای را طی ۱۵ سال اخیر متحمل شده است. توسعه کامپیوترها، استفاده از کابل های چندالکترودی، توسعه نرم افزارهای شبیه سازی مقاومت الکتریکی (Resistivity) زمین (Loke & Barker, ۱۹۹۵) [۸]و پیشرفت های الکترونیکی تحولی را در استفاده از روش های توموگرافی الکتریکی ایجاد نموده اند.

تاقدیس چناره در ۳۰ کیلومتری شمال غرب شهرستان اندیمشک بین طول های های جغرافیایی           ´ ۵˚۴۸ تا´ ۱۹˚۴۸ شرقی و عرض جغرافیایی´۴۷˚۳۲ تا ´۵۰˚۳۲ شمالی قرار گرفته است. رخنمون اصلی آن را سازندهای آسماری، پابده، گورپی و گروه بنگستان تشکیل می دهند. این تاقدیس دارای روند شمال غرب – جنوب شرق بوده و به سمت جنوب شرق پلانژ دارد. سازند آسماری یال جنوبی و شمالی و دماغه جنوب شرق تاقدیس چناره را تشکیل می دهد. حضور گسل های متعدد در دماغه و یال های شمالی و جنوبی و همچنین حضور دره بزرگی که با امتداد شمالی – جنوبی از یال جنوبی تا یال شمالی امتداد دارد و دماغه تاقدیس را مجزا ساخته است دال بر فعالیت های تکتونیکی شدید در این ناحیه می باشد. علاوه بر آن حضور یک زون گسلی در یال شمالی با عث بوجود آمدن شیب بسیار زیاد و نزدیک به قائم در لایه های این یال شده است. حضور سازند گچساران در دماغه جنوب شرق تاقدیس باعث بوجود آمدن آبفروچاله هائی در اطراف این دماغه گردیده است. در شکل های ۱و۲ نقشه منطقه مورد مطالعه و عکس هوائی قسمتی از دماغه جنوب شرق تاقدیس چناره دیده می شوند.

هدف اصلی از این مطالعه یافتن زون های غنی از آب و نیز شناخت سیستم کارستی در یال شمالی تاقدیس چناره به منظور حفر چاه اکتشافی آهکی می باشد. از آنجا که حفر چاه های اکتشافی آهکی بسیار هزینه بر است لذا بایستی ریسک عدم برخورد به سیستم کارست و شبکه اصلی جریان در کارست را کاهش داد. در این مطالعه ابتدا بررسی های هیدروژئولوژی کارست و بررسی های زمین شناسی و ساختاری انجام شد [۱]. حدس های اولیه پیرامون محتمل ترین محل های حضور شبکه اصلی جریان در یال شمالی تاقدیس چناره به عمل آمد و به منظور تعیین بهترین نقطه جهت حفر چاه اکتشافی مطالعات توموگرافی الکتریکی دو بعدی به عمل آمد [۲].

 

 

 

◊◊◊◊

 

بحث :

کاربرد توموگرافی الکتریکی

در این مطالعه از روش دو بعدی دایپل- دایپل جهت توموگرافی الکتریی یال شمالی تاقدیس چناره استفاده شد. به این منظور دو پروفیل هر کدام به طول ۵۸۰ متر طراحی شد و داده برداری در فواصل الکترودی ۱۰ متری انجام شد. تعداد الکترودها در طول هر کدام از این پروفیل ها ۵۹ عدد می باشد. داده برداری و آرایش الکترودها به صورتی انتخاب شد که تا عمق حدود ۱۴۰ متری را مورد اکتشاف قرار دهد. بعد از برداشت داده ها و با استفاده از ارتفاع مطلق الکترود اول تمام دیگر الکترودها ترازیابی شده و مدل ارتفاعی محل الکترودها در مدل ژئوالکتریک نهایی هر کدام از پروفیل ها اعمال گردید. دستگاه اندازه گیری مقاومت الکتریکی ظاهری زمین GTR-۲ & GTE۶/۱ ساخت شرکت Geotrade از کشور سوئیس در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفت.

معمولا داده های مقاومت ویژه ظاهری حاوی نوفه می باشند. از جمله این نوفه ها خطوط جریان الکتریکی، جریان های جابجایی (Displacement Current) حاصل از حرکت آب در داخل زمین، پتانسیل خودزا در اطراف الکترودهای پتانسیل، کوبیده نشدن خوب (COUPLING) الکترودهای جریان و پتانسیل و ... را می توان اشاره نمود. در طی پردازش داده ها قبل از تفسیر داده ها بایستی اثر نوفه تا حدودی از داده های مقاومت ویژه ظاهری برداشته شود (حذف شود). معمولا از فیلترهای دیجیتال و یا از عملگر های هموار سازی (Smoothing) برای کاهش سطح نوفه و افزایش سطح سیگنال به نوفه استفاده می شود. در این مطالعه از روش دوم استفاده گردید. بدین شکل که برای هموار سازی، از تاثیر داده های اطراف نقطه مورد نظر با وزن های متفاوت استفاده شد و از روش وزن دادن به روش معکوس (Inverse distance weighting) برای داده های واقع در محدوده شعاع ۱۵ متری نقطه مورد نظر استفاده شد.

توسط نرم افزار RES۲DINV داده های مقاومت ظاهری مورد پردازش قرار گرفته و مدل مقاومت واقعی زیر زمین تهیه گردید. این نرم افزار توسط Loke & Barker (۱۹۹۵) [۸] تهیه شده است. نتایج مدل سازی ساختار مقاومت الکتریکی واقعی در زیر زمین در محل پروفیل های یک و دو در شکل های ۳ و ۴ ارائه شده است.

 

 

پروفیل یک:

بررسی گسترش عمقی زون خرد شده در محل دره بزرگ و زون های خرد شده اطراف آن، حضور یا عدم حضور مسیرهای جریان آب زیرزمینی در محدوده پروفیل، شناسایی و تعیین مناطق گسلی و شکسته شده از مهمترین اهداف برداشت این پروفیل بود. مدل دو بعدی مقاومت الکتریکی پردازش شده این پروفیل در شکل ۳ دیده می شود. با توجه به اهداف یاد شده در این پروفیل پس از تفسیر و برآورد مقادیر مقاومت واقعی و انجام توموگرافی الکتریکی و تعیین ساختارهای الکتریکی زیر زمین این موارد قابل بحث و بررسی می باشند. محدوده مقاومت واقعی در این پروفیل کمتر از ۳۰ اهم متر تا حدود ۲۸۰۰ اهم متر می باشد. همچنین ساختارهای اساسی که در این پروفیل دیده می شوند به این شرح می باشند. در پایین ترین قسمت شرقی پروفیل مقدار مقاومت واقعی کمتر از ۳۰ اهم متر می باشد. با توجه به کاهش تدریجی مقدار مقاومت واقعی می توان چنین نتیجه گیری نمود که از ارتفاع مطلق ۴۰۰ متری به پایین لایه های سازند آسماری دارای محتوی آب بیشتری می شوند. احتمال آبدار بودن و برخورد به سطح آب کارست در ارتفاع مطلق ۴۴۰ تا ۴۲۰ متر ( اعماق ۱۰۰ تا ۱۲۰ متری ) بسیار زیاد است.  گسترش طولی این زون کم مقاومت می تواند نشان دهنده جریان آب در این محدوده و پتانسیل مناسب آبدهی در این منطقه باشد. در بالاتر از این زون مقادیر مقاومت واقعی تفسیر شده دارای تغییرات واضحی در زون های مختلف می باشد. در زیر دره بزرگ توده ای از آهک خشک و متراکم با مقاومت واقعی بیشتر از ۱۰۰۰ اهم متر به بالا وجود دارد که توسط گسل از بخش کم مقاومت شرقی آن جدا می گردد. گسل با شیب زیاد تا زون آبدار ادامه دارد. به نظر می رسد گسل یکی از مسیرهای انتقال روان آب ها به سیستم کارست عمیق می باشد. لایه­هایی از آهک که بالاتر از زون آبدار قرار دارند دارای ناهـمگنی زیادی بـوده و در اثـر حـضور درزه های بزرگ ( Master Joint ) شکستگی های زیادی در آنها به وجود آمده است. همچنان که از موارد ذکر شده  برمی آید سطح آب در زون آبدار آهک وجود داشته و ثبت شده است. گسل بزرگی که در محل دره بزرگ وجود دارد به خوبی ثبت شده و تداوم آن در درون آهک نیز به خوبی قابل شناسایی است.

 

پروفیل دو:

این پروفیل در امتداد پروفیل یک واقع شده است به طوری که الکترود شماره ۲۰ پروفیل دو بر روی الکترود شماره صفر پروفیل یک واقع شده است. با توجه به نیاز به ثبت (Detect) زون های عمقی آبدار آهکی در اعماق و نیز گسترش طولی زیاد مورد نیاز در امتداد پروفیل یک اقدام به برداشت پروفیل دو شد. مدل دو بعدی مقاومت الکتریکی پردازش شده این پروفیل در شکل ۴ دیده می شود. از آنجا که پروفیل شماره یک در قسمت های عمیق آثاری از حضور آب را نشان می دهد، جهت قطعیت بخشیدن به این مسئله و کسب اطمینان خاطر تصمیم گرفته شد پروفیل دو در امتداد پروفیل یک و به صورتی که بیشترین هم پوشانی عمقی را دارا باشد برداشت گردد. چون این پروفیل در امتداد پروفیل شماره یک می باشد، اهداف این پروفیل نیز اهداف مورد مطالعه در پروفیل شماره یک می باشد. علاوه بر آن این پروفیل ابهامات موجود در خصوص حضور یا عدم حضور گسترش عمقی و طول زون آبدار را در امتداد پروفیل شماره یک بررسی می نماید. در این پروفیل همچنان که مشاهده می گردد ادامه لایه کم مقاومت و عمیق آهکی را که نشان دهنده حضورآب در این سازند می باشد می توان ردیابی نمود. در این پروفیل علاوه بر زون یاد شده زون های پر مقاومتی در سطح زمین و در اعماق زیاد دیده می شود.

 

 

 

درزه های متعدد و فراوانی( که بعضی از آنها روی پروفیل مشخص شده است) در بخش های سطحی پروفیل ردیابی شده اند و تا اعماق ۲۰ تا ۳۰ متری امتداد دارند. در قسمت مرکزی این پروفیل یک زون آهکی با مقاومت حدود ۳۰۰ اهم متر دیده می شود که ضخامتی حدود ۶۰ متر را داراست.

 

◊◊◊◊

 

نتیجه گیری :

توموگرافی الکتریکی سطحی (Surface Electrical Tomography) در آهک های آسماری طاقدیس چناره در این دو پروفیل نشان از ساختارهای ژئوالکتریکی متفاوت در مقیاس بزرگ دارد. همچنانکه انتظار می رفت ناهمگنی موجود در ساختار الکتریکی زیرزمین در این مناطق شدید است. این پدیده ناشی از ناهمگنی شدید عملکرد فرآیند های کارستی در لایه های سازند آسماری می باشد. سیستمهای درزه و  شکستگی و تقابل آنها با فرآیند های کارستی منطقه به علاوه حضور زون های خرد شده در این ناحیه وضعیت هیدروژئولوژیکی و ساختاری پیچیده ای را بوجود آورده است. در تمام طول این دو پروفیل سازند آسماری واحد اصلی چینه شناسی موجود است. حضور آب و جریان آن در زونهای خرد شده و تراوا در این سازند و نیز تاثیر گسل ها بر این سازند باعث شده است که مقادیر مقاومت واقعی در این سازند تغییرات گسترده ای داشته باشد. از آنجا که دو پروفیل یک و دو در یک امتداد بوده و تا حدودی با هم همپوشانی داشته اند تنها یک نقطه جهت حفر چاه اکتشافی در این دو پروفیل پیشنهاد گردید. فواصل الکترودی ۲۵ الی ۲۸ پروفیل شماره یک که برابر فواصل الکترودی ۴۵ الی ۴۸ پروفیل دو می باشند در نقطه ای به مختصات (X=۲۴۷۴۲۷ E ,Y=۳۶۳۲۶۱۲ N) (نقطه یک در شکل یک) جهت حفر چاه اکتشافی پیشنهاد گردید. عمق برخورد به سیستم جریان کارستی در نقطه پیشنهادی فوق الذکر ۹۰ متری بود. عمق نهایی چاه اکتشافی حفاری شده در این نقطه ۲۷۰ متر می باشد (شکل ۵). چاه مذکور در مردادماه ۱۳۸۵ با دبی ۴۵ لیتر در ثانیه به مدت ۷۲ ساعت پمپاژ گردید (شکل ۶). نتایج پمپاژ نشان می دهد که چاه اکتشافی مذکور به سیستم اصلی جریان در کارست برخورد نموده است. پس از حفر و پمپاژ چاه اکتشافی یاد شده دو حلقه چاه بهره برداری با هدف تامین آب شرب روستاهای منطقه بدون انجام مطالعات ژئوالکتریک و صرفا با تاکید بر شواهد سطحی زمین شناسی در امتداد یال شمالی تاقدیس چناره و در فواصل ۳۰۰ متری شرق و ۲۷۰ متری غرب چاه اکتشافی فوق الذکر حفاری شدند (نقاط ۲ و ۳ در شکل یک). با وجود حفاری تا اعماق پایین تر از ۱۸۰ متر در چاههای یاد شده هیچکدام از این چاهها به زون کارستی و جریان اصلی سیستم کارست برخورد ننموده است. لذا استفاده از شواهد سطحی زمین شناسی و ساختاری به تنهایی و بدون انجام مطالعات ژئوفیزیک قادر به شناخت سیستم جریان آب کارست در این منطقه نگردید. با توجه به اینکه فرض اولیه روش های یک بعدی ژئوالکتریک حضور محیط همگن و لایه بندی افقی یا تقریبا افقی است لذا روش های یک بعدی نیز قابلیت شناسایی ناهمگنی های شدید محیط کارستی و سیستم جریان در مناطق کارستی را ندارند و استفاده از نتایج روش های یک بعدی در تصمیم گیری ها با عث بروز خطای قابل توجهی خواهد شد. همچنان که در این مطالعه نشان داد روش توموگرافی الکتریکی دوبعدی توانست:               الف - زون آبدار سیستم کارستی و مسیر جریان را با قطعیت بسیار بالا تعیین کند. ب- گسترش عمقی گسل ها را تعیین نماید. ج- نشان داد که مسیر جریان آب در کارست در زیر دره بزرگ نبوده و در زیر دره بزرگ یک زون نفوذ ناپذیر قرار گرفته است. لذا با توجه به توانایی توموگرافی الکتریکی دو بعدی در شناخت ناهمگنی های افقی و عمودی در سیستم کارست و قدرت آن در تعیین و تشخیص زون های آبدار کارست و گسترش عمقی گسل ها پیشنهاد می گردد جهت شناخت منابع آب کارست از روش های دو بعدی توموگرافی الکتریکی استفاده گردد.

 

◊◊◊◊

 

منابع فارسی :

 

۱.       شرکت تحلیل گران نوین زمین.، ۱۳۸۴، پروژه مطالعات شناخت منابع آهک در محدوده مطالعاتی شمال اندیمشک، سازمان آب و برق خوزستان.

۲.       شرکت تحلیل گران نوین زمین.، ۱۳۸۴، پروژه مطالعات ژئوالکتریک سازند سخت در محدوده مطالعاتی تاقدیس چناره شمال اندیمشک، سازمان آب و برق خوزستان.

۳.      

 

 

◊◊◊◊

 

References:

۳.       Dunscomb, M. H. and Rehwoldt, E. (۱۹۹۹), “Two-Dimensional Profiling; Geophysical Weapon of Choice in Karst Terrain for Engineering Applications,” Hydrogeology and Engineering Geology of  Sinkholes and Karst – ۱۹۹۹, Proceedings of the Seventh Multidisciplinary Conference on Sinkholes and   the Engineering and Environmental Impacts of Karst, Hershey, Pennsylvania, April ۱۰-۱۴, pp. ۲۱۹- ۲۲۴.

۴.       Kaufmann, O. and Quinif, Y. (۲۰۰۱), “An Application of Cone Penetration Tests and Combined Array ۲D Electrical Resistivity Tomography to Delineate Cover-Collapse Sinkhole Prone Areas,” Geotechnical and Environmental Applications of Karst Geology and Hydrology, Proceedings of the Eigth Multidisciplinary Conference on Sinkholes and the Engineering and Environmental Impacts of Karst,Louisville, Kentucky, April ۱-۴, pp. ۳۵۹-۳۶۴.

۵.       Roth, M. J. S., Mackey, J. R., Mackey, C., and Nyquist, J. E. (۱۹۹۹), “A Case Study of the Reliability of Multi-Electrode Earth Resistivity Testing for Geotechnical Investigations in Karst Terrains,”Hydrogeology and Engineering Geology of Sinkholes and Karst – ۱۹۹۹, Proceedings of the Seventh Multidisciplinary Conference on Sinkholes and the Engineering and Environmental Impacts of Karst,Hershey, Pennsylvania, April ۱۰-۱۴, pp. ۲۴۷-۲۵۲.

۶.       Roth, M. J. S. and Nyquist, J. E. (۲۰۰۳), “Evaluation of Multi-Electrode Earth Resistivity Testing in Karst.” Geotechnical Testing Journal, ASTM, Vol. ۲۶, pp. ۱۶۷-۱۷۸.

 

۷.       Zhou, W., Beck, B. F., and Stephenson, J. B. (۱۹۹۹), “Application of Electrical Resistivity Tomography and Natural-Potential Technology to Delineate Potential Sinkhole Collapse Areas in a Covered Karst Terrane,” Hydrogeology and Engineering Geology of Sinkholes and Karst – ۱۹۹۹, Proceedings of the Seventh Multidisciplinary Conference on Sinkholes and the Engineering and Environmental Impacts of Karst, Hershey, Pennsylvania, April ۱۰-۱۴, pp. ۱۸۷-۱۹۳.

 

۸.       Loke, M.H. and Barker, R.D., (۱۹۹۵). Least-squares deconvolution of apparent resistivity pseudosections. Geophysics, ۶۰, ۱۶۸۲-۱۶۹۰.

 

◊◊◊◊

 

فرهاد عبدالهی ، کارشناس ارشد ژئوفیزیک ، کارشناس ارشد شرکت تحلیل گران نوین زمین

داریوش ندری ، دانشجوی دکتری ژئوفیزیک دانشگاه کرتین استرالیا

آرش ندری ، کارشناس ارشد هیدروژئولوژی ، مدیر امور مطالعات آبهای سطحی سازمان آب و برق خوزستان

 

◊◊◊◊

چکیده:

دستیابی به آب زیرزمینی از طریق چاههای حفاری شده امکان پذیر است. مشکل عمده در منابع آب کارست این است که محل حفاری دقیقا در کجا انتخاب گردد. اگر چه منابع آب کارست دارای مقادیر فراوانی آب می باشند اما این منابع شدیدا ناهمگن می باشند. به منظور شناسایی و ثبت دقیق این ناهمگنی ها روش های توموگرافی الکتریکی دو بعدی دایپل-دایپل در یال شمالی تاقدیس آهکی چناره واقع در 30 کیلومتری شمال غرب اندیمشک بکار گرفته شد. در این یال دو پروفیل هر کدام به طول 580 متر برداشت گردید. نتایج بدست آمده از تفسیر داده های مقاومت ویژه الکتریکی نشان داد که زون آبدار سیستم کارستی، مسیر جریان، گسترش عمقی گسل ها، ناهمگنی های سطحی و جنس لایه های زیرزمین را می توان با قطعیت بسیار بالا تعیین نمود. حفاری چاه اکتشافی و پمپاژ آن در محل پروفیل های برداشت شده و برخورد آن به زون کارستی و جریان اصلی سیستم کارست که توسط توموگرافی الکتریکی تعیین شده بود صحت نتایج حاصل از توموگرافی الکتریکی را تایید نمود. دو چاه آب شرب که بدون انجام مطالعات توموگرافی الکتریکی و بعد از این مطالعه حفر شدند به زون آبدار کارست برخورد نکردند.

 

Abstract:

Access to groundwater is obtained through water wells. The problem in the karst is knowing where to drill the wells. Karst aquifers may contain large quantities of water, but they are extremely heterogen. Electrical tomography had been used to study the heterogeneity of a karstic aquifer in the northern parts of the chenareh anticline, north of Andimeshk,Iran. Field electrical data acquisition was conducted in two profiles each with 580 meters length. Interpretation of the electrical resistivity sections showed that water bearing karstic zones, groundwater flow pathways and the deep trace of faults can be detected with a high level of certainty. Drilling of an exploration well in the proposed site based on the tomography results lead to explore a well developed karstic groundwater reservoir in the northern parts of the chenareh anticline. Two other drilled well (without the tomography studies) for drinking water did not reach to a karstic zone and groundwater.

کلید واژه ها: کارست آبزیرزمینی توموگرافی‌ اندیمشک تاقدیس تاقدیسچناره ژئوفیزیک سایر موارد