مدل‌سازی وارون دو بعدی داده های مقاومت ویژه و قطبش القایی برای اکتشاف سرب و روی منطقه بالاکوه زنجان

دسته ژئوفیزیک
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و ششمین گردهمایی علوم زمین
تاريخ برگزاری ۱۳ اسفند ۱۳۸۶

چکیده :
 

در این مقاله نتایج حاصل از پیمایش صحرایی، برداشت داده‌هاى مقاومت‌ویژه و قطبش‌القایى، تهیه شبه‌مقاطع مقاومت‌ویژه و بار پذیری، مدل‌سازی و تفسیر داده‌ها به منظور اکتشاف سرب و روی در منطقه بالاکوه از توابع شهرستان زنجان ارائه شده است. آرایش مورد استفاده در برداشت داده‌ها، دو قطبی– دو قطبی است. هدف اصلی، تعمیم صحیح داده‌های اکتسابی با انتخاب روش مناسب مدل‌سازی و آگاهی از شرایط توپوگرافی، زمین‌شناسی، سوابق معدنکاری قدیمی و دیگر عوامل موثر جهت اکتشاف سرب و روی در مناطقی که پتانسیل وجود ماده معدنی در فعالیت‌های اکتشافی گذشته در آنها ثابت شده، می‌باشد. از آنجا که مدل بدست آمده و تجزیه و تحلیل آن برای ادامه عملیات اکتشافی در منطقه و تعیین نقاط حفاری لازم است؛ لذا با انتخاب مدل بهینه سعى در کاهش ریسک مطالعات آتى اکتشافی است.

علیرضا عرب امیری1 ، علی مرادزاده2 ،فرامرز دولتی ارده جانی2 ،
1- دانشجوی دکتری مهندسی اکتشاف معدن، دانشگاه صنعتی شاهرود
2- دانشیار دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود
3- دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی اکتشاف معدن، دانشگاه صنعتی شاهرود
مقدمه :
 
مقاله حاضر در راستای تکمیل بخشی از پروژه اکتشافی نیمه‌تفصیلی سرب و روی در منطقه خلخال می‌باشد که طی طرحی مدون از طرف سازمان صنایع و معادن استان اردبیل ارائه گردیده است. بررسی‌های اولیه زمین‌شناسی به منظور یافتن مناطق دارای پتانسیل معدنی و آنالیز نمونه‌های نسبتاً زیادی از منطقه و گزارشهای مختلف مربوطه حاکی از احتمال کانی‌سازی اقتصادی سرب و روی در برخی از مناطق بود. لذا ادامه عملیات اکتشاف در قالب یک برنامه اکتشافی نیمه تفصیلی طراحی شد. این برنامه شامل تهیه نقشه‌های زمین‌شناسی با مقیاس 1:10000 از کل محدوده و مقیاس 1:1000 از منطقه کانی‌سازی شده و نقشه‌برداری و تهیه نقشه توپوگرافی و از همه مهمتر عملیات ژئوفیزیکی بود.
منطقه مورد مطالعه بخشی از زون ساختاری البرز– آذربایجان بوده و به دلیل قرار گرفتن در محل خمش رشته کوه البرز دارای شرایط زمین‌شناسی خاصی است که در بسیاری موارد با سایر بخش‌های البرز متفاوت است. با این همه همانند بسیاری از مناطق ایران مطالعات کاملی روی آن انجام نشده است. وجود سنگ‌های دگرگونی با ماهیت ناشناخته، گسترش سازند شال و سنگ‌های کربناته با سن نئوکومین (کرتاسه زیرین) در منطقه باعث توجه ویژه زمین‌شناسان به منطقه شده است. با این وجود تنها مطالعات بسیار اندک و انگشت‌شماری در این رابطه در منطقه صورت گرفته است. از آنجا که هدف در مطالعه حاضر اکتشاف سرب و روی می‌باشد، در نخستین قدم از بین گزینه‌های مختلف ژئوفیزیکی، به دلیل فلزی بودن این دو عنصر، روشهای ژئوالکتریک انتخاب شدند. سپس با توجه به افشان بودن این کانسار، روش قطبش‌القایی (IP ) مورد نظر قرار گرفت. نوع آرایش بکار رفته برای برداشت داده‌ها، دوقطبی- دوقطبی انتخاب شد. نکته دیگری که در این مطالعه قابل ذکر است توپوگرافی بسیار شدید منطقه است؛ با توجه به اینکه پروفیل‌های طراحی‌شده، در شیب‌های بسیار تندی برداشت شدند، چنانچه اثر توپوگرافی مورد توجه و دقت قرار نگیرد، باعث بروز مشکلات عدیده‌ای در مدل‌سازی و تفسیر نتایج می‌شود.
در این مقاله هدف اصلی این است که داده‌های خام برداشت ژئوفیزیکی پس از اصلاحات و ویرایش‌های لازم، با استفاده از نرم‌افزارهای مناسب مورد بررسی و پردازش قرار گرفته و سپس با استفاده از الگوی معکوس‌سازی دو بعدی، مدل‌سازی شوند. همچنین برای بدست آوردن تصویر واقعی‌تری از آنومالی‌های زیر سطحی، از شواهد زمین‌شناسی، وضعیت توپوگرافی منطقه، سوابق معدنکاری قدیمی و دیگر عوامل موثر در فرایند مدل‌سازی نیز استفاده خواهد شد.
بحث :
روش‌های ژئوالکتریک کاربرد وسیعی در مطالعات اکتشافی و فعالیت‌های مهندسی دارند. اینروش‌ها با سه خاصیت مقاومت‌ویژه الکتریکی ‌، فعالیت الکتروشیمیایی و ثابت دی‌الکتریک با سنگ‌ها ارتباط دارند [1]. اما از آنجا که میانگین رسانایی الکتریکی یک کانسار افشان که در آن تنها درصد کوچکی از ذرات کانه با هم در تماس می‌باشند، خیلی کمتر از مقدار مشابه در یک جسم توده‌ای فلزی هم‌اندازه است. در نتیجه آشکار سازی کانه‌های فلزی افشان با روش‌های الکترومغناطیس یا مقاومت‌ویژه دشوار است. اما هنگامی که آب در خلل و فرج و ترک سنگ‌ها وجود دارد، به هنگام عبور جریان مستقیم، بعضی از انواع کانه‌ها که حالت افشان دارند، واکنشی از خود نشان می‌دهند که امروزه به قطبش‌القایی معروف است. در اثر واکنش‌های الکتروشیمیایی انرژی الکتریکی انباشته می‌شود. پس از قطع جریان، این انرژی تخلیه شده و باعث شارش جریان در نقاط اطراف می‌گردد که این موضوع در سطح زمین قابل آشکار سازی است [2]. به منظور تهیه یک شبه‌مقطع مقاومت‌ویژه و بار پذیری عمل بدین صورت است که یک خط پروفیل در جهت عمود بر امتداد عمومی ساختمان‌های زمین‌شناسی در نظر می‌گیرند و عملیات اندازه‌گیری بر روی این پروفیل انجام می‌شود. یکی از مسائل مهم در تفسیر داده‌های ژئوفیزیکی، مدل‌سازی آنهاست.
از آنجا که حجم داده‌ها و اطلاعات ما نسبت به حجم اطلاعات مجهول بسیار اندک است، لذا همواره تخمین‌ها با خطا همراه است. برای غلبه بر این محدودیت روش‌های مختلف مدل‌سازی تعمیم یافته‌اند. بدینگونه که هر یک از این روش‌ها با در نظر گرفتن شرایط حاکم بر محیط، داده‌ها و سایر پارامترهای تاثیرگذار حاکم، سعی در کاهش خطای تخمین دارند. لذا برای حل یک مسئله مدل‌سازی ابتدا باید تمامی شرایط و قیود حاکم بر محیط و داده‌های خام را دانست و سپس با اشراف بر شرایط، روش مناسب و بهینه را انتخاب نمود [3]. آرمان نهایی مطالعات اکتشافی ژئوفیزیک کاربردی، رسیدن به تصویری دقیق از ویژگی‌های زیرسطحی است. اما ساختارهای واقعی اغلب خیلی پیچیده‌اند، لذا سعی می‌شود مدلی ساده‌تر که با تعداد محدودی پارامتر کنترل می‌شود، طرح گردد. رسیدن به این مدل، تفسیر داده‌های صحرایی نامیده می‌شود. روش‌های زیادی برای این منظور وجود دارد که یکی از آنها مدل‌سازی وارون است. از این میان، وارون‌سازی الکتریکی و الکترومغناطیسی گسترش بیشتری یافته است [4]. در مدل‌سازی وارون چند نکته مهم و حائز اهمیت وجود دارد که عبارتند از: دقت مدل‌سازی، گسسته یا
پیوسته بودن داده‌ها، طبیعت داده‌ها، مدنظر بودن جواب دقیق یا تقریبی، خطی بودن یا غیرخطی بودن مساله و این که آیا قید یا محدودیتی در مساله وجود دارد؟
امروزه با ابداع نرم‌‌افزارهای متعدد با الگوریتم‌های بهبودیافته رسیدن به نتایج دقیق امکانپذیر شده است. در ادامه تنها به دو مورد از مهمترین این نرم‌افزارها اشاره می‌شود.
نرم‌افزار  :RESIXIP2DIنرم‌افزاری گرافیکی و تحت سیستم عامل DOS که از طریق مدل‌سازی معکوس و پیشرو برای تفسیر داده‌های مقاومت‌ویژه و قطبش القایی به کار می‌رود [5]. الگوریتم مدل‌سازی پیشرو در این نرم‌افزار امکان مدل‌سازی یک زمین با حداکثر 10 لایه را به کاربر می‌دهد. مدل‌سازی وارون در آن نیز با استفاده از روش کمترین مربعات انجام می‌شود. که این عمل با استفاده از رگرسیون ریج اجرا می‌شود. به این صورت که پارامترهای مدل اولیه معرفی شده توسط کاربر، مکرراً تعدیل می‌شوند؛ بدینگونه که بعضی از این پارامترها به انتخاب کاربر، آزاد و بقیه ثابت تعیین می‌گردند. آنگاه در هر تکرار مقدار پارامترهای آزاد تعدیل می‌شوند؛ در صورتی‌که مقادیر پارامترهای ثابت تغییری نمی‌کنند. این عمل با تغییر پارامترهای آزاد و ثابت و تکرار مجدد سبب می‌شود مدلی با کمترین خطا و بهترین برازش حاصل شود [5]. در این نرم‌افزار امکان تعریف مدل اولیه دو بعدی چند ضلعی نیز وجود دارد. از این رو این نرم‌افزار در شناسایی مرز محیط‌های مختلف بسیار توانمند است.
نرم افزار RES2DINV: این نرم‌افزار گرافیکی و در مقابل فرامین کاربر واکنش‌‌گر است. تحت Windows است. آرایش‌های ونر، شلومبرگر، قبطی قطبی، دوقطبی- دوقطبی، قطبی- دوقطبی و استوایی را مدل می‌کند. نرم‌افزار از مدلی با واحدهای مستطیلی استفاده می‌نماید. مدل‌سازی پیشرو در آن با استفاده از روش‌های اجزا محدود و تفاضل محدود و برای تعداد بسیار بالای الکترودها (16000) و داده‌های صحرایی (21000) قابل انجام است. برداشت‌های چاه‌پیمایی و دریایی نیز با این نرم‌افزار قابل مدل‌سازی است. این نرم‌افزار بر اساس الگوریتم هموار اکام عمل می‌کند. در آن روش‌های تسریع محاسبات نظیر محاسبه تقریبی ژاکوبین و شبه‌نیوتن نیز قابل انتخاب‌ است. علاوه بر مدل نهایی، مقاطع حساسیت و عدم قطعیت نیز در آن قابل محاسبه است. در این نرم‌افزار امکان انتخاب معیار کمترین انحراف معیار به جای معیار مرسوم کمترین مربعات نیز وجود دارد. امکان اعمال تصحیحات توپوگرافی نیز در این نرم‌افزار دیده شده است [6].
ارائه یک مطالعه موردی
منطقه مورد مطالعه در حوالی شهرستان‌ زنجان و در حواشی روستای بالا کوه واقع شده است (شکل 1)؛ که بخشی از زون ساختاری البرز– آذربایجان بوده و به دلیل قرار گرفتن در محل خمش رشته کوه البرز دارای شرایط زمین‌شناسی خاصی است که از دیدگاه زمین‌‌شناسی ناحیه‌ای تنوع سنگ‌های با سن و جنس‌های مختلف در آن قابل توجه است. نکته مهم در رابطه با زمین‌شناسی این منطقه این است که علیرغم آنکه بخشی از رشته کوه البرز است و دارای سیمایی مشابه بخش‌های دیگر آن است اما دگرگون بودن سنگ‌های پالئوزوئیک بالایی، عدم گسترش قابل ملاحظه دولومیت‌های سازند الیکا، وجود سازند شال و همچنین رسوبات کربناته با سن مشخص نئوکومین (کرتاسه زیرین) آنرا از سایر بخش‌های البرز متمایز می‌نماید [7].
در محدوده مورد مطالعه واحدهای سنگی متعلق به پالئوزوئیک بالا و کرتاسه دارای گسترش هستند و سنگ‌های ترشیاری برونزدی در منطقه ندارند و رسوبات کواترنری نیز تنها بصورت پادگانه‌های آبرفتی با وسعت محدود در کنار آبراهه‌ها و نیز به صورت پوشش خاک و واریزه دیده می‌شوند. مطالعات ژئوفیزیک در منطقه مورد مطالعه در قالب چهار پروفیل ژئوفیزیکی انجام شد که در ادامه تنها نتایج مربوط به پروفیل بالا کوه 4 آمده است. داده‌های این پروفیل که با روش دوقطبی- دوقطبی برداشت شده و شامل اطلاعات مقاومت‌سنجی و قطبش‌القایی است، بوسیله دو نرم‌افزار RES2DINV و RESIXIP2DI مدل‌سازی شده است.
در مدل نرم‌افزار RES2DINV، یک توده با مقاومت پایین 4 اهم‌متر (شکل 2) و بار پذیری نسبتاً بالای 30 میلی ثانیه (شکل 3) به چشم می‌خورد. که این جسم در موقعیت 50 تا 130 متری از مبدا و در عمق 20 تا 51 متری از سطح واقع شده است. این توده را به عنوان توده یک در نظر می‌گیریم
در نرم‌افزار RESIXIP2DI نیز توده یک قابل مشاهده است. اما در مقطع مقاومت‌ویژه مدل‌سازی شده با روش زونگ (شکل 4)، توده دیگری نیز در موقعیت 150 تا 200 متری مبدا و عمق 20 تا 70 متری سطح قرار گرفته که دارای مقاومت پایین و بار پذیری بالاست. این توده را نیز به عنوان توده دو در نظر گرفته و هر دو توده را مدل‌سازی می‌کنیم (شکل 5).
پس از مدل‌سازی این دو توده، برای توده نخست مقاومت‌ویژه 4 اهم‌متر و بار پذیری 30 میلی‌ثانیه، برای توده 2 مقاومت‌ویژه 4 اهم‌متر و بار پذیری 10 میلی‌ثانیه، و برای زمینه مقاومت‌ویژه 1010 اهم‌متر و بار پذیری 69/0میلی‌ثانیه بدست آمد. قابل توجه است که مشخصات این دو توده و زمینه در هر دو مدل حاصل از نرم‌افزارهای RESIXIP2DI و RES2DINV بسیار به هم شباهت دارند
نتیجه گیری :
 
نتایج مدل‌سازی داده‌های مقاومت‌ویژه و قطبش‌القایی با نرم‌افزارهای RES2DINV و RESIXIP2DI، مقطع مقاومت‌ویژه مدل زونگ پروفیل مذکور و مدل پیلگون آن به همراه آثار معدنکاری شدادی سرب و روی و وجود آثاری از کانی‌های گالن و اسفالریت در محل برداشت پروفیل حاضر؛ وجود دو آنومالی بارز و مشخص (توده‌های یک و دو) را که می‌تواند تا حد زیادی معرف آنومالی نسبتاً غنی و بزرگی از سرب و روی در منطقه باشد؛ نشان می‌دهد. با توجه به اطلاعات زمین‌شناسی احتمال کانی‌سازی سرب و روی در درون سنگ‌های آهکی و یا دولومیتی به صورت جانشینی ثانویه بسیار محتمل است. لذا می‌توان در موقعیت و عمق مذکور، انتظار وجود یک کانسار اسکارن سرب و روی را داشت. در محل‌ برداشت این پروفیل آثار حفاری و تونل‌های قدیمی برای استخراج نیز به چشم می‌خورد که در باطله‌های این حفاری‌ها کانی‌های گالن و اسفالریت به وفور قابل مشاهده است. نکته قابل تأمل در اینجا این است که این حفاری‌ها تماماً سطحی بوده و حداکثر تا عمق 6 تا 7 متری پیش رفته‌اند؛ در حالی که آنومالی‌های مشاهده شده در مدل حاکی از وجود کانی‌سازی و حتی هاله آن در عمق بیش از 20 متر می‌باشد.
پیشنهادی که در اینجا می‌توان ارائه داد این است که از آنجا که در ادامه این پروژه اکتشافی عملیات حفاری نیز در دست اجرا است؛ برای اثبات دقیقتر وجود این آنومالی‌ها و تعیین خصوصیات و تیپ کانسار، در محل پروفیل بالا کوه 4 در موقعیت 105 متری از مبدأ یک حفاری به عمق حداقل 43 متر و نیز حفاری دیگری در موقعیت 167 متری از مبدأ و به عمق حداقل 25 متر (مطابق شکل 2) همراه با مغزه‌گیری و مطالعه آنها، صورت گیرد. پیشنهاد دیگر، انجام مدل‌سازی سه بعدی در منطقه است. این پیشنهاد به علت وجود توپوگرافی زیاد منطقه است. که لازمه این نوع مدل‌سازی، برداشت متراکم‌تر داده‌های ژئوفیزیکی است. به عنوان پیشنهاد دیگر می‌توان اجرای روش پلاریزاسیون القایی طیفی ((SIP را مطرح نمود. این روش قابلیت جدایش کانی‌های فلزی را از غیر فلزی دارد که این توانایی باعث تشخیص و تمایز پیریت از کانی‌های هدف، یعنی گالن و اسفالریت می‌شود. از آنجا که این تمایز، در الگوهای بکار رفته در این تحقیق غیر قابل دسترسی است و نیز اینکه احتمال بروز اینگونه اختلاط یعنی همراهی پیریت با کانی‌های گالن و اسفالریت و حتی وجود پیریت به تنهایی که باعث بروز آنومالی‌های کاذب می‌شود، محتمل است، این الگو می‌تواند بسیار مفید واقع شود.
منابع
1- دبلیو – ام – تلفورد، ال – پی – جرارت، ار – ای – شریف، دی – ای – کینز، مترجم حاجب حسینیه. ح، زمردیان. ح. ( 1375 ). ژئوفیزیک کاربردی ج 2. انتشارات دانشگاه تهران.
2-  دی – اچ – گریفیتس، آر – اف – کینگ، مترجم: حاجب حسینیه. ح، (1373). ژئوفیزیک کاربردی برای زمین‌شناسان و مهندسان.
مرادزاده. ع، ( 1384 ). جزوه درسی مدلسازی. دانشگاه صنعتی شاهرود.

کلید واژه ها: مدلسازیمقاومتویژهاکتشافسربورویزنجانخلخالالبرزژئوفیزیک