بخشی از مقاله
مقدمه
روشهای مختلفی برای تفسیر آزمایشات پمپاژ و تعیین الگوهای جریان آب زیرزمینی در سیستمهای کارستی ارائه شده اسـت. بـر اسـاس طبقـهبنـدی کوینلن و ایورس (Quinlan & Ewers, 1985) برای سیستمهـای کارسـتی بـا توسعه ضعیف یا سیستمهای کارستی جریان انتشاری، روشهای تفسیر آزمایش پمپاژ در محیط خرد شده را میتوان در نبود جریان متمرکز مورد اسـتفاده قـرار داد.شکستگیهای موجود در سـازندها بـه شـدت بـر روی جریـان سـیال در آن سازندها تاثیر گذارندبنابراین. معادلات جریان چاه که عمدتاً بـرای آبخـوانهـای همگن ارایه شدهاند، نمـیتواننـد بـه خـوبی جریـان در سـنگهـای خردشـده و کارستی را توصیف نمایند. عامل پیچیده کننده در تحلیـل آزمایشـات پمپـاژ در سنگهای خردشده، الگوی شکستگیهـا مـیباشـد، کـه بـه نـدرت بـه درسـتی مشخص است. بنابراین یکی از مشکلات در تحلیل نتایج آزمایش پمپـاژ، تعیـین
این سیستم نامعلوم میباشد.در سالیان اخیر تعداد زیادی مدل تحلیـل آزمـایش پمپاژ و شبیه سازی سیستم جریـان ارایـه شـدها سـت . در همـه آنهـا سیسـتم شکستگی به صورت منظم در نظر گرفته شده است که سنگ را به بلوکهای بـا ابعاد مساوی تقسیم میکنند. این مدلها معمولاٌ روشهای انطبـاق بـا منحنـی-های تیپیک را مورد استفاده قرار میدهند ولی در قیاس با دیگر مـدلهـا، عمـلاٌ تعداد کمتری از منحنی های تیپیک بر اسـاس تـابع چـاه (Well function) را میتوان برای آنها حساب نمود. بدین لحاظ این گونه مدلها اهمیـت کمتـری در تحلیــل آزمایشــات پمپــاژ در ســازندهای خردشــده دارنــد Kruseman and) .(Ridder, 1991 یکی از روش های مدل سـازی در محـیط درز و شـکاف دار ، روش تخلخل دوگانه می باشد که در آن آبخوان به صورت مجموعـهای از بلـوک های زمینه متخلخل با نفوذ پذیری کم که توسط شکستگی های متصل بـه هـم با نفوذ پذیری زیاد، مجزا شدهاند در نظر گرفته می شوند. در این حالت، جریـان از بلوک ها به شکستگی ها مـی توانـد بـه دو صـورت شـرایط شـبه مانـدگار یـا
94
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×بهار 91،شماره 3، جلد 1
ناماندگار باشد. در جایی که جریان از بلوک ها به سـمت شکسـتگی هـا رخ مـی دهد، توده سنگ خـرد شـده متشـکل از دو محـیط، یکـی محـیط بلـوک هـای متخلخل با نفوذ پذیری کم و دیگـری محـیط متخلخـل بـا نفوذپـذیری زیـاد و تخلخل ثانویه شکافی (یا شکستگی) می باشد (شکل .(1دو مدل تخلخل دوگانـه که به طور گسترده ای در مطالعات مختلف مورد استفاده قرار می گیرنـد شـامل جریان حالت شبه پایدار (Warren and Root, 1963) و جریان ناپایـدار بلـوک به شکستگی (Kazemi, 1969) می باشند. در روش جریان شبه پایـدار، فـرض می شود که توزیع بـار هیـدرولیکی در بلـوک هـا نـامعلوم اسـت. در ایـن روش همچنــین فــرض مــی شــود کــه در یــک حجــم عنصــری مرجــع (REV) بــار هیدرولیکی شکستگی ها و بلوک ها با یکدیگر متفـاوت اسـت و بزرگـی جریـان ایجاد شده متناسب با اختلاف بار هیدرولیکی مـی باشـد .(Moench, 1984)در حل وارن و روت (Warren and Root, 1963)، آبخوان درز و شکاف دار شامل بلوک ها و شکاف های مجزا می باشد. هدایت هیدرولیکی، ضریب ذخیـره ویـژه، و ارتفاع تراز آب در دو بخش آبخوان به طور جداگانـه تعریـف مـی شـود. فـرض اصلی مدل تخلخل دوگانه آن است که نرخ جریان بـین زمینـه و شکسـتگی هـا (q ) متناسب با هدایت هیدرولیکی زمینه و اختلاف بـار هیـدرولیکی بـین دو سیستم می باشد:
(1) q k m ( hm hf )
که km هدایت هیدرولیکی زمینه، hf بار هیـدرولیکی درز و شـکاف، hm بار هیدرولیکی زمینه، و پارامتری می باشد که به هندسه بلـوک هـای زمینه بستگی دارد و دارای بعد L2 می باشد. در تحلیل آزمایش پمپاژ با مـدل
تخلخل دوگانه دو پارامتر بدون بعد جهت توصیف جریان از زمینه به شکستگی
ها به صورت زیر تعریف می شوند:
S m
(2) S
S f
s
(3) m r2k
k f
که نسبت بدون بعد ضریب ذخیره می بایست بیشتر از 1 باشد، ضریب جریان بین تخلخلی در دامنه 0/0001 تا 5 می باشد، SS ضریب ذخیره ویـژه، و نمایه های m و f معرف محـیط زمینـه و محـیط مجرایـی - شکسـتگی مـی باشند. برای یک معین، مقادیر متفاوت باعث تغییر زمـان آغـاز بخـش هموار منحنی افت می شود، مقادیر زیادتر باعث طولانی تر شدن زمان آغاز کاهش افت در بخش میانی هموار منحنـی مـی شـوند. بـرای یـک معـین،
تغییرات باعث تغییر مدت زمان بخش همـوار منحنـی مـی شـود (منحنـی تایس در زمان انتهایی به صورت افقی در می آید). مقادیر زیـاد نشـان مـی دهد که آب از شکستگی ها به سرعت زهکشی مـی شـود، سـپس تخلیـه آب از بلوک ها رخ می دهد. مقادیر کم نشان دهنده کنـد بـودن حالـت انتقـالی است .(Kruseman and Ridder, 1991) جهت مدل سازی پمپـاژ در آبخـوان های کارستی ایذه، از روش های مبتنی بر مدل تخلخـل دوگانـه اسـتفاده شـده است. در این دیدگاه، داده های آزمایش پمپاژ نمایـانگر انـدازه پاسـخ ترکیبـی از تخلخل زمینـه و شکسـتگی مـی باشـند. بنـابراین جهـت توصـیف خصوصـیات هیدرولیکی آبخوان های کارستی و تفسیر آزمایشات پمپاژ، نـرخ تبـادل جریـان بین زمینه و شکستگی های انحلالـی مـی بایسـت مشـابه بـا دیگـر پارامترهـای هیدرودینامیکی تعیین شود. با توجه به آنکه شیوه معینی بـرای تعیـین نسـبت تبادل وجود ندارد، بدین لحاظ تفسیرهای مدل تخلخل دوگانـه بـا چـالش هـای اساسی روبرو می باشند.در توصیف سیستم های جریان بر اساس مـدل تخلخـل دوگانه، سیستم کارستی به صورت دو مخـزن آب آزاد در ارتبـاط بـا یکـدیگر در نظر گرفته می شود. بر این اساس مدل کارست منطقه مورد مطالعـه بـه صـورت دوتایی با مخزن شبکه مجرایی و شکستگی و مخزن زمینه ای تعریف مـی شـود (شکل .(2 در شکل 2، سیستم مجرایی (مخزن (1 با سرعت جریان نسبتا زیاد و ظرفیت ذخیره کم در مقیاس حوضه ای مشـخص مـی شـود. بسـته بـه بزرگـی سرعت جریان، جریان آشفته یا خطی می تواند در مجاری یـا شکسـتگی هـا رخ دهد. مخزن 1 در شکل 2 توسط نفوذ از بارش تغذیه مـی شـود و توسـط پمپـاژ مورد تخلیه قرار می گیرد. تبادل بـا مخـزن ( ) 2 بـه بـار هیـدرولیکی در دو مخزن بستگی دارد. بـار هیـدرولیکی در مخـزن 1 در سرتاسـر شـبکه کارسـتی یکسان در نظر گرفته می شود و این بار توسـط مقـدار آسـتانه ای ( ( ThC کـه منطبق با تراز چشمه (که به عنوان سرریز مخزن عمـل مـی نمایـد) مـی باشـد، محدود می شود. با فرض تخلخل مجرایی برابـر یـک (f 1)، معادلـه بقـاء حجم در این مخزن به صورت زیر در می آید :(Marechal et al., 2008)
(4) PExpQSP dhf
S f dt
که S f مساحت سطح آزاد آب در شبکه مجرایی زهکشی شـونده مـی
باشد. مخزن 2 منطبق با زمینه سـنگ آهـک مـی باشـد کـه توسـط مجـاری و شکستگی ها (مخزن (1 زهکشی می شود. این مخـزن توسـط نفـوذ تراوشـی از بارش و / یا نفوذ از طریق شکستگی ها و شکاف های درون توده کارستی تغذیـه می شود. جریان تراوشی ( ( تبادلی بین مخزن 1 و 2 با فرض جریان دارسـی در زمینه ای که به صورت محیط متخلخل در نظـر گرفتـه مـی شـود، محاسـبه شده که تابعی از اختلاف بار هیدرولیکی بین دو مخزن می باشد. بار هیدرولیکی در مخزن ( hm ) 2 در کل حوضه کارستی یکسان فرض می شـود. معادلـه بقـاء جرم در این مخزن عبارت است از :(Marechal et al., 2008)
95
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
(5) P dhm
mA dt
که A مساحت حوضه کارسـتی و m آبـدهی ویـژه (تخلخـل زهکشـی) زمینه آهک می باشد.
در این مقاله آزمایشات پمپاژ طولانی مدت در هفت حلقه چاه آهکـی در سازند آسماری (تاقدیسهای کمـردراز و چـالخشـک) و سـازند ایـلام-سـروک (تاقدیسهای تنوش و شاویش) در پنج کیلـومتری جنـوب غـرب ایـذه توصـیف شده است. پاسـخ سیسـتم در مجـاری انحلالـی و سـنگ کربناتـه پوشـاننده آن
×بهار 91،شماره 3، جلد 1
(زمینه سنگ) نسبت به پمپاژ طولانی مدت با دبی ثابت مورد تحلیل قرار گرفته است. شبیه سازی با استفاده از روش مدل تخلخل دوگانـه بـرای تغییـر افـت در شکستگی ها و زمینه سنگ انجام شده است. سپس با استفاده از نتایج حاصل از تفسیر آزمایشات پمپاژ، کارست سازند آسماری در تاقدیس کمردراز با یک مـدل دو مخزنی (شامل یک مخزن جریان در شکستگی های کارستی و یـک مخـزن جریان افشان در زمینه که تبادل جریان بین دو مخـزن منحصـرآ بـا اسـتفاده از روش با مبنای فیزیکی (اختلاف متغیر در بار هیدرولیکی) مدل می شود، شـبیه سازی شده است.
شکل .1 مدل تفهیمی تخلخل دوگانه متشکل از بلوک های با نفوذپذیری کم و شکستگی های با نفوذپذیری زیاد
(Warren and Root, 1963)
×
شکل .2 نمودار شماتیک مدل مخزن دوگانه کارست و معادلات بقاء حجم (تصحیح شده بر اساس (Marechal et al., 2008
96
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
زمین شناسی و هیدروژئولوژی
سازندهای آهکی در منطقـه مـورد مطالعـه شـامل آهـک هـای ایـلام - سروک و آسماری می باشند. سازند سروک شامل آهکهای نـازک لایـه رسـی و میکریتی و آهک های مارنی به رنگ خاکستری تیـره مـی باشـد. بـر روی سـازند سروک، سازند ایلام متشکل از آهک های رسی خاکستری دانـه ریـز نـازک لایـه همراه با لایه های نازک شیل سیاه رنگ قرار دارد کـه معمـولا در نـواحی بیـرون زده فرسایش آن بیشتر از سروک اسـت. از نظـر هیـدروژئولوژی اهمیـت سـازند سروک به دلیل دارا بودن پدیدههای کارست و تشکیل آبخـوان بیشـتر از سـازند ایلام است. در منطقه ایذه تفکیک این دو سازند مشکل می باشـد. بـدین لحـاظ با نام مشترک ایلام - سروک معرفی شده است. سازند ایلام - سروک در شـمال شرق، جنوب شرق و جنوب منطقه ایذه، در هسته تاقدیس های پیون، شاویش و تنوش رخنمون دارد (شکل .(3 بر روی سـازند ایـلام - سـروک، سـازند گـورپی متشکل از آهک مارنی سفید رنگ، شیلهای تیره آبی رنگ و مارنهـای دریـایی قرار دارد. سازند پابده با رخساره شیل، مارن های آبی و ارغوانی و به طور متناوب با میان لایه های آهک رس دار، همراه با سازند گورپی در منطقـه رخنمـون دارد. سازند آسماری شامل سنگ های آهکی با بین لایه هـای آهـک فسـیل دار کـرم رنگ تا قهوه ای،هوازده و کاملاً درز و ترکدار میباشد. ارتفاعـات تاقـدیس هـای کمردراز و چال خشک از سازند آسماری پوشیده شده است (شـکل .(3 آبخـوان کارستی کمردراز در سنگ آهک سازند آسماری در پنج کیلومتری جنوب غـرب ایذه واقع شده است. در یال شمال شـرقی تاقـدیس رخنمـون سـازند گچسـاران وجود ندارد ولی در یال جنوب غربی در بعضی نقاط سـازند گچسـاران رخنمـون دارد.در سالهای 1385 و 1386 سه حلقه چاه در آبخـوان کارسـتی کمـردراز و یک حلقه چاه در تاقدیس چال خشک و چهار حلقه چاه آهکـی در سـازند ایـلام - سروک در تاقدیس های شاویش و تنوش جهت تـامین آب شـرب شـهر ایـذه حفر شدهاند (چاه های W5 تا W8 در شکل .(2 آبخوان کارستی کمردراز دارای یک سیستم تخلیه اصلی (چشمه هلایجان) در دماغه شمال غربی تاقدیس مـی-باشد. آب چشمه هلایجان دارای کیفیت خوب با هدایت الکتریکی بـین 450 تـا 500 میکرو موهس بر سانتی متـر مـیباشـد. دبـی مجمـوع سـه دهنـه چشـمه هلایجان در سالهای با بارش میانگین بین 200 تا 1200 لیتـر در ثانیـه متغیـر بوده است، ولی رخداد دو سال خشکسالی مـداوم در سـالهـای 1386 و 1387 باعث خشک شدن چشمه برای اولین بـار در سـالیان اخیـر در مـرداد 87 شـده است.بر اساس نتایج حاصل از تحلیل سری های زمانی دو سیستم کارستی ایـذه (ناصری و همکاران، (1389، کارسـت آسـماری بـه عنـوان سیسـتم بـا ظرفیـت
×بهار 91،شماره 3، جلد 1
ذخیره زیاد و جریان پایه غالب و کارست ایلام - سـروک بـه عنـوان سیسـتم بـا جریان سریع مجرایی غالب و ظرفیت ذخیره کم تشخیص داده شده است. مـدل های تفهیمی سیستم های کارستی مذکور در منطقـه ایـذه در شـکل((4 نشـان داده شده است. فرآیند کارست شدگی باعث ایجاد آبخـوان تخلخـل دو گانـه در سازند آسماری شده است به طوری که تخلخل شکستگی و مجرایی بـا یکـدیگر وجود دارند ولی بر خلاف کارسـت مزوزوئیـک (آهـک ایـلام - سـروک)، زمینـه آهکی نیز به راحتی جریان افقی را هدایت مـی کنـد. بـر ایـن اسـاس، کارسـت سازند آسماری در منطقه ایذه با جریان پایه غالب در منطقه اشباع (که احتمـالا نزدیک به شرایط دارسی می باشد) مشخص مـی شـود، در حـالی کـه انحرافـات موضعی از این حالت نیز وجود دارد. هـر چنـد کـه رخـداد غارهـا و حفـرات در بخش غیر اشباع کارست سازند آسـماری در منطقـه ایـذه در سـطح، اکتشـافات ژئوالکتریک (ناصری و همکاران، (1388 و در حفاری های اکتشافی محرز شـده است ولی توسعه شبکه مجرایی در بخش پایینی آبخـوان کارسـتی ضـعیف مـی باشد. ظرفیت ذخیره کارست آسماری زیاد و مخـزن عظـیم آب زیرزمینـی را در خود جای داده است. کارست ایلام - سروک در منطقه ایذه در حالت میانه بـین دو سیستم شدیدا کارست و تا حدی کارستی قرار دارد. از این رو مولفـه جریـان سریع همراه با جریان پایه می باشد.
