بخشی از مقاله
ارتباط بين فروچاله هاي دشت فامنين – کبودرآهنگ - قهاوند با سنگ کف منطقه
چکيده
دشت فامنين - قهاوند- کبودرآهنگ درشمال استان همدان واقع شده و ضخامت رسوبات سفره آبدار آن به حدود١٠٠-٧٠ متر مي رسد که بهره برداري از آن بيش از ظرفيت سفره بوده و سالانه حدود ٣-٢.٥ متر افت درسطح آب اين سفره وجود دارد. در طي ده سال اخير، دست کم حدود ١٩ فروچاله (Sinkhole)کوچک و بزرگ در سطح دشت به وجود آمده که سبب نگراني ساکنان دشت گرديده است .در اين تحقيق ، پس از پيمايشها و اندازه گيريهاي صحرايي ، تجزيه نمونه ها و برآورد ميزان دي اکسيدکربن آزاد (Free carbon dioxide) انجام گرفته و مشخصات فروچاله ها شناسايي و ثبت شده است . از نتايج حاصل مشخص گرديد که شرايط ويژه در سنگ بسترآهکي و وجود دي اکسيدکربن بيشتراز١٥٠٠ميلي گرم در ليتر، عامل اصلي توسعه کارست در منطقه است .همچنين وجود حفره هاي انحلالي بزرگ ، مجاري آب ، سيستم درز و شکاف وسيع در سنگ بسترو پمپاژ آب موجود در آنها عامل اصلي ايجاد فروچاله هاي منطقه بوده و عواملي چون ماسه شويي لايه ها، خروج گاز از چاهها و افت سريع سطح آب زيرزميني در تسريع وقوع فروچاله هاي منطقه دخيل هستند. لذا براي جلوگيري از اين پديده ، بايد اولا از کف شکني و حفاري در سنگ بستر خودداري شود. و دوم اين که براي جلوگيري از ماسه شويي چاههاي آب بايد ازگراول پک
(Gravel pack) مناسب استفاده شود و سوم اين که همة چاههايي که درسنگ بستر حفاري شده وآبدهي بالايي دارند، تعطيل شوند .
کليدواژه ها : کبودرآهنگ ، فامنين ،همدان ، قهاوند، فروچاله ، کارست ، سنگ بستر، آب زير زميني ، دي اکسيد کربن آزاد، فرونشست .
مقدمه
دشت فامنين - قهاوند- کبودرآهنگ بخشي از حوضة قره چاي ، در شمال استان همدان است ،که داراي تراکم جمعيتي بالايي بوده و به عنوان يک سفرة آب زير زميني ، به شدت مورد بهره برداري قرار گرفته است . به علت کاهش آبدهي ، در سالهاي اخيرکف شکني و حفاري درسنگ بستر برخي از چاههاي آب منطقه صورت گرفته و به دنبال آن فروچاله هاي بزرگ و کوچکي در مجاورت اين چاهها به وجود آمده است که ضمن خسارت به زمينهاي کشاورزي و تهديد نيروگاه برق و ديگر تأسيسات ، موجب نگراني ساکنان منطقه و مسئولان استان گرديده است . تا سال ١٣٧٩ حدود ١١ فروچاله در سطح دشت مذکوراتفاق افتاده است (٩) که تا تابستان ١٣٨٢ تعداد آنها دست کم به ١٩ مورد رسيده است . همچنين درمجاورت فروچاله ها ويا درفاصله هاي نه چندان دور واقع در سه منطقه چهاردولي ، لالجين و فامنين - قهاوند، چاههاي آبي وجود داردکه آب آنها تلخ يا گس ، ترش و سوزنده و گاه گازدار است .
دي اکسيدکربن با منشأ جوي درآب باران و آبهاي سطحي و با منشأ گرمابي و پنوماتوليتي در آبهاي زيرزميني حل شده و محيط را اسيدي مي کند و مهم ترين و اصلي ترين عامل انحلال سنگهاي کربناتي به شمار مي آيد. دي اکسيدکربن با منشأ جوي ، برسنگهاي آهکي اثر نموده وسبب ايجاد سيستم برون کارست مي شود ولي به علت مقدار کم ، بر سنگهاي آهکي مدفون شده در زير رسوبات اثر قابل ملاحظه اي ندارد و سيستم درون کارست توسط دي اکسيدکربن با منشأ دروني حاصل مي گردد(٥). مقدار دي اکسيدکربن آزاد محلول درآبهاي جوي اندک است و مقادير بيشتر از ١٠ ميلي گرم بر ليتر و به ويژه اگر از ١٠٠ ميلي گرم بر ليتر بيشتر باشد، ناشي از فعاليت فازهاي پنوماتوليتي و گرمايي مي باشد (١٣و١٦).
شاخص اشباع و شاخص پايداري ، دو شاخص مهم در تشخيص توانايي آب براي حمله به کربناتها و يا ميزان اشباع آنها از يون کلسيم است . هنگامي که مقادير اين شاخصها به ترتيب مثبت وکمتراز شش باشد بدين معني است که آب آ حاوي دي اکسيدکربن به سنگ کربنات حمله کرده و خوردگي آ و انحلال به وقوع پيوسته و شرايط فوق اشباع براي يون آ کلسيم محلول در آب به وجود آمده است (٨). سنگهاي کربناتي که ريزبلور و ضخيم لايه بوده وداراي سيستم درزوشکاف به همراه ناوديسهاو تاقديسهاي ملايم و ميان لايه هاي رسي -مارني هستند، براي توسعه پديده کارستي آ شدن بسيارمستعد هستند (٥).
در ناحيه اولاندو و ايالات متحده ، دست کم ١٤٠ فروچاله بين سالهاي ١٩٦١ تا ١٩٨٦ تشکيل شد (١٨). بر اساس مطالعات انجام شده در منطقه آريزونا، فرونشستها به دو صورت سريع و آهسته اتفاق مي افتند. حرکات آهسته در مناطق دانه ريز رسي که از حالت اشباع خارج شده و تحت نيروي وزن لايه تراکم مي يابند به وجود آمده و حرکات سريع بيشتر در مناطقي با سنگ کف کارستي رخ داده و به عنوان فروچاله معروفند. در اين سري مطالعات ، از تخليه آب زير زميني ، استخراج گاز و نفت ، حرکات سنگ در عمليات معدني و زهکشي زمينهاي لجني و ماندابي ، به عنوان عوامل اصلي وقوع فروچاله ها ياد شده است (١٤و١٧).
علياري (١٣٨٠) در مطالعه فروچاله هاي همدان با بررسي هيدروگراف واحد، ميانگين تقريبي افت سطح آب را در يک دوره
٩ ساله حدود ٣ متر در سال برآورد کرده و عامل اصلي تشکيل اين فروچاله ها را افت شديد سطح آب دانسته و براي تأييد آن اظهار کرده که محل تشکيل فروچاله ها، بر محل تلاقي مخروط افت چاهها واقع است (٩).حيدري (١٣٨٢) با بررسي ميکروسکوپي مقاطع نازک و آزمايش انحلال پذيري توسط دستگاه سيرکولاسيون ، ميزان تخلخل و ميانگين ثابت سرعت انحلال سنگهاي کربناتي منطقه مورد مطالعه را حدود m.s ٤- ١٠× ١.٢٨ برآورد و اظهار کرده که اين سنگها توان بالايي براي انحلال پذيري دارند (٦). اکبرزاده خويي (١٣٧٤) با بررسي محدودة غار عليصدر در بخش باختري دشت ، بيان مي کند که هيچ پديدة کارستي سطحي و مشخصي ديده نمي شود ولي در درون غار، نشانه هاي زير سطحي متعددي همچون استالاکميت ، استالاکتيت و پلانشه مشاهده مي گردد(٢). سعادتي و محمدي (١٣٨٢) با مطالعه زمين ساخت منطقه فروچاله هاي همدان بيان داشته که پراکندگي گودالهاي فرونشيني بي نظم نبوده بلکه با محور عبور گسلهاي منطقه همخواني دارد و از روند آنها تبعيت مي کنند
(٧ ). هاشمي (١٣٨١) با بررسي نمودارهاي حفاري در پيزومترهاي اکتشافي و چاههاي بهره برداري ، ضخامت آبرفت روي سنگ بستر را بين ١٠ تا١٥٠ متر برآورد کرده است (١١). (٢٠٠٠) .Seibt et al در مقاله خويش درباره استفاده از انرژي زمين گرمايي آبهاي سازندهاي ترياس و ژوراسيک آلمان اظهار کرده که حدود ٣ تا ١٠ در صد حجمي بهاي منطقه از گاز تشکيل شده که بيش از ٥٧ تا ٩٤ در صد ن گاز دي اکسيدکربن است (١٥). اميري (١٣٧٤) سازندهاي لموقلاق در مجاور مناطق گازدار چهاردولي را مورد مطالعه قرار داده و با استناد به وجود کانيهاي اسکورليت ، پستاسيت ، پرهنيت ، ولاستونيت و ...، نتايج تجزيه عناصر کمياب اظهار مي دارد که فازهاي پنوماتوليتي و گرمابي متعدد و غني از هن به سيستم خاک ، آب و سنگ منطقه وارد شده است .
به عقيده وي وجود بقاياي چشمه هاي آبگرم و تراورتنهاي منطقه دينگله کهريز و تراورتنهاي قروه ، کانيهاي گالن در برخي نقاط پيرامون منطقه فرو چاله ها و وجود گاز در چاههاي منطقه و مناطق پيرامون ، نشانه فعاليت محلولهاي پنوماتوليتي و گرمابي گازدار در زمان گذشته و حال است و بر اثر همين فعاليتها معادن آهن وسيعي در منطقه تشکيل گرديده است
(٣و٤). همچنين نگاري (١٣١٩) با تجزيه آب پنج چشمه آب معدني باباگرگر واقع در شمال دشت چهار دولي و باختر منطقه لالجين و تحليل آنها وجود گاز دي اکسيدکرين ، سولفيدهيدروژن و آمونياک را در اين چشمه ها شناسايي و گزارش کرده است (١٠).
اصغري مقدم (١٣٨١) با بررسي چاههاي آب دشت آذر شهر علت خوردگي تجهيزات درون چاهي منطقه را حضور دي اکسيدکرين آزاد محلول در آب گزارش کرده است (١).
همچنين اميري (١٣٨١) در بررسي علت خوردگي تجهيزات مناطق گازدار استان همدان ، با تجزيه شيميايي آبهاي منطقه وجود مقادير بالاي دي اکسيدکربن آزاد محلول ، سولفات و آهن فريک درآب را از عوامل خورنده تجهيزات ذکر کرده است در اين تحقيق ، ضمن معرفي مشخصات فروچاله هاي منطقه به شرايط ويژه زمين شناسي و ديگر عوامل مؤثر در تشکيل فروچاله ها اشاره و راهکارهاي مناسب براي کاهش رخداد آنها ارائه مي شود.
موقعيت جغرافيايي فروچاله هاي منطقه ، دراطراف شهرفامنين در فاصله حدود ٧٠- ٦٠ کيلومتري شهر همدان واقع شده اند. مختصات جغرافيايي فروچاله ها، چاههاي گازدار (نمونه برداري شده ) و چاههاي کف شکني شده اي که آب آنها در زمان وقوع فروچاله ها به شدت گل آلود شده توسط G.P.S برداشت و در جدول (١) درج شده است همچنين موقعيت اين فروچاله ها به همراه محدوده مناطق گازدار استان در نقشه شکل ١ ارائه شده است .
مواد و روشها
براي شناسايي هر پديده اي لازم است که اجزاي تشکيل دهنده سيستمي که پديده درآن به وجود آمده شناسايي گردد. لذا دراين بررسي ، ابتدا کارهاي انجام شده قبلي جمع آوري و مطالعه گرديد و سپس مشخصات رسوبات سفره آبدار و سنگ کف ، ترکيب آب موجود در چاههاي مجاور فروچاله ها، آبدهي و تغييرات چاهها،شکل و زمان فروچاله ها به عنوان اجزاي تشکيل دهنده سيستم مورد توجه قرار گرفت .
با کاوشهاي دقيق صحرايي و تهيه مقاطع نازک وضعيت ضخامت ،بافت و... رسوبات و انواع سنگها منطقه شناسايي گرديد و سيستمهاي درزوشکاف سنگ کف در بيرون زدگيهاي پيرامون دشت توسط کمپاس اندازه گيري و نمودار گل سرخي آنها تهيه شد. همچنين شکل و ابعاد فروچاله ها با بررسيهاي صحرايي تعيين شد و زمان حفاري چاههاي کف شکني شده ، زمان وقوع فروچاله ها، آثار و نشانه هاي زمان وقوع با پرسش از روستاييان و حاضران در زمان وقوع و سايرمنابع تعيين و شناسايي گرديد. از چاههاي گازدار سه منطقة فامنين - قهاوند، لالجين وچهاردولي حدود ١٦ نمونه آب براي اندازه گيري کاتيونها، آنيونها و ساير پارامترها تجزيه شدند. استفاده از مقادير به دست آمده براي ترکيبهايي چون باقيمانده خشک ، قلياييت کربناتي ، اسيديته و دما و به کمک نموگرافهاي استاندارد(١٦) مقادير دي اکسيدکربن آزاد محلول در آبهاي منطقه برآورد گرديد و سپس به کمک جداول حلاليت گازها (٨) و به روش درون يابي ، ميزان فشاراوليه دي اکسيدکربن حاکم برسيستم به دست آمد. همچنين بااستفاده ازروش محاسباتي (٨) طبق معادلات ٢,١و٣ شاخصهاي اشباع (IS) و پايداري (SI) برآورد و محاسبه گرديد. در نهايت با تحليل داده هاي آزمايشگاهي ، مشاهدات صحرايي ، تقدم و تأخر فروچاله ها نسبت به چاههاي کف شکني شده و داده هاي محاسباتي ، نحوه توسعه کارست دروني و عوامل و سازوکار تشکيل فروچاله ها شناسايي و راه حلهايي براي کاهش رخداد آنها ارائه گرديده است .
در معادلات فوق ، پارامترهاي pHn,Fo,ALK,Cca,T.D.S وpHs به ترتيب باقيمانده خشک ، غلظت کلسيم معادل کربناتي ، قلياييت کل ، دما به فارنهايت ، اسيديته واقعي واسيديته اشباع را نشان مي دهند. ضرايب Co و Ct در دماهاي بيشتر از٧٧ درجه فارنهايت به ترتيب برابر با ٠.٠٠٩١٥ و٢.٢٧ ودر دماهاي کمتر ٠.٠١٤٢ و ١٢.٦٥ است .
مشاهدات ونتايج مشخصات فروچاله ها
از آنجا که شکل فروچاله ها، زمان وقوع آنها نسبت به زمان فعاليت چاههاي کف شکني شده ، نوع چاهها و عمق حفاري اهميت ويژه اي در شناسايي سازوکار و عوامل ايجاد کننده دارد، لذا اين مشخصات به همراه ابعاد کلية فروچاله هايي که در پيمايش هاي صحرايي شناسايي گرديده اند، در جدول (٢) ارائه شده و در شکل (٢) تصوير يکي ازاين فروچاله ها نشان داده شده است .
زمان رخداد فروچاله ها
تا زماني که چاههاي دشت کم عمق بودند و تنها لاية رسوبي منطقه را قطع کرده بودند، هيچ فروچاله اي به وجود نيامده بود.
فروچاله هاي منطقه پس از کف شکني چاهها و حفاري در سنگ بستر رخ دادند و اغلب آنها در حدود ٦ ماه تا چند سال پس از حفر چاههاي کف شکني شده به وجود آمده اند.
بنابراين سن فروچاله ها جوان تر از چاههاي کف شکني شده و محدود به ده سال اخير بوده و آخرين آنها در پاييز ١٣٨١رخ داده است (فروچاله S15).
شکل فروچاله ها
اغلب فروچاله هاي منطقه درمقاطع افقي ، دايره اي شکل بوده که گوياي ضخامت به نسبت زياد رسوبات و خالي شدن آب از زير لاية رسوبي توسط مجاري موجود در سنگ کف مي باشد.البته گاه شکل بيضوي و... نيز مشاهده مي گردد که حاکي از وجود شکافهايي در مرز سنگ کف و رسوبات است .
شکل اغلب فروچاله هايي که تازه تشکيل شده اند، همانند يک مخروط ناقص بوده که قاعده آن رو به داخل زمين قرار گرفته است يعني اگر از فروچاله ها در اعماق مختلف مقاطع افقي تهيه شود با افزايش عمق قطر دواير بيشتر مي شود و اين نشان مي دهد که رسوبات به صورت کماني و از زير ريزش کرده اند. لايه هاي بالايي به علت دانه ريز بودن داراي چسبندگي بيشتري مي باشند. با گذشت زمان و افزايش و سن فروچاله ها، حاشية آنها ريزش کرده و شکل استوانه اي به خود مي گيرند .
وضعيت ويژه زمين شناسي
منطقه مورد مطالعه در مرز زونهاي سنندج - سيرجان و ايران مرکزي واقع شده است . که سنگ بستر و رسوبات سفره آبدار آن داراي ويژه گيهاي منحصر به فردي بوده که به طور خلاصه وضعيت آنها تشريح مي گردد.
الف ) رسوبات آبرفتي
ضخامت رسوبات آبرفتي دشت ، به طور ميانگين حدود ١٠٠-٧٠ متر است که در حوالي روستاي همه کسي به حدود ٢٠ متر ودر حواشي روستاي جهان آباد به بيش از ١٢٠ متر مي رسد.
بر اساس اطلاعات حاصل از حفاري ، لاية سطحي از رس و سيلت تشکيل گرديده و پس از آن رسوبات شني ، ماسه اي و سيلتي تا عمق ٦٠ متري قرار گرفته و با افزايش عمق همين وضعيت تکرار مي گردد و در عمق حدود ١٠٠ متري ، آهک و گاهي آهک مارني به عنوان سنگ بستر ظاهرمي شود. در بسياري از نقاط و به ويژه در مناطقي که فروچاله ها اتفاق افتاده اند، لايه هايي ازرسوبات ماسه دار وجود داردکه دانه هاي ماسه قابليت خوبي براي حرکت و خروج از لايه ها توسط پمپاژ از خود نشان مي دهند.
ب ) سنگ بستر با مشخصات درون کارست
براساس حفاريها و بيرون زدگيهاي موجود درمناطق شمال باختري دشت اورقين به سوي بابانظر و اطراف روستاي همه کسي ، سنگ بستر در محل فروچاله ها ازآهک ريز بلور با سن اليگوميوسن تشکيل شده و شامل سنگ آهک ، آهک ماسه اي وآهک با ميان لايه هاي نازک مارني است . اين سازندها ضخيم لايه و دانه ريز بوده و داراي کربنات کلسيم بالا و ميکروفسيل هستند و در برخي نقاط در آنها ساخت استيلوليت و ميان لايه هاي چند ميلي متري تا چند سانتي متري از رس و کنکرسيون آهکي مشاهده مي گردد. در اين واحدها تاقديسها و ناوديسهاي وسيع و ملايمي به وجودآمده است .
واحدهايي با اين مشخصات ، بهترين استعداد را براي توسعه پديدة کارستي دارند. درز و شکافهاي موجود در آنها و سنگهاي قديمي تر دراطراف همه کسي (جنوب فامنين ) و باختر و خاور قهاوند اندازه گيري گرديده و پس از دسته بندي و ... وضعيت آنها در نموار شکل ٢ ارائه شده است که سه امتداد NE،NE١٣٠٥٠ وNE١٦٠ در آنها مشاهده مي شود.
علاوه بر آن شکستگيهاي بزرگ منطقه در عکسهاي هوايي ، دو امتداد NE٥٠ و NE١٦٠ را نشان مي دهند .
خصوصيات ويژه چاههاي آب الف ) ماسه دهي چاهها
در اغلب چاههاي آب منطقه همراه با آب خروجي ، ماسه وجود دارد به طوري که سالانه در کف کانالها و حوضچة برخي از چاهها چندين تن ماسه نهشته مي گردد. اين پديده ناشي از وجود لايه هاي رسوبي بادانه هاي مستعد براي حرکت در اثر مکش و عدم وجود گراول پک با دانه بندي مناسب در جدار چاههاست . اين ماسه شويي موجب کاهش استحکام لايه هاي رسوبي منطقه مي شود.
ب ) آبدهي چاهها
در اثر بهره برداري بيش از حد و افت ٤٥ متري سطح آب زير زميني در ٢٥ سال گذشته ، ميزان آبدهي چاههاي آب منطقه به شدت کاهش يافته و کشاورزان اقدام به کف شکني و عميق سازي چاهها و يا حفر چاههاي جديد با عمق زياد در مجاور چاههاي قديمي کرده اند، به طوري که در برخي نقاط ، بيش از ٥٠ متر از سنگ بستر را حفاري کرده اند. هنگام حفاري در برخي از چاهها، حفره هاي انحلالي و غار مانند و مجاري آبدار مشاهده شده و به همين خاطر اين چاهها داراي آبدهي زيادي بوده و در طي چند سال اخير از آبدهي آنها کاسته نشده است ولي در برخي از چاهها با وجود عمق زياد، هرگز مجاري و حفره هاي کارستي مشاهده نشده و افزايشي ميزان آبدهي آنها رخ نداده است .
