بخشی از مقاله
مقدمه
محدوده مورد مطالعه، پارک علمی - تحقیقاتی دانشگاه شهید بهشـتی اسـت که در مجاورت شهر زیرآب در استان مازندران واقـع شـده اسـت. شـهر زیـرآب در شهرستان سوادکوه واقع شده است و معادن ذغال سنگ آن معروف می باشند. آب و هوای منطقه معتـدل و میزان بارش متوسط سالیانه حـدود 700 میلـی متـر بـا درجه حرارت متوسط +13 درجه سانتیگراد میباشد. بارش آن غالباً باران، گـاهی در فصل سرما بصورت برف نازل می شود . سطح کوه ها پوشیده از جنگل های انبوه می باشد. اولین مطالعات مربوط به ذغال سنگ البرز در ناحیـه آلاشـت بـه سـال 1314 در زمان احداث راه آهن شمال در اطراف زیرآب مربوط می شود. رسـوبات بخش ها ی ذغال دار آلاشت به علت دارا بودن رگه های ذغالی بیشتر مورد بررسی قرار گرفته است. به دنبال مشاهده آثار ذغال و کسب اطلاعات مورد نیـاز، وزارت اقتصاد در سال 1314 شرکت ذغال سنگ البرز مرکزی را بنا نهاد و نسبت به بهره برداری ذغال جهت مصارف انرژی اقدام نمود. فعالیت این شرکت در اواخـر سـال 1348 با استخراج 1/2 میلیون تن ذغال به پایان رسید. عمده فعالیت های زمین شناسی شرکت مذکور در بخش شرقی و بر روی معادن کنیچ کلا، انجیر تنگـه و معدن کارمزد متمرکز بوده است. در حال حاضر معادن مذکور به صـورت متروکـه می باشند و تونل ها و ترانشه های متروکه به صورت زهکـش هـای آب زیرزمینـی عمل می نمایند (شرکت ذغال سنگ البرز مرکزی، .(1365
هدف اصلی این تحقیق بررسی اثرات معدن ذغال سـنگ متروکـه زیـرآب بـر کیفیت منابع آب زیرزمینی و شناخت زیرسـاختارهای حـاکم بـر هیدروژئوشـیمی مخزن سازند ذغالدار شمشک می باشـد. بـدین منظـور از نمودارهـای ترکیبـی و تحلیل آماری خوشهای استفاده شده است. محققین مختلفی اثـرات معـادن ذغـال
37
سنگ بر روی کیفیت آب های زیرزمینـی را مـورد بررسـی قـرار داده انـد (Van
Voast, 2003; Liu et al., 2007; Kinnon et al., 2010; Bates et .al., 2011)
نمودارهــای دو متغیــره پارامترهــای شــیمیایی، یــا نمودارهــای ترکیبــی (Composition diagrams) جهت تشخیص فرآینـدهای شـیمیایی آبخـوان، ابزارهـایی مفیـد مـیباشـند (Peiyue et al., 2011; Nwankwoala and .Udom , 2011) تکامل شیمیایی آب زیرزمینی بـه واکـنش آب بـا سـنگهـای مخزن، یعنی به زمان ماندگاری آب زیرزمینـی درون آبخـوان و خصوصـیات کـانی شناسی سنگ ها بستگی دارد. روش های آنالیز آماری چند متغیره جهت تفسیر یـا شناخت فرآیندهای حاکم به منظور کاهش داده ها و طبقه بندی آنها به کار گرفتـه میشوند . فنون آماری چند متغیره تحلیل خوشه ای ابزارهای موثری جهت توصیف و تفسیر داده های ژئوشیمی و آلودگی آب های زیرزمینی می باشند (Suk and
Lee, 1999; Meng and Maynard, 2001; Reghunath et al., 2002; Kim et al., 2005; Ayenew et al ., 2009; Belkhiri et al., .2011)
تحلیــل عــاملی (Factor analysis) و تحلیــل خوشــهای (Cluster analysis) می توانند جهـت شـناخت عوامـل مهـم سـهیم در سـاختار داده هـا و شباهت بین عوامل مـورد اسـتفاده قـرار گیرنـد. تحلیـل خوشـهای مجموعـهای از روش های آماری می باشد که هدف آن تقسیمبندی دادههای متعدد به گروه هایی از متغیرهای مشابه که ساختار زیر لایه ای موجود در دادههـا را مـنعکس مـینمایـد، می باشد . هدف تحلیل خوشهای گروهبندی بر حسب تفاوتهای هـر چنـد کوچـک اعضا میباشد به طوری که هر گروه از دیگر گروهها متفاوت باشد.
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
بهار 93، شماره × 11
زمین شناسی
منطقه مورد مطالعه به لحاظ زمین شناسی ناحیـه ای در زون البـرز مرکـزی واقع گردیده است. سازند ذغالدار شمشک لیتولوژی غالب مخزن آب زیرزمینـی در منطقه زیرآب است (شکل .(1 کانسار زیرآب - کارمزد در دامنـه شـمالی سلسـله جبال البرز قرار گرفته است. در محدوده کانسار مذکور بخش های زمین شناسی کارمزد 1، کارمزد 2 ، جنوب زیرآب، و پل سفید قرار دارد. زون شمالی - مرکـزی البرزعمدتاً از رسوبات کم عمق دوران اول تا کرتاسه بالائی تشکیل شـده اسـت. از جمله این رسوبات کم عمق زون ذغالدار البرز مرکزی است که در مناطق کم عمق نهشته شده اند. کل منطقه از رسوبات پرمین تریاس - ژوراسیک، پالئوژن، و دوران چهارم تشکیل شده است. نهشته های پرمین تریاس که از جنس کربناته بوده است و موسوم به آهک پرموتریاس می باشد، دارای ضخامت بیش از 1000 متر است.
سیستم تریاس یا سری للـه بند که از رسـوبات آرژیلیـت، لای سـنگ، ماسـه سنگ و آهک میباشد حدود 450 متر ضخامت دارد . سیستم تریاس - ژوراسـیک (سری کارمزد ) از نظر چینه شناسی مشابه تشکیلات شمشک میباشد که ضخامت آن در منطقه کارمزد به 1600 متر میرسد. لایـه هـای این سری شامل تنـاوبی از ماسه سنگ، آلورولیت، آرژیلیت، و کنگلـومـرا است که بسیـاری از ایـن لایـه هـای کنگلـومـرا و مـاسـه سنگ نقش لایه راهنما را دارند که به سه ســوئیت A، B، و C تقسیم شده اند. عمده تشکیلات ذغالـدار و لایـه هـای ذغـالی در ایـن سـری و سوئیت B قرار دارند. سیستم پالئوژن در منطقه وسیعی قـرار دارد کـه تشـکیلات ضخیم آهکی کسیلیان از آن جمله می باشد (شرکت ذغال سـنگ البـرز مرکـزی، .(1365 سری های ذغالدار ایران (تریاس فوقانی یا ژوراسـیک میـانی) کـه بـه نـام سازند شمشک نامگذاری شدهاند، توسعه وسیعی در جنوب منطقـه مـورد مطالعـه دارند. سازند شمشک از نظر سنگ شناسی نیز وضعیت کمابیش ثابتی دارد و شامل لایه های متناوب ماسه سنگ، سنگ سیلت، شیل، و ذغال مـیباشـد . در بعضـی از نقاط بین این طبقات لایه هایی از آهک و ماسه سنگ آهکی نیز وجود دارد. توزیع لایه های ذغالی در سازند شمشک یکنــواخت نیسـت بلکـه قسـمت اعظـم آن در ژوراسیک تحتانی (لیاس) متمرکز شده است. سـاختمان زمین شناسی منطقه مورد مطالعه مجموعه ای از چین خـوردگی هـای متـوالی (نـاودیس زیـرآب، تــاقدیس انجیرتنگه، ناودیس کارمزد، و تاقدیس آپون) می باشد. سـاختمان زمـین شناسـی معـدن انجیرتنگه به شکل تـاقدیس می باشد که معدن در یـال جنـوبی آن واقـع شده و تـاقدیس فوق منطبق بر تـاقدیس زیرآب - انجیرتنگه است که به نـاودیس کارمزد مرتبط می باشد. ساختمان منطقه شامل گسل های گسیخته از نوع راندگی هایی است که باعث ایجاد ساختار زمین شناسی به صـورت پلـهکـانی گردیـده بـه طوری که هر بلوک جنوبی در مقایسه با بلوک شمالی مجاور بالا افتاده میباشـد و سطح راندگی ها با شیب زیاد 60-80) درجه) لایه های ذغالی را قطع کرده اند.
داده ها و روش تحقیق
به منظور بررسی هیدروشیمی منابع آب محـدوده زیـرآب در محـدوده پـارک علمی - تحقیقاتی دانشگاه شهید بهشتی واقع در معدن متروکه ذغال سنگ زیرآب از شش منبع آب زیرزمینی شامل پنج دهنه چشمه و یک مخزن آب (شکل (1 بـه صورت ماهانه از تیر ماه 1385 تا خرداد ماه 1386 نمونه برداری شده و دادههـای حاصل از سنجش هیدروشیمی آنها مورد تجزیه و تحلیل قـرار گرفتـه اسـت. هـم چنین از چهار حلقه چاه تامین کننده آب شـرب شـهر زیـرآب در دو دوره خشـک (تیر ماه (1385 و مرطوب (اسفند ماه (1385 نمونه برداری آب شده است. نتـایج سنجش های شیمیایی نمونه های آب در دو دوره انتخـابی خشـک و مرطـوب در (جدول (1 ارایه شده است. هدف اصلی مطالعه حاضر، بررسی هیدروشـیمی منـابع آب زیرزمینی محدوده پارک علمی - تحقیقاتی، تعیین فرآیندهای هیدروژئوشیمی موثر بر آب های زیرزمینی، و بررسی اثرات سازندهای زمینشناسی و معادن ذغال
سنگ قدیمی بر منابع آب زیرزمینی می باشد . شیوه جمع آوری داده ها به صورت نقطه ای طراحی گردیده است. پس از توصیف نموداری داده های هیدروشیمیایی و تعیین نوع آب ها و رخساره ها با اسـتفاده از نمـودار پـایپر (Piper diagram)، تغییرات دو ماهه هدایت الکتریکی برای چشمه ها بررسی شده اسـت. نمودارهـای ترکیبی مختلف غلظت یون ها در مقابل غلظت کل یونهای محلول و روابط نمایه های اشباع به منظور شناخت فرآیندهای هیدروژئوشیمی مورد تفسیر قـرار گرفتـه است. به منظور تعیین تشابه ترکیب شیمیایی منابع آب زیرزمینی منطقه زیـرآب، آنالیز آماری چند متغیره بر روی دادههای هیدروشیمی در دو دوره تیر ماه و اسفند ماه انجام گرفته است.
بحث
با استفاده از تعیین موقعیت داده های تیر ماه 1385 (فصل خشک) و اسـفند مـاه 1385 (فصـل مرطـوب ) بـر روی نمــودار پـایپر (شـکل ( 2 اقـدام بـه تعیــین رخسارههای هیدروشیمیایی محدوده زیرآب گردیده است . قبل از پیاده نمودن داده ها بر روی نمـودار پـایپر اقـدام بـه تصـحیح و بازسـازی دادههـا گردیـد. رخسـاره هیدروشیمی بی کربناته کلسیک - منیزیک در آب های زیرزمینـی منطقـه غالـب می باشد . به لحاظ مجاورت نمونه های آب تیـر مـاه 1385 بـر روی نمـودار پـایپر مشخص می شود که چاه های آب در یک سیستم واقع میشوند . نمونـه هـای آب چشمه استل کنار و مخزن مجاور پژوهشکده بر روی هم و نمونههـای آب چشـمه گوگردی و چشمه تونل ده دستگاه در مجاور هم قرار گرفتـه انـد . نمونـههـای آب چشمه تونل پیش و چشمه کنیچ کلا نیز در مابین دو دسته اخیر واقـع شـده انـد. غلظت کم سولفات نمونه های آب چشمه های محدوده پارک علمـی - تحقیقـاتی زیرآب به علت شرایط احیایی شدید سیستم آب زیرزمینی متاثر از لایه های ذغـال سنگ رخ داده است . بر اساس نمودار پایپر مربوط به اسـفند مـاه 1385 مشـخص میشود که چاه آب W3 در موقعیتی مجزا از چاه های دیگـر زیـرآب واقـع شـده است. این به علت افزایش نسبت یونی سدیم آب چاه مذکور می باشد . اگـر رقیـق شدگی آب های زیرزمینی در اثـر تغذیـه از بارنـدگی در نظـر گرفتـه شـود، در آن صورت می توان انتظار داشت که مقدار میانگین تمـامی پارامترهـا از تیـر تـا آبـان 1385 روند افزایشی داشته و سپس از دی 1385 تا اردیبهشـت مـاه 1386 رونـد کاهشی و سپس دوباره روند افزایشی داشته باشند. با توجه به پارامترهـای آمـاری متشکلههای شیمیایی نمونه های آب زیرزمینی محدوده زیرآب نمودارهای تغییرات دو ماهه هدایت الکتریکی و کلراید برای چشمه ها تهیه شده است (شکل .(3
نمودار تغییرات هدایت الکتریکـی ماهانـه چشـمه هـا نمایـانگر رخـداد رونـد کاهشی - افزایشی در غلظت جامدات محلول به واسطه رقیق شدگی است. در این میان بیشترین تغییرات هدایت الکتریکی مربوط به چشمه گوگردی معدن و چشمه تونل پیش می باشد. هدایت الکتریکـی چشـمه تونـل ده دسـتگاه تغییـرات قابـل ملاحظه ای ندارد و میزان آن در طی دوره نمونه برداری نسبتاً ثابت است. چشـمه استل کنار و مخزن مجاور پژوهشکده دارای حداقل مقادیر هـدایت الکتریکـی مـی
باشند. تغییرات زمانی غلظت کلراید نسبت به دیگر یون هـا تفـاوت دارد . افـزایش غلظت یون پایدار کلراید در دوره مرطوب در نمونه های مختلـف را مـی تـوان بـه تغذیه چشمه ها از لایه های ذغال سنگی ربط داد. از تیر مـاه 1385 تـا آبـان مـاه 1385 (دوره خشک) غلظت کلراید آب چشمه های تونل ده دستگاه و کنیچ کلا در میان نمونه ها حداکثر می باشد ولـی در ابتـدای فصـل بـارش غلظـت کلرایـد آب چشمه گوگردی معدن شدیداً افزایش می یابد. غلظت کلراید آب چشمه گـوگردی معدن در دوره مرطوب بیشترین مقدار را در میان چشمه هـا دارد ولـی در اسـفند 1385 و اردیبهشت 1386دوباره غلظت کلراید آب چشمه مذکور سـریعاً کـاهش
می یابد. افزایش غلظت کلراید در دوره مرطوب برای چشمههای تونل ده دسـتگاه، کنیچ کلا، و تونل پیش روی می دهد که می تواند نمایانگر تغذیه آب چشمه هـای
38
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
مذکور از طریق تونل ها و گالری های معدن و لایه های ذغال سنگی باشد. حداقل غلظت کلراید مربوط به چشمه استل کنار می باشد. چشمه اسـتل کنـار و مخـزن مجاور پژوهشکده الگوی ترقیق در دوره مرطوب را نشان می دهند که مبین عـدم تاثیر آب چشمه های مذکور از لایههای ذغال سنگی می باشد.
نمودارهای دو متغیره کل یونهای محلول (TDI) در مقابل سایر یـونهـای عمده برای منابع آبی مورد مطالعه در (شکل ( 4 ارایه شده است. همچنین با توجـه به پایدار بودن یون کلر و عدم شـرکت آن در واکـنشهـای شـیمیایی، نمـودار دو متغیره غلظت کلر در مقابل غلظت سدیم تهیه گردیده است (شکل .(4 نمودارهای ترکیبی نشان می دهد فرآیند انحلال کلسیت در چشمه های استل کنـار و کنـیچ کلا نسبت به دیگر چشمه هـا تـاثیر بیشـتری بـر روی افـزایش TDI دارد. منشـا کلسیت احتمالا زون خاک و دانه ها و سیمان آهکی در لایـه هـای کنگلـومرایی و ماسه سنگی سازند شمشک می باشند . افزایش غلظت کلسیم در چشمه گـوگردی معدن و چشمه تونل ده دستگاه بیش از مقدار مورد انتظار میباشد . تـاثیر فرآینـد انحلال دولومیت و کلسیت منیزیم دار ( از منشا لایـه هـای ماسـه سـنگی سـازند شمشک) بر روی تکامل هیدروژئوشیمیایی چشـمه اسـتل کنـار و مخـزن مجـاور پژوهشکده مشهود مـی باشـد. غلظـت زیـاد سـدیم نسـبت بـه TDI در تونـل ده دستگاه، و چشمه گوگردی معدن را می توان به تاثیر از لایه های ذغال سنگی و یا تبادل یونی نسبت داد. الگوی خطی افزایش بی کربنات بـا TDI در چشـمه هـای
بهار 93، شماره × 11
محدوده پارک علمی - تحقیقاتی زیرآب نمایانگر آنست که انحـلال کربنـات هـای موجود در لایه های ماسه سنگی و کنگلومرایی سازند شمشک تـاثیر مسـتقیم بـر تکامل ژئوشیمیایی آب های زیرزمینی منطقه مـورد مطالعـه دارد. ایـن مـیتوانـد نشانگر انحلال کلسیت و دولومیت موجود در لایه های ماسه سنگی و کنگلومرایی، زمان ماندگاری کم آب زیرزمینی، و عمق کم گردش آب زیرزمینی باشـد . غلظـت کلراید در مقابل TDI آب چشمه های منطقه مورد مطالعه پراکندگی بدون الگویی را نشان می دهد (شکل (4 ولی افزایش ناهنجار غلظت کلراید در مقابل TDI برای بعضی از نمونه های چشمه گوگردی معدن و چشمه تونل ده دستگاه را می توان به تغذیه از لایه های ذغال سنگی سازند شمشک نسبت داد. عدم برابری غلظت هـای مولار کلر و سدیم آب چشمه تونل ده دسـتگاه و چشـمه گـوگردی معـدن نشـان دهنده وجود منشأهای متفاوت برای این دو یون میباشد. غلظـت سـدیم بـیش از غلظت کلر نشان دهنده تبادل یونی معکوس، و غلظت کلر بیش از غلظـت سـدیم نشان دهنده تبادل یونی عادی میباشد .(Alley, 1993) غلظت معادل کلراید در مقابل سدیم چشمه های استل کنار، تونل پیش، و کنیچ کلا نمایانگر تاثیر انحلال هالیت در افزایش غلظت این دو یون می باشد. فرآیند انحلال کلسیت در لایه های ماسه سنگی و کنگلومرایی بر روی تکامل هیدروژئوشیمیایی آب چشمه های کنیچ کلا، تونل پیش، تونل ده دستگاه، و گوگردی معدن موثر می باشد. چشـمه اسـتل کنار و مخزن مجاور پژوهشکده تا حدودی متاثر از انحلال دولومیت می باشند.
شکل .1 موقعیت منابع آب منطقه مورد مطالعه بر روی نقشه زمین شناسی :1) چشمه استل کنار، :2 چشمه گوگردی معدن، :3 چشمه تونل ده دستگاه، :4 چشمه تونل پیش، :5 مخزن پژوهشکده، :6 چشمه کنیچ کلا، W1 تا W4 چاه های آب شرب)
39
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
بهار 93، شماره × 11
جدول .1 نتایج سنجش هیدروشیمی نمونه های آب زیرزمینی زیرآب در دو دوره تیر و اسفند ماه 1385 (هدایت الکتریکی برحسب میکرو موهس بر سانتی متر، یون های عمده بر حسب meq/l، TDS و Fe بر حسب :1) (mg/l چشمه استل کنار، :2 چشمه گوگردی معدن، :3 چشمه تونل ده دستگاه، :4 چشمه تونل پیش، :5 مخزن مجاور پژوهشکده، :6 چشمه کنیچ کلا، W1 تا W4 چاه های آب و فاضلاب)
تیرماه 1385
ANIONS (meq/l) CATIONS (meq/l)
SO4 Cl HCO3 Fe K Na Mg Ca T TDS
0/06 1/3 4/1 0/03 0/15 0/3 3/3 2/3 9 235
0/8 1 10/2 0/15 0/22 3/2 4 4/6 16 510
0/04 1/2 8/8 0/07 0/22 2/2 3/4 4/7 19 445
0/09 0/8 7/1 0/24 0/04 0/6 2/9 4/2 12/5 368
0/19 1 3/8 0/02 0/1 0/3 2/7 2 22 205
0/03 1/2 5/4 0/06 0/04 1 2 3/8 12 295
4 0/1 5/9 0/09 0/1 3/6 3/5 3/1 12 704
3/9 0/2 5/7 0/07 0/2 3/7 3/3 2/8 12/5 672
4 0/1 6/2 0/13 0/15 3/5 3/8 3/4 12/7 630
3/9 0/1 6 0/27 0/14 3/8 3/6 3 13 641
اسفند ماه 1385
ANIONS (meq/l) CATIONS (meq/l)
SO4 Cl HCO3 Fe K Na Mg Ca T TDS
0/05 0/2 2/7 1/32 0/04 0/2 1/3 1/3 10/3 226
0/22 4/8 7 2/19 0/21 2/6 4/2 4/9 15/6 618
0/09 4/3 3/4 1/48 0/22 2/4 2/3 3/2 11/2 586
0/12× 1/7 3 1/24 0/14 0/9 1/5 2/2 11/6 369
0/2 0/2 2/1 0/01 0/04 0/1 1 1/2 6/1 194
0/06 1/3 3/4 1/20 0/1 1 1/1 2/9 9/5 233
2/5× 0/5 4/6 0/04 0/1 1/3 3/9 3 11/1 504
2/5 0/4 4/6 0/03 0/21 1 4/3 2/9 10/6 400
4 0/3 6/3 0/08 0/07 4 3/8 3/4 11/4 580
2/3 0/5 4/2 0/12 0/08 1/2 5/3 2/7 11/1 407
PH EC شماره
6/35 502× 1×
6/19 1086 2×
6/16 946 3×
6/08 784 4×
7/03 437 5×
6/95 627 6×
6/9 1100 W1
6/8 1050 W2
6/8 985 W3×
1/7 1001 W4×
PH EC شماره
6/2 347 1×
6/12 950 2×
6/26 902 3×
6/46 568 4×
6/8 298 5×
6/01 496 6×
6/9 767 W1
7/2 626 W2
6/8 906 W3
6/9 708 W4
40
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته بهار 93، شماره × 11
شکل .2 نمودار پایپر نمونه های آب زیرزمینی زیرآب در دو دوره تیر ماه و اسفند ماه :1) 1385 چشمه استل کنار، :2 چشمه گوگردی معدن، :3 چشمه تونل ده دستگاه، :4 چشمه تونل پیش، :5 مخزن مجاور پژوهشکده، :6 چشمه کنیچ کلا، W1 تا W4 چاه های آب شرب)
شکل .3 نمودار تغییرات زمانی هدایت الکتریکی (بر حسب میکروموهس بر سانتی متر) و کلراید (بر حسب میلی اکی والان بر لیتر) منابع آبی پارک علمی - تحقیقاتی دانشگاه شهید بهشتی - زیرآب
