شبیه سازی عددی و پهنه بندی فرونشست زمین ناشی از استخراج محلول های معدنی در شمال غرب استان گلستان

مقدمه فرونشست زمین به عنوان یکی از مخاطرات زمین­شناسی است که منجر به فروریزش یا پایین رفتن سطح زمین می­گردد. تغییر شکل­های بوجود آمده در سطح زمین غالبا در جهت عمودی است و به ندرت ممکن است در جهت افقی نیز جابه جایی هایی مشاهده گردد. فرونشست می­تواند متاثر از اثر فعالیت­های انسانی مانند تونل­سازی، استخراج مواد معدنی، استخراج آب­های زیرزمینی و فعالیت گسل­ها باشدکه سبب رخنمون­های فراوان مورفولوژیکی در سطح زمین می­شود (Sharifi Kia, ۲۰۱۲). در برخی از موارد فرونشست زمین در اثر برداشت ذخایر زیرزمینی و مواد با ارزش معدنی به وقوع می­پیوندد. یکی از روش­هایی که برای استخراج مواد معدنی عمیق استفاده می­شود استخراج محلول های معدنی است. در صورتیکه ماده معدنی جامد و قابل حل در آب باشد با تزریق آب از طریق چاه­های عمیق به لایه معدنی، ماده معدنی در آب حل شده و سپس پمپاژ و استخراج محلول معدنی از طریق چاه­های بهره­برداری، انجام می­شود. در چرخه استخراج، عملیات تزریق آب از یک سو و استخراج مواد محلول در آب به صورت کنترل شده انجام می­شود. کشورهای ایالات متحده آمریکا، قزاقستان، چین و ازبکستان از این روش برای استخراج پتاس معدنی استفاده می­کنند. معدن پتاس بل پلین (Belle Plaine) که در کانادا واقع شده است، اولین و بزرگترین معدن محلول در جهان است (Mark et al, ۲۰۱۰). در مورد شورابه­های عمیق معدنی که حاوی عناصر ارزشمندی از قبیل ید و بروم هستند می­توان از روش استخراج محلول معدنی بهره جست. در این حالت با توجه به طبیعت ماده معدنی که به صورت یک محلول معدنی است با حفاری چاه­های عمیق اقدام به بهره­برداری از مواد معدنی می­گردد. به منظور کاهش اثرات ناشی از فرونشست در چنین شرایطی بایستی پس از فرآوری و جدا­سازی ماده معدنی، پساب حاصل از استخراج به لایه­های عمیق تزریق شود. در حال حاضر استفاده از روش استخراج محلول معدنی در کشور ما و در شمال غرب استان گلستان انجام می­گیرد. در شمال غرب استان گلستان و در نزدیکی شهر آق قلا عملیات بهره­برداری از شورابه­های ید­دار در اعماق بیش از ۱۰۰۰ متری در حال انجام است و بهره­برداری از ماده معدنی ید با استخراج شورابه­های عمیق توسط بخش خصوصی از سال ۱۳۸۷ آغاز شده است و هدف از این پژوهش بررسی مقادیر عددی و پهنه­بندی فرونشست زمین بر اثر استخراج شورابه­های ید دار در محدوده مورد مطالعه می­باشد. هر چند رخداد پدیده فرونشست از فرکانس و توالی نسبتا زیادی برخوردار است، لیکن به واسطه حرکت بسیار کند و بطنی زمین در اغلب مواقع درک و اندازه­گیری آن بدرستی میسر نیست. همچنین مقدار فرونشست معمولا خیلی کوچک و در منطقه­ای با گستره یک تا چندین کیلومتری حادث می­شود، چنین پهنه گسترده با فرونشست­های خیلی کم نمی­تواند از طریق روش­هایی چون اکتشافات ژئوفیزیکی، امواج لرزه­ای، امواج الکترومغناطیسی، مقاومت ویژه زمین و دیگر روش­ها تحلیل شود. یکی از تکنولوژی­های امید بخش، رادار فرکانس بالا است. سنجش از دور با رادار فرکانس بالا می­تواند عمق نفوذ و قدرت تفکیک مورد نیاز را برای تشخیص و شناسایی دقیق چنین تسهیلاتی فراهم کند (Klar et al, ۲۰۰۹). مواد و روش­ها به منظور بررسی مساله فرونشست در شمال شهر آق قلا در شمال غرب استان گلستان در مرحله اول از ابزارهای سنجش از دور استفاده شده است. محدوده مورد مطالعه در فاصله ۲۷ کیلومتری شهر آق قلا و در شمال غرب استان گلستان قرار دارد. در این محدوده برداشت از آبخوان­های سطحی و آبخوان­های عمیق باعث بروز نشست­هایی در سطح زمین شده است. در ادامه با بررسی­های صورت گرفته بر روی چاه­های محدوده مورد مطالعه مشخص گردید که چاه­های حفر شده توسط وزارت نیرو تا سنگ کف ادامه نیافته و حتی در دو مورد به سطح آب نیز برخوردی نداشته است، ولی چاه­های اکتشافی معادن ید و همچنین چاه­های حفاری شده توسط شرکت نفت تا سنگ کف ادامه یافته است. با نگاه کلی به ستون­های زمین­شناسی تهیه شده در چاه­های اکتشافی و به عبارت دیگر چاه پیمایی انجام شده در محدوده مشخص می­شود که از جنوب به شمال محدوده مورد مطالعه عمق سنگ کف کاهش می­یابد و سطح ایستابی بالاتر می­آید و همچنین از جنوب به شمال در جهت حفر چاه­های اکتشافی ضخامت لایه­ها به مراتب کاهش می­یابد. این منطقه از لحاظ زمین­شناسی در مرز بین سه پهنه زمین ساختی حوضه خزر جنوبی، بخش جنوب غربی کمربند چین خورده کپه داغ و یال شمالی البرز شرقی واقع شده است. شرایط منطقه مورد مطالعه متاثر از تاریخچه زمین­ساختی و چینه­شناسی این سه پهنه زمین ساختی است و به دلیل پوشش­های آبرفتی و رخنمون ناچیز سازندها در منطقه مورد مطالعه از اطلاعات چاه­های اکتشافی شرکت نفت و چاه­های اکتشاف ید استفاده شده است. در این پژوهش علاوه بر پایش پدیده فرونشست با استفاده از تداخل سنجی راداری، از یک روش شبیه­سازی عددی با نرم افزار Plaxis ۳D برای درک بهتر مساله فرونشست و سازوکار تغییر شکل­های مرتبط استفاده شده است. Plaxis ۳D یک برنامه اجزای محدود سه بعدی است که اختصاصا جهت بررسی و محاسبه نشست پی­های دور از ساحل طراحی شده است اما در نسخه ۱/۶ با اضافه شدن نشست تحکیمی این قابلیت را پیدا نمود تا نشست­های حاصل از خروج آب و کم شدن سطح آب زیرزمینی را بررسی نماید. این برنامه ورودی­های ساده را از کاربر دریافت می­کند، گرافیک ساده را ترکیب می­کند و به طور خودکار مدل­های پیچیده اجزای محدود را با خروجی پیشرفته و انعطاف پذیری بالا ایجاد می­نماید. نتایج و بحث برای مدل­سازی رفتاری نشست با توجه به شرایط زمین­شناسی لایه­های سنگی و نتایج آزمایش­های مکانیک سنگ از مدل رفتاری موهر کولمب استفاده شده است. مدل الاستو پلاستیک موهر-کولمب شامل پنج پارامترهای ورودی، یعنی مدول یانگ، ضریب پواسون برای کشش خاک، زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی برای شکل­پذیری خاک و زاویه اتساع می­خواهد. مدل موهر-کولمب نشان دهنده یک معادله مرتبه اول تقریبی از رفتار خاک یا سنگ می­باشد. توصیه می­شود برای استفاده از این مدل برای تجزیه و تحلیل اولیه رفتار خاک استفاده شود و با مدل­های دیگر مقایسه شود. برای هر لایه یک برآورد متوسط سختی ثابت می­باشد و با توجه به این سختی ثابت، با محاسبات نسبتا سریع، یک برآورد اولیه تغییر شکل به دست می­آید. علاوه بر پارامترهای مدل ذکر شده در بالا، شرایط خاک اولیه، مانند پیش تحکیمی، نقش مهمی در بسیاری از مشکلات تغییر شکل خاک بازی می­کند. این روش ساده­ترین روش برای محاسبه نشست تحکیمی خاک با ابتدایی­ترین داده­های موجود می­باشد که از دقت قابل قبولی برخوردار است. مقایسه نتایج حاصل از شبیه­سازی به همراه نقشه های پهنه بندی راداری توانست ارتباط مفهومی فرونشست و بهره­برداری از شورابه­ها را به صورت کمی در منطقه مورد مطالعه بطور واضح نشان دهد. با استفاده از داده­های زمین­شناسی منطقه و شبیه­سازی عددی موهرکولمب، دامنه تغییرات فرونشست در محدوده مورد مطالعه بین صفر تا ۹ سانتیمتر می­باشد. اعداد فوق با مقدار نشست بدست آمده توسط عکس­های راداری همخوانی قابل قبولی را نشان می­دهند. با استفاده از اطلاعات زیرسطحی زمین­شناسی یک مدل هندسی از ساختار سازندهای منطقه تشکیل گردید و ویژگی­های مکانیکی و رفتاری سازندها بر اساس مدل مور- کولمب تعریف شد و بر اساس مقادیر پمپاژ روزانه از چاه و سطح آب زیر زمینی، سایر نیازمندی­های مدل نیز در نظر گرفته شد. در این مدل میزان نشست سازندها در اثر برداشت شورابه­ها در یک دوره یک ساله ۹ سانتیمتر محاسبه گردید و به منظور مقایسه نتایج مدل با مقادیر واقعی فرونشست، از تکنیک تداخل سنجی راداری استفاده شد و نقشه­های پهنه­بندی فرونشست تهیه گردید. مقدار فرونشست در محدوده بهره­برداری حداکثر ۱۳۵/۰ متر معادل ۵/۱۳ سانتیمتر محاسبه شده است که با مقدار نشست بدست آمده در مدل عددی اختلاف کمی دارد. همچنین در مورد نشست­های مشاهده شده در محدوده مورد مطالعه، تغییرات مقدار فرونشست تابعی از برداشت و تغذیه آبخوان­های کم عمق در سال­های آبی است و به همین دلیل در نقشه­های پهنه­بندی فرونشست، از لحاظ مکانی و زمانی شاهد مقادیر متفاوتی برای نشست­های محاسبه شده در سال­های مختلف آبی هستیم. نتیجه­گیری بررسی دوره­ای فرونشست در محدوده مورد مطالعه نشان می­دهد که عوامل زمین­شناسی و لیتولوژی سازندها نقش تعیین کننده­ای در میزان فرونشست و تغییر شکل­های سطحی دارد و ارزیابی دقیق فرونشست حساسیت زیادی به پارامترهای ژئومکانیکی سازندها دارد. مقادیر محاسبه شده برای فرونشست براساس مدل­سازی عددی و نقشه­های سنجش از دور نسبتا به هم نزدیک است و این مساله نشان می­دهد که پارامترهای مکانیکی و مدل رفتاری سازندها به واقعیت نزدیک است. با توجه به تداوم بهره­برداری در این محدوده و توسعه بهره­برداری در سایر مناطق دشت و تجدید ناپذیر بودن آبخوان ژرف، روند افت سطح پیزومتریک در این مناطق ادامه دار است و با افزایش بهره­برداری تشدید می­گردد.

کلیدواژه ها:

فرونشست ، استخراج ، شورابه های ید دار ، Plaxis ۳D ، شبیه سازی عددی ، تداخل سنجی راداری