تهیه مدل مفهومی و آشکارسازی منبع چشمه کارستی با تلفیق داده‌های ژئوفیزیکی و هیدروژئولوژی: مطالعه موردی چشمه کارستی روانسر

نوع مقاله : سایر مقالات

نویسندگان

1 دکتری تخصصی مهندسی معدن، دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

چکیده

منابع آب سطحی و زیرزمینی از ارکان اصلی توسعه پایدار، به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک، محسوب می‌شوند و بخش قابل‌توجهی از این منابع در سازندهای کربناته و محیط‌های کارستی ذخیره می‌شود. زون ساختاری زاگرس به دلیل ضخامت زیاد و گسترش وسیع سنگ‌های کربناته، یکی از مهم‌ترین نواحی کارستی ایران محسوب می‌شود و نقش اساسی در تأمین آب زیرزمینی دارد. چشمه کارستی روانسر در استان کرمانشاه، با منشأ سازند آهکی بیستون (کرتاسه)، از منابع آبی شاخص این منطقه است که توسعه آن به‌شدت تحت تأثیر گسل‌های اصلی با روندهای غالب N60W و N30E قرار دارد.
به‌منظور شناسایی و تصویرسازی حفرات زیرسطحی کارستی، از تلفیق روش‌های میکروگرانی و توموگرافی مقاومت ویژه الکتریکی استفاده شد. داده‌های گرانی‌سنجی در قالب حدود 1700 ایستگاه برداشت و آنومالی‌های منفی بوگه با دامنه‌ای در حدود 0.14- تا 0.17- میلی‌گال استخراج گردید که بیانگر حضور فضاهای خالی و کاهش چگالی در زیرسطح است. بر اساس نتایج مدلسازی، چگالی واحدهای کارستی نسبت به سنگ آهک سالم کاهش یافته و به مقادیر تقریبی 2.45 تا 2.55 گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌رسد.
در ادامه، دو پروفیل ژئوالکتریکی با آرایش‌های قطبی–دوقطبی و دوقطبی–دوقطبی طراحی و داده‌های مقاومت ویژه و قطبش القایی برداشت و با استفاده از الگوریتم‌های وارون‌سازی دوبعدی مبتنی بر روش حداقل مربعات پردازش شدند. نتایج نشان می‌دهد که نواحی کارستی و حفرات پرشده از آب دارای مقاومت ویژه پایین در بازه 30 تا 100 اهم‌متر بوده، در حالی‌که حفرات خشک و سنگ‌های آهکی سالم مقادیر مقاومت بالاتر از 800 تا 1500 اهم‌متر را نشان می‌دهند. ابعاد جانبی حفرات و فروچاله‌های شناسایی‌شده بین 20 تا 50 متر و عمق آن‌ها در برخی بخش‌ها بیش از 30 تا 60 متر برآورد می‌شود.
مقایسه مقاطع چگالی و مقاومت ویژه الکتریکی نشان می‌دهد که فضاهای خالی خشک با مقاومت الکتریکی بالا و کاهش چگالی همراه هستند، در حالی‌که حفرات پرشده از آب با مقاومت کمتر و کاهش نسبی چگالی مشخص می‌شوند. در نهایت، با تلفیق نتایج حاصل از دو روش ژئوفیزیکی و تطبیق آن‌ها با شواهد زمین‌شناسی و تکتونیکی، مدل زمین‌شناسی و مدل مفهومی کارست محدوده روانسر تهیه شد که گسترش جانبی و عمقی سیستم کارستی را تا عمق تقریبی 80 تا 120 متر نشان می‌دهد. نتایج این مطالعه کارایی بالای تلفیق روش‌های گرانی‌سنجی و ژئوالکتریک را در تفکیک نواحی کارستی از ساختارهای گسلی و شناسایی دقیق مسیرهای جریان آب زیرزمینی تأیید می‌کند.

کلیدواژه‌ها


احمدی ح، (1391) ،" کتاب ژئومرفولوژی کاربردی "، جلد 1، انتشارات دانشگاه تهران.
میرزایی ل. حفیظی م ک و ریاحی م ع،(1399) ،" اکتشاف آب‌زیرزمینی کارستی با استفاده از توموگرافی مقاومت‌ویژه الکتریکی و سنجش از دور، شمال شرق خوزستان"،مجله فیزیک زمین و فضا،دوره 46، شماره2،ص 264.
Abd El Aal, A. (2017). Identification and characterization of near surface cavities in Tuwaiq Mountain Limestone, Riyadh, KSA,“detection and treatment”. Egyptian Journal of Petroleum, 26(1), 215-223. https://doi.org/10.1016/j.ejpe.2016.04.004
Abu-Shariah, M. I. (2009). Determination of cave geometry by using a geoelectrical resistivity inverse model. Engineering Geology, 105(3-4), 239-244. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2009.02.006
Allis, R. G., & Hunt, T. M. (1986). Analysis of exploitation-induced gravity changes at Wairakei geothermal field. Geophysics, 51(8), 1647-1660.
Audra, P., Bini, A., Gabrovsek, F., Häuselmann, P., Hobléa, F., Jeannin, P.-Y., Kunaver, J., Monbaron, M., Sustersic, F., & Tognini, P. (2006). Cave genesis in the Alps between the Miocene and today: a review. Zeitschrift fur Geomorphologie NF, 50(2), 153-176. https://doi.org/10.1127/zfg/50/2006/153
Boulanger, O., & Chouteau, M. (2001). Constraints in 3D gravity inversion. Geophysical prospecting, 49(2), 265-280. https://doi.org/10.1046/j.1365-2478.2001.00254.x
Butler, D. K. (1984). Microgravimetric and gravity gradient techniques for detection of subsurface cavities. Geophysics, 49(7), 1084-1096. https://doi.org/10.1190/1.1441723
Cardarelli, E., Cercato, M., Cerreto, A., & Di Filippo, G. (2010). Electrical resistivity and seismic refraction tomography to detect buried cavities. Geophysical prospecting, 58(4), 685-695. https://doi.org/10.1111/j.1365-2478.2009.00854.x
Cardarelli, E., Di Filippo, G., & Tuccinardi, E. (2006). Electrical resistivity tomography to detect buried cavities in Rome: a case study. Near Surface Geophysics, 4(6), 387-392. https://doi.org/10.3997/1873-0604.2006012
Chasseriau, P., & Chouteau, M. (2003). 3D gravity inversion using a model of parameter covariance. Journal of Applied Geophysics, 52(1), 59-74. https://doi.org/10.1016/S0926-9851(02)00240-9
Chico, R. J. (1964). Detection of caves by gravimetry. International Journal of Speleology, 1(1), 11. https://doi.org/10.5038/1827-806X.1.1.11
De Giorgi, L., & Leucci, G. (2014). Detection of hazardous cavities below a road using combined geophysical methods. Surveys in Geophysics, 35, 1003-1021. https://doi.org/10.1007/s10712-013-9277-4
De Waele, J., Gutiérrez, F., Parise, M., & Plan, L. (2011). Geomorphology and natural hazards in karst areas: a review. Geomorphology, 134(1-2), 1-8. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2011.08.001
El-Qady, G., Hafez, M., Abdalla, M. A., & Ushijima, K. (2005). Imaging subsurface cavities using geoelectric tomography and ground-penetrating radar. Journal of cave and karst studies, 67(3), 174-181.
Ford, D., & Williams, P. D. (2007). Karst hydrogeology and geomorphology. John Wiley & Sons.
Fullagar, P., Pears, G., & Milkereit, B. (2007). Towards geologically realistic inversion. Proceedings of exploration,
Gambetta, M., Armadillo, E., Carmisciano, C., Stefanelli, P., Cocchi, L., & Tontini, F. C. (2011). Determining geophysical properties of a near-surface cave through integrated microgravity vertical gradient and electrical resistivity tomography measurements. Journal of cave and karst studies, 73(1), 11-15. https://doi.org/10.4311/jcks2009ex0091
Geravand, F., Hosseini, S. M., Maghsoudi, M., & Yamani, M. (2022). Quantitative and Qualitative Methods for the Characterization of Karst Springs (case study: Lorestan province, Zagros Mountain, Iran). https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1101538/v
Grant, F. S., & West, G. F. (1965). Interpretation theory in applied geophysics. McGraw-Hill Companies.
Guillen, A., Courrioux, G., Calcagno, P., Lane, R., Lees, T., & McInerney, P. (2004). Constrained gravity 3D litho-inversion applied to Broken Hill. ASEG Extended Abstracts, 2004(1), 1-6. https://doi.org/10.1071/ASEG2004ab057
Guo, L., Meng, X., Chen, Z., Li, S., & Zheng, Y. (2013). Preferential filtering for gravity anomaly separation. Computers & Geosciences, 51, 247-254. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2012.09.012
Hinze, W. J., Von Frese, R. R., Von Frese, R., & Saad, A. H. (2013). Gravity and magnetic exploration: Principles, practices, and applications. Cambridge University Press.
Jabrane, O., Martínez-Pagán, P., Martínez-Segura, M. A., Alcalá, F. J., El Azzab, D., Vásconez-Maza, M. D., & Charroud, M. (2023). Integration of electrical resistivity tomography and seismic refraction tomography to investigate subsiding sinkholes in Karst areas. Water, 15(12), 2192. https://doi.org/10.3390/w15122192
Li, Y., & Oldenburg, D. W. (1996). 3-D inversion of magnetic data. Geophysics, 61(2), 394-408. https://doi.org/10.1190/1.1443968
Martínez-Moreno, F., Galindo-Zaldívar, J., Pedrera, A., Teixido, T., Ruano, P., Peña, J., González-Castillo, L., Ruiz-Constán, A., López-Chicano, M., & Martín-Rosales, W. (2014). Integrated geophysical methods for studying the karst system of Gruta de las Maravillas (Aracena, Southwest Spain). Journal of Applied Geophysics, 107, 149-162. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2014.05.021
Metwaly, M., & AlFouzan, F. (2013). Application of 2-D geoelectrical resistivity tomography for subsurface cavity detection in the eastern part of Saudi Arabia. Geoscience Frontiers, 4(4), 469-476. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2012.12.005
Putiška, R., Nikolaj, M., Dostál, I., & Kušnirák, D. (2012). Determination of cavities using electrical resistivity tomography. Contributions to Geophysics and Geodesy, 42(2), 201-211. https://doi.org/10.2478/v10126-012-0018-3
Raghunath, H. M. (2006). Hydrology: principles, analysis and design. New Age International.
Taslim, I. (2018). Identification of Groundwater Karst Reservoir With 3D Cave Mapping And 2D Inversi Resistivity. EAGE-HAGI 1st Asia Pacific Meeting on Near Surface Geoscience and Engineering,
Van Zon, T., & Roy-Chowdhury, K. (2006). Structural inversion of gravity data using linear programming. Geophysics, 71(3), J41-J50. https://doi.org/10.1190/1.2197491
Yang, D., Yang, Y., & Xia, J. (2021). Hydrological cycle and water resources in a changing world: A review. Geography and Sustainability, 2(2), 115-122. https://doi.org/10.1016/j.geosus.2021.05.003
Yene Atangana, J. Q., Menanga Tokouet, R., Mbida Yem, L., Onana Enama, L., Ntyame Ella, M. O., & Ndjigui, P.-D. (2023). Electrical resistivity imaging and 3D geological modelling of the sedimentary architecture of the Sanaga floodplain (Cameroon, Central Africa). Acta Geophysica, 71(2), 735-755. https://doi.org/10.1007/s11600-022-00945-x
Zhdanov, M. S. (2002). Geophysical inverse theory and regularization problems (Vol. 36). Elsevier.