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

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه زمین شناسی- دانشکده علوم پایه- دانشگاه گلستان

2 دانشیار زمین شناسی تکتونیک، دانشکده علوم، دانشگاه گلستان

3 گروه زمین شناسی - دانشکده علوم پایه- دانشگاه گلستان

4 گروه مرتع و آبخیزداری دانشگاه گنبد

10.48308/esrj.2026.240841.1291

چکیده

چکیده گسترده

مقدمه

فرونشست زمین به عنوان یکی از مخاطرات زمین شناسی است که منجر به فروریزش یا پایین رفتن سطح زمین می گردد. تغییر شکل های 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 می تواند متاثر از اثر فعالیت های انسانی مانند تونل سازی، استخراج مواد معدنی، استخراج آب های زیرزمینی و فعالیت گسل ها باشدکه سبب رخنمون های فراوان مورفولوژیکی در سطح زمین می شود (Sharifi Kia, 2012). در برخی از موارد فرونشست زمین در اثر برداشت ذخایر زیرزمینی و مواد با ارزش معدنی به وقوع می پیوندد. یکی از روشهایی که برای استخراج مواد معدنی عمیق استفاده می شود استخراج محلول های معدنی1 است. در صورتیکه ماده معدنی جامد و قابل حل در آب باشد با تزریق آب از طریق چاه های عمیق به لایه معدنی، ماده معدنی در آب حل شده و سپس پمپاژ و استخراج محلول معدنی از طریق چاه های بهره برداری، انجام می شود. در چرخه استخراج، عملیات تزریق آب از یک سو و استخراج مواد محلول در آب به صورت کنترل شده انجام می شود. کشورهای ایالات متحده آمریکا، قزاقستان، چین و ازبکستان از این روش برای استخراج پتاس معدنی استفاده می کنند. معدن پتاس بل پلین (Belle Plaine) که در کانادا واقع شده است، اولین و بزرگترین معدن محلول در جهان است (Mark et al, 2010).

در مورد شورابه های عمیق معدنی که حاوی عناصر ارزشمندی از قبیل ید و بروم هستند می توان 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 چاه های عمیق اقدام به بهره برداری از مواد معدنی می گردد. به منظور کاهش اثرات ناشی از فرونشست در چنین شرایطی بایستی پس از فرآوری و جدا سازی ماده معدنی، پساب حاصل از استخراج به لایه های عمیق تزریق شود. در حال حاضر استفاده از روش استخراج محلول معدنی در کشور ما و در شمال غرب استان گلستان انجام می گیرد. در شمال غرب استان گلستان و در نزدیکی شهر آق قلا عملیات بهره برداری از شورابه های ید دار در اعماق بیش از 1000 متری در حال انجام است و بهره برداری از ماده معدنی ید با استخراج شورابه های عمیق توسط بخش خصوصی از سال 1387 آغاز شده است و هدف از این پژوهش بررسی مقادیر عددی و پهنه بندی فرونشست زمین بر اثر استخراج شورابه های ید دار در محدوده مورد مطالعه می باشد.

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 اندازه گیری آن بدرستی میسر نیست. همچنین مقدار فرونشست معمولا خیلی کوچک و در منطقه ای با گستره یک تا چندین کیلومتری حادث می شود، چنین پهنه گسترده با فرونشست های خیلی کم نمی تواند از طریق روش هایی چون اکتشافات ژئوفیزیکی، امواج لرزه ای، امواج الکترومغناطیسی، مقاومت ویژه زمین و دیگر روش ها تحلیل شود. یکی از تکنولوژی های امید بخش ، رادار فرکانس بالا است. سنجش از دور با رادار فرکانس بالا می تواند عمق نفوذ و قدرت تفکیک مورد نیاز را برای تشخیص و شناسایی دقیق چنین تسهیلاتی فراهم کند (Klar A, et al. 2009).



مواد و روش ها

در پژوهش حاضر مساله فرونشست در شمال شهر آق قلا در شمال غرب استان گلستان با استفاده از ابزارهای سنجش از دور بررسی شده است. محدوده مورد مطالعه در فاصله 27 کیلومتری شهر آق قلا و در شمال غرب استان گلستان قرار دارد. در این محدوده برداشت از آبخوان های سطحی و آبخوان های عمیق به باعث بروز نشست هایی در سطح زمین شده است. بررسی چاه های حفر شده نشان می دهد که چاه های حفر شده توسط وزارت نیرو تا سنگ کف ادامه نیافته و حتی در دو مورد به سطح آب نیز برخوردی نداشته است ولی چاه های اکتشافی معادن ید و همچنین شرکت نفت تا سنگ کف ادامه یافته است. با نگاه کلی به ستونهای تهیه شده در چاه های اکتشافی و به عبارت دیگر چاه پیمایی انجام شده در محدوده مشخص می شود که از جنوب به شمال محدوده مورد مطالعه عمق سنگ کف کاهش می یابد و سطح ایستابی بالاتر می آید و همچنین از جنوب به شمال در جهت حفر چاههای اکتشافی ضخامت لایه ها به مراتب کاهش می یابد.

این منطقه از لحاظ زمین شناسی 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 متأثر از تاریخچه زمین ساختی و چینه شناسی این سه پهنه زمین ساختی است و به دلیل پوشش های آبرفتی و رخنمون ناچیز سازندها در منطقه مورد مطالعه از اطلاعات چاه های اکتشافی شرکت نفت و چاه های اکتشاف ید استفاده شده است.

در این پژوهش روش های تحلیل فرونشست شامل تداخل سنجی راداری و روش مدل سازی عددی است. تداخل سنجی راداری روشی برای ترکیب تصاویر سنتینل51 گرفته شده از سنجنده های راداری نصب شده بر روی هواپیما به منظور تهیه نقشه های ارتفاعی، جابه جایی و تغییرات سطح زمین و نیز تعیین سرعت حرکت هدف است. دو تصویر سنتینل1 پیش و پس از ایجاد جا به جایی از سطح زمین گرفته می شود. هرگونه جابه جایی در سطح زمین سبب تغییر در فاصله سنجنده می شود (Dong et al. 2018). تصاویر سنتینل1 به وسیله آژانس فضایی اروپا توسعه یافته است و تصویر برداری آن 1ز 14 فروردین 1392 آغاز شده و ماموریت آن 7 ساله در نظر گرفته شده است. این ماهواره از نوع خورشید آهنگ با ارتفاع مدار 693 کیلومتری بوده و در باند C با طول موج 5/55 میلی متری و با قدرت تفکیک زمانی 12 روز تصویر برداری می کند. مهمترین محصول سنتینل1 داده های تک منظر6 با قدرت تفکیک مکانی 20×5 متر می باشد (Rucci et al. 2012).

در این پژوهش علاوه بر پایش پدیده فرونشست با استفاده از تداخل سنجی راداری، از یک روش شبیه سازی عددی با نرم افزار Plaxis 3D برای درک بهتر مساله فرونشست و سازوکار تغییر شکل های مرتبط استفاده شده است. Plaxis 3D یک برنامه اجزای محدود8 سه بعدی است که اختصاصا جهت بررسی و محاسبه نشست پی های دور از ساحل طراحی شده است اما در نسخه 1/6 با اضافه شدن نشست تحکیمی این قابلیت را پیدا نمود تا نشست های حاصل از خروج آب و کم شدن سطح آب زیرزمینی را بررسی نماید. این برنامه ورودی های ساده را از کاربر دریافت می کند، گرافیک ساده را ترکیب می کند و به طور خودکار مدل های پیچیده اجزای محدود را با خروجی پیشرفته و انعطاف پذیری بالا ایجاد می نماید.





بحث و نتایج

برای مدل سازی رفتاری نشست با توجه به شرایط زمین شناسی لایه های سنگی و نتایج آزمایش های مکانیک سنگ از مدل رفتاری موهر کولمب MC استفاده شده است.

مدل الاستو پلاستیک موهر-کولمب شامل پنج پارامترهای ورودی، یعنی E مدول یانگ،ν ضریب پواسون برای کشش خاک، ϕ زاویه اصطماک داخلی و C چسبندگی برای شکل پذیری خاک و ψ را به عنوان زاویه اتساع می خواهد. مدل موهر-کولمب نشان دهنده یک معادله مرتبه اول تقریبی از رفتار خاک یا سنگ می باشد. توصیه می شود برای استفاده از این مدل برای تجزیه و تحلیل اولیه رفتار خاک استفاده شود و با مدل های دیگر مقایسه شود. برای هر لایه یک برآورد متوسط سختی ثابت می باشد و با توجه به این سختی ثابت، با محاسبات نسبتا سریع، یک برآورد اولیه تغییر شکل به دست می آید. علاوه بر پارامترهای مدل ذکر شده در بالا، شرایط خاک اولیه، مانند پیش تحکیمی، نقش مهمی در بسیاری از مشکلات تغییر شکل خاک بازی می کند. این روش ساده ترین روش برای محاسبه نشست تحکیمی خاک با ابتدایی ترین داده های موجود می باشد که از دقت قابل قبولی برخوردار است (Khosh Akhlagh, 2015) .

در پژوهش حاضر، میزان فرونشست زمین در اثر استخراج شورابه های عمیق به منظور تولید ید در شمال شرق شهر آق قلا - شمال استان گلستان با تلفیق رو شهای، تداخل سنجی راداری و مدل سازی عددی مورد بررسی قرار گرفت. شبیه سازی عددی با استفاده از نرم افزار Plaxis 3D انجام گرفت و مقادیر فرونشست احتمالی در صورت ادامه برداشت از شورابه‌های عمیق در محدوده مورد مطالعه پیش‌بینی شد. سپس نقشه‌های پهنه‌بندی فرونشست برای محدوده مورد مطالعه به کمک تصاویر راداری تهیه و مقادیر واقعی فرونشست محاسبه گردید. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی به همراه نقشه‌های پهنه‌بندی راداری توانست ارتباط مفهومی فرونشست و بهره برداری از شورابه ها را به صورت کمی در منطقه مورد مطالعه بطور واضح نشان دهد. با استفاده از داده های زمین شناسی منطقه و شبیه سازی عددی موهرکولمب، دامنه تغییرات فرونشست در محدوده مورد مطالعه بین صفر تا 9 سانتیمتر می باشد. اعداد فوق با مقدار نشست بدست آمده توسط عکسهای راداری همخوانی قابل قبولی را نشان می دهند.

پس از ایجاد مدل هندسی نشان داده شده ویژگی های 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 شده و در نهایت بیشترین مقدار ممکن برای فرونشست بر اثر برداشت در یک دوره یک ساله ۹ سانتیمتر پیش بینی می گردد. براساس تکنیک تداخل سنجی راداری مقادیر فرونشست در محدوده مورد مطالعه محاسبه شده است و مقدار فرونشست در محدوده بهره برداری حداکثر 0.135 متر معادل 13.5 سانتیمتر محاسبه شده است.











نتیجه گیری

بررسی دوره ای فرونشست در محدوده مورد مطالعه نشان می دهد که عوامل زمین شناسی و لیتولوژی سازندها نقش تعیین کننده ای در میزان فرونشست و تغییر شکل های سطحی دارد و ارزیابی دقیق فرونشست حساسیت زیادی به پارامترهای ژئومکانیکی سازندها دارد.

مقادیر محاسبه شده برای فرونشست براساس مدل سازی عددی و نقشه های سنجش از دور نسبتا به هم نزدیک است و این مساله نشان می دهد که پارامترهای مکانیکی و مدل رفتاری سازندها به واقعیت نزدیک است.

با توجه به تداوم بهره برداری در این محدوده و توسعه بهره برداری در سایر مناطق دشت و تجدید ناپذیر بودن آبخوان ژرف، روند افت سطح پیزومتریک در این مناطق ادامه دار و با افزایش بهره برداری تشدید خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical simulation and zoning of land subsidence caused by Solution Mining in the Northwest of Golestan Province

نویسندگان [English]

  • hosein bour 1
  • Aziz Rahimi 2
  • Mostafa Raghimi 3
  • M.G. Mahmoodlu 4
1 Dept. of Geology- Faculty of Sciences, Golestan University
2 Associated Professor, Faculty of Sciences, Golestan University
3 Dept. of Geology- Faculty of Sciences- Golestan University
4 Gonbad University
چکیده [English]

Introduction

Land subsidence is one of the geological hazards that leads to the collapse or lowering of the earth's surface. The deformations on the earth's surface are mostly in the vertical direction and displacement may also be observed in the horizontal direction. Subsidence can be affected by human activities such as tunneling, mineral production, groundwater extraction and fault activity, which cause abundant morphological outcrops on the earth's surface (Sharifikia, 2012). In some cases, land subsidence is caused by the extraction of underground reserves and valuable mineral materials. One of the methods used to produce useful minerals is mineral solutions. If the mineral is solid and soluble in water, the mineral is dissolved in water by injecting water through wells containing the mineral layer, and then pumping and extracting the mineral solution through the extraction wells is carried out. In the extraction cycle, water injection operations are carried out on the one hand and the production of water-soluble materials is carried out in a controlled manner. The United States, Kazakhstan, China, and Uzbekistan use this method to extract potash ore. The Belle Plaine Potash Mine, located in Canada, is the world's first and largest solution mine (Mark et al, 2010).

In the case of deep mineral brines that contain valuable elements such as iodine and bromine, the mineral solution extraction method can be used. In this case, due to the nature of the mineral, which is in the form of a mineral solution, the minerals are exploited by drilling deep wells. In order to reduce the effects of subsidence in such conditions, the wastewater from the extraction should be injected into deep layers after processing and separating the mineral. Currently, the mineral solution extraction method is used in our country and in the northwest of Golestan Province. In the northwest of Golestan Province and near the city of Aq Qala, the exploitation of iodized brines at depths of more than 1000 meters is underway, and the exploitation of iodine minerals by extracting deep brines by the private sector has begun since 2008. The purpose of this research is to investigate the numerical values and zoning of land subsidence due to the extraction of iodized brines in the study area.

Although subsidence has a relatively high frequency and sequence, it is often difficult to detect and measure accurately due to the very slow and shallow motion of the Earth. Also, the amount of subsidence is usually very small and occurs in an area of one to several kilometers. Such a large area with very little subsidence cannot be analyzed by methods such as geophysical surveys, seismic waves, electromagnetic waves, soil resistivity, and other methods. One promising technology is high-frequency radar. Remote sensing with high-frequency radar can provide the penetration depth and resolution required for accurate detection and identification of such facilities (Klar A, et al. 2009).

Materials and Methods

In the present study, the issue of subsidence in the north of Aq Qala city in the northwest of Golestan province has been investigated using remote sensing tools. The study area is located 27 kilometers from Aq Qala city and in the northwest of Golestan province. In this area, withdrawal from surface and deep aquifers has caused subsidence on the ground surface. An examination of the drilled wells shows that the wells drilled by the Ministry of Energy did not extend to the bedrock and in two cases did not even reach the water surface, but the exploration wells of iodine mines and the oil company continued to the bedrock. A general look at the columns prepared in the exploration wells, in other words, the well logging carried out in the area, shows that from the south to the north of the study area, the depth of the bedrock decreases and the water table becomes higher, and also from the south to the north in the direction of drilling the exploration wells, the thickness of the layers decreases significantly.

This area is geologically located on the border between three tectonic zones of the southern Caspian Basin, the southwestern part of the Kopeh Dagh folded belt, and the northern ridge of the eastern Alborz. The conditions of the study area are influenced by the tectonic history and stratigraphy of these three tectonic zones, and due to the alluvial covers and insignificant outcrops of formations in the study area, information from the exploration wells of the Oil Company and the iodine exploration wells was used.

In this study, the methods of subsidence analysis include radar interferometry and numerical modeling. Radar interferometry is a method for combining Sentinel 51 images taken from radar sensors mounted on aircraft in order to prepare elevation maps, displacements, and changes in the ground surface, as well as determine the speed of target movement. Two Sentinel 1 images are taken before and after the displacement of the ground surface. Any displacement in the ground surface causes a change in the sensor distance (Dong et al. 2018). Sentinel-1 imagery was developed by the European Space Agency and began imaging on 14 April 2013 and is expected to last 7 years. The satellite is a 693 km orbital satellite and images in the C-band at a wavelength of 5.55 mm and with a temporal resolution of 12 days. The most important product of Sentinel-1 is single-view data with a spatial resolution of 20 x 5 m (Rucci et al. 2012). In this study, in addition to monitoring the subsidence phenomenon using radar interferometry, a numerical simulation method using Plaxis 3D software was used to better understand the subsidence problem and the mechanism of related deformations. Plaxis 3D is a 3D finite element program that was specifically designed to investigate and calculate the settlement of offshore foundations, but in version 1.6, with the addition of consolidation settlement, it gained the ability to investigate settlements resulting from water withdrawal and groundwater level reduction. This program takes simple inputs from the user, combines simple graphics, and automatically creates complex finite element models with advanced output and high flexibility.

Discussion and Results

For modeling the settlement behavior, the Mohr-Coulomb MC behavioral model has been used according to the geological conditions of the rock layers and the results of rock mechanics tests. The Mohr-Coulomb elasto-plastic model requires five input parameters, namely E Young's modulus, ν Poisson's ratio for soil elasticity, ϕ internal shear angle, C cohesion for soil ductility, and ψ as the expansion angle. The Mohr-Coulomb model represents an approximate first-order equation of soil or rock behavior. It is recommended to use this model for initial analysis of soil behavior and compare it with other models. For each layer, an average stiffness estimate is constant, and given this constant stiffness, an initial estimate of deformation is obtained with relatively fast calculations. In addition to the model parameters mentioned above, initial soil conditions, such as preconsolidation, play an important role in many soil deformation problems. This method is the simplest method for calculating soil consolidation settlement with the most basic available data, which has acceptable accuracy (Khosh Akhlagh, 2015).

In the present study, the amount of land subsidence due to the extraction of deep brines for the production of iodine in the northeast of Aq Qala city - northern Golestan province was investigated by combining methods, radar interferometry and numerical modeling. Numerical simulation was performed using Plaxis 3D software and the possible subsidence values were predicted if extraction from deep brines continued in the study area. Then, subsidence zoning maps were prepared for the study area using radar images and the actual subsidence values were calculated. Comparing the results of the simulation with the radar zoning maps was able to clearly show the conceptual relationship between subsidence and the exploitation of brines quantitatively in the study area. Using geological data of the region and numerical simulation of Mohr-Coulomb, the range of subsidence changes in the study area is between 0 and 9 centimeters. The above numbers show acceptable agreement with the settlement value obtained by radar images.

After creating the shown geometric model, the mechanical and behavioral characteristics of the formations were defined based on the Mohr-Coulomb model and based on the daily pumping values from the well and the groundwater level, other requirements of the model were also considered and finally the maximum possible amount of subsidence due to extraction in a one-year period is predicted to be 9 centimeters. Based on the radar interferometry technique, the subsidence values in the study area have been calculated and the maximum subsidence value in the exploitation area has been calculated to be 0.135 meters, equivalent to 13.5 centimeters.

Conclusion

Periodic subsidence monitoring in the study area shows that geological and lithological factors of the formations play a decisive role in the rate of subsidence and surface deformations, and accurate assessment of subsidence is highly sensitive to the geomechanical parameters of the formations.

The calculated values for subsidence based on numerical modeling and remote sensing maps are relatively close to each other, indicating that the mechanical parameters and behavioral model of the formations are close to reality.

Given the continued exploitation in this area and the expansion of exploitation in other areas of the plain and the irrenewability of the deep aquifer, the trend of piezometric level decline in these areas will continue and intensify with increased exploitation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Subsidence
  • extraction
  • iodized brines
  • Plaxis 3D
  • numerical simulation
  • radar interferometry