پهنه‌بندی شدت انحلال سنگ‌های کربناته در زاگرس جنوبی (مطالعة موردی: حوضة سیف‌آباد لاغر)

نوع مقاله: مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار ژئومورفولوژی، دانشگاه تهران

2 دانشجوی کارشناسی‌ارشد ژئومورفولوژی، دانشگاه تهران

3 دانشجوی کارشناسی‌ارشد اقلیم‌شناسی، دانشگاه تهران

4 دانشجوی دکتری، سنجش از دور و سامانة اطلاعات جغرافیایی دانشگاه تهران

چکیده

یکی از روش‌های بررسی‌های ژئومورفولوژی، تعیین میزان کارستی شدن و شدت فرسایش سنگ‌های کربناته است. در این پژوهش، با استفاده از نه متغیر سعی بر پهنه‌بندی شدت انحلال سنگ‌های کربناته در حوضة سیف‌آباد لاغر بوده است. داده‌های مورد نیاز از منابع مختلف نظیر سازمان هواشناسی، آب منطقه‌ای استان فارس، نقشه‌های زمین‌شناسی منطقه، و مدل ارتفاعی رقومی استخراج و لایه‌های لازم تهیه شد. همچنین، با استفاده از تابع گاما فازی با ضرایب مختلف تحت نرم‌افزار ArcGIS، نقشه‌های پهنه‌بندی شدت انحلال تهیه شد. برای ارزیابی، ضریب همبستگی خروجی‌ها با میزان یون کلسیم محلول در آب‌های زیرزمینی منطقه محاسبه شد که نشان‌دهندة ارتباط قوی ضریب گاما 4/0 با درون‌یابی یون کلسیم و تناسب این ضریب برای پهنه‌بندی شدت انحلال کارست است. به علاوه، حوضه دارای نرخ فرسایشی کم است و بیشینة شدت فرسایش انحلالی کارست در جنوب غربی منطقه و کمینة آن در شمال حوضه رخ می‌دهد. همچنین، بیشینة فرسایش انحلالی در سازندهای غیرکربناته بر نهشته‌های رسوبی پادگانه‌ای و در سازندهای کربناته بر گروه بنگستان انطباق دارد. کمترین میزان فرسایش در سازندهای کربناته در کنگلومرای بختیاری و در سازندهای کربناته در آهک آسماری و جهرم اندازه‌گیری شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Zonation of the Intensity of Carbonaceous Rocks in Southern Zagros (Case Study: Seif Abad-e-Laghar Basin)

نویسندگان [English]

  • Mehran Maghsoudi 1
  • Hanieh Akhavan 2
  • Mojtaba Mahdian Mahforouzi 3
  • Qadir Ashournejad 4
1 Associate Professor of geomorphology, Faculty of Geography, University of Tehran
2 MA Student in geomorphology, Faculty of Geography, University of Tehran
3 MA Student in climatology, Faculty of Geography, University of Tehran
4 MA Student in RS and GIS, Faculty of Geography, University of Tehran
چکیده [English]

Introduction
The Iran has vast areas of karst landforms due to the relatively high carbonaceous rocks deposited during different geologic eras. Karst landforms are noteworthy for investigation from many aspects. The primary importance of these regions is the considerable amount of underground water stored in karst formations. These reserves are favorable, both in quality and quantity, as natural resource for human. In addition to the studies performed to identify karstic regions of Iran, studying the geomorphologic aspect of karstic areas could be a noticeable contribution tothe studies related to underground water resources. In a total review, necessary and effective factors for karst formation and development are divided into chemical, physical and hydrological groups. Usually seven elements act together to form karstic landforms: precipitation, elevation, lithology, carbonate rock thickness, Carbon Dioxide pressure, temperature and Tectonics. Although all these elements would act as an independent factor, the dissolution of karst in the real world is mainly affected by two major factors: precipitation and temperature. It should be mentioned that when temperature is low, precipitation variation has little effect on karst dissolution rates, but, when temperature rises to 16–20°C, karst dissolution rates rise quickly as precipitation increases. Since the carbonate rocks are solvent to acids, and since the temperature and precipitation cause the formation of Carbonic Acid by solving CO2 into precipitation water, the two mentioned factors highly control the karst Process. Furthermore, the karst dissolution is a function of water and temperatureand any factor that could increase the contact between karstic lands and water- such as drainage network, faults, and etc- may also increase karst dissolution. Therefore, in this research, the authors have tried to make a zonation of the mentioned basin for karst dissolution suitability using Fuzzy Gamma coefficient.
 
Materials and Methods
A) Study area
The study area of the research is Seif Abad-e-Laghar which is located between northern latitudes of 27ᵒ50’ and 28ᵒ06 and eastern longitudes of 52ᵒ51 and 53ᵒ16. Seif Abad is a sub-basin of the Mond great basin located in the Kazeroun County. The area has an area of 1244.82 square kilometers and a perimeter of 192.2 kilometers. The average precipitation of the basin is 298.5 millimeters and the average temperature is 22.7 C° degrees. There are 12 wells to measure the quality and quantity of underground water in the study area.
B) Materials
In order to perform the study, after reviewing previous studies, 9 parameters were selected as final variables: precipitation, temperature, sinkhole density, distance from sinkholes, drainage network density, distance from streams, faults density, distance from faults, and slope. To achieve these variables, data were gathered from different sources: climatic data were obtained from Iran meteorology organization, hydrology data were obtained from Iran Water Company and Fars Province’s regional water. Physiological data were also extracted from the Digital Elevation Model (DEM) of the region. Then, data were entered into ArcGIS 9.3 to produce the variables using spatial analysis functions and ArcHydro tools.
In order to combine the variables, the Fuzzy Gamma was employed. Based on Fuzzy sets theory, a fuzzy set is a set in which the amount of membership for each factor is between zero and one. The membership degree is determined using experts’ ideas. Then, the fuzzy combination functions are used. Five functions of fuzzy subscription, fuzzy community, fuzzy multiplication, and fuzzy sum are used to combine the factor sets. In this research, various Gamma coefficients were used to make zonation of the intensity of karst dissolution. To choose the most appropriate gamma coefficient for such mean, a correlation coefficient between each layer derived from gamma estimation and interpolated Calcium ion layer (as a factor of dissolved carbonate). The coefficients showed that the highest correlation exists between gamma 0.4 and the calcium ion interpolated layer. Hence, the gamma 0.4 was employed to calculate the final zonation map.
Results and Discussion
After converting the factors into fuzzy layers and applying the gamma 0.4 and combining the data, the final map was calculated and drawn. Then, the final map was divided into 5 classes of very low, low, moderate, high, and very high. It was based on standard deviation. The results showed that the basin is in a low dissolution rate. The spatial distribution of karst dissolution is also heterogeneous. According to the relative homogeneity of precipitation, temperature, drainage density and distance from streams in the basin, these factors do not seem to be as much effective as other factors. Elaborately, regions with high karst dissolution are mainly coincident with the areas with high sinkhole and fault density, and low slope. Generally, the main direction of regions with high and low dissolution is fubction of the general elevation and topography in northwestern- southeastern direction. In a geological view, the area with maximum dissolution rate is located on the terrace deposits. A part of the second erosion area is also located on the terrace deposits and the other part is located on the Bangestan. Studying the area of each dissolution class shows that more than 80 percent of the basin’s area is in very low and low classes and only 2.82 and 3.93 percent of the basin is in very high and high dissolution classes, respectively. Therefore, it could be concluded that the basin has a low dissolution of carbonate rocks. Thismight be due to the low precipitation rate over the basin.
Conclusion
The dissolution of carbonate rocks seems to be significantly dependent upon precipitation rate and temperature. However, it is also affected by some other variables such as the purity, thickness, and the age of the carbonate rocks, which are not studied in this paper. In this research, it was revealed that the gamma 0.4 coefficient works the best in predicting and interpolating the carbonate rocks dissolution rate.The minimum and maximum dissolution areas are located respectively in north and southwest of the basin. Besides, the maximum dissolution in non-carbonaceous and carbonaceous rocks occurs in terrace deposits and Bangestan group, respectively. Furthermore, the minimum dissolution rate was estimated in Bakhtiari Conglomerate (non-carbonaceous) and Asmari and Jahrum Formations (carbonaceous).

کلیدواژه‌ها [English]

  • fuzzy Gamma
  • karst dissolution
  • limestone
  • Seif Abad-e- Laghar Basin

-         افراسیابیان و همکاران ، (1373). فرهنگچندزبانهواژههایکارست. وزارت نیرو – تماب، سازمان تحقیقات منابع آب.

-         پوراحمد، ا.، حبیبی، ک.، محمد زهرایی، س.، نظری عدلی، س. (1386). استفاده از الگوریتمهای فازی و GIS برای مکانیابی تجهیزات شهری (مطالعة موردی: محل دفن زبالة شهر بابلسر). محیط‌شناسی، شمارة 42، 31-42.

-         ثقفیان، ب.، رزمخواه، ﻫ.، قرمز چشمه، ب. (1390). بررسیتغییراتمنطقه‌ایبارشسالانهبا کاربردروش‌هایزمین‌آمار (مطالعةموردی: استانفارس). مهندسی منابع آب، سال چهارم، تابستان، 29-38.

-         حسینی، ﻫ.، کرم، ا.، صفاری، ا.، قنواتی، ع. (1390). ارزیابی و مکان‎یابی جهات توسعة فیزیکی شهر با استفاده از مدل منطق فازی (مطالعة موردی: شهر دیواندره). تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، جلد 20، شمارة 23، زمستان، 63- 83.

-         جعفربیگلو، م.، مقیمی، ا.، صفری، ف. (1390). استفاده از DEM در تحلیل مورفوتکتونیک فروچاله‌های کارستی تودة پرآو- بیستون. جغرافیا و برنامه‌ریزی محیطی، سال 22، شمارة پیاپی 44 ، شمارة 4، زمستان، 1-18.

-         رضازاده ورقچی، ف.، خاشعی‌سیوکی، ع.، شجاعی سیوکی، ح. (1389). بررسیآلودگیآب‌هایزیرزمینیدشتمشهد بهمنظورارزیابیشاخص‌هایآبشرببا استفادهازسیستماطلاعاتجغرافیایی. نخستین کنفرانس پژوهش‌های کاربردی منابع آب ایران، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، اردیبهشت، 1-15.

-         رضایی، م.، نخعی، م. (1387). نحوة تشکیل غار کتله‌خور در استان زنجان. زمین‌شناسی ایران، سال 2، شمارة 6، 11-19.

-         شاد، ر، عبادی، ح.، مسگری‌سعدی، م.، وفائی‎نژاد، ع. (1388). طراحی و اجرای GIS کاربردی جهت مکانیابی شهرکهای صنعتی با استفاده از مدلهای فازی، وزنهای نشانگر و ژنتیک، دانشکدة فنی، شمارة 43، 547-559.

-         شعبانی، م. (1390). ارزیابیروش‌هایزمین‌آماریدرتهیةنقشه‌هایکیفیآب‌هایزیرزمینیو پهنه‌بندیآن‌ها (مطالعةموردی:دشتنی‌ریز،استانفارس). جغرافیای طبیعی لار، سال 4، شمارة 13، پاییز، 83-96.

-         طاهری، ک. (1384). گزارشعملکردسالیانةدفترمطالعاتوتحقیقاتکارستغربکشور. شرکت آب منطقه ‌ی کرمانشاه، معاونت مطالعات پایة منابع آب، آرشیو داخلی، 30-45.

-         علایی طالقانی، م. (1383). توزیعفضاییسنگ‌هایکارستیدرایران، معاونت پژوهشی دانشگاه رازی.

-         علایی طالقانی، م.، رحیم‌زاده، ز. (1389). بررسی تحول کارست در منطقة زاگرس. نخستین کنفرانس پژوهش‌های کاربردی منابع آب ایران، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، اردیبهشت، 329-340.

-         فرهودی، ر. (1373). رابطةتکتونیکوکارست‌هایمنطقةایجاستهبان. تهران، دانشگاه صنعت آب و برق شهید عباسپور، مجموعه مقالات، 279-283.

-         قبادی، م.ح.، عبدی‌لر، ی.، محبی، ی. (1390). اهمیت شناختخصوصیاتژئومورفولوژیکی،سنگ‌شناسیوفیزیکی سنگ‌هایکربناته، زمین‌شناسی کاربردی، دانشگاه آزاد زاهدان، سال 7، شمارة 4، 299-310.

-         لاله زاری، ر.، طباطبایی،ح.، یارعلی، ن. (1388). بررسیتغییراتماهانةنیتراتدرآبزیرزمینیدشتشهرکردوپهنه‌بندیبااستفادهازسیستم اطلاعاتجغرافیایی. پژوهش آب ایران، سال 3، شمارة 4، بهار و تابستان، 9-17.

-         مقصودی، م.، حاجی‌‌ملکی، صفری، ف.، چهارراهی، ذ. (1388). بررسیتوسعةکارستدرتودةپرآو بیستونبااستفادهازضرایبفرود، زمانمرگچشمه‌هاوتحلیلنتایجایزوتوپیوشیمیایی. پژوهش‌های جغرافیای طبیعی، شمارة 69، پاییز 1388، 51-65.

-         ملکی، ا. (1388). شناسایی مناطق مساعد آلودگی آب‌های زیرزمینی به کمک پهنه‌بندی کارست با GIS (مطالعة موردی استان کرمانشاه). علوم زمین، تابستان، سال 18، شمارة 72، 25-32.

-         ملکی، ا.، شوهانی، د.، علایی طالقانی، م. (1388). پهنه‌بندی تحول کارست در استان کرمانشاه، مدرس علوم انسانی، بهار 1388، شمارة 60، 296-271.

-         ولایتی، س.، خانعلی‌زاده، ف. (1390). بررسی رابطة ساختارهای تکتونیک و اشکال کارستی در حوضة آبریز کارده، جغرافیا، دورة جدید، سال 9، شمارة 31، 171-189.

 

-          Cao, J.H., Yuan, D.X. et al. (2005). Karst ecosystem of southwest China constrained by geological setting, Geology Press, Beijing, 98- 116.

-          Heather, A.V. (2003). Conceptual modeling of the impacts of climate change on karst geomorphology in the UK and Ireland, Journal for Nature Conservation, Vol. 11, No 1, 59-66.

-          INkpen, R., Viles, H., Moses C., Baily B. (2012). Modelling the impact of changing atmospheric pollution levels on limestone erosion rates in central London, 1980–2010, Atmospheric Environment, Vol. 61, 476-481.

-          KLimchouk, A.B. (2013). Evolution of intrastratal karst and caves in gypsum, Treatise on Geomorphology, Vol. 6, 438-450.

-          KRanjc A. ( 2013). Classification of closed depressions in carbonate karst, Treatise on Geomorphology, Vol. 6, 104-111.

-          MAtsushi, Y., Sasa, K., Takahashi, T., Sueki, K., Nagashima, Y., Matsukura, Y. (2010). Denudation rates of carbonate pinnacles in Japanese karst areas: Estimates from cosmogenic 36Cl in calcite, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Vol. 268, No 7–8, 1205-1208.

-          Mull, D.S. et al. (1988). Application of dye – tracing techniques for determining solute transport characteristics of Groundwater in Karst terrains.

-          Panno, S.V., Hackley K.C., Hwang H.H., Kelly W.R. (2001). Determination of the sources of nitrate contamination in karst springs using isotopic and chemical indicators, Chemical Geology, Vol. 179, No. 1–4, 113-128.

-          Plan, L. (2005). Factors controlling carbonate dissolution rates quantified in a field test in the Austrian alps, Geomorphology, Vol. 68, No. 3–4, 201-212.

-          Quinlan, J. (1989)., Groundwater monitoring in Karst terrains, EPA. 600/ x

-          Selby, M.J. (1985). Earth changing surface: an introduction to geomorphology, Clarnbon press: Oxford.

-          Stone, J., Allan, G.L., Fifield, L.K., Evans, J.M., Chivas, A.R. (1994). Limestone erosion measurements with cosmogenic chlorine-36 in calcite — preliminary results from Australia, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Vol. 92, No. 1–4, 311-316.

-          White, W.B. (1988). Geomorphology and Hydrology of Karst, Oxford University press.

-          Xiong, Y. J., Qiu, G.Y., Mo, D.K., Lin, H., Sun, H, Wang, Q.X., Zhao, S.H. Yin, J. (2009). Rocky desertification and its causes in karst areas: a case study in Yongshun County, Hunan Province, China, Environmental Geology, June, Vol. 57, No.7, 1481-1488.