محاسبه میزان نرخ فرسایش کارستی با استفاده از تکنیک های تجربی و آزمایشگاهی در حوضه آبریز کلات در شمال شرق ایران

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری ژئومورفولوژی ، دانشگاه حکیم سبزواری

2 دانشیار ژئومورفولوژی ، دانشگاه حکیم سبزواری

3 دانشیار ژئومورفولوژی ، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مشهد

4 ‌استادیار زمین شناسی ،‌ دانشگاه آزاد اسلامی واحد مشهد

چکیده

این پژوهش مبتنی بر تفسیر نقشه توپوگرافی 50000/1کلات، ‌نقشه زمین شناسی100000/1 کلات، تصاویر ماهواره ای لندست و نرم افزارGIS و مطالعات میدانی و آزمایشگاهی اشکال و فرایندهای ژئومورفیک کارست است که به منظور نمونه برداری و آنالیز آزمایشگاهی نمونه ها ازقبیل تعیین چگالی و قابلیت نفوذسنگ و سختی آب انجام شد. برای تعیین نرخ فرسایش کارستی از مدلهای سوئیتینگ، کوربل، ژیونگ، بررسی وزنی و روش اندازه گیری co2استفاده شد و از روشICP و دستگاه کلسیمتر برنارد جهت کلسیمتری سازندها استفاده گردید. نتایج پژوهش نشان داد که نرخ فرسایش سالیانه کارست با فرمول کوربل عدد 66/23، با فرمول سوئیتینگ عدد 92/12، با مدل ژیونگ عدد 20 مترمکعب در کیلومترمربع، با روش بررسی وزنی عدد 3/56 و روش اندازه گیری co2 عدد 448 سانتی مترمکعب را نشان داد. نتایج حاصل از تکنیک کلسیمتری ICP نشان داد که در بین چهار سازند مورد بررسی در ICP تیرگان، مزدوران، شوریجه و‌ سرچشمه، به ترتیب تیرگان با 43/38 درصد کلسیم، مزدوران2 با 43/38 درصد، ‌سرچشمه با 39/38 و شوریجه با 7 درصد به ترتیب بالاترین میزان خصوص آهک را در حوضه داشتند. با استفاده از روش کلسیمتر برنارد عدد به دست آمده 3/36 را نشان داد. بعد از محاسبه فرمولهای تجربی و ریاضی در حوضه کوهستانی کلات به این نتیجه رسیدیم که از بین مدلهای مذکور در حوضه مورد مطالعه به دلیل وضعیت نیمه تکاملی کارست، مدل کوربل کارآیی نسبی مطلوبتری را نشان می دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Calculating the rate of erosion of karst using Empirical and laboratory techniques in Kalat watershed, northeast of Iran

نویسندگان [English]

  • mohsen rezaei arefi 1
  • Mohamad Ali Zangane Asadi 2
  • aboalfazlalfazl behniyafar 3
  • Mohammad Javanbakht 4
1 Mohsen Rezaei Arefi, PhD student of geomorphology, University of Mashhad, Sabzevar, Sabzevar, Iran
2 Associate Professor of Geomorphology, University of Hakim sabzevari
3 , Associate Professor of Geomorphology, Islamic Azad University, Mashhad
4 Assistant Professor of Geology, Islamic Azad University, Mashhad
چکیده [English]

Introduction

order of The rate of corrosion The erosion of karstic dissolution is the amount of corrosivity that occurs in carbonate rock and may occur at the level or in deep sections of the karstic mass (inside the gaps) . Karstic erosion is one of the major issues in hydrogeomorphology, which evaluates the degree of dissolution of carbonate formations on the surface of the interfaces. The purpose of this study is to calculate the rate of erosion karsticity using field and laboratory methods to obtain the results of this research in environmental planning .
Methodology
In this research topographic maps of 1: 50000 basins were used and 1: 100000 maps of geology were used. We then digitized using the ARC GIS software and prepared layers and maps. The method used in this research is Empirical and laboratory. After field studies and sampling of karst and rivers, we are preparing the required data to estimate the dissolution and erosion of karsticity in the experimental models of Swinging, Corbel, Xiong And also laboratory techniques such as water hardness analysis (TDS), isometry (EC), rock density, calcic acid analysis using ICP method and Bernard calcium in the studied basin. Also, using the weighting methods for lime percentage and also the method of studying the Co2 content, the amount of gas produced was obtained.The study area is Kalat mountain basin in Kopet Dagh Zone, located in the mountaind of the Hezar masjed and northeastern parts of the country
Results and discussion
Empirical techniques and formulas to calculate the Karst erosion rate in the studied basin:
1. Corbel equation
One of the most suitable equations for determining the rate of erosion dissolution is the Corbel Equation, which is presented as follows:
X = 4ET / 100 = 4 × ./7 × 845/100 = 23.66
2. Sweeting equation
Various calculations have been made to determine the level of lowering the level of karst through dissolution. These calculations, without considering the deep dissolution and the presence of organic acids (that is, according to Dalton's artistic law on gas adsorption), is one of the most commonly used ones (Chorley, 2007, p. 215). (Swinging, 1972):
X=FQTN/(〖10〗^12×AD)=12.92
3. Xiong equation
Gyeong et al. (1482: 2009) presented the equations for the Karst dissolution in nature, introduced by Cao (101: 2005). In which the average annual temperature is 16.49%, the erosion rate is 20 cubic meters per square meter. According to their findings, when the air temperature is low, rainfall variations have little effect on the rate of dissolution, but when the temperature reaches 16 to 20 ° C, with the increase in precipitation, the rate of dissolution of the karst increases rapidly. Gyeong equation 4. 20 × 168.37 = 20
The results of the Gyeong model show that in the studied basin, this model is not relatively efficient.
laboratory techniques and formulas to calculate the Karst erosion rate in the studied basin:
1.Measurement of lime in sediment by calcicometric (volumetric) method with Bernard calcium Calcite calcite percentage was determined in calcium test based on the following equation (Zanganeh Asadi, 41: 1395).
1.K = V * 100 / N * 224 .
The average amount of lime purity and calcite content calculated from the samples of the four formations tested was 36.3%.

2.ICP method (analytical inductive coupled plasma):
The results of ICP calcification technique showed that among the four formations investigated, ICP Tirgan, Mozduran, Shurijeh and Sarcheshmeh were Tirgan with 38.43% calcium, Mozduran 2 with 38.43%, Sarcheshmeh with 38.38% and Shurijeh with 7% had the highest lime content in the basin, respectively .

3. Water hardness and density of rock basin
To determine the degree of difficulty of the water sample of the basin, the following relationship is used:

TDS = 0.64 * EC = 0.64 × 1320 = 844.8

To determine the density of the limestone sample, we measured the volume and weight of the sample with a precision laboratory scale, which was 35.18 grams and 22 cubic centimeters, and a density of 1.60 grams per cubic meter.
4. Measure the amount of co2 in the rock
According to the measurements of the amount of co2 in stone samples using a Bernard calcium device, the amount of carbon dioxide or carbon dioxide in the rock samples is 448 cubic centimeters.
5. Weighing test method
According to this experiment in Kalat Formation in sedimentology laboratory, the amount of lime is 56.3%.

Conclusion
To conduct hydrochemical and geochemical experiments, water samples from the surface of the basin were tested for hardness and electrical conductivity. In order to conduct geochemical experiments in basin rocks, 4 rock samples were selected from calcareous formations of the basin including Tirgan, Mozdaran 2, Kalat and Shurijeh. Geological map was marked. In order to achieve our goals, we performed 4 rock samples in Mashhad Azad University Azad University, using ICP, calcium, weighing methods and Co2 measurement method, which average, 38.5, 36.3, 56.3 and 448, respectively The cubic centimeters were obtained with the mathematical and experimental formulas of the corbel, switching and Xiong, the annual dissolution rate of limestone formations of the basin was obtained that With the mathematical and experimental formulas of the Corbel, Swinging and Xiong, the annual formation dissolution rate of the basin was estimated to be 23.66, 12.92 and 20 cubic meters per square meter, which seems Corbel method to be more effective in the studied area.

Key words: Karstic erosion, Sweeting model, Corbel model, Xiong model, ICP method, laboratory techniques

کلیدواژه‌ها [English]

  • Karstic erosion
  • Sweeting
  • Corbel
  • Xiong
  • ICP
  • آدابی ، ‌محمد حسین ، 1390 ، ژئوشیمی رسوبی ، انتشارات آرین زمین ، چاپ دوم.
  • افراسبیان، احمد، 1373، اهمیت مطالعات و تحقیقات منابع کارست در ایران، مجموعه مقالات دومین همایش جهانی آب در سازندهای کارستی ، کرمانشاه-تهران
  • بهنیافر، ابوالفضل، قنبرزاده، هادی ،1395، ژئومورفولوژی کارست، مشهد، انتشارات نگاران سبز.
  • بهنیافر ،ابوالفضل ، قنبرزاده ، هادی ،‌فرزانه ، عباسعلی،1388، ویژگیهای ژئومورفیک توده ی کارستی اخلمد در دامنه های شمالی ارتفاعات بینالود، زاهدان، مجله جغرافیا و توسعه، شماره 14، صص 140-121.
  • بهرامی،‌ شهرام، زنگنه اسدی، محمد علی، جهانفر، علی،1395، ارزیابی توسعه کارست با استفاده از ویژگیهای هیدرودینامیکی و هیدروژئوشیمیایی چشمه های کارستی در زاگرس (منطقه مورد مطالعه : تاقدیس قلاجه و توده پراو بیستون) ،‌ مجله جغرافیا و توسعه ، ‌شماره 3 ،‌ صص 74-61 .
  • خانلری، غلامرضا و مؤمنی، علی اکبر ،1391، ژئومورفولوژی ،‌ هیدروژئولوژی و مطالعه فاکتورهای مؤثر بر توسعه کارست در منطقه گرین ، غرب ایران ، جغرافیا و آمایش شهری منطقه ای ، ‌شماره 3 ، صص 74-61 .
  • خضری ، سعید ، شهابی ، هیمن و محمدی ، سارا ،1396، ارزیابی و پهنه بندی تحول کارست حوضه آبریز غار سهولان مهاباد با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی ، مجله پژوهشهای ژئومورفولوژی کمی ، شماره 1 ، صص 39-21 .
  • خوش رفتار، رضا. سرور،‌ جلیل الدین و فرید مجتهدی، نیما،1395، بررسی اشکال کارستی در توده کوهستانی برفک گیلان، فصلنامه علمی پژوهشی فضای جغرافیایی، شماره 53 ، صص56-39.
  • چورلی ،ریچارد جی، ای شوم، استانلی، ای سودن، دیوید، ترجمه احمد معتمد،1386، ژئومورفولوژی جلد دوم(زمین شناسی )، انتشارات سمت، ص204.
  • زنگنه اسدی، محمدعلی. غیور، حسنعلی. رامشت،‌ محمدحسین و ولایتی،‌ سعداله،1381، چشم اندازهای کارستی اخلمد و مدیریت محیطی آن، تهران، مجله پژوهشهای جغرافیایی، شماره 42، صص 101-87.
  • زنگنه اسدی، محمد علی، شفیعی، نجمه، کولیوند، تیمور،1396، ارزیابی میزان فرسایش کارستی در حوضه آهکی فهلیان فارس، پنجمین همایش ملی انجمن ایرانی ژئومورفولوژی، ص 217.
  • عشقی،ابوالفضل،ثروتی، محمدرضا،1383، ویژگیهای ژئومورفولوژی مناظر کارستی در حوضه آبریز کارده، پژوهشهای جغرافیایی، شماره 8 ، صص 15-1.
  • مقیمی،ابراهیم، محمودی، فرج ا....،1383، روش تحقیق در جغرافیای طبیعی،‌انتشارات قومس، تهران.
  • مقصودی، مهران، اخوان، هانیه، مهدیان ماهفروزی، مجتبی، عشور نژاد،غدیر،1394، پهنه بندی شدت انحلال سنگ­های کربناته در زاگرس جنوبی(مطالعه موردی: حوضه سیف آباد لاغر)، پژوهش های جغرافیای طبیعی، دوره 47، شماره 1، ص105-124.
  • میرعلایی موردی، ‌مهدی، میراب شبستری، ‌غلامرضا، اعتباری، ‌بهروز و هیهات، ‌محمود رضا،1392،معرفی ژئومورفولوژی کارستی سنگهای کربناته منطقه آهنگران(شمال شرق بیرجند)، جغرافیاوآمایششهری–منطقه ای،شماره 8 ، صص 130-115.
  • ملکی، امجد، شوهانی، داوود،‌ علایی طالقانی،‌ محمود،1388، پهنه بندی تحول کارست در استان کرمانشاه، برنامه ریزی و آمایش فضا، مدرس علوم انسانی، شماره 13، ‌صص 271-259.
  • ملکی،امجد،محمدی ، سارا،کریمی ، حاجی،زینتی زاده ، علی اکبر،1397،ارزیابی توسعه کارست با استفاده از ویژگیهای هیدروژئوشیمیایی چشمه های کارستی در آبخوانهای شاهو و اسلام آباد استان کرمانشاه ،مجله پژوهشهای ژئومورفولوژی کمی ، سال ششم ، شماره 4.
  • یمانی، مجتبی،1394، راهنمای عملی تکنیکهای میدانی و آزمایشگاهی، دانشگاه تهران.
  • ولایتی، سعداله ، خانعلی زاده، فریده،1390، بررسی رابطه ساختارهای تکتونیک و اشکال کارستی، مطالعه موردی حوضه آبریز کارده، مجله جغرافیا،‌شماره 31، صص189-171.
  • ولایتی، سعداله. زنگنه اسدی، محمدعلی،1382، حوضه کارستی اخلمد، نمادی از تکامل ژئومورفیک کارست، مشهد، مجله جغرافیا و توسعه ناحیه ای صص 146-123.
    • Cao, J.H., Yuan, D.X. et al. (2005). Karst ecosystem of southwest China constrained by geological setting, Geology.
    • Mull, D.S. et al. (1988). Application of dye – tracing techniques for determining solute transport characteristics of Groundwater in Karst terrains.
    • Ford,  D.,  &  Williams,  P.  D.  (2007).  Karst  hydrogeology  and geomorphology. West Sussex, England: John Wiley & Sons.
    • Gunn, J. (2013). Denudation and Erosion Rates in Karst, Treatise on Geomorphology, Vol. 6, 72-81.
    • 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
    • Milanovic,  P.  J.  (1981). Karst  hydrogeology.  Colorado,  CO:  Water Resources  ublications.
    • 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
    • Selby, M.J. (1985). Earth changing surface: an introduction to geomorphology, Clarnbon press: Oxford.
    • 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.
    • White, W.B., (1988). Geomorphology and hydrology of karst terrains, Oxford University press.