تفکیک حساسیت سازندهای زمین شناسی دامنه های شمالی الوند همدان با استفاده از رابطه بعد فراکتال شبکه زهکشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استاد گروه مهندسی طبیعت ، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست ، دانشگاه ملایر ، ملایر ، ایران

10.22034/gmpj.2022.306431.1303

چکیده

ابعاد فراکتالی شبکه زهکشی‌، معرف میزان تشابه ژئومورفولوژیکی در بین آن‌ها و تابعی از عوامل ساختمانی‌، لیتولوژی و توپوگرافی میباشد. لذا هدف از این پژوهش تعیین بعدفراکتال شبکه زهکشی و بررسی ارتباط آن با میزان حساسیت سازندهای زمین‌شناسی به فرسایش در دامنه‌های شمالی الوند همدان است‌. ابتدا چهار سازند شامل‌، گرانیت‌، هورنفلس کلریت‌دار، سنگ آهک مارنی و شیست، ‌ از طریق تصاویر گوگل ارث و نقشه زمین‌شناسی منطقه ا‌نتخاب شد‌. سپس در هر واحد زمین‌شناسی تعداد 2 پلات 22 کیلومتر تعیین و با استفاده ازنرم‌افزار Fractalyse ابعاد فراکتال آنها محاسبه شد نتایج نشان داد که بشترین مقدار بعد فراکتال‌ به ترتیب مربوط به سازند هورنفلس کلریت‌دار با مقدار ‌ 33/1، سنگ آهک مارنی 31/1، شیست استرولیت‌دار 27/1 و گرانیت الوند 22/1 است نتایج تحلیل آماری مقادیر RMSE و R2 نشان می‌دهد که در پلات‌های 1 و 3 با کمترین خطا و در پلات‌های 4 و 6 و 7 دارای تطابق نسبتاً خوب و در پلات‌های 2 و 5 و 8 با بیشترین خطا کمترین تطابق وجود دارد. بنتایج بررسی‌ آزمون پیرسون ‌و مقدار همبستگی نشان می‌دهد که بین مقاومت سازند‌ها و بعد فراکتال آن‌ها ارتباط معنی‌دار و معکوس وجود دارد و با افزایش مقاومت سازندها به فرسایش بعد فراکتال آن‌ها کاهش می‌یابد و تراکم زهکشی هم پایین است‌. با توجه به نتایج‌ حاصله و قابل قبول‌ می‌توان‌ با استفاده از تکنیک بعد فراکتال شبکه زهکشی‌، نوع سازندها و حساسیت آن‌ها به فرسایش را با ‌صرف هزینه کم و سریع‌تر تفکیک و بررسی نمود‌.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Sensitivity separation of geological formations of northern slopes of Alvand Hamedan using fractal dimension of drainage network

نویسنده [English]

  • Alireza Ildoromi
Faculty of Natural Resources and Environment, Malayer University
چکیده [English]

Extended Abstract



Introduction

In the last decade, the use of fractal analysis to quantitatively describe the geomorphological and hydrological watersheds has increased and the main purpose of most of these studies is to find a mathematical relationship between the geomorphological characteristics of the basin and issues such as erodibility of formations and segregation of geological units. Alimoradi et al. (2015), in calculating the fractal dimension of geological formations and examining its relationship with the sensitivity of formations, showed that there is a significant relationship between fractal number and the sensitivity of basin formations to erosion. Barzegari Dehj et al. (2019) in comparing the dimensionless index of drainage network density and fractal dimension of drainage network in the separation of lithological units of Taft watershed, Yazd, concluded that the drainage network density technique compared to the fractal dimension of drainage network technique in identifying and Separation of geological units of the region has provided excellent results. Donadio et al. (2014) compared three rivers from a fractal point of view of the hydrographic model and concluded that the relationship between tectonics and erosion is very high with the fractal dimension number. Hui et al. (2017) in examining the relationship between fractal dimension of drainage network and evolutionary stages of erosion of China Yellow Basin showed that fractal values of drainage network have a positive and linear relationship with sediment delivery and runoff values of the basin.



Methodology

Alvand mountain massif of Hamedan is located in the division of tectonic units of Iran in the structural zone of Sanandaj-Sirjan, which extends parallel to the Zagros rotation. The purpose of this study is to determine the fractal dimension of the drainage network and to investigate its relationship with geomorphological patterns and the sensitivity of geological landslides to erosion in the northern slopes of Alvand Hamedan. In this study, four geological units including granite, chlorite hornfels, marl limestone and sterolized schist were first selected using Google Earth software, geological map of the area and satellite images and field visits. Then, in each geological unit, 2 plots of 2*2 km were determined and their fractal dimensions were calculated using Fractalyse software. After calculating the fractal dimension and determining the sensitivity of each formation, the relationship between the fractal dimension and the formations was investigated by Pearson test and the correlation value.



Results and Discussion

The results showed that the highest amount of fractal dimension is related to chlorinated Hornfels Formation with 1.33, marl limestone 1.31, sterolized schist 1.27 and Alvand granite 1.22, respectively. Examination of the coefficient and deviation angle data in each of the geological units shows that these values are somewhat high in the fractal dimension technique of the drainage network. So that the deflection angle is 1.909 in sterolized schist, 1.555 in granite, 1.528 in Hornfels and 1.171 in marl limestone. Studies show that the computational values of the fractal dimension of the drainage network are very good and in the amount of 0.99 and indicate the good performance of the fractal dimension technique for identifying and separating the geological units of the region. Due to the proximity of the coefficient of determination in the fractal dimension technique of drainage network density to 1, low deflection angle and proximity of its computational figures to zero, the fractal dimension technique of drainage network is the best and most appropriate technique for separating geological units in the study area. Studies show that in formations with more sensitivity than resistant formations, more changes occur in drainage density and their fractal dimension is more. Regression analysis of fractal dimension values and numerical index of abrasion resistance of the studied formations shows that the value of R2 is equal to -0.835 and shows a high correlation and significant relationship between the fractal dimension and the numerical index of erosion resistance and indicates that As the strength of formations increases, their fractal dimension decreases.

.



Conclusion

The results showed that the fractal dimension technique of drainage density is the best and most appropriate technique for identifying and separating the geological units of the study area. Studies show that in formations with more sensitivity than resistant formations, more changes occur in drainage density and their fractal dimension is more. The results of Pearson test and the correlation value (-0.828) of the data indicate that there is a significant and inverse relationship between the strength of formations and their fractal dimension, ie with increasing the resistance of formations to erosion, their fractal dimension decreases and Therefore, drainage density is also low. The results of ANOVA statistical analysis show the significance of the whole model, the relationship and the effect of the two variables of sensitivity of the formations and their fractal dimension at the level of 0.000 significant and in reverse. Therefore, according to the acceptable results, using this technique, the type of formations and their sensitivity to erosion can be separated and examined with acceptable accuracy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fractal dimension
  • Geological Formation
  • Drainage density
  • Erosion
  • Alvand Hamedan
احمدی خلجی، ا.، و طهماسبی، ز.، 1394. شیمی کانی گارنت در پگماتیت­ها و سنگ­های دگرگونی منطقه همدان، نشریه: زمین شناسی اقتصادی، دوره 7, شماره 2، صص 243 - 258.
امیری، م.، پیروان. ح، ر. و احمدی خلجی، ا، 1394. طبقه­بندی مارن­های همدان و ارتباط گروه‌های مارنی منطقه با نوع و شدت فرسایش، نشریه: مهندسی و مدیریت آبخیز، دوره 7، شماره 4،صص 425 -441.
برزگری دهج، و.، زارع، م.، و اختصاصی­، م .،­1398­. مقایسه شاخص بدون بعد تراکم شبکه زهکش و بعد فراکتال شبکه زهکشی در جدا‌سازی واحد­های سنگ­شناسی (­منطقه مورد مطالعه: حوضه آبخیز تفت، یزد). پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی­، دوره 8، شماره ­31،صص ­ 96-80.
جوکار سرهنگی­، ع­.، و بخشی، م .،1399. ­ارتباط بین سازندهای زمین‌شناسی و فرم منحنی میزان نقشه‌های توپوگرافی در بخشی از البرز شمالی و جنوبی. فصل­نامه جغرافیای طبیعی­، دوره 13، شماره 50­،­صص 95-81.
چرچی، ع.، خطیب، م.، مظفرخواه، م.، و برجسته، آ .،­1390. استفاده از تحلیل فراکتالى برای تعیین پویایی تکتونیک شمال منطقه لالی در شمال شرق خوزستان. مجله زمین­شناسی کاربردی پیشرفته، شماره 1،صص 47-37.
حسینی .،ع و فتاحی ، هادی­.، 1400. بررسی مقایسه ای شاخص مورفولوژی زاویه مرکزی (A) با پارامترهای چند فراکتالی الگوی تکامل پیچان رودها با استفاده از روابط رگرسیونی(مطالعه موردی : رودخانه قره آغاج در استان فارس)، پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، دوره 9، شماره 4 - شماره پیاپی 36، بهار 1400، صفحه 96-111.
خلیفه سلطانی، ا.، علوی، ا.، ­و قاسمی .، ­1395. بررسی نقش ساختارهای زمین­شناسی در ابعاد فراکتالی شکستگی­ها و آبراهه­ها در جنوب باختری لنجان- اصفهان.­ نشریه علوم زمین، سال 26، شماره 101، صص 56-45.
سپاهی گرو، ع، ا.، جعفری، س. ر.، مؤذن، م.، و شهبازی. ح .،1397. بررسی شیمی کانی، دمافشارسنجی و سنگ زایی سنگ‌های میگماتیتی منطقه همدان، پترولوژی، دوره 9، شماره 33،صص 165 - 190.
سپاهی گرو، ع. ا.، و معین وزیری، ح .،1379. مروری بر فازهای نفوذی و رگه‌های موجود در مجموعه نفوذی الوند، نشریه علوم دانشگاه تهران، دوره 2، شماره پیاپی 1318،صص 175-186.
سلطانی­، ش.­، ­قهرودی تالی­، ­م.، و صدوق­، ح .،1398. کاربرد سنجش از دور و مدل ریاضی فراکتال در بررسی رفتار و تغییرات لندفرم­های ژئومورفولوژیکی رودخانه ارس. پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، دوره 7، شماره 4­،صص 92-73.
شکیبا، س.، سپاهی گرو، ع، ا.، قاسمپور م، ر.، و کازو، ن .،1399. کاربرد شیمی کانی‌های بیوتیت و ارتوپیروکسن در بررسی شرایط تکتونو- ماگمایی انکلاوهای توده پلوتونیک الوند و سنگ میزبان آن­ها، نشریه علوم زمین، دوره 30، شماره 118 ،صص ۲۲۵ -۲۴۰.
شهبازی، ح .، 1389، پترولوژی مجموعه سنگ‌های آذرین و میگماتیت های کمپلکس الوند و توده نفوذی آلموقلاغ همدان و ارتباط بین آن­ها، رساله دکتری، دانشگاه شهید بهشتی.
شایان، س.، مقصودی، م.، گل علیزاده، م.، شریفی­کیا، م.، و نوربخش، ف .،1394. تحلیل فضایی لندفرم­های بادی با استفاده از نظریة فراکتالی­ (مطالعة موردی: ریگ اردستان). ­پژوهش­های جغرافیای طبیعی، دورة 48­، شماره 2،صص 245-231.
شایان­، س.­، یمانی، م.، و یادگاری، م .،­1394. ­مورفولیتولوژی توده الوند و نقش آن در مورفومتری و الگوی شبکه زهکشی­.­ پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، سال 4، شماره 3،صص 16-1.
علیمرادی، م.، اختصاصی، م.، تازه، م.، و کریمی، ح .،­1397. ­محاسبة بُعد فراکتال سازندهای زمین­شناسی و بررسی ارتباط آن با حساسیت سازندها. پژوهش­های جغرافیای طبیعی (پژوهش‌های جغرافیایی)­، دوره ­50، شماره 2­،صص­ 253-241.
فتاحی، م. و طالب زاده، ز.، 1396. ارتباط بین ضریب فشردگی حوضه آبریز با ویژگی­های فراکتال آن، نشریه تحقیقات منابع آب ایران، دوره­ 13، شماره­ 1، صص 191 - 203.
فتاحی­، م.، و کامیاب، س .،1397. انطباق سنجی خواص ژئومورفولوژیک حوضه آبریز و ویژگی­های چند فراکتال شکل آبراهه. نشریه تحقیقات منابع آب ایران­، دوره 14، شماره 5،صص 451-339.
فیض نیا،س.،1374. مقاومت سنگ ها در مقابل فرسایش در اقالیم مختلف ایران ، مجله منابع طبیعی ایران ، 47: صص95-165.
کرم، ا.، و صابری، ­م .،1394. محاسبه بعد فراکتال در حوضه­های زهکشی و رابطه آن با برخی خصوصیات ژئوموفولوژیکی حوضه (­مطالعه موردی: حوضه‌های آبریز شمال تهران). پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، سال 4، شماره 3،صص 167-153.
کامیاب، ­س.، و فتاحی، م .،1397. انطباق سنجی خواص ژئومورفولوژیک حوضه آبریز و ویژگی‌های چند فراکتال شکل آبراهه تحقیقات منابع آب ایران­، دوره ­14­، شماره 5،صص 326-311.
محمدی خشویی، م.، اختصاصی، ­م.، طالبی، ع.، و حسینی­، ز .،­1398.­ بررسی رابطه بین بعد فراکتال و ویژگی­های مورفومتریک شبکه زهکشی (مطالعه موردی: حوضه آبخیز دشت یزد-اردکان). نشریه­ خشک بوم­، دوره 9، شماره 2،صص 16-1.
محمدی خشویی­، م.، و اختصاصی، ­م .،1398. مقایسه بعد فراکتال و ویژگی­های ژئومورفولوژیک در مدیریت حوضه آبخیز عقدا. ­پژوهش­های فرسایش محیطی، دوره­ 9، شماره ­1،صص 84-62.
نظری صارم، م.، دبیری، ر.، انصاری، م.، و وثوقی عابدینی، م .،1399. برآورد بعد ﻓﺮاﻛﺘﺎﻟﻲ ژئومورفولوژی کرانه‌های شمال خلیج فارس ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از روش ﺷﻤﺎرش ﺟﻌﺒﻪای. ­پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی­، دوره 9، شماره 34،صص 174-159.
Ariza.V. A., Jiménez-Hornero, F.,­ Gutiérrez de Ravé, E. (2013). Multi-fractal analysis applied to the study of the accuracy of DEM-based stream derivation, Geomorphology, 197: 85-95.
Baas, A.C.W. (­2002). Chaos, fractals and self-organization in coastal geomorphology: simulating dune landscapes in vegetated environments. Journal of Geomorphology, 48: 309-328.
Bi, L., He, H., Wei, Z., Shi, F. (­2012). Fractal properties of landform in the Ordos block and surrounding areas. Journal of China Geomorphology, 175: 151-162.
Campos, P., & Paz, I. (2020). Spatial Diagnosis of Rain Gauges’ Distribution and Flood Impacts: Case Study in Itaperuna, Rio de Janeiro—Brazil. Journal of Water, 12(1): 1120- 1147.
Dutta, S., Ghosh, D., Chatterjee, S. (­2014). Multifractal detrended fluctuation analysis of pseudorapidity and azimuthal distribution of pions emitted in high energy nuclear collisions, Int. J. Mod. Phys, A 29, 1450084.
Donadio, C., Magdaleno, F., Mazzarella, A., Kondolf, G. M. (­2014). Fractal dimension of the hydrographic pattern of three large rivers in the Mediterranean morphoclimatic System: geomorphologic interpretation of Russian (USA), Ebro (Spain) and Volturno (Italy) Fluvial Geometry, Pure and Applied Geophysics, 172: 1975-1984.
Fac-Beneda, J. (­2013). Fractal structure of the Kashubian hydrographic system, Journal of Hydrology, 488: 48 – 54.
Garsia-Ruiz. Juan, M. (1992). Fractal Trees and Horton’s Laws Mathematical Geology, vol24
Horton,R.E.(1945). Erosional Developments of Streams and Their Drainage Basin;Hidrophysical Approach to Quantitative Morphology:Geol.Soc.Am.Bull, 56: 275-370.
Hosseini, M. Fattahi, M.H. and Eslamian, S. (2020). Experimental Analytical Study on Fractal Behaviors of the Density Current. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering, 44(4): 75-90.
Hui, Y., ­ Changxing, S. (2017). The Fractal Characteristics of Drainage Networks and Erosion Evolution Stages of Ten Kongduis in the Upper Reaches of the Yellow River, China. Journal of Resources and Ecology, ­ 8: 165 –­174.
Ildoromi,A.R.(2011). Evaluationof Watershed Stabilityusing Geomorphologic and Tectonics Evidence (Case study: Alvand Mountain), International Journal of Natural Resources and Marine Sciences2011, 1 (3), 175-186.
Kusak, M. (­2014). Methods of fractal geometry used in the study of complexgeomorphic netwoks, AUC Geographica, 49: 99–110
Kumar, A. (2014). Geomorphologic Instantaneous Unit Hydrograph Based Hydrologic Response Models for Ungauged Hilly Watershed in India, Water Resources Management, DOI­10.1007/s11269-014-0848-z.
Lee, A., Aubeneau, A & Cardenas, M. (2020). The Sensitivity of Hyporheic Exchange to Fractal Properties of Riverbeds” Journal of Water, 56(5): 20-42.
Marin,  G.A.,  Estevez,  J.,  Morbidelli,  R.,  Saltalippi.  C.,  Murioz,  J.,  &  Flammini,  A .(2020).Assessing  Inhomogeneities  in  Extreme  Annual  Rainfall  Data  Series  by Multifractal Approach” Journal of Water, 12(1): 1030-1048.
Mandelbrot, B. B., 1983. The fractal geometry of nature/Revised and enlarged edition, NewYork,WH Freeman and Co. 495p.
Prigarin, S.P., Sandau, K., Kazmierczak, M., Hahn, K. (2013). Estimation of Fractal Dimension: A Survey with Numerical Experiments and Software Description, International Journal of Biomathematics and Biostatistics, 2: 167-180.
Teng, Y., & Shang, P. (2018). Detrended fluctuation analysis based on higherorder moments of financial time series. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 490(1): 311-322
Turcotte,D.L. (2007). Self-organized Complexity inGeomorphology: Observations and Models,Geomorphology, 91: 302-310.
Vargas, K., & Salarriaga, J. (2019). Analysis of Fractality in Water Distribution Networks Using Hydraulic Criteria. World Environmental and Water Resources, 15(1): 25-38­.
Waniki, M. W., Moeller, M. S., Schellmann, G. (2015). A comparison of Landsat 8 (OLI) and Landsat 7(ETM+) in mapping geology and visualizing lineaments: A case study of central regionKenya. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing & Spatial Information Sciences.
Zhang, X., Zhang, G., Qiu, L., Zhang, B., Sun. Y., Gui. Z., & Zhang, Q. (2019).A Modified Multifractal  Detrended  Fluctuation  Analysis  (MFDFA)  Approach  for  Multifractal Analysis of Precipitation in Dongting Lake Basin, China. Journal of Water, 11(5): 891-1009.