ارزیابی توسعه‌ی کارست با استفاده از ویژگی‌های هیدروژئوشیمیایی چشمه‌های کارستی در آبخوانهای شاهو و اسلام‌آباد استان کرمانشاه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه رازی، کرمانشاه

2 دانشگاه ایلام

چکیده

بررسی خصوصیات هیدروژئوشیمیایی چشمه­ها در لندفرم­های کارستی زاگرس می­تواند راهنمای مناسبی برای تعیین میزان تکامل و توسعه­ی کارست و مدیریت منابع آب این مناطق باشد. هدف این پژوهش مقایسه­ی توسعه­یافتگی کارست به کمک ویژگی­های هیدروژئوشیمیایی چشمه­های کارستی توده­ی شاهو در زاگرس رورانده و آبخوان اسلام­آباد در محدوده­ی زاگرس چین­خورده است. ابتدا با استفاده از نقشه­های توپوگرافی، زمین­شناسی، ژئومورفولوژی و مطالعات میدانی لندفرم­های کارستی مناطق مورد مطالعه شناسایی شد. سپس 17 نمونه آب از چشمه­های دائمی منطقه در فصل تر (اردیبهشت ماه 96) برداشت و در آزمایشگاه شیمی دانشگاه رازی تجزیه گردید. وضعیت هیدروژئوشیمیایی چشمه­های فوق با استفاده از روش تحلیل مولفه­های اصلی مورد بررسی قرار گرفت. به منظور شناسایی فرآیندهای ژئوشیمیایی حاکم بر آبخوان­ها، نمودارهای ترکیبی، نسبت­های یونی و اندیس­های اشباع کلسیت، دولومیت و ژیپس نمونه­ها مورد ارزیابی قرار گرفت و جهت صحت­سنجی داده­ها از نمودار MRDS استفاده شد. نتایج حاصل نشان داد که سیستم کارستی آبخوان شاهو نسبت به آبخوان اسلام­آباد توسعه یافته­تر است. رخساره­ی کلسیتی،  نسبت بالای Ca2+  به Mg2+  و پایین بودن شاخص اشباع دولومیت در شاهو که بیانگر خلوص بالای آهک است و بالا بودن نسبت دبی حداکثر به حداقل، که بیانگر تراکم بیشتر مجاری باز و وجود جریان مجرایی- انتشاری (آشفته- خطی) در آبخوان شاهو است نیز تایید کننده مطلب است. در مقابل، پایین بودن نسبت Ca2+ به Mg2+  در آبخوان اسلام­آباد و بالا بودن شاخص اشباع دولومیت، مبین دولومیتی بودن کارست در این محدوده است. پایین بودن نسبت دبی حداکثر به حداقل در چشمه­های محدوده­ی اسلام­آباد نیز نشان­دهند­ه­ی وجود جریان انتشاری در آبخوان­های این محدوده و عدم توسعه­ی کامل کارست است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of karst development using hydrogeochemical characteristics of karstic springs in Shahoo and Islamabad aquifer of Kermanshah Province

چکیده [English]

 Introduction
Investigating the hydrogeochemical characteristics of springs in Zagros karstic landforms can be a useful guide to determine the extent of Karst development and management of water resources in these areas. The purpose of this research was to compare the development of karst with the help of hydro geochemical characteristics of Shahoo mass karstic springs having an area of 649 km2 in the thrust Zagros zone of the Kurdistan and Kermanshah Provinces, and Karstic aquifer of Islamabad with an area of 818 km2 in the simply folded zone of Zagros in Kermanshah Province. The most important carbonate formation in the Shahoo aquifer is Bisotun Limestone and in Islamabad aquifer is dolomitic limestone of Asmari and Telezang Formation. Therefore, due to the different dissolution capacities of various Zagros formations, this study investigates the dissolution of cations and anions, and in particular the rate of karstification of the two regions, by assessing the hydro geochemical characteristics of the karstic springs in the study areas.
Methodology
In order to evaluate the hydro geochemical characteristics of the karstic springs in the Shahoo and Islamabad aquifers, after field visits , the karst features and formations, faults and fractures were identified and their  location was determined using GPS .Then, 17 water samples were taken from karst springs of the Shahoo and Islamabad aquifers in wet season (May 2017). Finally, using ionic ratios (calcium to magnesium ratio), combinational charts and Calcite and Dolomite saturation indices using R-software and PhreeQC software, different water characteristics of karstic aquifer and dissolution rate of anions, cations and karstification of the two regions were investigated.
Results and discussion
The results of quantitative water analysis helps to explain the karstic features of the areas. Generally speaking, the hydro chemical properties of water, along with geological formations, reflect the degree of dissolution of carbonate compounds and, in turn, the extent of karst development in the regions. Therefore, for the evaluation of hydro geochemical properties of karst springs, 17 water samples were collected from permanent springs in two Shahoo and Islamabad aquifers and the results were investigated by hydro geochemical methods. The results of the high calcium/magnesium ratio in Shahoo springs compared to the Islamabad aquifer clearly indicate the high purity of limestone and the presence of developed karst aquifers in the Shahoo area (Bisotun limestone) compared to the dolomite Karst of Islamabad aquifer (Asmari and Shahbazan Formations).This is confirmed by the high values ​​of the calcite saturation indices and the lower degree of dolomite saturation indices in the Shahoo compare to Islamabad aquifer. This indicates a large connection between groundwater and the lithology of the aquifer, impurities in the lime of the region, diffusion nature of Karst and a long  residence time, all of which are indicative of lower Karst development  in Islamabad area. The low discharge of the springs of this area along with low fluctuations in the discharge in dry and wet seasons as well as the high  dissolved ions (water electrical conductivity and hardness) as well as the amount of bicarbonate and sulfate ions in the water confirm the lower karst development compare to Shahoo aquifer. Therefore, it can be concluded that the type of flow regime in the Shahoo aquifer is mainly conduit flow which the conduits are well developed, while the karst system in Islamabad aquifer is mainly diffuse.
The results of the Ahmad Synthetic Chart (MRD) indicate that the type of water in most of the Shahoo massif is of bicarbonate calcium type (calcite bicarbonate) and water of most springs of the of the Islamabad aquifer is of the bicarbonate magnesium type. This diagram also confirms the  lithology of Shahoo aquifer  and Islamabad aquifers as limestone and dolomite respectively,  and consequently indicating the greater dissolution potential and karst developmental within the Shahoo area (as calcite dissolves faster than dolomite) in contrast to the Islamabad aquifer.
Conclusion
The most important difference between the two Shahoo and the Islamabad aquifers are the difference in rainfall and temperature, the different effects of tectonics and different lithology, causing a difference in the solubility of the region which created springs with different discharges in the regions. High rainfall, snowiness, low temperature, which dissolves more carbon dioxide in water, and lithology and geomorphological features of Shahoo aquifer have led to the higher karst development  in this area. Although Asmari lime in the Islamabad area is also susceptible to karstification, but it has youthfulness, purity and less thickness compared to the Bismuth lime, lower precipitation mainly in the rain form, higher temperature and the effect of geomorphologic factors such as aquifer shape, altitude and different effects of tectonic performance, have led to a lower degree of Karst development in Islamabad than Shahoo, which was examined and confirmed by hydro geochemical studies in this study. Considering the importance of the karstic territories of western Iran, and in particular the Kermanshah province and the vulnerability of karst aquifers, their vulnerability assessment is one of the most important management approaches to encounter potential risks, such as pollution, water supplies and the crisis of water resources. The study of karst development can provide a realistic view to investigate the karst system in such a way that with the help of these results, in addition to the accurate knowledge of the chemical and physical properties of these aquifers, we can better manage the amount and time of using of these aquifers that has to be taken into consideration by the relevant authorities.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Karst development
  • Hydrogeochemical
  • Karstic spring
  • Shahoo and Islamabad aquifer
  • باقری سیدشکری سجاد، یمانی مجتبی، جعفربیگلو منصور، کریمی حاجی، مقیمی ابراهیم، 1392، ارزیابی ویژگی‌های هیدرودینامیکی آبخوان‌های کارستی با استفاده از آنالیز سری‌های زمانی(مطالعه موردی آبخوان‌های کارستی گیلانغرب و خورین در استان کرمانشاه)، مجله ی پژوهش های ژئومورفولوژی کمی، دوره ی 2، شماره 3، ص2)
  • بهرامی شهرام، زنگنه اسدی محمدعلی، جهانفر علی، 1395، ارزیابی توسعه ی کارست با استفاده از ویژگی های هیدرودینامیکی و هیدروژئوشیمیایی چشمه های کارستی در زاگرس (منطقه مورد مطالعه: تاقدیس قلاجه و توده پراو بیستون)، جغرافیا و توسعه 44، پاییز 95، صص 118-117
  • جوانمرد زهرا، اصغری مقدم اصغر، 1395، استفاده از مدلهای آماری و هیدروشیمیایی در تحلیل کیفی منابع آب زیرزمینی (مطالعه موردی: دشت مهربان آذربایجان شرقی)، نشریه دانش آب و خاک، جلد 25، شماره 2/3، صص 40-38
  • قدیمی مهرنوش، احمدی حسن، مقیمی ابراهیم، جعفربیگلو منصور، 1395، بررسی هیدروژئوشیمیایی چشمه های کارستی اشترانکوه در ارتباط با سازندهای زمین شناسی منطقه، نشریه ی مرتع و آبخیزداری، مجله ی منابع طبیعی ایران، دوره 67، شماره 2، صص 6-4
  • قربانی محمد صدیق، محمودی فرج الله، یمانی مجتبی، مقیمی ابراهیم، 1388، نقش تغییرات اقلیمی کواترنر در تحول ژئومورفولوژیکی فروچاله های کارستی (مطالعه موردی: ناهمواری شاهو، غرب ایران)، پژوهش هاس جغرافیای طبیعی، شماره 74، صص 1-16، صص 8-4
  • مقصودی مهران، کریمی حاجی، صفری فرشاد، چهارراهی ذبیح الله (1388)، بررسی توسعه ی کارست در توده پرآو بیستون با استفاده از ضرایب فرود، زمان مرگ چشمه ها و تحلیل نتایج ایزوتوپی و شیمیایی، پژوهش های جغرافیای طبیعی، شماره 69، پاییز 1388، صص 65-51
  • وحدتی سید مهران، طاهری کمال (1386): دسته بندی ساختاری چشمه های کارستی حوضه ی الوند جنوبغربی استان کرمانشاه. کنفرانس بررسی منابع آب استان، شرکت آب منطقه ای کرمانشاه، صص 99-87
    • Andre, L. Franceschi, M. Puchan, P. Atteia, O. 2005. Using geochemical and modeling to enhance the understanding of groundwater flow in a regional deep aquifer. Aquitaine Basin. South-west of France. Journal of Hydrology. 305: 40- 42.
    • Antonio, Gonza´lez-Ramo´n. Manuel Lo´pez-Chicano. Juan Carlos Rubio-Campos. 2012. Piezometric and hydrogeochemical characterization of groundwater circulation in complex karst aquifers. A case study: the Mancha Real-Pegalajar aquifer (Southern Spain). Environ Earth Sci  p: 923
    • Appelo, C.A.J. Postma. D. 1993. Geochemistry. Groundwater pollution. Balkema Rotterdam. the Netherlands. 536.
    • Baomin, Zhang. Jingjiang, Liu. 2009. Classification and characteristics of karst reservoirs inJohn in China and related theories. PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT. pp 12-15.
    • Belkhiri, L. Boudoukha, A. Mouni, L. Baouz, T. 2010. Application of multivariate statistical methods and inverse geochemical modeling for characterization of groundwater. A case study: Ain Azel plain (Algeria). Geoderma 159(3–4) p: 390.
    • Bonacci, O. (1993). Karst springs hydrographs as indicators of karst aquifers. Hydrological Sciences. 38 (1). P: 52.
    • Ford, D. Williams, P. (2007). Karst Hydrogeology and Geomorphology. John Wiley & Sons Ltd
    • Gastmans, D. Chang, H.K. & Hutcheon, I. Groundwater geochemical evolution in the  northern portion of the Guarani Aquifer System (Brazil) and its relationship to the diagenetic features. Appl. Geochem. 25 (2010). p: 16.
    • Hess, W. Wiliam, B. White. 1992. Groundwater geochemistry of the carbonate karst aquifer. southcentral Kentucky. U.S.A. Applied Geochemistry. Vol. 8. P:189
    • Karimi, Haji. Raeisi, Ezatollah. Bakalowicz, Michel. 2005. Characterising the main karst aquifers of the Alvand basin, northwest of Zagros. Iran. by a hydrogeochemical approach. Hydrogeology Journal. pp: 790-796
    •  Kaiser, H.F. (1960). The application of electronic computers to factor analysis. Educational and Psychological Measurement, 20, 141-151.
    • La Moreaux, P.E. .(1991). History of karst  hydrogeological  studies.  Proceedings of the  International  Conference  on  Environmental  Changes in  Karst Areas -I.G.U.- U.I.S.- Italy 15-27 Sept. 1991. Quaderni del Dipartimento di Geografia n. 13. 1991 -Università di Padova. p: 216
    • Murad, A.A. Garamoon, H. Hussein, S. Al-Nuaimi, H.S. 2011. Hydrogeochemical characterization and isotope investigations of a carbonate aquifer of the northern part of the United Arab Emirates. J. Asian Earth Sci. p: 214
    • Niaz, Ahmad. Sen, Zekia. Manzoor, Ahmad.  2003. Ground Water Quality Assessment Using Multi Rectangular Diagram. Radiation and isotope application division. Pakistan institute of Nuclear science and technology. p.o. Nilor. Islamabad. Pakistan. pp: 828-832
    • Plummer ,LN. Laura, MB. Anderholm, SK. 2002. How ground-water chemistry helps us understand the aquifer. In: Ground-water resources of the Middle Rio Grande Basin, Bartolino JR. Cole JC (eds). U.S. Geological Survey Circular 1222. pp: 92–94.
    • Rajmohan, N. Elango, L. 2004. Identification and evolution of hydrogeochemical processes in the groundwater environment in an area of the Palar and Cheyyar River Basins. Southern India. Environmental Geology 46(1). p:47
    • Sauter, M. (1992). Quantification and forecasting of regional groundwater flow and transport in a karst aquifer. (Gallusquelle, Malm, SW, Germany. Report, Tubinger Geowissenschaftliche Arbeiten (TGA), TGA. C13, 1993
    • Stotler, RL. Frape, SK. Ruskeeniemi, T. Ahonen, L. Onstott, TC. Hobbs, MY. 2009. Hydrogeochemistry of groundwaters in and below the base of thick permafrost at Lupin. Nunavut. Canada. Journal of Hydrology 373(1–2): p:80
    • Todd, D. K. 1980. Groundwater Hydrology (2nd edn). Wiley, New York. 552 pp.
    • Wendland, F. Blum, A. Coetsiers, M. Gorova, R. Griffioen, J. Grima, J. Hinsby, K. Kunkel, R. Marandi, A. Melo, T. Panagopoulos, A. Pauwels, H. Ruisi, M. Traversa, P. Vermooten, J S A. Walraevens, K. 2007. European aquifer typology. a practical framework for an overview of major groundwater composition at European scale. Environ Geol p: 77
    • Yong Han. Guangcai Wang. Charles, A. Cravotta, III. Weiyue, Hu. Yueyue, Bian. Zongwen Zhangand Yuanyuan Liu. 2012. Hydrogeochemical evolution of Ordovician limestone groundwater in Yanzhou. North China, HYDROLOGICAL PROCESSES China and related theories. PETROL. EXPLOR. DEVELOP. p:12