نقش چینه شناسی در توسعه کارست در حوضه آبگیر چشمه علی دامغان

نویسنده

استادیار گروه زمین شناسی، دانشگاه صنعتی شاهرود

چکیده

منطقه مورد مطالعه (چشمه‌علی و حوضه آبگیر آن) در 32 کیلومتری شمال غرب دامغان واقع شده است. حوضه آبگیر چشمه عمدتاً از آهک­های ضخیم لایه تا توده‌ای سازند لار و آهک‌های نازک لایه و آهک‌های مارنی سازند دلیچای تشکیل شده است. به منظور بررسی نقش چینه­شناسی بر توسعه کارست در سازندهای مذکور، وضعیت زمین­شناسی، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب چشمه و خصوصیات سیستم ورودی در حوضه آبگیر چشمه مورد مطالعه قرار گرفته است. در مورد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب چشمه، پارامترهای دبی چشمه، درجه حرارت آب، هدایت الکتریکی، اسیدیته و مقدار دی‌اکسیدکربن محلول در آب در محل چشمه و کاتیونها و آنیونهای اصلی در آزمایشگاه در طول یکسال به طور ماهانه اندازه‌گیری شده‌اند. تغییرپذیری اندک کلیه خواص فیزیکی و شیمیایی آب خروجی از چشمه و هم‌چنین خصوصیات سیستم ورودی در حوضه آبگیر چشمه (نبود پدیده‌های ژئومرفولوژیکی مهم کارستی از قبیل گودی‌های مسدود، فروچاله‌ها، و درزه‌ها و شکستگی‌ها انحلالی بزرگ و عمیق) بیانگر این مطلب است که سیستم غالب جریان در سفره آب زیرزمینی چشمه‌علی از نوع سیستم افشان می‌باشد. چنین سیستم جریان در سفره های کارستی بیانگر توسعه اندک پدیده کارست در منطقه می باشد. با توجه به وضعیت زمین­شناسی حوضه آبگیر چشمه­علی دامغان، یکی از مهمترین دلایل توسعه اندک کارست در حوضه چشمه­علی وضعیت چینه­شناسی منطقه است به این ترتیب که سازند دلیچای (که برای فرایند کارستی شدن استعداد نسبتاً اندکی دارد) در حد فاصل بین آهک­های ضخیم لایه و توده­ای سازند لار (که برای توسعه کارست بسیار مستعد هستند) و محل ظهور چشمه قرار گرفته است، باعث شده که جریان آب زیرزمینی را به صورت تدریجی به چشمه برساند و از توسعه کارست جلوگیری نماید.
 
 
 
 
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The effect of stratigraphy on developing karst in catchment area of Cheshme-Ali, Damghan

نویسنده [English]

  • Gholam Hossein Karami
Assistant professor, Departmnet of Geology, Shahrood University. of Technology
چکیده [English]

     The study area (Cheshmeh-Ali and its catchment area) is located in 32 km northwest of Damghan. The catchment area is mainly composed of thick-bedded and massive limestones of Lar Formation and thin-bedded limestones and marly limestone of Dalichay Formation. In order to evaluate the effect of stratigraphy on karst development in the above-mentioned formations, the geology, the physical and chemical characteristics of water, and characteristics of input system in catchment area of the spring were studied. On the subject of physical and chemical characteristics of water, the discharge of spring, water temperature, electrical conductivity, pH, and dissolved carbon dioxide were measured in-situ and the major cations and anions measured in the lab. The above-mentioned measurements were carried out monthly during 2005-2006 water-year. According to the insignificant variability of all physical and chemical parameters of water and also the characteristics of the catchment area of the spring (i.e. the absence of important karst geomorphological features such as closed depression, sinkholes, large and deep solutional joints and fractures etc.) it may be argued that the aquifer feeding the Cheshme-Ali karst spring is dominated by diffuse flow system. Such a system in karstic aquifers indicates that the degree of karstification in the study area is low. According to the geology setting in the study area, the stratigraphy is one of the most important reasons for insignificant developing of karst in the catchment area of the Cheshmeh-Ali karst spring. Such that the Dalichay Formation (which is slightly suitable for karstification) is located between the thick-bedded and massive limestones of Lar Formation (which is highly appropriate for developing karst) and the location of spring which results in a gradual groundwater flow from aquifer to the spring. The gradual groundwater flow from aquifer to the spring has prevented the developing of karst in the aquifer.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cheshme-Ali
  • Keywords: Stratigraphy
  • Karst development
  • Diffuse system
  • Cheshme
  • ali


کارست عبارت است از گستره‌ای با مرفولوژی مشخص و یک سیستم زهکشی زیرزمینی قابل توجه که از حلالیت زیاد برخی از سنگها در آبهای طبیعی حاصل می‌شود. نواحی کارستی عمدتاً بر روی سنگهای کربناته (به ویژه سنگ آهک) توسعه پیدا می‌کنند و علاوه بر این در روی دیگر سنگها که قابلیت انحلال دارند نیز ممکن است ایجاد ‌شوند (مانند سنگ گچ و سنگ نمک). نواحی کارستی به وسیله عوارضی از قبیل مجاری انحلالی، گودی‌های مسدود، فروچاله‌ها ، دره‌های خشک و غارها مشخص می‌شوند (Jenning 1985; White 1988). اغلب سفره‌های آبدار کارستی که بر روی سنگهای کربناته (به ویژه آهکها) تشکیل شده‌اند سفره‌های آبدار مهمی را شامل می‌شوند، به طوری که آنها آب شرب حدود 25 درصد از جمعیت جهان را فراهم می‌سازند (Ford and Williams 1989). سنگهای کربناته به طور گسترده‌ای در سراسر جهان توزیع شده‌اند. مساحت سنگهای کربناته در ایران، از حدود 180000 کیلومتر مربع (ناصری 1370) تا حدود 200.000 کیلومتر مربع (Ahmadipour 1999) ذکر شده است.
عوامل متعددی در پدیده کارستی شدن سازندهای کربناته نقش دارند که از مهمترین آنها می توان به مواردی از قبیل لیتولوژی، میزان نزولات آسمانی، خصوصیات چینه شناسی، عوامل ساختاری، و توپوگرافی منطقه اشاره نمود (White 1988, Eisenlohr et al. 1999, Veni 2008).
از بین عوامل مختلف تاثیرگذار در توسعه کارست، لیتولوژی و خصوصیات چینه‌شناسی سازندهای موجود در منطقه مورد نظر از اهمیت زیادی برخوردار هستند (Dreybrodt 1988; Zuber and Motyka 1996). در مناطقی که سنگ‌های آهکی ضخیم لایه و توده‌ای وجود دارد، معمولاً پدیده کارستی شدن با شدت بیشتری انجام می شود (Ford and Williams 1989). در این قبیل مناطق معمولاً شرایط حاکم بر رسوبگذاری به نحوی است که ناخالصی‌ها نسبتاً اندک هستند و به همین دلیل برای فرایند کارستی شدن بسیار مستعد هستند. علاوه بر لیتولوژی و ضخامت لایه‌ها، چگونگی قرارگیری لایه‌ها نسبت به یکدیگر که در حقیقت بیانگر وضعیت چینه‌شناسی منطقه مورد نظر می باشد، نیز نقش مهمی را ایفا می نماید. به عنوان مثال ممکن است که در بعضی از مناطق لایه‌های شیلی یا مارنی، که نفوذپذیری ناچیزی را شامل می‌شوند، نسبت به لایه‌های آهکی ضخیم و توده‌ای به گونه‌ای قرار گرفته باشند که جریان آب زیرزمینی در داخل آنها را مانع شوند و یا حداقل تقلیل نمایند. در چنین شرایطی اگر چه لایه‌های آهکی ضخیم و توده‌ای مستعد برای فرایند کارستی شدن وجود دارد، ولی در این لایه‌ها کارست توسعه قابل توجهی نمی‌یابد.
چشمه‌علی دامغان یکی از چشمه‌های کارستی مهم در دامنه جنوبی رشته کوه البرز و بزرگترین چشمه کارستی در استان سمنان می باشد. در حوضه آبگیر این چشمه سازندهای دلیچای و لار رخنمون دارند که سنگهای کربناته مربوط به سازندهای مزبور به لحاظ خصوصیاتشان برای کارستی شدن کاملاً متفاوت هستند. تاکنون مطالعه جامعی در خصوص نحوه قرارگیری سازندهای مذکور و تاثیری که بر درجه کارستی شدن آنها گذاشته انجام نشده است. هدف از انجام این تحقیق، بررسی نقش چینه‌شناسی بر توسعه کارست در سازندهای مذکور می باشد.

موقعیت جغرافیایی ناحیه مورد مطالعه
چشمه‌علی دامغان در 32 کیلومتری شمال غرب شهر دامغان واقع شده است. مختصات این چشمه 54 درجه و 6 دقیقه طول شرقی و 36 درجه و 17 دقیقه عرض شمالی می‌باشد. این چشمه و حوضه آبگیر آن از نظر زمین‌شناسی در زون البرز شرقی واقع شده است. شکل (1) موقعیت جغرافیایی منطقه را بر روی تصویر ماهواره‌ای نشان می‌دهد.

 

 

شکل 1- موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه بر روی تصویر ماهواره ای (Google Earth)


روش انجام کار
به منظور بررسی نقش چینه‌شناسی منطقه بر توسعه کارست در حوضه آبگیر چشمه‌علی دامغان موارد زیر انجام شده است:
- بررسی‌های صحرایی در خصوص چینه‌شناسی منطقه و سازندهای موجود در حوضه آبگیر چشمه
- بررسی‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های هیدروژئولوژیکی درحوضه آبگیر چشمه
- اندازه‌گیری هدایت الکتریکی، اسیدیته، درجه حرارت آب، غلظت دی‌اکسید کربن محلول در آب و آبدهی چشمه در محل
‌- اندازه‌گیری غلظت یون‌های اصلی آب چشمه در آزمایشگاه
در حوضه آبگیر چشمه‌علی دامغان، با توجه به نقشه زمین‌شناسی 1:100000 دامغان تنها آهک‌های ضخیم لایه و توده‌ای سازند لار وجود دارد. حال آن که با توجه به مشاهدات صحرایی در مجاورت چشمه سنگ‌های آهکی نازک لایه و آهک‌های مارنی رخنمون دارد. با عنایت به مورد مذکور، یک مطالعه صحرایی در حوضه آبگیر چشمه به عمل آمد و ملاحظه شد که بخشی از حوضه آبگیر، چشمه که در مجاورت چشمه قرار دارد، از آهک‌های نازک لایه و آهک‌های مارنی سازند دلیچای تشکیل شده است. مطالب تکمیلی در بخش زمین‌شناسی ارائه می‌شود.
به منظور بررسی نوع جریان کارستی و در نتیجه درجه کارستی شدن سازندهای موجود در حوضه آبگیر چشمه، مقادیر هدایت الکتریکی، درجه حرارت، اسیدیته آب و دبی چشمه در محل چشمه به طور ماهانه در طول یکسال اندازه‌گیری شده است. علاوه بر این، یونهای کلسیم، منیزیم، سدیم، پتاسیم، بی‌کربنات، کلر، سولفات و نیترات به طور ماهانه در آزمایشگاه اندازه‌گیری شده‌اند.

4- زمین‌شناسی منطقه
منطقه مورد مطالعه بخشی از زون البرز شرقی است که در آن رخنمون‌هایی از واحدهای سنگی مزوزوئیک مشاهده می‌شوند. قدیمی‌ترین واحد سنگی سازند شمشک است که همانند مقطع تیپ متشکل از شیل و ماسه سنگ با افق‌های زغال‌سنگی می‌باشد. این سازند با کنتاکت گسله مجاور سازند دلیچای قرار گرفته است. سازند دلیچای از مارن‌ها و آهک‌های نازک لایه آمونیت‌دار تشکیل شده است. بر روی سازند دلیچای به طور هم‌شیب آهک‌های ضخیم لایه چرت‌دار لار قرار می‌گیرد.
در نقشه زمین‌شناسی 1:100000 دامغان، در حوضه آبگیر چشمه‌علی تنها آهک‌های ضخیم لایه و توده‌ای سازند لار نشان داده شده است. در مطالعات صحرایی حوضه مورد نظر مشخص گردید که علاوه بر آهک لار، آهک‌های نازک لایه و آهک‌های مارنی آمونیت‌دار سازند دلیچای نیز در منطقه رخنمون دارد (شکل 2). مساحت حوضه آبگیر چشمه‌علی حدود 148 کیلومتر مربع است، که حدود 3/65 درصد آن را رخنمون سازند لار، 2/16 درصد آن را رخنمون سازند دلیچای و 5/18 درصد آن را نهشته‌های کواترنری شامل می‌شوند.
به منظور ارزیابی مساحت حوضه آبگیر بر مبنای توپوگرافی، نقشه هیپسومتری حوضه آبگیر چشمه ترسیم شده است (شکل 3). همانطور که در شکل (3) دیده می‌شود حداقل، حداکثر و میانگین ارتفاع حوضه آبگیر چشمه علی دامغان به ترتیب برابر با 1495، 2635 و 1925 متر می‌باشد. علاوه بر این، ملاحظه می‌شود که بخش عمده مساحت حوضه آبگیر چشمه‌علی در محدوده ارتفاعی بین 1600 تا 2200 متر واقع شده است.
4-1- چینه‌شناسی منطقه
در حوضه آبگیر چشمه‌علی دامغان سازندهای شمشک، دلیچای و لار به ترتیب از قدیم به جدید رخنمون دارند. در این بخش به طور مختصر وضعیت چینه‌شناسی این سازندها ارائه می‌شود:
ـ سازند شمشک
سازند شمشک در منطقه مورد مطالعه عمدتاً شامل مجموعه‌ای از ماسه سنگ، شیل، سیلتستون با بین لایه‌ای هایی از زغال می‌باشد. این مجموعه به لحاظ هیدروژئولوژیکی, مجموعه‌ای غیرقابل نفوذ است و به همین دلیل می‌تواند به عنوان یک سد طبیعی در برابر جریان آب زیرزمینی عمل نماید.
چشمه‌علی دامغان در محل تماس سازندهای شمشک و دلیچای ظاهر شده است. البته به علت حضور نهشته‌های آبرفتی در محل چشمه، رخنمونی از سازند شمشک دیده نمی‌شود ولیکن در مناطق مجاور رخنمون این سازند در زیر آهک‌های نازک لایه و مارنی سازند دلیچای به وضوح قابل مشاهده است. در حقیقت، یکی از دلایل اصلی ظهور چشمه‌علی دامغان برخورد آب زیرزمینی حوضه کارستی این چشمه با واحدهای سنگی غیر قابل نفوذ سازند شمشک می‌باشد که مانع از حرکت رو به جلو آب زیرزمینی شده‌اند و باعث بالا آمدن سطح آب زیرزمینی و تشکیل چشمه‌علی شده است.


شکل 2- نقشه تصحیح شده زمین شناسی منطقه مورد مطالعه (کرمی 1385)

 

شکل 3- نقشه هیپسومتری حوضه آبگیر چشمه علی دامغان



ـ سازند دلیچای
سازند دلیچای در منطقه مورد مطالعه عمدتاً شامل آهک‌های نازک لایه و آهک‌های مارنی و لایه‌های محدودی از مارن می‌شود (شکل 4). این مجموعه (به ویژه آهک‌های نازک لایه) به لحاظ هیدروژئولوژیکی, مجموعه‌ای است که در آن درز‌ها و شکستگی‌های انحلالی به طور محدودی ایجاد شده‌اند. به عبارت دیگر پدیده کارستی شدن به طور نسبتاً محدودی در این مجموعه رخ داده است. این سازند بخش نسبتاً کوچکی از حوضه آبگیر چشمه را شامل می شود که بین چشمه‌علی و بخشی که سازند لار رخنمون دارد قرار گرفته است.

شکل 4- آهک های نازک لایه و آهک مارنی سازند دلیچای

ـ سازند لار
سازند آهکی لار در منطقه مورد مطالعه، همانند دیگر مناطق در رشته کوه البرز، از آهک‌های ضخیم لایه تا توده‌ای تشکیل شده است. بنابراین، به لحاظ هیدروژئولوژیکی رفتار این سازند در نقاط مختلف رشته کوه البرز کم و بیش یکسان می‌باشد. در منطقه مورد مطالعه همانند با مقطع تیپ، این سازند شامل آهک-های ضخیم لایه تا آهک‌های توده‌ای می‌شوند (شکل 5). این آهک‌ها به لحاظ هیدروژئولوژیکی، پتانسیل بالایی برای کارستی شدن دارند. به همین دلیل در این سازند درزه‌ها و شکستگی‌های انحلالی به طور قابل توجهی گسترش یافته‌اند و در بعضی از نقاط حوضه حفرات بزرگ انحلالی ایجاد شده است. آهک‌های ضخیم لایه تا توده‌ای این سازندها بخش اساسی لایه آبدار کارستی منطقه را شامل می شوند.

شکل 5- آهک‌های ضخیم لایه و توده-ای سازند لار

4-2- زمین‌شناسی ساختمانی منطقه
منطقه مورد مطالعه در زون البرز ‌شرقی واقع شده است و از نظر ساختاری از خصوصیات این زون تبعیت می‌کند. در این منطقه گسلهای زیادی، هم در حوضه آبگیر چشمه و هم در مجاورت دهانه خروجی چشمه، وجود دارد. از بین این گسلها، مهمترین آنها گسل چشمه‌علی است که دقیقاً از محل چشمه عبور می‌کند (شکل 2). این گسل دارای راستای غالب شمال شرق – جنوب غرب بوده و سازوکار غالب آن معکوس می‌باشد. این گسل در ایجاد شکستگی در سازندهای آهکی منطقه و ظهور چشمه نقش مهمی داشته است.

5- جریان آب زیرزمینی در سفره‌های آبدار کارستی
جریان آب زیرزمینی در سفره‌های آبدار کارستی از طریق خلل و فرج، و شکستگی‌ها، مجاری لوله مانند و دیگر مجاری بزرگ منتقل می‌شود. از آنجایی که شبکه انتقال‌دهنده آب معمولاً به طور یکنواختی توزیع نمی‌شوند، سفره‌های آبدار کارستی عموماً ناهمگن و ناهمسو هستند. به طور کلی در داخل کارست دو نوع جریان آب زیرزمینی وجود دارد (شکل 6). نوع اول، جریانی است که از مجاری، درزه و شکافهای با بازشدگی نسبتاً زیاد (معمولاً بزرگتر از یک سانتی‌متر) عبور می‌کند. این نوع جریان متلاطم است و به آن جریان مجرایی اطلاق می‌شود. از ویژگی‌های مهم این جریان درجه ناهمگنی بالا و درجه اتصالات اندک شبکه انتقال‌دهنده آب می‌باشد. نوع دوم جریان از داخل درزه و شکافهای کوچک با بازشدگی نسبتا کم (معمولاً کوچکتر از یک سانتی‌متر) و خلل و فرج به هم پیوسته عبور می‌کند. این نوع جریان عموماً به صورت خطی می‌باشد و به آن جریان افشان گفته می‌شود. از ویژگی‌های مهم این جریان درجه ناهمگنی کم و تراکم بالا شبکه‌های انتقال‌دهنده آب می‌باشد (Shuster and White 1971; 1972).
به منظور ارزیابی سیستم غالب جریان در سفره‌های آبدار کارستی، محققین مختلف از معیارهای گوناگونی استفاده کرده‌اند (Atkinson 1977; Quinlan et al. 1991; Drew et al. 1996). یکی از مهمترین این معیارها بررسی تغییرات زمانی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب چشمه ها می باشد. در خصوص کاربرد تغییرات زمانی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب چشمه ها برای ارزیابی نوع جریان و در نتیجه درجه توسعه یافتگی کارست، یکی از کارهای مهمی که انجام شده است استفاده جاکبسن و لانگمویر (Jacobson and Langmuir 1974) از ضریب تغییرات مربوط به پارامترهای فیزیکوشیمیایی می باشد. بر اساس کار این محققین ضریب تغییرات کلیه پارامترهای فیزیکی و شیمیایی در چشمه‌هایی که به وسیله سیستم افشان تغذیه می‌شوند به طور قابل توجهی در مقایسه با چشمه‌هایی که سیستم مجرایی در آنها غالب است، پایین تر می‌باشد. اختلاف ضریب تغییرات پارامترهای فیزیکی و شیمیایی بین دو سیستم جریان افشان و مجرایی به ویژه در خصوص ضریب تغییرات مربوط به دبی چشمه، درجه حرارت و هدایت الکتریکی آب بسیار مشهود است. بر اساس مطالعاتی که در خصوص تغییرات زمانی پارامترهای فیزیکی و شیمیایی چشمه‌های کارستی انجام شده است، حدود ضریب تغییرات پارامترهای فیزیکی و شیمیایی برای دو سیستم کارستی افشان و مجرایی به طور خلاصه در جدول (1) ارائه شده است.
به دلیل این که آهک‌های ضخیم لایه و توده‌ای (که درجه خلوص نسبتاً بالاتری دارند) برای ایجاد مجاری و فضاهای انحلالی بسیار مستعد هستند، سیستم های کارستی با جریان مجرایی عمدتاً در سنگهای آهکی ضخیم لایه و توده‌ای ایجاد می شوند. حال آن که سیستم‌های کارستی با جریان افشان عمدتاً در آهک‌های با خلوص کمتر (مانند آهک‌های نازک لایه و آهک‌های مارنی) بوجود می آیند.
همانطور که در بخش‌های قبلی ذکر شده است، لیتولوژی غالب سازند لار را آهک‌های ضخیم لایه و توده‌ای تشکیل می دهد در حالیکه سازند دلیچای بیشتر از آهک‌های نازک لایه و آهک‌های مارنی تشکیل شده است. بنابراین، درجه کارستی شدن سازند لار در مقایسه با سازند دلیچای به مراتب بیشتر است و در نتیجه مجاری و فضاهای انحلالی در سازند لار توسعه بیشتری پیدا کرده‌اند. علاوه بر این، سازند لار بخش بسیار وسیعتری را از حوضه آبگیر چشمه‌علی به خود اختصاص داده است. بنابراین، با توجه به مطالب ذکر شده، سازند لار نقش بیشتری در آبدهی چشمه به عهده دارد.

 

شکل 6- سیستم‌های جریان کارستی (نقل از Karami 2002)

جدول 1- حدود ضریب تغییرات پارامترهای فیزیکی و شیمیایی برای دو سیستم کارستی افشان و مجرایی
پارامتر سیستم جریان افشان سیستم جریان مجرایی
دبی
درجه حرارت آب
هدایت الکتریکی
pH
دی اکسید کربن محلول
سختی
کاتیونها و آنیونهای اصلی کمتر از 30 درصد
کمتر از 5 درصد
کمتر از 10 درصد
کمتر از 5 درصد
کمتر از 10 درصد
کمتر از 10 درصد
کمتر از 10 درصد بیشتر از 30 درصد
بیشتر از 5 درصد
بیشتر از 10 درصد
بیشتر از 5 درصد
بیشتر از 10 درصد
بیشتر از 10 درصد
بیشتر از 10 درصد

6- بررسی تغییرات زمانی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب چشمه
به منظور بررسی تغییرات زمانی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب چشمه‌علی دامغان؛ دبی چشمه، هدایت الکتریکی، درجه حرارت آب، اسیدیته، و دی‌اکسیدکربن محلول در محل چشمه و غلظت کاتیونها و آنیونهای اصلی در آزمایشگاه پارک علم و فناوری استان سمنان (شاهرود) به طور ماهانه به مدت یک سال اندازه‌گیری شده‌اند. برای تمام پارامترهای مذکور میانگین، انحراف از معیار و ضریب تغییرات محاسبه شده و نتایج حاصله در جدول (2) ارائه شده است. با عنایت به نتایج مندرج در جدول (2) ملاحظه می‌شود که ضریب تغییرات تمام خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب چشمه‌علی دامغان اندک می‌باشند. به عبارت دیگر تغییرپذیری پارامترهای فیزیکی و شیمیایی در آب چشمه‌علی ناچیز می‌باشند که بیانگر سیستم غالب جریان افشان در این حوضه و توسعه اندک پدیده کارست در این منطقه می‌باشد.


جدول 2- میانگین, انحراف معیار, وضریب تغییرات خواص فیزیکی و شیمیایی اندازه گیری شده در محل چشمه
پارامتر میانگین انحراف از معیار ضریب تغییرات (%)
دبی چشمه (لیتر بر ثانیه) 3/413 16/16 9/3
درجه حرارت آب (cº) 7/13 18/0 4/1
هدایت الکتریکی (μmhos/cm) 6/615 77/8 4/1
pH 56/7 13/0 7/1
دی اکسید کربن محلول (mg/l) 1/4 31/0 7/7
سختی (mg/l CaCO3) 8/204 78/8 3/4
کلسیم (mg/l) 2/55 20/2 0/4
منیزیم (mg/l) 6/16 56/1 4/9
سدیم (mg/l) 5/66 68/3 5/5
بیکربنات (mg/l) 9/215 71/6 1/3
سولفات (mg/l) 0/35 96/0 7/2
کلر (mg/l) 3/59 55/3 0/6


تغییرات زمانی دبی چشمه (هیدروگراف چشمه) در دوره مورد مطالعه تــرسیم شده‌است (شکل 7). با توجه به شکل (7) ملاحظه می‌شود که دبی چشمه در اواخر زمستان و در طول بهار مقداری افزایش می یابد و یک اوج نسبتاً مسطحی را نشان می‌دهد. در حقیقت تغییرات دبی بسیار ناچیز است و افزایش دبی در شاخه صعودی هیدروگراف و کاهش آن در شاخه نزولی هیدروگراف بسیار تدریجی است. چنین هیدروگرافی بیانگر تخلیه تدریجی آب زیرزمینی می‌باشد که به خواص هیدروژئولوژیکی سفره آبدار کارستی چشمه‌علی و نقش آهک های نازک لایه و آهک مارنی سازند دلیچای در تخلیه تدریجی آب از این منطقه کارستی مربوط می‌شود.
به منظور بررسی کمی تخلیه آب و هم‌چنین برآورد ضریب یا ضرایب دبی چشمه، منحنی فرود چشمه با استفاده از داده‌های مربوط به هیدروگراف چشمه تهیه شده است (شکل 8). منحنی فرود چشمه از دبی حداکثر پایان دوره تر آغاز شده و تا زمان افزایش مجدد دبی در شروع دوره تر بعدی ادامه می‌یابد و در این مدت دبی چشمه از آبهای ذخیره شده در سفره آبدار کارستی تأمین می‌گردد. این منحنی به صورت نیمه لگاریتمی است به این ترتیب که دبی در روی محور عمودی که لگاریتمی است در مقابل زمان در روی محور افقی (که خطی است) ترسیم می‌شود. در این نمودار روند داده‌ها به صورت یک خط مستقیم و یا یک خط شکسته با شیب‌های مختلف ظاهر می‌شود. شیب خط و یا خطوط شکسته ایجاد شده به عنوان ضریب یا ضرایب دبی در نظر گرفته می‌شوند. ضریب دبی از رابطه زیر بدست می‌آید (Milanovic 1981):

معادله (1)

که در این رابطه، ضریب دبی، و دبی‌های چشمه بر حسب مترمکعب بر ثانیه به ترتیب در زمانهای t0 و t1 می‌باشد.
ضریب دبی میزان توانایی سفره آبدار در ذخیره‌سازی آب را نشان می‌دهد و تابع تخلخل مؤثر و قابلیت انتقال سفره آبدار کارستی می‌باشد. در سفره‌های آبدار کارستی توسعه یافته، منحنی فرود چشمه عمدتاً از سه رژیم با ضرایب بده متفاوت تشکیل می‌شود. در رژیم اول، تخلیه‌ آب زیرزمینی از غارها و مجاری بزرگ صورت می‌گیرد و در این حالت جریان متلاطم غالب است و حجم زیادی از آب از طریق این مجاری با سرعت زیاد تخلیه می‌شود. در رژیم دوم، تأمین آب چشمه از طریق شکافهای مرتبط که به طور نسبتاً کمتری کارستی شده‌اند، صورت می‌گیرد. در رژیم سوم، آب چشمه از داخل خلل و فرج ریزتر و درزه و شکافهای با بازشدگی اندک تخلیه می‌شود.

 

 

 

 

شکل 7- هیدروگراف چشمه علی از بهمن ماه 1384 تا دی ماه 1385

 

شکل 8- منحنی فرود چشمه علی از بهمن ماه 1384 تا دی ماه 1385


با توجه به شکل (8) ملاحظه می‌شود که منحنی فرود چشمه اساساً دارای یک شیب است. این شیب بسیار اندک بوده و برابر با می‌باشد. چنین ضریب بده‌ای بیانگر تخلیه تدریجی آب زیرزمینی است که از طریق خلل و فرج به هم پیوسته، مجاری کوچک و درزه و شکافهای با بازشدگی کم صورت می‌گیرد.
علاوه بر پایین بودن ضریب تغییرات تمام پارامترها، تغییرات زمانی اندک این پارامترها (به ویژه درجه حرارت، هدایت الکتریکی و دبی که با دقت نسبتاً زیادی اندازه‌گیری شده‌اند) با خصوصیات هیدروژئولوژیکی سفره آبدار کارستی همخوانی بسیار خوبی را نشان می‌دهند. تغییرات اندک دبی چشمه به این ترتیب است که در اواخر فصل زمستان دبی چشمه شروع به افزایش می‌کند و در اواخر بهار به حداکثر خود می‌رسد و سپس به صورت تدریجی دبی کاهش می‌یابد. لازم به ذکر است که دبی اوج ایجاد شده در اواخر فصل بهار دو ویژگی را شامل می‌شود. اول اینکه این دبی اوج در مقایسه با دوره‌هایی که دارای حداقل دبی هستند اختلاف قابل توجهی را شامل نمی‌شود. دوم اینکه افزایش دبی در شاخه صعودی هیدروگراف و کاهش دبی در شاخه نزولی هیدروگراف بسیار تدریجی است و دبی اوج جزئی ایجاد شده نسبتاً طولانی مدت می‌باشد. تمام این ویژگی‌ها با خواص هیدروژئولوژیکی سفره کارستی چشمه‌علی و نقش آهک‌های نازک لایه و آهک مارنی سازند دلیچای در تخلیه تدریجی آب از این منطقه کارستی همخوانی دارد. تغییرات زمانی هدایت الکتریکی با تغییرات زمانی دبی رابطه معکوسی را نشان می‌دهد (شکل 9). چنین رفتاری به این دلیل است که هرچه دبی چشمه بیشتر باشد سرعت تخلیه آب نیز بیشتر است و در نتیجه زمان ماندگاری آب در سفره آب زیرزمینی کمتر می‌باشد که این امر به نوبه خود باعث کاهش انحلال مواد سفره آبدار و ورود آنها به داخل آب می‌شود و بالعکس برای مواردی که دبی چشمه کمتر باشد.


شکل‌ 9- رابطه تغییرات زمانی هدایت الکتریکی با تغییرات زمانی دبی


اگرچه مقادیر هدایت الکتریکی در فاصله زمانی اردیبهشت تا مهر کم و بیش ثابت شده است ولیکن همانطور که در شکل (9) دیده می-شود، نوسانات اندکی در مقادیر این پارامتر مهم شیمیایی در این فاصله زمانی دیده می‌شود. علت وجود نوسانات هدایت الکتریکی در دوره‌ای که این پارامتر تقریباً ثابت شده است به خاطر دخالت بخش‌ها و مسیرهای مختلف کارستی در آبدهی چشمه است. به این ترتیب که مسیرهای مختلف در حوضه آبگیر چشمه (حتی اگر در یک سازند واقع شده باشند) به لحاظ بازشدگی فضاهای انحلالی و در نتیجه زمان ماندگاری آب تفاوت-هایی را شامل می‌شوند. علاوه بر این، در بخش‌های مختلف حوضه آبگیر چشمه (حتی در یک سازند) ترکیب شیمیایی سنگ‌ها اختلاف‌هایی را شامل می‌شوند. این عوامل هر کدام به سهم خود می‌توانند بر مقادیر هدایت الکتریکی (هر چند اندک) تاثیرگذار باشند.
تغییرات زمانی درجه حرارت با تغییرات زمانی دبی رابطه نسبتاً مستقیمی را نشان می‌دهد (شکل 10). به این ترتیب که هرچه دبی چشمه بیشتر است درجه حرارت آب چشمه نیز بیشتر است. علت این امر به این قرار است که در هنگام دبی اوج چشمه بخشی از آب چشمه از بخش‌های سطحی‌تر سفره آب زیرزمینی تأمین می‌شود که درجه حرارت نسبی آنها اندکی بالاتر می‌باشد و در دبی‌های کمتر (مثل اواخر فصل تابستان و اوایل فصل پاییز)، آب چشمه از قسمت‌های نسبتاً عمیق‌تر تخلیه می‌شود که به طور نسبی درجه حرارت آب این مناطق اندکی پایین‌تر است.


شکل‌ 10- رابطه تغییرات زمانی درجه حرارت با تغییرات زمانی دبی



به منظور ارزیابی لیتولوژی غالب در سفره‌های آبدار کارستی از نسبت یون کلسیم به یون منیزیم (بر حسب اکی والان وزنی) استفاده می شود. اگر نسبت مذکور حدود واحد باشد، لیتولوژی غالب حوضه تغذیه کننده چشمه کارستی دولومیت خواهد بود. هرچه این نسبت از واحد بیشتر باشد لیتولوژی غالب حوضه تغذیه کننده چشمه کارستی به سوی آهکی شدن گرایش پیدا می-کند و هرچه نسبت مذکور بزرگتر شود درجه خلوص آهک بیشتر خواهد بود. از آنجایی که نسبت یون کلسیم به یون منیزیم در چشمه-علی حدود 75/2 می‌باشد، بنابراین، لیتولوژی غالب حوضه تغذیه کننده چشمه‌علی آهکی است.

7- نتیجه‌گیری
مطالعات زیادی در زمینه تعیین نوع جریان در سفره‌های آبدار کارستی انجام شده است که در اغلب آنها از تغییرات خواص فیزیکی و شیمیایی آب خروجی از چشمه‌ها استفاده می‌شود. علاوه بر این در بعضی از مطالعات به خصوصیات سیستم ورودی در حوضه آبگیر چشمه نیز توجه شده است. تغییرات زمانی خواص فیزیکی و شیمیایی آب خروجی از چشمه‌علی به طور قابل توجهی اندک می‌باشد به طوری که ضریب تغییرات تمام پارامترها بیانگر غالب بودن جریان افشان در سفره آبدار کارستی این چشمه می‌باشد. علاوه بر تغییرات زمانی خواص فیزیکی و شیمیایی آب خروجی از چشمه که همگی به اتفاق تأییدکننده جریان افشان در سفره آبدار چشمه هستند، خصوصیات سیستم ورودی در حوضه آبگیر چشمه (نبود گودی‌های مسدود، فروچاله، و درزه‌ها و شکستگی‌های انحلالی بزرگ و عمیق، و وجود خاک‌های ریگوسل و لیتوسل که در بخش‌ قابل توجهی از حوضه آبگیر چشمه گسترش دارند) نیز بیانگر غالب بودن جریان افشان در سفره کارستی چشمه‌علی دامغان می‌باشد. با توجه به وضعیت زمین‌شناسی حوضه آبگیر چشمه‌علی دامغان، یکی از مهمترین دلایل غالب بودن سیستم افشان و به عبارت دیگر توسعه اندک کارست در حوضه چشمه-علی وضعیت چینه‌شناسی منطقه است به این ترتیب که سازند دلیچای (که شامل آهک‌های نازک لایه و مارنی می باشد و توسعه کارست به صورت اندک در آنها انجام می شود) در حد فاصل بین آهک‌های ضخیم لایه و توده‌ای سازند لار (که مستعد توسعه کارست هستند) و محل ظهور چشمه واقع شده است و باعث شده که جریان آب زیرزمینی را به صورت تدریجی به چشمه برساند و از توسعه کارست جلوگیری نماید

 

- کرمی، غ.، ،1385، بررسی خصوصیات هیدروژئولوژیکی و هیدروژئوشیمیایی چشمه­علی دامغان: گزارش طرح پژوهشی، دانشگاه صنعتی شاهرود، 52 ص (منتشر نشده).

- ناصری، ح. ر.، 1370، مطالعه هیدروژئولوژیکی چشمه­های کارستی حوضه آبریز سد درودزن، پایان­نامه کارشناسی ارشد، بخش زمین­شناسی، دانشگاه شیراز، 325 ص (منتشر نشده).

 

- Ahmadipour, M.R., 1999, Karst terraines in Iran– Example from Lorestan: Acta Carsologica v. 28, p. 213-224.

- Atkinson, T.C., 1977, Diffuse flow and conduit flow in limestone terrain in the Mendip Hills, Somerset (Great Britain): J. Hydrol. v. 35, p 93-110.

- Drew, D.P., Burke, A.M., and Daly, D., 1996, Asse­ssing the extent and degree of karstification in Ireland: In proceedings of international conference on karst-fractured aquifers–vulnerability and sustainability, Kat­owice-Ustron, Poland, p. 37-47.

- Dreybrodt, W., 1988, Processes in karst systems physic­s, chemistry, and geology. Springer: Berlin, New York, Heidelberg, 288 p.

- Eisenlohr, L., Meteva, K., Gabrovsek, F. and Dreybrodt, W., 1999, The inhibiting action of intrinsic impurities in natural calcium carbonate minerals to their dissolution kinetics in aqueous H2O-CO2 solutions. Geochim. cosmochim. Acta, v. 63, no. 7/8, p. 989-1002.

- Quinlan, J.F., Smart, P.L., Schindel, G.M.,  Alexander, E.C.,  Edwards, A.J.,  and Smith, A.R., 1991, Recomm­ended administrative/regulatory definition of karst aquifer, principles for classification of carbonate aquifers, practical evaluation of vulnerability of karst aquifers, and determination of optimum sampling frequency at springs. In third conference on hydrogeo­logy, ecology, monitoring, and management of ground water in karst terrains. National Ground Water Association, Dublin, Ohio, p. 573-635.

- Ford, D. C., and Williams, P. W., 1989, Karst geomor­phology and hydrology: Chapman and Hall, London. 895 p.

- Jacobson, R. L. and Langmuir, D., 1974, Controls on the quality variations of some carbonate spring waters: J. Hydrol., v 23, p. 247–265.

- Jennings, J. N., 1985, Karst geomorphology: 2 edition, Basil Blackwell, Oxford, 293 p.

- Karami G.H., 2002, Assessment of heterogeneity and flow systems in karstic aquifers using pumping test data: Ph.D. Thesis, Univ. of Newcastle upon Tyne, Newcastle upon Tyne, 180 p.

- Milanovic P.T., 1981, Karst hydrogeology: Water Reso­urces Publications, 434 p.

- Shuster, E. T. and White, W. B., 1971, Seasonal fluctuations in the chemistry of limestone springs: A possible means for characterising carbonate aquifers. J. Hydrol., v. 14, p. 93–128.

15- Shuster, E.T. and White, W.B., 1972, Source areas and climatic effects in carbonate groundwaters determined by saturation indices and carbon dioxide pressures. Water Resour. Res. v. 8, no. 4, p. 1067 – 1073.

- Veni, G., 2008, Lithology as a Predictive Tool of Conduit Morphology and Hydrology in Environmental Impact Assessments, ASCE Publications, v. 177, no. 6, p. 46-56.

 

- White, W. B., 1988, Geomorphology and hydrology of karst terrains: Oxford University Press, 464 p.

- Zuber, A. and Motyka J., 1996, Hydraulic conductivity and solute transport parameters of karstic-fractured-porous aquifers. In: proceedings of international conference on karst-fractured aquifers – vulnerability and sustainability, Katowice-Ustron, Poland, June 10-13, 1996, p.