فصلنامه علمی علوم زمین

فصلنامه علمی علوم زمین

تعیین منشا شوری ‌‌آب ‌زیرزمینی معدن 2 ‌گل‌گهر سیرجان با استفاده از روش‌های نگاشت خودسازمان‌ده و تحلیل خوشه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه زمین‌شناسی معدنی و آب، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
2 گروه عمران، دانشکده فنی، دانشگاه جهاد دانشگاهی، رشت، ایران
چکیده
یکی از بخش‌های ضروری در عملیات استخراج معادن، زهکشی آب­‌های مزاحم برای امکان‌پذیر شدن فرایند معدن‌کاری در زیر سطح ایستابی است. به این منظور، ابتدا لازم است منشا آب­‌های ورودی به کاواک معدن و رژیم هیدروژئولوژی منطقه‌ای که معدن در آن واقع شده است، شناخته شود. شناسایی فرایندهای هیدروژئوشیمی و منشا شوری برای مدیریت ‌‌آب‌زیرزمینی در معادن می‌تواند به شناخت رژیم هیدروژئولوژیکی منطقه و تعیین سازوکار (مکانیسم) زهکشی مناسب کاواک معدن کمک شایانی نماید. در این پژوهش، هدف بررسی هیدروژئوشیمی یون­‌های اصلی و تعیین منشا شوری در معادن ‌گل‌گهر سیرجان با استفاده از نگاشت خودسازمان‌ده (Self Organizing Map)، تحلیل خوشه‌بندی سلسله مراتبی (Hierarchical Clustering Analysis)، و نقشه حرارتی (Heat map) است. تعداد 20 نمونه آب در گستره معدن گل‌گهر سیرجان، واقع در جنوب مرکزی ایران، مورد سنجش قرار گرفت. بر اساس تحلیل نمودار­های ترکیبی هیدروشیمی، فرایند چیره در گستره کاواک معدن شماره 2 ‌گل‌گهر و کفه نمکی خیرآباد، انحلال هالیت است. افزون بر این، مطالعات نشان داد که تبادل کاتیونی معکوس و انحلال ژیپس نیز رخ داده است. براساس تحلیل هیدروژئوشیمی، نوع و رخساره اصلی تمام نمونه‌های ‌‌آب‌زیرزمینی منطقه کلروره سدیک می­‌باشد. هماهنگی نتایج تحلیل سلسله مراتبی با نقشه‌های خودسازمان‌ده، منشا آب‌های گستره مورد مطالعه را به چهار گروه: آب­‌های آبخوان آبرفتی (گروه A)، اختلاطی (گروه B)، آب شورابه ژرفی و یا سازند سخت (گروه C) و شورابه کفه نمکی خیرآباد (گروه D) ‌طبقه‌بندی کرده است. همچنین مشخص شد که ارتباط هیدرولیکی و هیدروژئوشیمی بین کفه نمکی خیرآباد و آب زیرزمینی پیت معدن 2 وجود دارد، اما منشا اصلی شورشدگی آبخوان سنگ سخت، ارتباطی با کفه نمکی خیرآباد ندارد و در صورت پذیرش این ارتباط نیز نقش اصلی تعیین رژیم هیدروژئوشیمی آن با اختلاط بسیار شدیدی با سایر آب‌های موجود در منطقه است. نتایج این مطالعه برتری روش نگاشت خودسازمان‌ده برای درک صریح فرایندهای هیدروشیمیایی در مناطق معدنی و شورابه‌ها را نشان ‌می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


Abirifard, M., Raeisi, E., Zarei, M., Zare, M., Filippi, M., Bruthans, J., and Talbot, C.J., 2017. Jahani Salt Diapir, Iran: hydrogeology, karst features and efect on surroundings environment. Int J Speleol, 46(3), 445-457. https://doi.org/10.5038/1827-806X.46.3.2133.
APHA/AWWA/WEF., 2017. Standard Methods for the examination of water and wastewater. 23rd edition. America Public Health Association, American Water Works Association and Water Environment Federation, Washington, DC.
Appelo, C.A.J., and Postma, D., 2005. Groundwater and Pollution, second ed. A.A. Balkema Publishers, Leiden.
Assari, A., 2019. Defining hydrogeology of the Gohar-Zamin open pit mine, Iran: a case study in a hard-rock aquifer. Hydrogeol J, 27(4), 1479–1495. https://doi.org/10.1007/s10040-018-01919-4.
Chidambaram, S., Karmegam, U., Prasanna, MV., Sasidhar, P., and Vasanthavigar, M., 2011. A study on hydrochemical elucidation of coastal groundwater in and around Kalpakkam region, southern india. Environmental Earth Sciences, 64 (5), 1419-1431. https://doi.org/10.1007/s12665-011-0966-3.
Farsadnia, F., Kamrood, M.R., Nia, A.M., Modarres, R., Bray, M.T., Han, D., and Sadatinejad, J., 2014. identification of homogeneous regions for regionalization of watersheds by two-level self-organizing feature maps. J. Hydrol, 509, 387–397. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2013.11.050.
Gharaat, M. J., Mohammadi, Z., Assari, A., and Rezanezhad, F., 2022. Groundwater Circulation and Origin of Salinity in a Multi-aquifer System: The Gohar-Zamin Mining Area, Iran. Mine Water and the Environment. Springer Science and Business Media LLC, 41(4), 996–1014. http://dx.doi.org/10.1007/s10040-018-01919-4.
Gharaat, M.J., Mohammadi, Z., and Rezanezhad, F., 2020. Distribution and origin of potentially toxic elements in a multi-aquifer system. Environ Sci Pollut Res, 27, 43724-43742. https://doi.org/10.1007/s11356-020-10223-2.
Heidari-Nejad, H., Zarei, M., and Merkel, B.J., 2017. Evaluating the origin of seepage water in the Golgohar Iron mine, Iran. Mine Water Environ, 36(4), 583–596. https://doi.org/10.1007/s10230-017-0447-3.
Jahanshahi, R., and Zare, M., 2017. Delineating the origin of groundwater in the Golgohar mine area of Iran using stable isotopes of 2H and 18O and hydrochemistry. Mine Water Environ, 36(4), 550–563. https://doi.org/10.1007/s10230-017-0444-6.
Kohonen, T., 1982. Self-organized formation of topologically correct feature maps. Biol. Cybern, 43(1), 59–69. https://doi.org/10.1007/BF00337288.
Koudenoukpo, Z.C., Odountan, O.H., Agboho, P.A., Dalu, T., Van Bocxlaer, B., de Bistoven, L.J., Chikou, A., and Backeljau, T., 2021. Using self–organizing maps and machine learning models to assess mollusc community structure in relation to physicochemical variables in a West Africa River–estuary system. Ecol. Indic, 126 (107706). https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2021.107706.
Lall, U., Josset, L., and Russo, T., 2020. A snapshot of the world's groundwater challenges. Annu. Rev. Environ. Resour, 5, 171–194. https://doi.org/10.1146/annurev-environ-102017-025800.
Li, J., Shi, Z.M., Wang, G.C., and Liu, F., 2020. Evaluating spatiotemporal variations of groundwater quality in Northeast Beijing by Self-organizing Map. Water, 12(5) (1382). https://doi.org/10.3390/w12051382.
Liu, P., Hoth, N., Drebenstedt, C., Sun, Y.J., and Xu, Z.M., 2017. Hydro-geochemical paths of multi-layer groundwater system in coal mining regions - using multivariate statistics and geochemical modeling approaches. Sci. Total Environ, 601–602, 1–14. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.05.146.
Maknooni Gilani, S., 2018. Exploitation potential of Golgohar hard rock aquifer by isotope, geophysics and hydrogeological methods. Ph.D. Dissertation, Shiraz University, 125 P.   فارسی؟
Maknouni, S., Zare, M., and Raeisi, E., 2018. Determining the hard rock groundwater pathway in Golgohar complex formation using hydrochemical data in AHP, Arabian Journal of Geosciences, 11 (172). https://doi.org/10.1007/s12517-018-3472-z.
Nakagawa, K., Yu, Z.-Q., Berndtsson, R., and Hosono, T., 2020. Temporal characteristics of groundwater chemistry affected by the 2016 Kumamoto earthquake using self organizing maps. J. Hydrol, 582 (124519). https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.124519.
Nguyen, T.T., Kawamura, A., Tong, T.N., Nakagawa, N., Amaguchi, H., and Gilbuena, R.J., 2015. Clustering spatio–seasonal hydrogeochemical data using Self-Organizing Maps for groundwater quality assessment in the Red River Delta, Vietnam. J. Hydrol, 522, 661–673. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.01.023.
Orak, E., Akkoyunlu, A., and Can, Z.S., 2020. Assessment of water quality classes using self organizing map and fuzzy C-means clustering methods in Ergene River, Turkey. Environ Monit Assess, 192 (638). https://doi.org/10.1007/s10661-020-08560-3.
Piper, A.M., 1944. A graphic procedure in the geochemical interpretation of water-analyses. Trans. Am. Geophys. Union, 25, 914–923. https://doi.org/10.1029/TR025i006p00914.
Qiao, X.J., Li, G.M., Li, M., Zhou, J.L., Du, J., Du, C.Y., and Sun, Z.H., 2011. Influence of coal mining on regional karst groundwater system: a case study in west mountain area of Taiyuan city, northern China. Environ. Earth Sci, 64(6), 1525–1535. https://doi.org/10.1007/s12665-010-0586-3.
Rahman, A.T.M., Kono, Y., and Hosono, T., 2022. Self-organizing map improves understanding on the hydrochemical processes in aquifer systems. Science of the Total Environment, 846 (157281). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157281.
Richter, B.C., Kreitler, C.W., and Bledsoe, B.E., 1991. Identification of sources of ground-water salinization using geochemical techniques. US environmental protection agency, office of Research and Development. Robert S Kerr Environmental Research Laboratory, 258 P.
Sabzehei, M., Eshraghi, S.A., Roshan, Ravan, J., and Seraj, M., 1997, Geological Report of Gol-Gohar map. Geological Survey of Iran, Tehran.
Steinmetz, R.L.L., Salvi, S., García, M.G., Arnold, Y.P., B´eziat, D., Franco, G., Constantini, O., Francisco, E., C´ordoba, F.E., and Caffe, P.J., 2018. Northern Puna plateau-scale survey of Li brine-type deposits in the Andes of NW Argentina. Journal of Geochemical Exploration, 190, 26–38. https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2018.02.013.
Stiff, H.A., 1951. The interpretation of chemical water analysis by means of patterns. J. Pet. Technol, 3, 15–17.
Su, Z., Wu J, He, X., and Elumalai, V., 2020. Temporal changes of groundwater quality within the groundwater depression cone and prediction of confined groundwater salinity using Grey Markov Model in Yinchuan area of northwest China. Expos Health, 12(3), 447–468. https://doi.org/10.1007/s12403-020-00355-8.
Tran, T.Q., Banning, A., Heinze, T., and Wohnlich, S., 2022. Integration of self-organizing maps, statis-tical analysis, and hydrogeochemical modeling methods to identify spatio-seasonal variations in mine water quality. J. Geochem. Explor, 233 (106908). https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2021.106908.
Tsuchihara, T., Shirahata, K., Ishida, S., and Yoshimoto, S., 2020. Application of a Self-Organizing Map of Isotopic and Chemical Data for the Identification of Groundwater Recharge Sources in Nasunogahara Alluvial Fan, Japan. Water, 12 (278). https://doi.org/10.3390/w12010278.
USEPA, 2007, Groundwater Sampling SESDPROC-301-R1, SESD Operating Procedure for Groundwater Sampling. United State Environmental Protection Agency.
Vesanto, J., and Alhoniemi, E., 2000. Clustering of the self-organizing map. IEEE Trans. Neural Netw, 11(3), 586–600. https://doi.org/10.1109/72.846731.
Wang, C., Liao, F., Wang, G., Qu, S., Mao, H., and Bia, Y., 2023. Hydrogeochemical evolution induced by long-term mining activities in a multi-aquifer system in the mining area. Science of the Total Environment, 854 (158806). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.158806.
Wang, R, Bian J.M, Gao Y., 2014. Research on hydrochemical spatio-temporal characteristics of groundwater quality of different aquifer systems in Songhua River basin, eastern songnen plain, northeast china. Arabian Journal of Geosciences, 7(12), 5081-5092. https://doi.org/10.1007/s12517-014-1324-z.
Wu, J.H., Li, P.Y., Qian, H., Duan, Z., and Zhang, X.D., 2014. Using correlation and multivariate statistical analysis to identify hydrogeochemical processes affecting the major ion chemistry of waters: a case study in Laoheba phosphorite mine in Sichuan, China. Arab. J. Geosci, 7(10), 3973–3982. https://doi.org/10.1007/s12517-013-1057-4.
Zaryab, A., Nassery, H.R., and Alijani, F., 2021. Identifying sources of groundwater salinity and major hydrogeochemical processes in the Lower Kabul Basin aquifer, Afghanistan Environmental Science Processes and Impacts, 23 (1589). https://doi.org/10.1039/D1EM00262G.
دوره 34، شماره 4 - شماره پیاپی 134
زمستان 1403، سال سی و چهارم، شماره 4، پیاپی 134
زمستان 1403
صفحه 37-54