تاثیر سد بر ایجاد زلزله های القایی در ایران

چکیده:

بعد از آبگیری سد کرخه در تاریخ 6/7/ 1997، تعداد زیادی زمین لرزه با بزرگی کمتر از 4 واقع شده که توسط شبکه لرزه نگاری نصب شده در محل سد گزارش شده است. در این تحقیق خصوصیات زمین لرزه های فوق و رابطه آن با شرایط مخزن مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور، زمین لرزه های واقع شده در شعاع 60 کیلومتری از محور سد استخراج و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. بررسیها نشان می دهد که پراکندگی زمین لرزه ها در سمت مخزن سد بیشتر بوده و از عمق کمتری برخوردارند. عمق کانونی این زمین لرزه ها کمتر از 15 کیلومتر است، و با دور شدن از محور سد عمق کانونی و بزرگی آنها افزایش یافته است. نتایج حاصل نشان می دهد که با آبگیری مخزن سد شیب ضریب (پارامتر گوتنبرگ_ریشتر ) افزایش یافته و نیز مقدار با دور شدن از محل سد کاهش یافته است، که مبین افزایش تعداد زلزله های کوچکتر بعد از آبگیری مخزن می باشد.

مقدمه :

طرح سد و نیروگاه کرخه در بین طرحهای با مقیاس مشابه، از بومی ترین طرحهای اجرایی است که با اتکا وسیع به توان مهندسی و مدیریتی داخلی، در بازه زمانی مناسب، با کیفیت مطلوب و هزینه ای پایین در مقایسه با قیمتهای بین المللی، تکمیل و به بهره برداری رسیده است. با وجود دستاوردهای مثبت این طرح، مشکلات و نارساییهایی نیز در جریان عمل و بعد از آن فراروی دست اندرکاران بوده ، که یکی از این موارد تأثیرات زیست محیطی طرح است که عموماً بعد از بهره برداری سدهای بزرگ، در مناطق مجاور سد مشاهده می گردد. یکی از این پیامد ها، لرزشهای القا شده ناشی از بهره برداری مخزن سد است.

سد مخزنی کرخه در 20 کیلومتری غرب اندیمشک بر روی رودخانه کرخه و در 12 کیلومتری بالادست پای پل (پل نادری) در طول جغرافیایی شرقی و عرض جغرافیایی شمالی واقع گردیده است. به لحاظ شیب نسبتا کم رودخانه ، دریاچه سد از گستردگى و حجم قابل ملاحظه اى برخوردار است. این سد دارای ارتفاع 127 متر از بستر رودخانه، طول تاج 3030 متر و عرض کف 1100 متر است. حجم مفید مخزن سد 5.6 میلیارد متر مکعب می باشد.

زمین شناسی و تکتونیک محدودۀ سد:

سد مخزنی کرخه و محدوده مخزن آن در حاشیه جنوب غربی منطقه چین خورده زاگرس قرار دارد. تپه ها و بلندیهای محدوده طرح ازکنگلومرای سازند بختیاری و رسوبات نرم سازند آغاجاری تشکیل شده است. پی و تکیه گاههای سد از کنگلومرای بختیاری تشکیل یافته که خود از دو واحد سنگی (BK2) در بالا با سیمانتاسیون و مقاومت بهتر و (BK1) در پایین با سیمانتاسیون و مقاومت کمتر تشکیل شده است. سد و تأسیسات وابسته به آن غالباً در محدوده واحد سنگی (BK2) واقع شده اند.

از نقطه نظر لرزه زمین ساخت، ساختگاه سد کرخه در ایالت تکتونیکی زاگرس واقع گردیده است، که یکی از فعالترین ایالتهای لرزه زمین ساختی ایران است. در گذشته چندین زمین لرزه قوی و مخرب در زاگرس رخ داده و آسیبهای جانی و مالی زیادی را بر جای گذاشته است. نزدیکترین گسل فعال به محور و دریاچه سد، راندگی لهبری می باشد.

در گزارشات مرحله مطالعاتی، بر اساس ابعاد مخزن و ارتفاع سد کرخه مشخص گردیده است که رویداد زمین لرزه هاى القایى در ساختگاه سد امکانپذیر مى باشد. لازم به ذکر است که پاسخ سریع زمین لرزه القایى در ناحیه زاگرس، در محل سد شهید عباسپور مشاهده شده است.

زمین لرزه های القایی ناشی از آبگیری سد:

به طور کلى لرزه خیزى القایى زلزله هایى را توصیف مى کند که به نوعی در ارتباط با فعالیت هاى انسانى بر روى پوسته زمین مى باشند، که در دهه هاى اخیر به علت دستکارى زیاد انسانى در محیط با چنین پدیده هایى مواجه هستیم. این رویدادهاى لرزه اى یا به طور کامل انسانزاد مى باشند و یا اینکه در مناطق فعال تکتونیکى در اثر تغییر وضعیت کلى استرس روى میدهند. این حرکات معمولاً با آشفتگى و برهم زدن موازنه طبیعت همراهند و نسبت مستقیمى بین زلزله هاى تحریک شده و فعالیتهاى انسانى وجود دارد. بنابر این باید انتظار داشت که مراکز این نوع زلزله هاى کاذب در نواحى فعالیت انسانها و حوالى آن قرار گیرد. یکى از عمده ترین عوامل ایجاد کننده زلزله مصنوعى ، مخازن و دریاچه هاى سد هاى بزرگی مى باشد که مخازن آنها بیش از 80 تا 100 متر عمق دارند یا حجم مخزن زیادی را دارا هستند. البته در سدهایی که اندازه کوچکترى دارند ولى در نواحى حساس به لحاظ زمین ساختى قرار گرفته اند نیز این نوع زلزله ها مشاهده شده است.

احداث سد و ایجاد یک مخزن بزرگ آب، بر روى رودخانه وضعیت طبیعى محیط را که طى سالیان دراز حاصل شده است، برهم مى زند، وچند میلیارد تن بار جدید بر کف مخزن وارد میآید. زیرا قبل از ساخت یک سد، رودخانه جریان طبیعى خود را داشته و هرگز فشار هاى هیدروستاتیکى ناشى از جمع شدن آب پشت سد را تحمل نکرده است و طبیعتاً اگر نیروهاى قابل توجهى به بدنه کوههاى اطراف رودخانه وارد شود در ابتدا مصالح طبیعی با تغییر شکل بخشی، انرژى کرنشى را ذخیره می نمایند و اگر میزان انرژی وارده از میزان تحمل سنگ بیشتر شد، آنرا همانند انتشار امواج ارتجاعى آزاد می نماید که باعث ایجاد زلزله هاى مصنوعى مى شود. مراکز این لرزشهاى کاذب معمولاً در کف مخزن یا در مجاورت کف آن و در عمق کانونى صفر تا 10 کیلومترى قرار دارد.

مطالعات نشان مى دهد که برخى از مخازن بلافاصله بعد از تکمیل آبگیرى موجب وقوع زلزله مى شوند(به علت تغییرات تنش الاستیک) و بعضى از آنها با تأخیر (به علت پخش سیال منفذى ) و بعضى چندین سال بعد، هنگامى که سطح آب مخزن تغییر کرد موجب رخداد زلزله مى شوند.

مکانیسم لرزه خیزی القایی:

نظریه غالب در مورد علت وقوع زلزله هاى القائى، بر اساس افزایش تراز سطح آب دریاچه سد می باشد، که منجر به افزایش فشار منفذى داخل سنگها مى گردد. تحت این فشار ممکن است شکستگی داخلى سنگهاى پوسته زمین شروع شود. اثرات این شکست به صورت زمین لرزه هاى در حد بزرگی های کم مشاهده مى شود. بدیهى است که در این امر ضریب نفوذپذیرى، وجود گسل و درز و ترک در سنگ نیز از اهمیت بسزایى برخوردار است. البته در شرایط نادر با تغییرات کم در تنش و یا مقاومت سنگ، فشار منفذى به عنوان یک محرک باعث مى شود تا مقدار عظیمى از انرژى موجود در لایه ها آزاد گردد و در این حالت زلزله هاى القائى در حد متوسط پدید خواهند آمد. در بعضى از گزارشات تحقیقاتى از سایر عوامل تحریک کننده نظیر تغییرات دمایى، فشار جو و ... نیز نام برده شده است. مشکل خطرناکى که ممکن است زلزله القائى در پى داشته باشد، به جلو انداختن زلزله هاى طبیعى و یا تشدید آنها مى باشد.

جهت فهم مکانیزم زلزله هاى تحریکى (القایى) می توان از ملاک گسیختگى موهر- کولومب کمک گرفت:

در این رابطه یا استرس بحرانى ، مقدار استرس لازم جهت گسیختگى یک صفحه و مقاومت برشى ذاتى (اصلى ) یا چسبندگى توده سنگى ، ضریب اصطکاک داخلى و تنش نرمالى است که به صفحه وارد مى شود. با کاهش تنش نرمال و یا افزایش تنش برشى گسیختگى در امتداد شکستگى هاى قبلى رخ خواهد داد. تنش لازم براى گسیختگى نسبت به جهت شکستگى اولیه سنگ تغییر خواهد کرد. این مسئله زمانى اهمیت مى یابد که بخواهیم به نحوه وقوع زلزله هاى القایى بپردازیم. زلزله های انسانزاد فقط زمانى رخ مى دهند که تغییرات کوچک درتنش نرمال یا برشى بتواند منجر به گسیختگى سنگها شود.

یکى از فاکتورهایى که منجر به تغییرات تنش مى شود افزایش فشار آب منفذى است. تغییرات تنش نرمال نیز همانند تغییرات تنش مى تواند منجر به زلزله هاى القایى شود که توسط تغییر فشار منفذى قابل توصیف است. زمانیکه مایعات به درون یک زون شکستگى راه مى یابند، تنش نرمال موثر به اندازه فشار منفذى کاسته مى شود و رابطه موهر - کولومب به صورت زیر در مى آید:

در این رابطه فشار منفذى است. کاهش تنش نرمال موثر منجر به حرکت دایره موهر به سمت چپ مى شود و مى تواند گسیختگى روى دهد. با بروز گسیختگی مقداری انرژی آزاد می شود که در واقع همان زلزله ها خواهند بود.

بررسى زمین لرزه هاى القایی سد کرخه

در مورد سد کرخه با توجه به ابعاد سد و حجم مخزن آن و نیز فعالیت بالای لرزه خیزی منطقه زاگرس انتظار وقوع زلزله های القایی وجود دارد. در شکل پراکندگی کانون سطحی زمین لرزه های واقع در شعاع 15 کیلومتری از محور سد مربوط به بازه زمانی بعد از آبگیری (6/7/1997 تا 1/1/2006) نشان داده شده است. با توجه به شکل ملاحظه می گردد که زمین لرزه ها در شمال و شمالغرب محور سد که محدوده مخزن سد می باشد تجمع بیشتری دارند. زمین لرزه های یاد شده عموماً از نوع کم عمق می باشند.

در شکل زیر مقادیر بزرگی متوسط زمین لرزه ها به شعاع 5/7، 15، 30 و 60 کیلومتر آورده شده است. ملاحظه می گردد که با دور شدن از محور سد بزرگی و عمق کانونی زلزله ها افزایش می یابد.

با مقایسه عمق متوسط زلزله ها در دوره آبگیری با دوره نگهداشت آب در مخزن این نتیجه حاصل شد،

که عمق زلزله ها با گذشت زمان در تمام فاصله ها افزایش نشان می دهد که این امر به علت مدت زمان صرف شده برای نفوذ آب به قسمتهای پایین تر می باشد. این موضوع با توجه به نمودارهای قبل کاملاً مشخص می گردد.

نمودار توزیع جغرافیایی زمین لرزه ها بر اساس عمق کانونی زلزله ها نشان می دهد که، تجمع عمق کانونی رخدادها در مرز 5 تا 15 کیلومتری مى باشد که طبق مشخصات زلزله های ناشی از آبگیری مخزن سدها، مورد انتظار است.

در شکل زیر رابطه گوتنبرگ-ریشتر داده های لرزه ای (نرمالیزه شده به مساحت و زمان) برای شعاعهای 5/7، 15، 30 و 60 کیلومتری محور سد در بازه زمانی 8.5 ساله بعد از آبگیری با بازه زمانی مشابه قبل از آبگیری مخزن سد کرخه مقایسه شده است. ملاحظه می گردد که با آبگیری مخزن سد ضریب افزایش یافته است. این بدان معناست که زلزله های کوچک نسبت به زلزله های بزرگتر در منطقه افزایش یافته است. با مقایسه مقادیر برای فاصله های 5/7، 15، 30 و 60 کیلومتر نیز مشخص شد، که مقدار با دور شدن از محل سد کاهش می یابد که این امر دلیل بر متمرکز شدن زلزله های کوچکتر در اطراف سد است و نشان می دهد که زمین لرزه های واقع شده در این منطقه می توانند از نوع زلزله های القا شده در اثر آبگیری مخزن سد باشند.

بررسی زمانی رخدادهای لرزه ای در اطراف سد کرخه نشان می دهد که همزمان با آبگیری سد از تاریخ 6/7/1997 تعداد زلزله ها افزایش یافته ولی بعد از پر شدن سد تعداد لرزشها بطور محسوسی کاسته شده است. در شکل زیر منحنی فراوانی تجمعی تعداد زمین لرزه ها و تراز آب با تعداد روزهای های بعد از آبگیری سد باهم مقایسه شده است. ملاحظه می گردد که همخوانی مناسبی بین تراز آب و تعداد وقوع زمین لرزه ها برای همه فواصل 5/7، 15، 30 و 60 کیلومتری وجود دارد. البته تا شعاع 30 کیلومتر از محور سد همخوانی مناسبتر است.

با توجه به شکل فوق مشاهده می گردد که، مدت زمانی لازم برای مسطح شدن منحنی فراوانی تجمعی زمین لرزه ها برای فواصل نزدیکتر کوتاهتر و برای فواصل دور بلندتر است. به عبارت دیگر با افزایش ارتفاع آب لرزه خیزی القایی، به فواصل دورتر از مخزن منتقل می گردد.

◊◊◊◊◊◊◊

نتیجه گیرى :

براساس اطلاعات موجود موارد زیر قابل ذکر است:

1- زمین لرزه های مشاهده شده در منطقه کرخه بعد از آبگیری سد نشانگر وقوع زلزله های القایی در اطراف این سد به خصوص محدوده مخزن سد می باشد. در صورتیکه گسل فعالى در مخزن سد وجود داشته باشد و یا اینکه زمین شناسى و داده هاى زمین لرزه اى در رژیم هیدرولیکى مخزن گویاى پتانسیل رویداد زمین لرزه القایى باشد، زمینلرزه القایى را باید به عنوان یک رویداد باور کردنى در نظر گرفته شود.

2- بزرگیهای ثبت شده تاکنون در منطقه کرخه کمتر از 3/4 است. اگرچه بزرگی زلزله های فوق کم می باشد، اما وقوع زمین لرزه های مکرر با بزرگی کم می تواند در بروز ناپایداری شیبی در داخل مخزن سد و اطراف آن مؤثر باشد.

3- تعداد زلزله ها بلافاصله همزمان با آبگیری سد افزایش یافته است و با گذشت زمان که سطح آب ثابت شده از تعداد این لرزشها نیز کاسته شده است. معمولاً در موارد مطالعه شده زمین لرزه های ناشی از سد، تعداد زلزله ها در سالهای اول بیشتر بوده است. مشاهدات نشان مى دهند که تعداد زلزله ها بویژه در ده سال اول پس از آبگیرى بیشتر است. در بعضى موارد زلزله بلافاصله پس از آبگیرى رخ مى دهد.

4- با مقایسه فراوانی زمین لرزه ها از نظر تعداد، انرژی و عمق آنها در فواصل مختلف از مخزن، وابسته بودن وقوع این زلزله ها در فواصل نزدیک به مخزن سد بیشتر مشخص می شود.

زهرا حسینی ، دانشجوی کارشناسی ارشد زمین شناسی زیست محیطی، دانشگاه صنعتی شاهرود

ناصر حافظی مقدس، دکتری زمین شناسی مهندسی، استادیار دانشگاه صنعتی شاهرود

پرویز امیدی، دکتری زمین شناسی ساختمانی، استادیار دانشگاه صنعتی شاهرود

غلام دولویی جوان، دکتری ژئوفیزیک- زلزله شناسی، استادیار پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله

Comments (0)