کاربرد زمین شناسی در علوم مختلف

کاربردهای زمین شناسی در زمین شناسی مهندسی

شاخه ای از علم زمین شناسی و ژئوتکنیک است که به کاربرد زمین شناسی مهندسی در مسائل مهندسی و پروژه های عمران از قبیل سدسازی، تونل سازی، جاده سازی و سایر پروژه های بزرگ عمرانی می پردازد. در این رشته، خواص مهندسی خاک و سنگ، مقاومت زمین های مختلف، پایداری شیب ها و وضعیت آبهای زیرزمینی در ارتباط با اجرای پروژه های مهندسی مورد توجه قرار می گیرد.

عدم آشنایی با علم زمین شناسی مهندسی و یا سهل انگاری در بهره گیری از این علم در اجرای پروژه های عمرانی می تواند به ایجاد خسارت های جانی و مالی منجر گردد و یا اینکه باعث گردد که اجرای پروژه با صرف هزینه های اضافی و سنگینی همراه گردد. بنابراین با انجام بررسی های زمین شناسی و به خصوص زمین شناسی مهندسی که زیربنای کارهای مهندسی عمران به حساب می آید، می توان از بروز مشکلات و صرف هزینه های اضافی و حادث شدن اتفاقات غیر منتظره جلوگیری به عمل آورد. لذا ضروری است که قبل از اجرای پروژه های عمرانی بزرگ به مطالعه زمین شناسی ناحیه در مقیاس وسیع اقدام گردد.

 

کاربرد های زمین شناسی در سدسازی

سازه هایی هستند که برای به تله انداختن و محصور نمودن آب احداث می شوند. سدها برای مقاصد مختلفی چون ذخیره کردن آب برای مصارف شهری یا کشاورزی، تولید نیروی الکتریسیته مقابله با سیل، کشتیرانی، پرورش ماهی و مانند آن ایجاد می شوند. بسیاری از سدها حالتی چند منظوره دارند و به طور همزمان به صورتهای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند.

انواع سد:

1- سدهای خاکی

2- سدهای بتنی

نوع سدی که ساخته می شود تا حد زیادی بستگی به زمین شناسی محل دارد.

سدهای خاکی:

در جاهایی ساخته می شوند که در آنها مواد پی فشردگی پذیرند، زیرا این سازه قابل انعطاف است و نمی توانند با دگرشکل شدگی   پی، بدون ریزش دگرشکل شود. همچنین این سدها را در جایی باید ساخت که مواد اولیه با حجم زیاد در دسترس باشد.

سدهای بتنی:

این سدها با مصالح بتونی سازه های بزرگی هستند که وزن آنها مانع نیروهای سرنگون کننده یا لغزاننده می شود. اما این سازه ها صلب اند و از این رو باید بر مواد پایدار پی گذاری شوند.

انواع سدهای بتنی:

1- سدهای وزنی

2- سدهای پشت بند دار

3- سدهای قوسی

سدهای مرکب:

در برخی موارد شکل دره و شرایط زمین شناسی پی و مصالح در دسترس باعث می شود که سد طراحی شده بصورت ترکیبی از انواع سدهای بتونی یا بخشی از آن بتنی و بخشی خاکی باشد.

سازه های جانبی در سدها:

سدها سازه هایی مرکب اند به نحوی که در محل یک سد می توان بسیاری از سازه های مهندسی را در کنار یکدیگر یافت که در پایین فهرست شده اند.

1- مخزن: دریاچه ای مصنوعی است که بر اثر احداث سد به وجود می آید.

2- فرازبند: سد کوچکی است که قبل از آغاز عملیات ساختمانی سد اصلی و به منظور انحراف آب رودخانه در بالادست ساختگاه سد احداث می شود.

3- جسم سد: بدنه اصلی سد است که ممکن است خاکی، بتنی یا مرکب باشد.

4- تأسیسات تخلیه آب: آب سد توسط تونلها، دریچه ها و سرریزها تخلیه می شود.

5- حوضچه آرامش: آب خارج شده از سد به این حوضچه وارد می شود تا از سرعت و قدرت تخریب آن کاسته شود.

6- انتقال آب: انتقال آب از سد به وسیله تونلهایی باز یا

7- نیروگاه: بسته به شرایط در نزدیکی یا دورتر از محل سد قرار دارد.

8- راههای دسترسی: شبکه پیچیده ای از راههای آسفالته و شوسه در اطراف سد ایجاد می شود.

 

کارهای انجام شده قبل از انجام پروژه توسط مهندس زمین شناس:

قبل از اجرای یک پروژه سدسازی مهندسین زمین شناس، بررسیهای اولیه برای شناسایی نقاط مناسب برای احداث مخزن به کمک تصاویر فضایی، عکسهای هوایی و نقشه های توپوگرافی را انجام می دهند. نقشه ها و گزارشهای زمین شناختی، آب شناختی، هوا شناختی و زمین شناختی مهندسی نیز اطلاعات تکمیلی لازم را در اختیار قرار می دهند. پس از آنکه یک محل بطور مقدماتی برای احداث مخزن مناسب تشخیص داده شد، بررسیهای دقیقتر صحرایی و آزمایشگاهی اطلاعات لازم را جهت طراحی نهایی، مهیا می سازند.

در طی بررسیهای اکتشافی برای انتخاب محل مخزن باید به نکات متعددی که برخی از مهمترین آنها در زیر آمده توجه کرد:

 

گنجایش مخزن:

حجم یک مخزن با در نظر گرفتن شکل دره و ارتفاع آبگیری سد مورد نظر محاسبه می شود.

آب شناسی:

همزمان با بررسی گنجایش مخزن، محدوده حوضه آبریزی که به دره مورد نظر ختم می شود نیز مشخص می گردد.

نشست آب:

فرار آب از مخازن امری رایج است. بطورکلی برقراری یکی از دو شرط زیر می تواند مخزنی مناسب را به وجود آورد.

الف) دیواره ها و کف مخزن از نفوذپذیری کمی برخوردار باشند.

ب) سطح ایستایی طبیعی زمینهای اطراف دره بالاتر از سطح آب انتخاب شده برای مخزن باشد.

رسوبگذاری:

رسوباتی که توسط رودخانه به مخزن حمل می شود به تدریج از ظرفیت مفید مخزن می کاهد، در طول بررسیهای اکتشافی باید تأثیر زمین شناسی، ریخت شناسی، خاک شناسی و آب شناسی حوضه آبریز، بر رسوبزایی آبروهای منتهی به سد به دقت شناسایی شود.

حرکات دامنه ای:

حرکات دامنه ای اغلب متعاقب اولین آبگیری یا در زمان تغییرات سریع سطح آب یا به دنبال بارندگیهای شدید اتفاق می افتد.

زمین لرزه های القایی:

در برخی از نقاط که از لرزه خیزی پائینی برخوردار بوده اند پس از احداث مخزن و آبگیری آن زمین لرزه هایی به وقوع پیوسته است. این لرزشها را که عمدتاً ناشی از تغییر در شرایط آب زیرزمینی و میدان تنش در زیر و اطراف سد است زمین لرزه القایی نام داده اند.

روشهای کنترل نشست آب:

بررسیهای ژئوتکنیکی و طراحیهای متعاقب آن باید به گونه ای انجام شود که بتواند هم در خلال ساختمان و هم در طول عمر مفید سازه، آب زیرزمینی و نشست آن را کنترل نماید.

روشهای متنوعی را که برای کنترل نشست و فرار آب زیرزمینی وجود دارد، می توان به 5 دسته عمده تقسیم کرد:

1- آب بندها و موانع

2- سیستمهای آبکش

3- زهکشها

4- صافیها

5- تمهیدات سطحی

تزریق:

تزریق دوغاب به داخل خاکهای نفوذپذیر و سنگ، روشی رایج و دایمی برای جلوگیری از جریان آب زیرزمینی است. انتخاب نوع دوغاب به تخلخل سازند زمین شناسی، سرعت جریان آب و مقاومت فشاری نهایی بخشهای تزریق شده بستگی دارد. البته روشهای متعددی برای مهار نشست آب وجود دارد.

هنگامی که قبل از ساخت سد مطالعات دقیقی صورت نگیرد، در هنگام ساخت سد و یا بعد از ساخت سد در هنگام آبگیری مشکلاتی به وجود می آید که مثالهایی از آنها در زیر آمده است.

به عنوان مثال می توان از فرار آب از دیواره مخزن سد خاکی لار واقع در شمال خاوری تهران نام برد که عملاً این سد را بدون استفاده نموده است.

یا سد سفید رود که بر اثر انباشته شدن رسوبات قسمت اعظم کارایی خود را از دست داده است.

در سد لتیان که در شمال شرق تهران واقع است دیوار منتهی به تکیه گاه سمت راست سد حالتی ریزشی دارد و هرچند مدت یکبار قطعه ای از سنگ از دیواره دره فرو می افتد. یکی از این قطعات بزرگ در نزدیکی نیروگاه و در حوضچه آرامش فرود آمده است. لق گیری و بهسازی شرایط این دیواره قبل از احداث سد به مراتب ساده تر از زمان حاضر که سد در پای آن ساخته شده است امکان پذیر بوده است.

 

کاربردهای زمین شناسی در اکتشاف نفت

برای اکتشاف نفت ابتدا مدارک ، شواهد و سفرنامه‌ها و همچنین جغرافیای محیط را مورد مطالعه قرار داده و پس از اینکه چاههای آزمایشی حفر کردند و از وجود نفت اطمینان حاصل کردند، شروع به استخراج نفت می‌کنند.

 

 

تاریخچه استخراج نفت

سابقه اکتشاف نفت در ایران به حدود 4000 سال پیش می‌رسد. ایرانیان باستان به عنوان مواد سوختی و قیراندود کردن کشتی‌ها ، ساختمانها و پشت بامها از این مواد استفاده می کردند. نادر شاه در جنگ با سپاهیان هند قیر را آتش زد و مورد استفاده قرار داد. در بعضی از معابد ایران باستان برای افروختن آتش مقدس از گاز طبیعی استفاده شده و بر اساس یک گزارش تاریخی یک درویش در حوالی باکو چاه نفتی داشته که از فروش آن امرار معاش می‌کرده است.

 

عکسبرداری هوایی

اگر در منطقه‌ای به وجود نفت مشکوک شوند از آنجا عکسبرداری هوایی می‌کنند تا پستی و بلندیهای سطح زمین را دقیقا منعکس نمایند. آنگاه عکس را به صورت فتوموزائیک درآورده و با دستگاه استریوسکوپ مورد مطالعه قرار می‌دهند.

 

نقشه برداری عملی

برای گویا کردن عکسهای هوایی نقشه برداری از محل ، توسط اکیپی صورت می‌گیرد. فواصل و اختلاف ارتفاع با دستگاه فاصله یاب یا تئودولیت تعیین می‌شود و بدین ترتیب نقطه به نقطه محل مورد نظر مطالعه می‌شود.

 

نقشه کشی

اطلاعات بدست آورده را بوسیله دستگاه پانتوگراف در اندازه‌های بزرگتر و یا کوچکتر رسم کرده و همراه با عکسهای هوایی نقشه پانتوگرافی که پستی و بلندیهای سطح زمین را نشان می دهد رسم می کنند.

 

آزمایش روی نمونه های سطحی

پس از نمونه برداری ، آنها را شماره گذاری کرده و در کیسه‌های مخصوص به آزمایشگاه می‌فرستند. در آنجا بر روی یک شیشه مستطیل شکلی کمی چسب کانادا قرار داده و مقداری از خرده سنگهای دانه بندی شده را روی آن می‌چسبانند. سپس آنها را سائیده تا ضخامت آن 0.2 میلیمتر گردد و نور بتواند از آن عبور کند. این نمونه ها را که اسلاید می‌گویند در زیر میکروسکوپ قرار داده تا از نظر زمین شناسی ، نوع سنگ ، فسیل شناسی ، میکروفسیل شناسی و ساختار زمین مورد بررسی قرار گیرد.

 

رسم نقشه زمین شناسی

با در دست داشتن نتایجی که از روی نمونه‌های سطح زمین بدست آمده ، عکسهای هوایی و نقشه‌های توپوگرافی ، نقشه زمین شناسی سطح زمین را رسم می کنند. با داشتن خطوط میزان منحنی ، بعد سوم یا ارتفاعات را هم روی آنها مشخص می‌کنند.

 

نقشه ساختمانی زیرزمینی

برای آگاهی نسبت به زیر زمین نیاز به روشهای غیر مستقیم است که یکی از آنها روشهای ژئوفیزیکی است. بوسیله این روشها شکل لایه های زیر زمین را مشخص کرده و می‌توان تا اعماق زیادی اکتشاف غیر مستقیم نمود.

 

حفر چاه

پس از اطمینان از اینکه لایه های اعماق زمین مناسب ایجاد نفتگیر است و در صورتی که ذخیره هیدروکربورهای آن قابل ملاحظه باشد، محل حفر چاه را با علامت روی زمین مشخص کرده و دکل حفاری را در محل بر پا می کنند. عملیات جاده سازی از جاده اصلی تا سر چاه و کارگذاری یک لوله آب به منظور آبرسانی به دستگاههای حفاری نیز انجام می‌شود. دستگاه حفاری قابل حمل بوده و دکلهای بزرگ از چندین قسمت تشکیل شده‌اند که به هنگام استفاده قطعات آن را به هم وصل می‌کنند.

 

آزمایش روی نمونه‌های عمقی

در ضمن حفاری خرده سنگهایی که بوسیله گل حفاری به سطح زمین آورده شده‌اند توسط الک‌هایی از گل حفاری جدا شده و برای مطالعه به آزمایشگاه می‌فرستند. آگاهیهای بدست آمده را به عنوان یک داده جدید به سیستم اکتشاف می‌دهند.

 

تهیه مقاطع بزرگ

برای تهیه مقاطع بزرگ از یک مته الماسه موجدار توخالی استفاده می شود تا لایه های اعماق زمینی را برش داده و به سطح زمین آورد. روی این لایه ها که به مغزه معروف است عمق را نوشته و برای آزمایش در جعبه‌های مخصوص نگهداری می‌کنند روی این مغزه‌ها دو دسته عملیات انجام می‌گیرد یکی مطالعات مهندسی مخازن یا پتروفیزیکی است که در آن میزان خلل و فرج سنگ را اندازه گیری می کنند، و دیگری مطالعات زمین شناسی است که روی مقاطع نازک آن صورت می‌گیرد. برای این کار اسلایدی به ضخامت 0.2 میلیمتر از آن تهیه کرده و به آن آلیزارین یا فروسیانور می‌افزایند تا معلوم شود که نوع سنگ ، آهکی و یا از جنس دولومیت است. در صورتی که سنگ آهکی باشد رنگ اسلاید قهوه‌ای می‌شود.

 

 

نتیجه گیری

نتایج را در جداولی یادداشت کرده و اسلایدهای لایه های مختلف چاه را پس از شماره گذاری در جعبه های مخصوص بایگانی می‌کنند. این جعبه‌ها شناسنامه چاه مربوطه می‌باشند. با انجام آزمایش لحظه به لحظه کار حفاری دنبال شده تا تحت کنترل قرار گیرد. با حفر چاه به ذخیره اطلاعاتی آن منطقه افزوده تر می‌شود تا بالاخره نفت این ماده حیاتی پرارزش در خدمت بشر قرار گیرد. ماده‌ای که پس از مواد غذایی بهترین ارزش را در زندگی بشر امروز دارا می‌باشد.

 

کاربردهای زمین شناسی در زمین شناسی ساختمانی

به دلیل افزایش کارهای ساختمانی و گسترش ایجاد فضاهای زیرزمینی و تونل ها و احداث سدها و پالایشگاهها و شهرک های صنعتی، لزوم مطالعات و بررسیهای زمین شناسی و به خصوص زمین شناسی مهندسی و مکانیک خاک و مکانیک سنگ در انجام امور ساختمانی ضرورت بیشتری پیدا کرده است و بایستی برحسب نوع سازه و تأثیر ساختمان های زمین شناسی، در پایداری و یا ناپایداری آن سازه، به مطالعه و شناسایی ساختمانهای مختلف زمین اقدام نمود و نقش هریک از آنها را در انجام عملیات ساختمانی مورد مطالعه و شناسایی قرار داد. ساختمان های زمین شناسی از عواملی هستند که در رفتار سازه های مهندسی اثر بسزایی دارند. زیرا به هنگام احداث سازه ها، ساختمان ها بر روی زمین ساخته می شوند که به هرحال در شرایط طبیعی نمی تواند عاری از هرگونه ساختمان های زمین شناسی باشد و به خصوص چنانچه شرایط ساختمانهای زمین شناسی نامناسب باشد، می تواند اثر سوء بیشتری در ناپایداری و تخریب سازه ها داشته باشد.

 

کاربردهای زمین شناسی در زمین ساخت

بطورکلی زلزله عبارت است از ارتعاش بخشی از پوسته جامد زمین که به دلیل آزاد شدن ناگهانی انرژی حاصل از شکسته شدن بخشی از پوسته و یا تغییر شکل بخش زیرین پوسته که بنام گوشته معروف است حاصل می گردد. همچنین با توجه به نظریه جابجایی قاره ها و تکتونیک صفحه ای نیز تغییراتی در پوسته زمین به دلیل حرکت صفحات زمین صورت می گیرد. این حرکات می توانند عامل بروز برخی از زلزله ها باشند. با توجه به این که عمق کانون زلزله ها متفاوت می باشد و این عمق به شرایط زمین شناسی هر منطقه بستگی دارد لذا، مطالعه حرکت صفحات و ساختمان های زمین شناسی به ویژه گسل ها و ... در شناخت زلزله و تعیین مکان و کانون آن مؤثر است.

 

کاربردهای زمین شناسی در مکانیک سنگ

مکانیک سنگ عبارت است از علمی که به شناخت رفتار و ویژگی های مکانیکی و مهندسی سنگ ها پرداخته و چگونگی رفتار یا واکنش سنگ را در برابر تغییرات تنش در زمین مورد بحث قرار می دهد. اگرچه ممکن است تعریف فوق گویای تمام موارد و مسائلی نباشد که در علم مکانیک سنگ مورد بحث و بررسی قرار می گیرد، ولی به هرحال در این علم بیشتر خواص و رفتار مهندسی سنگ و واکنش های آنها در برابر میدان های تنش و تغییرات آن مورد توجه می باشد که در این راستا زمین شناسی مهندسی می توانند اطلاعات خوبی را در این زمینه در اختیار مهندسان مکانیک سنگ قرار دهند تا آنها را یک گام جلوتر ببرند.

کاربردهای زمین شناسی در مکانیک خاک

بطورکلی، تعریف خاک از دیدگاه رشته های مختلف ممکن است تا حدودی متغیر باشد. به عبارتی تعریفی که یک متخصص کشاورزی از خاک می کند با تعریفی که یک زمین شناس از خاک دارد ممکن است تا حدودی متغیر باشد، به نحوی که از دیدگاه زمین شناسی خاک عبارت است از مواد سست و جدا از هم که از تجزیه و تخریب سنگ های سطحی پوسته زمین حاصل شده باشد. در حالی که از دیدگاه یک مهندس سازه، خاک عبارت است از هرگونه مواد معدنی تحکم نیافته ای که از ذرات جامد و مجزا از عم تشکیل شده است و فضای بین آنها را هوا یا سایر گازها و یا مایعات اشغال کرده باشد. لذا از تعریف فوق چنین برداشت می گردد که از دیدگاه مهندسی بیشتر خواص فیزیکی و مکانیکی خاک مورد نظر است. در حالی که از دیدگاه زمین شناسی بیشتر منشأ و خواص مینرالوژیکی خاک مورد نظر است، که همین تفاوت ها باعث ارتباط و در آمیخته شدن این دو رشته شده است.