مکانیک سیالات

مکانیک سیالات یا شاره‌ها دانشی است که به بررسی شاره‌های ساکن و متحرک و برهمکنش میان آنها و اجسام ساکن یا متحرک واقع در داخل یا پیرامون آنها می‌‌پردازد.

مقدمه

با توجه به این که استاتیک و تحرک شاره‌ها در طبیعت ، صنعت و زندگی روزمره انسان کاربرد فراوان دارد، لذا دانشمندان آزمایشهای گسترده و اغلب مبتکرانه را در این زمینه ترتیب می‌‌دهند. این آزمایشها بیشتر کاربرد صنعتی دارند و همین امر سبب ایجاد علمی ‌به نام مکانیک سیالات شده است. لازم به ذکر است که مکانیک سیالات محاسباتی ، در صنایع هوایی و ساخت سفینه‌های فضایی کاربرد دارد، به همین دلیل نیاز به تحقیقات و پژوهشهای علمی ‌و عملی در مکانیک سیالات وجود دارد.

تاریخچه

تا اوایل قرن بیستم مطالعه سیالات را اساسا دو گروه هیدرولیک‌دانان و ریاضیدانان، انجام می‌‌دادند. هیدرولیک‌دانان به صورت تجربی کار می‌‌کردند، در حالی که ریاضیدانان توجه خود را بر روشهای تحلیلی متمرکز کرده بودند. آزمایشهای وسیع و اغلب مبتکرانه گروه اول اطلاعات زیاد و ارزشمندی را در اختیار مهندس کاربردی آن روز قرار می‌‌داد. البته به علت عدم تعمیم یک نظریه کارآمد این نتایج دارای ارزش محدودی بودند. ریاضیدانان نیز با غفلت از اطلاعات تجربی مفروضات آن چنان ساده‌ای را در نظر می‌‌گرفتند که نتایج آنها گاه بطور کامل با واقعیت مغایرت داشت.

محققان برجسته‌ای مانند رینولدز ، فرود ، پرانتل و فن کارمان پی بردند که مطالعه سیالات باید آمیزه‌ای از نظریه و آزمایش باشد. این مطالعات سرآغازی برای رسیدن علم مکانیک سیالات به مرحله کنونی آن بوده است. تسهیلات جدید پژوهش و آزمون که ریاضیدانان و فیزیکدانان ، مهندسان و تکنیسین‌های ماهر در کار جمعی از آن استفاده می‌‌کنند، هر دو دیدگاه را به هم نزدیک می‌‌کند.

سیالات

سیال را ماده‌ای تعریف می‌کنند که وقتی تنش برشی هر چند کوچکی وجود داشته باشد، شکل آن بطور پیوسته تغییر کند. جسم جامد وقتی تحت تاثیر تنش برشی قرار بگیرد، تغییر مکان معینی می‌‌دهد، یا کاملا می‌‌شکند. مثلا قطعه جامد وقتی تحت تاثیر تنش برشی τ قرار بگیرد، تغییر شکلی می‌‌دهد که آن را با زاویه Δα مشخص کرده‌ایم. اگر به جای آن یک ذره سیال قرار داشت، Δα ثابتی وجود نداشت، حتی اگر تنش بینهایت کوچک می‌‌بود. در عوض تا وقتی که تنش برشی τ اعمال شود، یک تعییر شکل پیوسته ادامه دارد.

در موادی مانند پارافین که گاهی آنها را پلاستیک می‌‌نامیم، هر دو نوع تغییر شکل برشی را می‌‌توان یافت که اگر به مقدار معینی کمتر باشد، تغییر مکانهایی مشابه تغییر مکان جسم جامد بوجود می‌‌آید و اگر مقدار تنش برشی بیش از این مقدار باشد، به تغییر شکل پیوسته‌ای مشابه تغییر شکل سیال می‌‌انجامد. مقدار این تنش برشی حد فاصل ، به نوع و حالت ماده بستگی دارد.

استاتیک سیالات

اگر تمام ذرات یک سیال یا بی حرکت باشند، یا نسبت به یک دستگاه مختصات لخت بطور همسان سرعت ثابت داشته باشند، آن سیال را استاتیک در نظر می‌‌گیرند. در سیال ساکن یا سیال در حال حرکت یکنواخت ، از آنجا که سیال نمی‌‌تواند بدون حرکت در برابر تنش برشی مقاومت کند، سیال ساکن لزوما باید بطور کامل از تنش برشی فارغ باشد. سیالی که حرکت یکنواخت دارد، یعنی جریانی که در آن سرعت تمام اجزا یکسان است، نیز فارغ از تنش برشی است، زیرا تغییرات سرعت در تمام جهتها در جریان یکنواخت باید صفر باشد.

جریان با سطح آزاد

جریان با سطح آزاد معمولا به جریانی از مایع گفته می‌‌شود که در آن قسمتی از مرز جریان که سطح آزاد نامیده می‌‌شود، فقط تحت تاثیر شرایط معینی از فشار قرار داشته باشد. حرکت آب در اقیانوسها ، در رودخانه‌ها و همچنین جریان مایعات در لوله‌های نیمه پر ، جریانهایی با سطح آزاد به شمار می‌‌آیند که در آنها فشار جو روی سطح مرز اعمال می‌‌شود. در تحلیل جریان با سطح آزاد ، وضعیت هندسی سطح آزاد از قبل معلوم نیست.

تعیین شکل هندسی مربوطه یک قسمت از جواب است، یعنی با یک شرط مرزی بسیار دشوار مواجهیم. به همین دلیل تحلیلهایی کلی بسیار پیچیده هستند و خارج حوزه این مقاله قرار می‌‌گیرند. اگرچه قسمت اعظم مبحثی که باید بررسی شود، در آغاز فقط برای متخصصان هیدرولیک و مهندسان ساختمان جالب به نظر می‌‌رسد، ولی بعدا خواهید دید که امواج آب و پرش هیدرولیکی ، به ترتیب با موج فشاری و موج شوکی که در جریان تراکم پذیر بررسی می‌‌شوند، قابل قیاس‌اند.

مکانیک سیالات محاسباتی

با ورود کامپیوتر به صحنه ، روش سومی ‌به نام مکانیک سیالات محاسباتی پدید آ‌مده است. وقتی با استفاده از کامپیوتر پارامترهای مختلف مورد نظر را که در برنامه هستند، به اختیار تغییر می‌‌دهیم، با شبیه سازی عددی دینامیک سیالات سر و کار پیدا می‌‌کنیم. به کمک این شیوه پدیده‌های جدید کشف شده‌اند، قبل از آن که به کمک آزمایش و در عمل یافت شده باشند. به این ترتیب می‌‌توان مکانیک سیالات محاسباتی را به عنوان رشته علمی ‌جداگانه‌ای تلقی کرد که مکمل دینامیک سیالات نظری و آزمایشی به شمار می‌‌آید.

صنایع بطور روزمره از کامپیوتر بهره می‌‌گیرند تا از آن برای حل کردن مسائلی مربوط به جریان سیال که برای طراحی وسیله‌هایی چون پمپها ،‍ کمپرسورها و موتورها مورد نیازند، کمک بگیرند. مهندسان هواپیما جریان سه بعدی پیرامون کل هواپیما را در کامپیوتر شبیه سازی می‌‌کنند تا مشخصه‌های پرواز را پیش بینی کنند. در حقیقت قسمت قابل توجهی از بودجه طرح و توسعه غالبا به بررسیهای مبحث دینامیک سیالات محاسباتی اختصاص داده می‌‌شود.

آب زیرزمینی

آب زیرزمینی آبی است که در زیر سطح زمین ، درزه‌ها و فضاهای حفره‌ای را در صخره‌ها و رسوبات پر می‌کند. اکثر آبهای زیرزمینی بطور طبیعی خالص هستند. اکثر اوقات ، آبهای زیرزمینی سالها حتی قرنها قبل از مصرف دست نخورده باقی می‌مانند. بیش از 90% آب آشامیدنی کل جهان از آب زیرزمینی است.

وضعیت آب در کره زمین

مردم ما هر روز 1700 میلیارد لیتر آب مصرف می کنند. 97% آبهای کره زمین درون اقیانوسها است و 2% آن یخ زده است. ما آب مورد نیاز خود را از 1% باقیمانده تهیه می‌کنیم که از یکی از دو منبع زیر بدست می آید: سطح زمین (رودخانه‌ها ، دریاچه‌ها و نهرها) و یا از آبهای زیرزمینی. امروز حدود 117 میلیون نفر ، یعنی بیش از نیمی از جمعیت آمریکا متکی به آبهای زیرزمینی به عنوان منبع آب آشامیدنی هستند. جای تعجب نیست که کشف آلودگی آبهای زیرزمینی در تمام دنیا موجب بروز نگرانیهای شدیدی شده است.

سفره آب زیرزمینی

سفره آب به لایه یا منطقه قابل نفوذی در زیر سطح زمین گفته می‌شود که آب در آن می‌تواند جریان یابد. سفره آب همچنین باید قابلیت آبدهی خوبی داشته‌باشد. سطح فوقانی سفره آب ، یا سطح ایستایی همواره افقی نیست و به‌طور طبیعی از منطقه تغذیه آن ، یعنی محل و منطقه‌ای که آب زیرزمینی را تامین می‌کند، به طرف محل تخلیه دارای شیب است. بطور کلی شکل سطح استیابی غالبا از شکل سطح زمین پیروی می‌کند. ولی برآمدگیهای آن هموارتر است. بنابراین ایستایی در نواحی پست در نزدیک سطح زمین و در تپه‌ها و کوه‌ها در عمق زیادتر قرار دارد.

بطور معمول در مناطق پرباران و در دشتها سطح ایستایی بالا و در مناطق خشک و کوهستانی پایین است. در مناطق مرطوب سطح ایستایی ممکن است تا نزدیک سطح زمین بالا بیاید. در گودیهای چنین نقاطی ، ممکن است «آبگیر» و در صورت وجود پوشش گیاهی ، «باتلاق» بوجود آید. تغییرات ارتفاع سطح ایستایی را بر حسب زمان به صورت نمودارهایی به نام هیدروگراف نشان می‌دهند.

سفره‌های دارای بازدهی قابل توجه اغلب در رسوبات ناپیوسته شنی و ماسه‌ای تشکیل می‌شوند. آبرفتها ، یعنی رسوباتی که توسط رودها در دره‌ها و دشتها برجای گذارده می‌شوند، معمولا سفره‌های آب زیرزمینی خوبی تشکیل می‌دهند. رسوبات رسی گرچه از تخلخل زیادی برخوردارند، ولی چون قابلیت نفوذ کمی دارند، با وجود حجم آب زیادی که ممکن است در خود ذخیره کرده‌باشند، سفره آب زیرزمینی تشکیل نمی‌دهند و به عنوان مواد غیر قابل نفوذ در نظر گرفته می‌شوند. در سنگهای متراکم نیز آب معمولا در نمونه‌هایی ایجاد می‌شود که از تخلخل ثانوی قابل توجه برخوردار باشند. در این میان بهترین سفره آبها معمولا در سنگهای آهکی درز و شکافدار ایجاد می‌شود.

تقسیم بندی سفره‌های آب زیرزمینی

سفره‌های آزاد

در سفره‌های آزاد سطح ایستایی ، همان سطح فوقانی منطقه اشباع است. مقدار فشار در سطح ایستایی سفره‌های آزاد برابر فشار اتمسفر است. سطح ایستایی بسته به‌مقدار تغذیه یا تخلیه آن ، آزادانه نوسان می‌کند، زیرا لایه غیر قابل نفوذی در بالای ان قرار ندارد. حالت خاصی از سفره‌های آزاد «سفره‌های معلق» هستند. این سفره‌ها معمولا در داخل منطقه تهویه یا منطقه اشباع نشده خاک و در روی لایه‌های نفوذ ناپذیری که گسترش محدودی دارند، مثلا عدسیهای رسی ، تشکیل می‌شوند. از این سفره‌های مقدار کمی آب و آن هم بطور موقت می‌توان بدست آورد.

سفره‌های تحت فشار

سفره‌های تحت فشار یا محصور یا آرتزین در محلی تشکیل می‌شود که آب زیرزمینی بوسیله لایه‌ای نسبتا نفوذناپذیر از بالا محدود شود و در نتیجه تحت فشاری بیش از اتمسفر است. علت آنکه در سفره‌های تحت فشار آب از محل خود بالاتر می‌آید آن است که محل تغذیه سفره ، یعنی منطقه‌ای که از طریق آن آب سفره تامین می‌شود، در ارتفاعی بالاتر از سطح فوقانی منطقه اشباع در محل حفر چاه قرار دارد.

در سفره‌های تحت فشار به‌جای سطح ایستایی سطح پیرومتریک را در نظر می‌گیرند و آن عبارت از سطحی فرضی است که در هر منطقه با ارتفاع فشار هیدروستاتیک آب در سفره تحت فشار مطابقت دارد. به زبان ساده‌تر منظور سطحی است که اگر چاهی در هر نقطه از سفره تحت فشار حفر کنیم ارتفاع صعود یا فوران آب چاه را در آن نقطه نشان می‌دهد.

مشکلات و آلودگی آبهای زیرزمینی

به دلیل عدم شناخت صحیح و یا عدم درک میزان آسیب پذیری سریع آبهای زیرزمینی ، سهل‌انگاری های زیادی صورت گرفته است. اجازه داده‌ایم که بنزین و سایر مایعات مضر از مخازی زیرزمینی به درون سفره‌های آبهای زیرزمینی نفوذ کند. آلاینده‌ها ، از محل‌های دفن زباله یا سیستم های فاضلاب که بطور غلطی ساخته شده‌اند، به داخل آن تراوش می‌‌کنند. آبهای زیرزمینی از طریق زهاب حاصله از مزارع کشاورزی کود داده شده و مناطق صنعتی ، آلوده می‌شوند. صاحبان خانه‌ها با ریختن مواد شیمیایی به داخل فاضلاب یا روی زمین ، آبهای زیرزمینی را آلوده می‌کنند.

تکنیک حفاری

آشنایی

تاریخچه حفر گمانه بسیار قدیمی است و پیشینیان برای جستجوی آب در دشتها و دره‌ها به حفر گمانه می‌پرداخته‌اند و چون تلمبه اختراع نشده بود، در اغلب موارد آب از چاه (گمانه) به صورت آرتزین خارج شده و یا چهارپایان کار آبکشی را انجام می‌دادند. تا آنجا که تاریخ نشان می‌دهد قدیمیترین گمانه‌ها در چین حفر شده و سیستم حفاری ضربه‌ای که امروزه در حفر گمانه مورد استفاده قرار می‌گیرد، همان طریقه قدیمی است که در چین متداول بوده است. برای حفر گمانه به اعماق مختلف ، اقطار و در سنگهای گوناگون ، وسایل و تجهیزات و ماشین آلات حفاری در انواع و استانداردهای مختف با تکنولوژیهای گوناگون متداول است.

انواع روشها و تکنیکهای حفاری

 

حفاری شوئیدنی (Wash boring)

 

این حفاری برای بدست آوردن نمونه‌های خاک ، حفاری اکتشافی برای بررسیهای اولیه ، حفر گمانه برای برخی آزمونهای برجا از جمله آزمایش SPT بکار می‌رود.

• روش حفاری :
  بالا و پایین رفتن سر مته باعث سست شدن مواد زیر لوله تزریق آب می‌شود. آب با فشار زیاد از سوراخ سر مته خارج و خرده‌ها را به خارج هدایت می‌کند.
  
  
• مزایا :
  نیاز به کارگری با مهارت کم دارد. در همه نقاطی که برای وسایل سبک قابل دسترس باشند، قابل اجرا است.
  
  
• محدودیتها :
  اجرای عملیات ، مخصوصا در عمق بیش از 10 متر کند است. نفوذ در خاک مقاوم مشکل و در سنگ غیر ممکن است. خارج کردن گراول از لوله جدار مشکل است و منجر به کاهش کیفیت نمونه‌ها می‌شود. گرفتن نمونه دست نخورده مشکل است.

مته دورانی (Ratary drill)

این روش هم نمونه‌های خاک و سنگ را بدست می‌دهد و هم نمونه‌هایی برای انواع آزمایشهای برجا ایجاد می‌کند. این روش در حفر گمانه‌های غیر قائم برای زهکشی افقی یا ایجاد مهار کاربرد دارد.

• روش حفاری :
  پیشروی توسط سر مته برنده که در انتهای لوله حفاری قرار دارد و تحت فشار هیدرولیکی است، انجام می‌شود. دیواره چاه را معمولا گل نگاه می‌دارد.
  
  
• مزایا :
  روشی نسبتا سریع است و می‌تواند در همه نوع مواد نفوذ کند. برای همه نوع نمونه گیری مناسب است.
  
  
• محدودیتها : جابجا کردن وسایل در زمینهای ناهموار و باتلاقی مشکل است و محتاج راه مناسب است. همچنین محتاج سکوی تسطیح شده است. کارآیی حفاری با توجه به اندازه دستگاه متغیر است.

اوگر مارپیچی ممتد

این دستگاه سوراخهایی به قطر کوچک تا متوسط حفر می‌کند و بطور پیوسته نمونه‌های دست خورده می‌گیرد. معمولا در خاکهای دارای چسبندگی ، که چاه بدون لوله جدار ریزش نمی کند، انجام می‌شود.

• روش حفاری :
  حفاری با چرخاندن رشته ممتد اوگرمارپیچی صورت می‌گیرد.
  
  
• مزایا :
  روش سریع در خاکهای مقاوم و سنگ نرم است. پس از خروج اوگر ، اگر چاه باز باقی بماند، امکان نمونه گیری SPT وجود دارد.
  
  
• محدودیتها : پس از خروج اوگر در مواد با چسبندگی کم یا دانه‌ای و یا بدون چسبندگی ، چاه ریزش می‌کند و لذا عمق حفاری تا نزدیکی سیستم ایستابی محدود می‌شود. روشهای نمونه گیری محدود و نمونه‌های بدست آمده دست خورده‌اند.

اوگر میان تهی

این دستگاه سوراخهایی با قطر کم تا متوسط برای نمونه گیری از خاک حفر می‌کند.

• روش حفاری :
  روش حفاری مشابه حالت قبل است با این تفاوت که ساقه مجوف به داخل زمین پیچانده می‌شود تا نقش یک لوله جدا را بازی کند.
  
  
• مزایا :
  روش سریع خاکهای ضعیف تا نسبتا مقاوم است. گرفتن نمونه‌های SPT و UD امکانپذیر است. در خاکهای مقاوم حاوی لایه‌های شنی ، نفوذ به اعماق زیاد مشکل و به داخل قطعات سنگ غیر ممکن است. دست خوردگی قابل ملاحظه‌ای ممکن است بر اثر مته اوگر در خاک بوجود آید.

اوگرهای با قطر زیاد

این روش برای حفر سوراخهای با قطر زیاد (تا 10 سانتیمتر) برای کسب نمونه‌های دست خورده و بررسی لایه‌ها در خاکهای دارای چسبندگی که گمانه نیاز به حایل ندارد، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• روش حفاری :
  با چرخاندن اوگر دارای قطر زیاد خاک بریده شده و گمانه حفر می‌شود.
  
  
• مزایا :
  روشی سریع بوده و بررسی شرایط خاک در زیر زمین از نزدیک را امکانپذیر می‌سازد.
  
  
• محدودیتها :
  عمق حفاری توسط سطح ایستابی و شرایط سنگ محدود می‌شود. ماشینهای بزرگتر محتاج راه دسترسی مناسب هستند. برای خاکهای بدون چسبندگی ، رسهای نرم و خاکهای آلی مناسب نیست. نمونه‌ها دست خورده است.

حفاری ضربه‌ای

تنها در حفاری چاههای آب بکار می‌رود. نمونه‌های شسته شده توسط گل‌کش ‌خارج می‌شود. عمق تا سنگ بستر را مشخص می‌کند.

• روش حفاری :
  سر مته سنگین بالا آورده شده و رها می‌شود تا مواد شکسته شده و یک مخلوطی از خرده‌ها و آب ایجاد شود که توسط گل‌کش با پمپهای ماسه کش خارج می‌شود. دیواره چاه توسط لوله جدار ، پابرجا نگاه داشته می‌شود.
  
  
• مزایا :
  روشی نسبتا اقتصادی جهت تعبیه گمانه‌های با قطر زیاد (تا 60 سانتیمتر) در انواع مواد است.
  
  
• محدودیتها : ابزارها بزرگ و پر زحمت است. در خاکهای قوی و سنگ به کندی انجام می‌شود. اغتشاشات اطراف سر مته که ناشی از ضربات پر انرژی سر مته است، به شدت بر مقادیر SPT تاثیر می‌گذارد. مغزه گیری و نمونه UD سنگ امکانپذیر نیست.

مته چکشی

برای حفر چاه آب و چاههای اکتشافی در داخل قطعه سنگها مناسب است.

• روش حفاری :
  مشابه حفاری ضربه‌ای است. شمعی که توسط نیروی دیزل رانده می‌شود برای راندن لوله جدار مضاعف استفاده می‌شود. در حالی که جریان هوا تراشه‌ها را از لوله داخلی خارج می‌کند.
  
  
• مزایا :
  نفوذ نسبتا سریع در قطع سنگها و قلوه سنگها است.
  
  
• محدودیتها :
  مشابه حفاری ضربه‌ای است، با این تفاوت که پیشروی به مراتب سریعتر است.

مته ضربه‌ای بادی

این روش برای حفر گمانه برای آتشباری ، دوغاب زنی و مهار سنگ است. روش سریع برای حفر چالهای با قطر کم در سنگ سخت است. بهترین کاربرد را در سنگهای سخت توده‌ای دارد. نمونه‌ها منحصرا به ذرات و تراشه‌های کوچک است. برای نمونه گیری بکار نمی‌رود. در سنگهای سست دارای شکستگی با لایه‌های رس یا شیل مرطوب ممکن است تمام لوله حفاری در سوراخ باقی بماند.

• روش حفاری :
  ضربات و چرخیدن سر مته ، سنگ را خرد می‌کند و تراشه‌ها توسط فشار هوا خارج می‌شود.

تکنیک حفر چاه

دیدکلی

بررسیهای زمین شناسی با وجود تمام دقتی که می‌شود، تنها امکان وجود مخازن را پیش بینی می‌کند. برای اطمینان از وجود نفت تنها وسیله حفر چاه است. حفر چاه همچنین برای استخراج آبهای زیزمینی نیز استفاده می‌شود.

تاریخچه و سیر تحولی و رشد

بشر به علت احتیاج به آب که یک مایع حیاتی پرارزش است، در هر شرایطی به جستجوی آن اقدام نموده و به آن دسترسی پیدا کرده است. بدون شک ایرانیان باستان اولین کسانی بوده‌اند که در حفر چاه و قنات پیشقدم بوده‌اند. علاوه بر حفر چاه به روش دستی که هم اکنون نیز در بسیاری از جاها رایج است، فنون حفر چاههای مکانیکی نیز به وفور استفاده می‌شود. حفاریهای مکانیکی که معمولا به دو صورت انجام می‌گیرد، شامل حفاری ضربه‌ای و دورانی می‌باشد. مته‌های ضربه‌ای که تا اواسط قرن نوزدهم برای حفر چاههای نفت مورد استفاده قرار می‌گرفت و به متد کانادایی معروف بود، به دیلم بلند و قطوری شباهت داشت که قادر بود تا چندین صد متر به درون زمین رخنه نماید.

گرچه اکنون اکثر چاههای نفت با روش دورانی حفر می‌گردد، لکن هنوز در برخی کشورهای نفت خیز مخصوصا ایالات متحده آمریکا هنوز از روش ضربه‌ای استفاده می‌شود و حدس می‌زنند نزدیک به 25 تا 30 درصد چاههای نفت آمریکا با روش ضربه‌ای حفر می‌گردد. حفاری دورانی اولین بار در سال 1901 در میدان نفتی Spindletop ، نزدیک تگزاس مورد استفاده قرار گرفت و به سبب مزایایی که نسبت به ضربه‌ای داشت، دامنه کاربرد آن به زودی گسترش یافت. بطوری که در دهه 1920 اکثر حفاریهایی که برای استخراج نفت در سراسر جهان صورت می‌گرفت با این روش بود.

حفاری ضربه‌ای

دستگاههای حفاری ضربه‌ای و یا سوندوزهای ضربه‌ای ، دستگاههای ساده‌ای هستند که برای پژوهشهای آب یابی بسیار مناسب هستند. از این دستگاهها بیشتر برای چاههایی که در داخل سنگهای مقاوم حفر می‌شود، استفاده می‌کنند. اصول کار سوندوزهای ضربه‌ای خردکردن سنگهاست که این عمل بوسیله مته‌ای به نام مته حفاری یا ترپان انجام می‌گیرد. مته‌ها بطور منظم از ارتفاع ثابتی روی سنگ فرود می‌آیند. دستگاه مجهز به یک خرک چهار قطبی و یا یک دکل است که مته‌های حفاری بوسیله یک قرقره برگشت روی آن آویزان می‌گردند.

این مته‌ها دارای حرکت رفت و آمدی می‌باشند و به منظور اجرای مانورهای پائین و بالا رفتن ، از دستگاه رفت و برگشت جدا گردیده و به یک وسیله‌ای به نام چرخ قرقره که برای جاگذاری لوله‌ها نیز بکار می‌رود، مربوط می‌باشند. خرکهای جدا شونده ، چوبی و یا فلزی هستند. پایه‌ها روی دالهای سیمانی که قبل از مونتاژ دستگاه تهیه می‌شوند، قرار می‌گیرند. دکل‌های خم شونده یا تلسکوپی ، سوندوزهای دستگاههای حفاری خود کار قابل حمل را مجهز می‌نمایند. ممکن است که این دکلها به صورت دائمی در پشت یک کامیون ثابت شده باشند. دکلها باید بوسیله کابلهای محکم روی بلوکهای سیمانی ثابت گردند.

عمیق ترین چاه با روش ضربه ای

عمیق ترین چاه با این روش در ایالت نیویورک توسط شرکت گاز طبیعی ایالت نیویورک در سال 1948 تا 1953 تا عمق 11145 فوت حفر گردید که به نفت نرسید.

حفاری چرخشی

امروزه کاربرد دستگاههای حفاری چرخشی بسیار متداول شده است. این دستگاهها را می‌توان در هر نوع زمین بکار برد. ولی برتری کاربرد آنها در زمینهای نرم بیشتر است. پیشروی این دستگاهها در داخل سنگهای سخت به کندی صورت می‌گیرد. در این روش سر مته فولادی که متصل به انتهای لوله فولادی است، از سر چاه به کمک موتور ، حرکت دورانی می‌نماید. گل حفاری از داخل لوله به درون چاه تزریق شده و از اطراف لوله به سر چاه بر می‌گردد.

گل حفاری ضمن خنک کردن سر مته اعمال حمل خرده سنگهایی که بوسیله سر مته از ته چاه تراشیده شده است، به سر چاه و جلوگیری از فشار طبقات سست و ریزش آنها به داخل چاه را نیز انجام می‌دهد. با روش حفاری دورانی چاههای بسیار عمیق حفر می‌گردد. عمیق ترین چاه جهان که با این روش حفر گردیده در سال 1956 در لوئیزیانا (آمریکا) به عمق 21535 فوت بود که به نفت نرسید.

روش توربینی

بر حسب گزارشی که به چهارمین کنگره جهانی نفت در سال 1955 در رم داده شد، شوروی سابق نوعی حفاری دورانی ابداع کرده بود که در آن سر مته به جای آنکه به کمک لوله فولادی دوران نماید، بوسیله توربینی که به عنوان نیروی محرکه از گل حفاری و یا الکتریسیته استفاده می‌نماید، حرکت می‌کند. در این روش قسمت متحرک تنها سر مته در عمق چاه خواهد بود. بنابراین می‌تواند سرعت دورانی به مراتب بیشتری داشته باشد. از نظر سرعت عملی که این روش دارد، دارای برتری اقتصادی زیادی است. بر حسب گزارش فوق 65 درصد کل حفاریهای نفتی شوروی سابق با این روش بوده است. این روش اکنون در اروپا و آمریکا نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

گمانه

دیدکلی

به منظور آگاهی از شرایط زمین شناسی و ژئوتکنیکی اعماق بیشتر زمین ، معمولا گمانه‌هایی حفر می‌شود. گمانه در واقع چاه قائمی است که توسط وسایل مکانیکی در خاک یا سنگ حفر می‌شود. گمانه‌های کم عمق گاه توسط دستگاه ساده‌ای به نام اوگر (auger) که طرز کار آن مانند مته بخاری است، حفر می‌شوند.

حفاری گمانه‌ها به صورتهای مختلف انجام می‌شود. در روش حفاری ضربه‌ای پیشروی توسط ضربات پی در پی به سر مته تیغه‌ای شکل انجام می‌شود و مدار کنده شده و خرد شده هر چند مدت یکبار بوسیله ابزار مخصوصی به نام گل کش از چاه خارج می‌شود. حفاری ضربه‌ای بیشتر در آبرفتها و رسوبات ناپیوسته ، مخصوصا اکتشاف زیر زمینی بکار می‌روند. نمونه‌هایی که به این ترتیب بدست می‌آید، کاملا دست خورده است.

وسایل حفر گمانه

اجزا اصلی یک حفاری آزمایشی یا مغزه گیری عبارت است از یک آزمایش حفاری ، لوله‌های جدار چاه ، لوله‌های حفاری ، سرمته‌های حفاری و ابزارهای نمونه گیر.

ماشین حفاری

ماشین حفاری متشکل از یک منبع تولید نیرو ، یک دکل برای بلند کردن وسایل ، یک پمپ برای جریان انداختن آب و گل (یا یک کمپرسور برای حفاری با هوا) است. وظیفه ماشین حفاری پایین بردن ، چرخاندن و بالا آوردن وسایل حفاری و گرفتن نمونه است. انواع متنوعی از ماشینهای حفاری و وسایل حفر چاه وجود دارد.

لوله‌های جدار

لوله‌های جدار چاه جهت نگاهداشتن گمانه در حالت عادی ، در آغاز حفاری و جلوگیری از ریزش دیواره آن ، که قبلا اشاره شد، بکار می‌رود. مخارج حفر یک گمانه بطور مستقیم بستگی به لوله جدار و قطر گمانه دارد. در صورتی که نیاز به قرار دادن لوله جدار در اعماق مختلف باشد، چاه شکلی تلسکوپی به خود می‌گیرد.

لوله‌های حفاری

لوله‌های حفاری ، ماشین حفاری را به مته حفاری یا نمونه گیرها وصل می‌کند. انتخاب لوله مناسب به عواملی مثل عمق پیش بینی شده برای گمانه نوع نمونه گیر انتخاب شده و قطر مغزه حفاری و از همه مهمتر قدرت ماشین بستگی دارد.

مته حفاری

مته برای بریدن خاک و سنگ بکار می‌رود. سر مته از انواع مختلفی برخور دارند. مانند مته‌های خرد کننده ، مته‌های تیغه‌ای ، مته‌های سنگی و مته‌های مغزه گیر.

روش حفر گمانه

مراحل مختلف حفر یک گمانه اکتشافی را به نحو زیر می‌توان خلاصه نمود.

1. نمونه سطحی گرفته می‌شود.
   
   
2. لوله جدار آغازین تا عمق 1 متری رانده می‌شود.
   
   
3. خاکهای داخل لوله جدار تا 10 سانتیمتری پایین تر از لبه خارج می‌شود (از همین مواد می‌توان جهت حلقه بندی مصالح استفاده کرد).
   
   
4. نمونه گرفته می‌شود.
   
   
5. حفاری چاه برای یک متر بعد ادامه می‌یابد. پیشروی با راندن لوله جدار و برداشتن خاکهای داخل آن (مثل مرحله 3) یا با استفاده از گل روان (جهت تثبیت دیواره چاه و بالا آوردن نمونه‌ها) انجام می‌شود.
   
   
6. چرخه فوق آن اندازه ادمه می‌یابد تا به عمق دلخواه برسیم (در حفاری یا برنامه‌های حفاری تکمیلی فواصل نمونه گیری به 3 تا 6 متر افزایش می‌یابد).
   
   
7. در برخورد با سنگ لبه لوله جدار را در سطح سنگ قرار داده تا بتوان مغره گیری را با آب تمیز داد. آب سر مته را خنک و تمیز نگهداشته ، از کند شدن آن جلوگیری می‌کند.
   
   
8. موقعیت لوله جدار ، لوله حفاری و سر مته یا لوله حفاری و ابزارهای نمونه گیری ، در شروع هر مرحله پیشروی به دقت اندازه گیری و یادداشت می‌شود. باید دقت شود که چاه ریزش نکرده باشد و سر مته درست در ته چاه قرار گرفته باشد. همچنین نمونه گیری باید در 10 سانتیمتری زیر لوله جدار یا در عمق نهایی حفاری قبل از آغاز نمونه گیری باشد.
   
   

برنامه ریزی عملیات حفاری

هرگونه برنامه ریزی باید با توجه به هدفهای حفاریها و مغره گیری ، یعنی دستیابی به نمونه‌هایی از مصالح زمین شناسی برای بررسی ، طبقه بندی و انجام آزمونهای آزمایشگاهی ، اندازه گیری مشخصات فیزیکی و مهندسی مصالح برجا و دستیابی به اطلاعاتی در مورد آب زیر زمینی صورت گیرد. نحوه تکوین یک برنامه ریزی را به نحو زیر می‌توان خلاصه کرد.

انتخاب وسایل

در انتخاب وسایل باید مرحله مطالعات ، شکل سطح زمین و قابلیت دسترسی آن ، شرایط زمین شناسی ، عمق حفاری و نوع نمونه‌های مورد نیاز مورد توجه قرار گیرد.

فاصله بین گمانه‌ها

در مراحل شناسایی مقدماتی و توجیهی ، گمانه‌ها در جایی حفر می‌شود که بتواند همبریها را ، آنگونه که در نقشه زمین شناسی مهندسی رسم شده ، مشخص نماید. در شرایط یکنواخت طراحی شبکه‌ای از گمانه‌ها که فاصله آنها با توجه به وسعت ناحیه مورد بررسی ممکن است از 30 تا 100 متر باشد، واقع می‌شود.

عمق گمانه

عمق گمانه‌ها در محل گود برداریهای روباز برای ساختمانها ، بزرگراهها ، مترو و مانند آن ، و حفاریهای بسته مثل تونلها و در شرایط نامناسب تا اعماق باز هم بیشتری نفوذ کند. علاوه بر آن باید بتواند وضعیت سطح پیرو متریک را مشخص سازد. در مورد اخیر گمانه باید تا مقدار قابل ملاحظه‌ای در زیر گودبرداری پایین برود.

جهت یابی گمانه

گمانه‌های اکتشافی معمولا به صورت قائم حفر می‌شوند. از حفاری زاویه دار اغلب در توده‌های سنگی و برای اکتشاف درزها ، گسلها و حفرات انحلالی یا قرار دادن مهار در سنگ و خاک استفاده می‌شود. استفاده از حفاری افقی معمولا برای اکتشاف مسیر تونلها (گمانه پیشاهنگ) تعبیه میل مهار در سنگ و قرار دادن ابزارهای اندازه گیری یا انجام زهکشی افقی است.

باید توجه داشت که دستیابی به گمانه کاملا افقی با اغلب روشهای موجود امکان پذیر نیست. زیرا معمولا در آغاز حفاری ، گرانش زمین سر مته را به سمت پایین می‌کشد. سپس با افزایش پیشروی ، نیرو گرانش به روی وزن زیاد لوله‌های حفاری عمل می‌کند که ممکن است حرکت به سمت بالای سر مته را باعث شود. تغییرات در کیفیت سنگ نیز ممکن است در تغییر راستای گمانه تاثیر بگذارد.

نحوه تشکیل منابع شن و ماسه

مقدمه

رسوبات آبرفتی جوان مهمترین منابع تامین شن و ماسه ساختمانی‌اند. این رسوبات از یک طرف به دلیل رخنمون وسیعشان در سطح و از طرفی به دلیل ناچیز بودن پیوند ذراتشان به یکدیگر به سادگی قابل بهره‌برداری‌اند. حدود نیمی از سطح کشور ما را رسوبات جوان متعلق به کواترنر با سنی کمتر از 2 میلیون سال پوشانده است. منشا این رسوبات متفاوت است و تنها گروههای بخصوصی از آنها می توانند منبع تامین شن و ماسه ساختمانی باشند.

مهمترین منابع شن و ماسه

 

آبرفتهای رودخانه‌ای

• پس از اینکه ذرات سنگی بر اثر هوازدگی از سنگ مادر جدا شدند توسط عوامل مختلفی که مهمترین آن آب است به پایین دست حمل می شوند. مقدار و اندازه ذرات حمل شده به انرژی محیط بستگی دارد. جابه‌جایی مواد در رودخانه به یکی از سه صورت محلول ، معلق (لای و رس) یا غلتیدن و جهیدن در بستر جریان (ماسه و شن و ذرات درشت تر) است.
  
  
• برخورد مداوم دانه‌ها به یکدیگر و بستر رود باعث سایندکی و «گردشدگی» هرچه بیشتر آنها می‌شود. مقدار گردشدگی عمدتا به جنس ذره و فاصله حمل آن بستگی دارد. افزایش مقدار آب و سرعت جریان دو عامل موثر در بالا بردن ظرفیت حمل رودخانه‌اند. از اینرو در هر جا انرژی رود کاهش پیدا کند آنچه را که دیگر قادر به حملش نیست در بستر خود بر جای خواهد گذارد. در چنین شرایطی امتداد ذرات درشت‌تر و بعد به تدریج ذرات ریزتر ته نشین می‌شوند. در نتیجه ممکن است ذراتی که در یک نقطعه ته‌نشین می‌شوند یک اندازه بوده و یا از دامنه اندازه‌های متفاوتی برخوردار باشند.
  
  
• در نواحی کوهستانی حجم مواد راسب شده توسط رودخانه کم و ذرات ، درشت و گوشه دارند. این رسوبات ممکن است از هر نوع سنگ و پا هر درجه مقاومت مکانیکی و خواص ژئوتکنیکی باشند. از طرفی آبرفتهای قسمتهای پایانی رود، به علت انرژی کمی که آب در این نواحی دارد، عمدتا از لای و رس درست شده است. با توجه به نکات فوق بهترین مصالح خرده سنگی را می توان در محدوده میانی یک رودخانه پرآب و پرانرژی جستجو کرد. قسمت اعظم شن و ماسه مصرفی کشورما از منابع آبرفتی بستر رودها تامین می‌شود. ویژگی دیگر این آبرفتها قابل ترمیم بودن آنهاست، به این نحو که بخشهای استخراج شده در فصل سیلاب توسط رود جایگزین می‌شود.
  
  
• وقتی رودخانه‌ای از دره‌ای پرشیب بطور ناگهانی وارد دره‌ای کم شیب یا منطقه‌ای مسطح و یا دشت می‌شود، بخشی از بار خود را برجای می‌گذارد. گسترش افقی این رسوبات معمولا بهمن و نسبتا کوتاه و به شکل مخروط باز شده‌ای است که راس آن متوجه بالای رود است. رسوبات این مخروطهای آبرفتی که به آن «مخروط افکنه» هم می‌گویند، از راس به سمت قاعده نوعی جورشدگی را نشان می‌دهند.
  
  
• رسوباتی که در زمان سیل در دشتهای سیلابی برجای گذارده می‌شوند، علاوه بر جورشدگی کم و ریزی دانه‌هایشان حاوی مواد آبی حاصل از فرسایش و شستشوی خاکهای نواحی بالا دست‌اند. از اینرو ، اینگونه آبرفتها کمتر جهت تامین شن و ماسه ساختمانی استفاده می شوند و در صورت لزوم نیاز به دانه آرایی و شستشوی فراوان دارند. پهن‌تر شدن بستر رودخانه‌ها در پایین رود که شیب رودخانه کم است، با تشکیل پیچ و خمهایی همراه است که به آنها اصطلاحا «مثانور» گفته می‌شود.
  
  در طرف محدب بخش خمیده رود، به دلیل سرعت کم ، جریان ، آبرفتهایی گذارده می‌شود. این رسوبات بیشتر از ماسه ریز و گاه ذرات درشت‌تر‌اند. از آن دسته از رسوبات مثانورها که از گسترش زیاد و مشخصات مناسب برخوردار باشند، می‌توان مصالح خرده سنگی ریزدانه ، مخصوصا برای تهیه ملات ، بدست آورد.

رسوبات مخروط واریزه

در دامنه کوهها ذرات و قطعاتی که بر اثر هوازدگی از دیواره کنده می شوند، قبل از هر چیز بر اثر نیروی گرانشی به پایین می‌افتند. دانه‌ها و خرده سنگهایی که به این ترتیب در پایین پرتگاه جمع می‌شوند پوشش مخروطی یا مدامی از ذرات را درست می‌کنند. این مواد به دلیل مسافت نسبتا کوتاه جابه‌جایی ، گوشه‌دار بوده و جنس و مقاومتشان وابسته به سنگ مادر است. واریزه‌ها قابلیت تراکم زیادی دارند و باربر خوبی نیستند، لذا بر اثر وزن پی به شدت نشست کرده و ممکن است گسیخته شوند.

رسوبات بادی

این رسوبات معمولا در حد ماسه و ریزتر از آن برده و به اشکال مختلفی از جمله تپه‌های ماسه‌ای (تلماسه) برجای گذارده می‌شوند. ته‌نشست ذراتی که به صورت معلق در هوا جابه‌جا می‌شوند رسوبات «لس» را می‌سازند. رسوبات بادی در بخشهای وسیعی از کشور ، از جمله در کویرها و سواحل دریایی مازندران و خلیج فارس و حاشیه برخی از رودها یافت می شود. این رسوبات گرچه از جورشدگی خوب و مقاومت بالایی برخوردارند ولی به دلیل ریزی دانه‌ها مصرف چندانی ندارند.

رسوبات یخچالی

رسوباتی که پس از ذوب شدن یخچالها برجای گذارده می‌شوند «یخرفت» نامیده می‌شوند. یخرفتها به دو دسته درهم و مطبق تقسیم می‌شوند. یخرفتهای درهم به دلیل تنوع مقاومت مکانیکی و اندازه دانه‌هایشان منابع مناسبی برای تامین شن و ماسه ساختمانی نیستند و در صورتی که به ضرورت مورد استفاده قرار گیرند محتاج دانه آرایی و شستشوی مفصل‌اند. رودخانه‌هایی که بر اثر ذوب و عقب نشینی یخچالها تشکیل می‌شود این یخرفتهای نامنظم را با خود حمل کرده و در بخشهای پایینتر رود برجای می‌گذارند.

رسوبات ساحلی

به مجموعه موادی که بین دو حد جزر و مد دریا ته‌نشین می‌شوند، رسوبات ساحلی گفته می‌شود. در این نقاط حرکت متواتر امواج ، ذرات را به سمت ساحل برده و باز می‌گرداند که در نتیجه آن ذرات نامقاوم متلاشی شده و حرکت امواج ، ذرات را به سمت ساحل برده و باز می‌گرداند که در نتیجه آن ذرات نامقاوم متلاشی شده و حرکت امواج ، ذرات ریزتر را از میان ذرات درشت‌تر می‌شوید.

در نتیجه این عمل ، رسوبی با جورشدگی ، گرد شدگی و مقاومت مکانیکی خوب برجای می‌ماند. به همین جهت است که سواحل رسوبی اغلب از جنس ماسه شسته شده و اغلب جورند. جنس آبرفتهای ساحلی بیشتر کانیهای مقاومی مثل کوارتز ، فلدسپات ، یا کانیهای سنگین است.

رسوبات فلات قاره

در آخرین عصر یخبندان ، به دلیل تجمع حجم زیادی از آب اقیانوسها به صورت پهنه‌های یخی در نواحی قطبی ، آب دریاها به مراتب پایینتر از سطح فعلی قرار داشت و در نتیجه بخشی از سواحل کم عمق که امروزه فلات قاره نامیده می‌شود از آب خارج بوده است. رودهایی که در آن زمان از خشکیها به سمت دریاها در جریان بوده‌اند، در بستر خود و در روی فلات قاره کنونی ، آبرفتهای مناسب را برجای گذارده‌اند. امروزه این رسوبات منابع زیردریایی شن و ماسه را می‌سازند.

رسوبات به هم پیوسته

این رسوبات را ، که اغلب قسمتهایی از آنها سخت و سیمان شده‌اند، می‌توان منابع شن و ماسه ، فسیل نام نهاد. در برخی از نقاط دنیا به دلیل کمبود منابع شن و ماسه طبیعی این نوع منابع نیز مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. پیوند سست بین دانه‌ها ، هوازدگی کم ، فقدان سیمان نا مناسب و ضخامت کم مواد روباره از مواردی است که می تواند یک نهشته رسوبی قدیمی را قابل بهره‌بردای نماید.

باطله‌های معدنی

باطله‌ها و پس مانده‌های فرایند پرعیار کردن مواد معدنی ، در برخی موارد می‌تواند به عنوان منبع شن و ماسه بکار آید.

منابع سنگی

در جاهایی که منابع طبیعی شن و ماسه در دسترس نباشد یا اینکه منابع موجود از حداقل مشخصات لازمه بی‌بهره باشند، از سنگ شکسته استفاده می‌شود. در کاربردهایی که زبری و گوشه‌داری ذرات مورد نظر است، سنگی که بطور مصنوعی شکسته و دانه‌ بندی شده است، بهترین عملکرد را نشان می‌دهد.

 

 

 

 

خاک

دید کلی

خاک‌ها مخلوطی از مواد معدنی و آلی می‌باشند که از تجزیه و تخریب سنگ‌ها در نتیجه هوازدگی بوجود می‌آیند که البته نوع و ترکیب خاک‌ها در مناطق مختلف بر حسب شرایط ناحیه فرق می‌کند. مقدار آبی که خاک‌ها می‌توانند بخود جذب کنند. از نظر کشاورزی و همچنین در کارخانه‌های راه‌سازی و ساختمانی دارای اهمیت بسیاری است که البته این مقدار در درجه اول بستگی به اندازه دانه‌های خاک دارد.

هرچه دانه خاک ریزتر باشد، آب بیشتری را به خود جذب می‌کند که این خصوصیت برای کارهای ساختمان‌سازی مناسب نیست. بطور کلی خاک خوب و حد واسط از دانه‌های ریز و درشت تشکیل یافته است. تشکیل خاک‌ها به گذشت زمان ، مقاومت سنگ اولیه یا سنگ مادر ، آب و هوا ، فعالیت موجودات زنده و بالاخره توپوگرافی ناحیه‌ای که خاک در آن تشکیل می‌شود بستگی دارد.

عوامل موثر در تشکیل خاک

• سنگ‌های اولیه یا سنگ مادر :
  کمیت و کیفیت خاک‌های حاصل از سنگ‌های مختلف اعم از سنگهای آذرین ، رسوبی و دگرگونی به کانی‌های تشکیل دهنده سنگ ، آب و هوا و عوامل دیگر بستگی دارد. خاک حاصل از تخریب کامل سیلیکاتهای دارای آلومینیوم و همچنین سنگهای فسفاتی از لحاظ صنعتی و کشاورزی ارزش زیادی دارد. در صورتیکه خاک‌هایی که از تخریب سنگ‌های دارای کانی‌های مقاوم (از قبیل کوارتز و غیره) در اثر تخریب شیمیایی پدید آمده‌اند و غالبا شنی و ماسه‌ای می‌باشند فاقد ارزش کشاورزی می‌باشند.
  
  
• ارگانیسم :
  تمایز انواع خاک‌ها از نقطه نظر کشاورزی به نوع و مقدار مواد آلی (ازت و کربن) موجود در آن بستگی دارد. نیتروژن موجود در اتمسفر بطور مستقیم قابل استفاده برای گیاهان نمی‌باشد. بلکه ترکیبات نیتروژن‌دار لازم برای رشد گیاهان باید به شکل قابل حل در خاک وجود داشته باشد که این عمل در خاک‌ها بوسیله برخی از گیاهان و باکتری‌ها انجام می‌شود. خاک‌ها معمولا دارای یک نوع مواد آلی کربن‌دار تیره رنگی هستند که هوموس نامیده می‌شوند و از بقایای گیاهان بوجود می‌آید.
  
  
• زمان :
  هر قدر مدت عمل تخریب کانی‌ها و سنگ‌ها بیشتر باشد عمل تخریب فیزیکی و شیمیایی کاملتر انجام می‌گیرد. زمان تخریب کامل بسته به نوع سنگ ، ساخت و بافت سنگ‌ها و نیز ترکیب و خاصیت تورق کانی‌ها متفاوت می‌باشد ولی بطور کلی سنگهای رسوبی خیلی زودتر تجزیه شده و به خاک تبدیل می‌شوند، در صورتیکه سنگهای آذرین مدت زمان بیشتری لازم دارند تا تجزیه کامل در آنها صورت گرفته و به خاک تبدیل گردند.
  
  
• آب و هوا :
  وفور آب‌های نفوذی و عوامل آب و هوا از قبیل حرارت ، رطوبت و غیره در کیفیت خاک‌ها اثر بسزایی دارند. جریان آبهای جاری بخصوص در زمین‌های شیب‌دار موجب شستشوی خاک‌ها می‌شوند و با تکرار این عمل مقدار مواد معدنی و آلی بتدریج تقلیل می‌یابد. اثر تخریبی اتمسفر همانطور که قبلا بیان گردید روی برخی از کانی‌ها موثر و عمیق می‌باشد و هر قدر رطوبت همراه با حرارت زیادتر باشد شدت تخریب نیز بیشتر می‌گردد.
  
  
• توپوگرافی محل تشکیل خاک :
  اگر محلی که خاک‌ها تشکیل می‌شوند دارای شیب تند باشد در نتیجه مواد تخریب شده ممکن است بوسیله آبهای جاری و یا عامل دیگری خیلی زود بسادگی از محل خود بجای دیگری حمل گردند و یا شستشو بوسیله آبهای جاری و یا عامل دیگری خیلی زود بسادگی از محل خود بجای دیگری حمل گردند و یا شستشو بوسیله آبهای جاری باعث تقلیل مواد معدنی و آلی خاک‌ها شود در نتیجه این منطقه خاک‌های خوب تشکیل نخواهند شد. ولی برعکس در محل‌های صاف و مسطح که مواد تخریب شده بسادگی نمی‌توانند به جای دیگری حمل شوند فرصت کافی وجود داشته و فعل و انفعالات بصورت کامل انجام می‌پذیرد.

مواد تشکیل دهنده خاک‌ها

موادی که خاک‌ها را تشکیل می‌دهند به چهار قسمت تقسیم می‌شوند :

• مواد سخت : مواد سخت را ترکیبات معدنی تشکیل می‌دهند ولی ممکن است دارای مقداری مواد آلی نیز باشند. البته این ترکیبات معدنی از تخریب سنگ‌های اولیه یا سنگ مادر حاصل شده‌اند که گاهی اوقات همراه با مواد تازه کلوئیدی و نمک‌ها می‌باشند.
  
  
• موجودات زنده در خاک‌ها : تغییراتی که در خاک‌ها انجام می‌پذیرد بوسیله موجودات زنده در خاک انجام می‌گیرد. قبل از همه ریشه گیاهان ، باکتری‌ها ، قارچها ، کرم‌ها و بالاخره حلزون‌ها در این تغییرات شرکت دارند.
  
  
• آب موجود در خاک‌ها : آبی که در خاک وجود دارد حمل مواد حل‌شده را به عهده دارد که البته این مواد حمل شده برای رشد و نمو گیاهان به مصرف می‌رسد. آب موجود در خاک‌ها از باران و آبهای نفوذی ، آب جذب شده و بالاخره آبهای زیرزمینی تشکیل شده که در مواقع خشکی از محل خود خارج شده و بمصرف می‌رسد.
  
  
• هوای موجود در خاک : هوا همراه با آب در خوه‌های خاک‌ها وجود دارد که البته این هوا از ضروریات رشد و نمو گیاهان و ادامه حیات حیوانات می‌باشد. مقدار اکسیژنی که در این هوا وجود دارد از دی اکسید کربن کمتر است و این بدان علت است که ریشه گیاهان برای رشد و نمو اکسیژن مصرف کرده و دی اکسید کربن پس می‌دهند.
  
  

تقسیم‌بندی خاک‌ها از لحاظ سنگ‌های تشکیل دهنده

بر حسب دانه‌های تشکیل دهنده خاک و هم‌چنین شرایط میزالوژی و پتروگرافی زمین خاک‌های مختلفی وجود دارد که عبارتند از :

• خاک رسی : ذرات رس (Clay) دارای قطری کوچکتر از 0.002 میلی‌متر می‌باشند و در حدود 50% خاک را تشکیل می‌دهند.

خاک‌های رسی چون دارای دانه‌های بسیار ریزی هستند به خاک سرد معروفند و در مقابل رشد گیاهان مقاومت نشان داده و رشد آنها را محدود می‌کنند.

• خاک‌های سیلتی :
  50% این نوع خاک‌ها را ذرات سلیت تشکیل داده است که دارای قطری بین 0.05 تا 0.002 میلی‌متر می‌باشند و بر حسب اینکه ناخالصی مثل ماسه ، رس و غیره بهمراه دارند به نام خاک‌های سیلتی ماسه‌ای و یا سیلتی رسی معروفند.
  
  
• خاک‌های ماسه‌ای :
  این خاک‌ها از 75% ماسه تشکیل شده‌اند. قطر دانه‌ها از 0.06 تا 2 میلیمتر است و بر حسب اندازه دانه‌های ماسه به خاک‌های ماسه‌ای درشت ، متوسط و ریز تقسیم می‌گردند. مقدار کمی رس خاصیت خاک‌های ماسه‌ای را تغییر می‌دهد و این نع خاک آب را بیشتر در خود جذب می‌کند تا خاک‌های ماسه‌ای که فاقد رس هستند.
  
  
• خاک‌های اسکلتی :
  خاکهای اسکلتی به خاکهایی اطلاق می‌گردد ک در حدود 75% آن را دانه‌هایی بزرگتر از 2 میلی‌متر از قبیل قلوه سنگ ، دیگ و شن تشکیل می‌دهند. این خاک‌ها ، آب را به مقدار زیاد از خود عبور می‌دهند و لذا همیشه خشک می‌باشند.

نیم‌رخ عمومی خاک‌ها

نیم‌رخ خاک‌ها معمولا از 3 افق A,B,C تشکیل شده است.

• افق A : که به نام خاک بالایی نامیده می‌شود، فوقاتی‌ترین منطقه خاک است و این همان افقی است که رشد و نمو گیاهان در آن نفوذ می‌کنند. این افق از مواد خاکی نرم (رس) که غنی از مواد آلی و موجودات زنده میکروسکوپی است تشکیل یافته است که وجود این مواد آلی باعث رنگ خاکستری تا سیاه این افق می‌گردد. البته این زمین غالبا برای کشاورزی مناسب می‌باشند. اکسیدهای آهن و همچنین بعضی از مواد محلول ممکن است از این منطقه به افق B برده شوند و در آنجا رسوب کنند.
  
  
• افق B : قشر بین افق A و C را یک قشر دیگر تشکیل می‌دهد که به نام افق B یا خاک میانی نامیده می‌گردد. در این افق عمل تخریب و تجزیه به مراتب بیشتر از افق C پیشرفت و اثر کرده است و از کانی‌های سنگ مادر فقط آن دسته دیده می‌شوند. که بسیار مقاومند (مثل کوارتز) ولی سایر کانی‌ها به شدت تجزیه شده‌اند. این افق معمولا از مواد رسی ، ماسه و شن‌های ریز و درشت و گاه مقادیر کمی بقایای نباتی تشکیل شده است. در این افق علاوه بر مواد رسی ، در آب و هوای مرطوب ، اکسیدهای آهن و همچنین مواد محلول‌تر که بوسیله آب‌های نفوذی از افق A به آنجا آورده شده‌اند دیده می‌شوند.
  
  
• افق C : که به آن خاک زیرین نیز گفته می‌شود، افقی است که مواد سنگی به میزان خیلی کم تخریب و تجزیه شده‌اند و در نتیجه سنگ‌های اولیه زیاد تغییر نکرده بلکه بصورت قطعات خرد شده می‌باشند. زیر این منطقه سنگ‌های تخریب نشده یعنی سنگ اولیه قرار دارد که هیچگونه تخریب و یا تجزیه‌ای در آن صورت نگرفته است.

مکانیک خاک

مکانیک خاک از دو کلمه Soil به معنی خاک و Mechanics به معنی مکانیک گرفته شده است.

دید کلی

در علوم مهندسی ، خاک مخلوط غیر یکپارچه‌ای از دانه‌های کانیها و مواد آلی فاسد شده می‌باشد که فضای خالی بین آنها توسط آب و هوا (گازها) اشغال شده است. خاک به عنوان مصالح ساختمانی در طرح‌های مهمی در مهندسی عمران بکار گرفته می‌شود و همچنین شالوده اکثر سازه‌ها بر روی آن متکی است.

بنابراین مهندسان عمران باید بخوبی خواص خاک از قبیل مبدا پیدایش ، دانه بندی ، قابلیت زهکشی آب ، نشست ، مقاومت برشی ، ظرفیت باربری و غیره را مطالعه نمایند. مکانیک خاک شاخه‌ای از علوم مهندسی است که به مطالعه مشخصات فیزیکی و رفتار توده خاکی تحت بارهای وارده می‌پردازد. مهندسی پی ، کاربرد اصول مکانیک خاک در مسائل عملی است.

تاریخچه

تاریخچه عملیات خاکی را می‌توان به دوره‌های دور تاریخ بشری نسبت داد و آن را با قدمت پیدایش شهرنشینی یکی دانست. حفر قناتها ، کانالهای آبرسانی ، ایجاد پلها و سدهای محکم و سایر بناهایی که آثار آنها در کشورهای دنیا از ده‌ها قرن قبل تا کنون به یادگار مانده است، همه از مواردی است که به نحوی با عملیات خاکی ارتباط دارد.

سیر تحولی و رشد

توجه به بررسی و مطالعه خاک با یک دیدگاه مهندسی و به منظور تحلیل ریاضی خواص آن ، از قرن 18 میلادی آغاز شد و در واقع اولین بار در عین حال مهمترین رابطه ساده در زمینه مکانیک خاک ، در سال 1773 توسط کولمب یک مهندس ارتشی فرانسه ارائه گردید. این رابطه ساده ، که یک رابطه اساسی در بررسی مقاومت یا عدم مقاومت خاک است عبارت است از:

(τ=c+b_ntan(φ

کارهای بوسینسک در مورد تئوری اجسام الاستیک که در سال 1885 انتشار یافت به ارائه راه حل‌های دقیق در محاسبه تنش‌ها و تغییر شکل‌های درون محیط خاکی منجر گردید و توانست در تحلیل بخش مهمی از مبحث مکانیک خاک ، پاسخگو باشد. دانش مکانیک خاک به صورت مدرن ، در ابتدای قرن حاضر گسترش روز افزونی یافت و مانند سایر علوم مهندسی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت بطوری که در سال 1925 کارل ترزاگی ، استاد دانشگاه هاروارد ، نتیجه تحقیقات خود را به صورت مقاله‌ای ارائه داد و در سال 1943 کتاب «اصول نظری مکانیک خاک» را تدوین و منتشر کرد.

کارل ترازگی (1963-1883) را به حق بنیانگذار دانش مکانیک خاک نامیده‌اند. در اینجا شایسته است از سهم محققین روسی نیز یادآور گردد، چه پژوهشگرانی چون سیتوویچ در کشور روسیه به موازات دانشمندان غربی در توسعه دادن مبحث مکانیک خاک کارهای زیادی ارائه دادند. نامبرده نیز در سال 1934 کتاب اصول علم مکانیک خاک را منتشر نمود.

امروزه اهمیت دانش مکانیک خاک مانند علوم دیگر روز به روز رو به فزونی است و این بویژه به این علت است که تجربه‌های گذشته در این زمینه بدون گسترش تئوری‌های مطمئن‌تر و راه حل‌های اقتصادی‌تر تکافوی حل مسائل جدید را در عمل نمی‌نماید. به علاوه ، بسط مسائل مبحث مکانیک خاک همراه با توسعه روش‌ها و دیدگاههای جدید در زمینه مکانیک محیط دانه‌ای ، گسترش و افزایش دقت در تحلیل‌های ریاضی و مدل سازی‌ها را در هر دو زمینه الزامی نموده و نیز به نتیجه رسانده است.

مباحث کلی مکانیک خاک

• طرح تئوریهایی که نشان دهنده رفتار توده خاکی در برابر عوامل بیرونی ، مثل نیروهای مختلف ، باشد.
  
• کاربرد معلومات تئوری و تجربی در موارد و مسائل اجرایی

خواص فیزیکی ، شیمیایی و کانی شناسی خاکها

• خواص فیزیکی و شیمیایی خاک : شناخت خواص فیزیکی ، شیمیایی و کانی شناسی خاکها در بسیاری از بررسی‌ها و مطالعات و تصمیم گیری‌ها در عملیات خاکی نقش مهمی دارد. خواص فیزیکی و شیمیایی خاکها را باید عمدتا در عوامل زیر جستجو کرده و مربوط به آنها دانست.
  
  
• ترکیب کانی شناسی دانه‌ها : از آنجایی که خاکها از تجزیه و هوازدگی سنگهای پوسته زمین پدید آمده است‌، لذا کانی‌های تشکیل دهنده خاکها باید همان کانی‌های تشکیل دهنده سنگ مادر باشد.
  
  
• طبیعت سطح ذرات خاک (سطح مخصوص) : سطح خارجی دانه‌های خاک ، یعنی فصل مشترک محیط جامد با محیط مجاور آن که ممکن است، آب یا هوا باشد. محل پدید آمدن بعضی پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی است که این پدیده‌ها برخواص دیگر خاک مثل؛ مقاومت و نفوذپذیری و ... تاثیر می‌گذارد.
  
  
• پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی در سطح مشترک خاک و آب :ذرات جسم جامد از شبکه‌ای از یون‌های مختلف تشکیل شده است که از اینرو بین سطح خارجی ذره و محیط اطراف آن کنش و واکنش‌هایی پدیدار می‌گردد.
  
  
• خاصیت مویینگی : خاصیت بالا رفتن آب در لوله‌های مویین و در حفره‌های بین ذرات خاک را خاصیت مویینگی گویند.
  
  
• نیروهای دافعه و جاذبه بین ذرات : نیروهای بین ذره‌ای در خاک به دو گونه‌اند. نیروهای جاذبه مولکولی بین دانه‌ها (وان در والس) و نیروهای دافعه که از نوع نیروی الکتروکینیماتیکی است.

خواص مکانیکی خاکها

• اصطکاک : مقاومت جسم در برابر حرکت به علت وجود اصطکاک بین دو سطح تماس است.
  
  
• چسبندگی: مقاومت خاکی به علت چسبندگی دانه‌ها حاصل از مقاومت مولکولی (یعنی نیروی جاذیه الکتروشیمیایی) بین ذرات ریز است.
  
  
• گسیختگی توده خاک : گسیختگی توده خاک عبارتست از پایان شرایط مقاومت و آغاز برش در خاک است.
  
  
• تحکیم: تحکیم عبارتست از کاهش حجم حفره‌های آب‌دار درون خاک به علت افزایش فشارهای جانبی.

کاربرد مکانیک خاک

خاک از یک طرف به عنوان مصالح مورد توجه مهندسین و طراحان قرار می‌گیرد و از سوی دیگر به عنوان یک محیط طبیعی که در اختیار آدمی قرار گرفته است مورد توجه و استفاده است. جایی که به عنوان مصالح مورد نظر است مانند خاکریزها ، سرای خاکی ، روسازی راه و فرودگاه ، پشت دیوار حایل ، زهکش‌ها ، و به عنوان بخشی از بتن ، ماده اصلی تهیه آجر و سرامیک ، ماده اصلی تهیه چینی و کاشی ، و... حالت انتخابی و اختیاری دارد، و در جایی که به عنوان محیط مورد توجه است.

مانند زیر پی‌ها ، زیر پایه پل‌ها و زیربنای جاده‌ها و محل حفر تونل‌ها و محل قرار دادن لوله‌ها و تاسیسات مکانیکی و الکتریکی (کابل های تلفن و برق و لوله کشی گاز و فاضلاب و محل احداث قناتها و محل حفر چاهها و کانال‌ها و ... همه حالت غیر انتخابی (یعنی اجباری) دارد. به هر حال در تمام موارد ذکر شده ، شناخت خواص فیزیکی و مکانیکی خاک ضرورت غیر قابل اجتناب دارد. مثلا در یک پروژه راه سازی ، چه نوع خاکی با چه نوع دانه بندی باید انتخاب شود و لایه‌های آن با چه ضخامتی و با چه رطوبتی و تا چه حد باید کوبیده شود تا جایی حاصل بتواند در برابر نیروهای وارد بر آن مقاوم باشد و وجود آبهای سطحی و بارندگی بر دوام آن اثر مخرب نداشته باشد و در برابر یخ‌زدگی و فرسایش و تغییرات جوی نیز پایدار بماند.

در ایجاد یک سد خاکی ، شیب‌ها چه مقدار باشد که هم پایدار باشد و هم اقتصادی ، در صورتی که سد همگن با زهکشی است، لایه‌های زهکشی با چه ابعادی و با چه دانه بندی و چه مقدار نفوذپذیری باید باشد؟ سرعت حرکت آب و .... زه چه مقدار است؟ تورم یا نشست خاک چه مقدار باشد؟ میزان تراکم و درصد رطوبت و ضخامت لایه‌ها برای کمپاکت کردن خاک چه مقدار باید باشد؟ روش‌های حفاظت دامنه‌ها و تاج سر به چه عواملی بستگی دارد؟ و بسیاری پرسش‌های دیگر که مهندس طراح باید برای آنها جواب دقیق داشته باشد. به این ترتیب درمورد هرگونه پروژه ساختمانی و راه سازی و سد سازی مسائل متعددی از فیزیک و مکانیک خاک باید پاسخ داده شود. اهمیت دقت بیشتر و نیاز به تئوریهای دقیق‌تر هنگامی بیشتر می‌شود که حجم کارها و اهمیت پروژه بیشتر باشد.

رابطه مکانیک خاک با سایر علوم

مبحث مکانیک خاک دانشی است که در آن خواص فیزیکی و مکانیکی خاکها ، ارتباط این خواص با عوامل بیرونی ، مقاومت خاک در برابر نیروها ، تغییر شکل خاک در اثر نیروها ، مسایل مربوط به حرکت یا سکون آب در خاک ، چگونگی و مقدار فشرده شدن خاکها و چگونگی و مقدار تنش‌ها و تغییر شکل‌های هر نقطه از محیط خاکی در اثر عملکرد یک نیروی خارجی و ... بحث می‌شود.

در این راستا گاهی نیاز به مطالعه خواص شیمیایی و کانی شناسی دانه‌های خاک است و گاهی نیاز به بررسی پیدایش و منشا خاکها و گاهی نیاز به استفاده از دانش هیدرولیک و دانش‌های دیگر است. از اینرو ارتباط این مبحث با دیگر مباحث علمی چون فیزیک ، شیمی ، زمین شناسی ، کانی شناسی ، هیدرولیک و مکانیک سیالات را نباید از نظر دور داشت.

لایه بندی

آشنایی

لایه بندی یا چینه بندی یکی از مهمترین خصوصیات سنگهای رسوبی است. طبقه یا لایه را می توان به صورت جسم ورقه مانندی تعریف کرد که دو بعدش در مقایسه با بعد سوم (ضخامت) زیاد است. ضخامت لایه از چندین متر تغییر می کند. از نظر ابعاد نیز طبقات متفاوت‌اند و ممکن است تا چندین کیلومتر نیز گسترش داشته باشند. هر طبقه از طبقات مجاور خود توسط یک سری خصوصیات مشخص می‌شود. این خصوصیات ممکن است اختلاف در اندازه ذرات (شیل ، ماسه سنگ و کنگلومرا و غیره) باشد و یا اینکه اختلاف در ترکیب (ذغال ، شیل و آهک ، سختی ، رنگ و مشخصاتی نظیر آنها سبب مشخص شدن لایه شود. در بعضی موارد نیز ممکن است دو طبقه با مشخصات مشابه ، بوسیله یک طبقه نازک از یکدیگر جدا شوند.

هرچند که طبقه ممکن است از یک منطقه وسیع به حالت مستوی و مسطح دیده شود ، ولی غالبا در نتیجه تاثیر نیروهای تکتونیکی ، از حالت مستوی خارج شده و در حالت کلی بایستی آنرا بصورت یک سطح در نظر گرفت. وضعیت اولیه طبقات هنگام تشکیل معمولا به حالت شیب‌دار در خواهند آمد. در بعضی موارد ، شرایط اولیه رسوبگذاری طوری است که طبقه تشکیل شده ، از همان ابتدا به حالت غیر افقی است. مثلا هنگامی که رسوبگذاری در دامنه دره‌ها ، قسمت های شیب‌دار کف دریاها ، روی جزایر مرجانی و در محیطهای نظیر آن انجام می شود، طبقات در حالت تشکیل نیز به صورت شیب‌دار خواهند بود.

مشخصات طبقه

در حالت کلی می‌توان طبقه را قسمتی از سنگهای رسوبی دانست که بین دو صفحه موازی محدود است. سطح بالایی به نام سقف یا کمر بالا و سطح پایین لایه خوانده می شود. شیب و امتداد این صفحه به نام شیب و امتداد سطح لایه بندی معروف است. رخنمون لایه محلی است که طبقه در سطح زمین مشاهده می شود و به عبارت دیگر ، فصل مشترک طبقه با سطح زمین را رخنمون آن می گویند.

لایه بندی مجازی

در بسیاری موارد ، به ویژه در مورد سنگهای دگرگونی ، پدیده هایی مشاهده می شود که شبیه لایه بندی است. ولی بایستی آنها را از لایه بندی حقیقی تشخیص داد. کلیواژهای قوی و سیستم درزهای موازی در ماسه سنگ و آهک بخصوص هنگامی که تحت تاثیر هوازدگی نیز قرار گرفته باشد ، حالت لایه بندی را دارد. در چنین مواردی بایستی با مطالعه دقیق ، سطح لایه بندی واقعی لایه را با استفاده از نحوه قرار گرفتن اجزا ، فسیل‌ها ، وجود لایه های نازک و عواملی نظیر آنها مشخص کرد.

در مورد سنگهای دگرگونی نظیر شیست‌ها و گنایس‌ها ، لایه بندی اولیه سنگ معمولا در اثر پدیده های ثانوی مثل شیستوزیته و تورق ، به کلی از بین می رود و تشخیص آن فوق العاده مشکل است. در بعضی موارد ، وجود باندهای رنگین و ردیف کنکرسیون‌ها در سنگهای رسوبی نیز ممکن است شبیه لایه بندی واقعی باشد. در این حالت نیز با توجه دقیق بایستی ، آنها را از لایه بندی واقعی تشخیص داد.

ساختمان داخلی لایه

ساختمان داخلی لایه ، به شرایط فیزیکی و جغرافیایی محیط رسوبگذاری بستگی دارد و با توجه به تنوع این شرایط ، در حد وسیعی تغییر می کند. در حقیقت ، ساختمان داخلی لایه تابع نحوه قرار گرفتن ذرات تشکیل دهنده آن است. بدیهی است ساختمان داخلی لایه ، در مورد سنگهایی مثل کنگلومرا و ماسه سنگ که دارای ذرات درشتند، واضح تر مشاهده می‌شود. فسیل‌های حیوانی نظیر گراپتولیت‌ها و نیز بقایای گیاهی ، غالبا در سطح طبقه بندی قرار دارند. ذرات پهن سنگهای رسوبی نیز (مثل قطعات میکا) اکثرا موازی سطح لایه بندی است.

بعضی از سنگهای رسوبی ، مثل شیل و نیز برخی از ذغالها ، به صورت ورقه های نازکی در امتداد لایه بندی جدا می شوند. این خاصیت ، ناشی از نحوه قرار گرفتن ذرات میکا و رس موجود در این سنگها است، ذرات میکا و سایر کانی‌های پهن ، در اثر جریان آب ، به موازات جریان قرار می‌گیرند. در بعضی موارد ، در اثر فشار ناشی از وزن طبقات رویی ، بعدها این قطعات به موازات سطح لایه بندی (افقی) قرار خواهند گرفت. ذرات کنگلومرایی که در نزدیکی سواحل تشکیل می شوند ، در امتدادهای خاصی قرار می‌گیرند ، زاویه تمایل این ذرات به سوی دریا است و امتداد محور بزرگ آنها ، غالبا موازی خط ساحل می باشد.

قلوه سنگ‌|قلوه سنگ‌هایی که بوسیله رودخانه‌ها عمل می‌شوند ، طوری در برابر جریان قرار می گیرند که حداقل مقاومت را داشته باشند. و بدین ترتیب ، زاویه تمایل آنها در خلاف جهت جریان می باشد. نحوه قرار گرفتن فسیل‌ها نیز تابع جریان آب است. مثلا صدفهای طویل اغلب به موازات جریان آب رودخانه‌ها قرار می‌گیرند. صدفهایی که به شکل مخروط‌اند ، به طریقی قرار می گیرند که نوک مخروط ، در جهت جریان باشد. علاوه بر مطالب یاد شده ، نحوه قرار گرفتن اجزا تشکیل دهنده سنگ ، ساختمانهای داخلی مختلفی به وجود می آورد که برخی از آنها را در زیر می‌آوریم.

لایه بندی چلیپایی یا مورب

در بعضی موارد ، در داخل لایه ، یک نوع چینه بندی با مقیاس کوچکتر مشاهده می شود که غالبا ضخامت آنها کم است و نسبت به طبقه بندی اصلی به حالت متقاطع قرار گرفته‌اند. این نوع لایه بندی ، به نام لایه بندی چلیپایی یا متقاطع نامیده می شود. این گونه لایه بندی ، در سنگهایی مثل کنگلومرا ، ماسه سنگ ، سنگهای رسی و به ندرت در سنگ آهک مشاهده می شود. لایه بندی چلیپایی ، غالبا در رودخانه‌ها و به خصوص در رسوبات دلتایی و رسوبات کنار رودخانه دیده می شود. هنگام ورود رودخانه به آب ساکن ، ذرات سنگین آن ، بطور ناگهانی سقوط کرده و لایه بندی چلیپایی را بوجود می آورند. چینه بندی متقاطع در لایه‌ای رسوبات بادی نیز بوجود می‌آید. زیرا هنگام حرکت تلماسه‌ها (تپه‌های ماسه‌ای) ، ماسه‌های ریز از بالای تپه سرازیر شده و طبقات متقاطع را بوجود می‌آورد.

اثر شکنجی یا ریپل مارک

این ساخت در رسوباتی مثل رسوبات ماسه ای که ذرات آن مجزا بوده و قادرند آزادانه در آب یا هوا حرکت کنند ، به وجود آید. تشکیل اثر شکنجی ممکن است در اثر جریان (آب و یا باد) و یا در نتیجه امواج در قسمت های کم عمق دریا باشد. بدین ترتیب ، این گونه اشکال را می توان به دو دسته کلی تقسیم کرد:

• ریپل مارکهای جریانی :
  ریپل مارکهای جریانی نسبت به سطح افق نامتقارن اند و نوک آنها نیز تیز نیست. بلکه به حالت گرد می باشد. این گونه آثار شکنجی را می توان در رسوبات بادی و نیز بعضیرسوبات رودخانه‌ای مشاهده کرد.
  
  
• ریپل مارکهای موجی :
  اثرات شکنجی در قسمت های ساحلی کم عمق و در نتیجه حرکت قرینه آب به وجود می آید و به همین دلیل ، به حالت قرینه است. با توجه به اینکه امواج دریا فقط در اعماق کم موثر است، بنابراین ، آثارریپل مارک را فقط در رسوبات ساحلی می‌توان مشاهده کرد و برعکس ، وجود این آثار ، نشانه عمق کم رسوبگذاری است.
  
  
• لایه بندی دانه ترتیبی:
  تغییرات تدریجی در ابعاد ذرات تشکیل دهنده لایه ، به این نام خوانده می شود. در حالت کلی ، ذرات درشت معمولا در کف طبقه قرار دارند و هرچه از پایین به بالای طبقه نزدیک شویم ، ابعاد ذرات کاهش می یابد. بدین ترتیب در حالت کلی ، یک تغییر ناگهانی در ابعاد ذرات دو طبقه مجاور وجود خواهد داشت.

طرز تشخیص بالا و پایین طبقه

اگر وضعیت کلی چینه شناسی ناحیه مشخص باشد ، می توان انتظار داشت که بالا و پایین طبقات ، از این وضعیت کلی تبعیت می کند ولی اگر منطقه نا آشنا و وضعیت کلی چینه شناسی آن روشن نباشد، برای تشخیص بالا و پایین لایه بایستی از بعضی نشانه ها کمک گرفت که اینک به شرح آنها می پردازیم:

• ترکهای گلی:
  هنگامی که رسوبات رسی در مجاورت هوا خنک شوند ، در اثر انقباض ناشی از خشک شدن ، ترک‌هایی در سطح آنها بوجود می‌آید. بعدها ممکن است این ترکها ، بوسیله رسوبات ماسه‌ای و یا رسوبات رسی با ترکیب های متفاوت پر شود. بدین ترتیب به کمک این ترکهای پر شده ، می‌توان بالا و پایین طبقه را مشخص کرد.
  
  

• اثر قطرات باران:
  برخورد قطرات باران با سطح رسوبات رسی نرم ، باعث ایجاد حفره‌های کوچک در آن می‌گردد. اگر ریزش باران ادامه یابد ، این حفره ها محو می شوند ولی ممکن است اثرات قطرات مجزای باران در اینگونه رسوبات حفظ شود و در اثر پوشش بوسیله سایر رسوبات ، برای مدتها محفوظ بماند. وجود چنین آثاری نمایشگر سطح لایه خواهد بود.
  
  
• اثرات شکنجی:
  در ریپل مارکهای موجی ، قسمت تیزی به طرف بالا (طبقات جوان) و قسمت منحنی به طرف پایین (طبقات قدیمی) متوجه است.
  
  
• لایه بندی چلیپایی:
  طبقات متقاطع ، تقریبا بر قسمت پایین طبقه مماس‌اند و طی زاویه تندی به قسمت بالای آن وصل می شوند. با استفاده از این خاصیت ، در بسیاری موارد می توان وضعیت اصلی طبقات را توجیه کرد.
  
  
• لایه بندی دانه ترتیبی:
  در لایه بندی دانه ترتیبی ، ذرات درشت کف طبقه رسوب می کنند و هرچه به بالای آن نزدیک شویم ، ابعاد ذرات کوچکتر می شود. به کمک همین مشخصه می‌توان زیر و روی طبقه را تعیین کرد.
  
  
• استفاده از فسیل ها:
  در بعضی از رسوبات آواری دانه ریز ، اثرات حرکت کرمها به صورت مجراهایی حفظ شده که تماما به سطح طبقه سوراخ شده اند. صدف بعضی ازفسیل‌ها مثل در کفه‌ای‌ها نیز اغلب به حالتی قرار می گیرد که قسمت محدب آن به طرف بالای طبقه باشد.
  
  
• ساخت بالشی:
  در بعضی از گدازه‌های زیردریایی بویژه گدازه‌های بازی یک نوع ساخت بالشی بوجود می آید. نحوه قرار گرفتن آماری این قطعات طوری است که قسمت محدب آنها به طرف بالا می‌باشد.

هوازدگی

هوازدگی به زبان ساده عبارت است از پاسخی که مواد سطح زمین در مقابل تغییر محیط از خود بروز می‌دهند و شامل از هم پاشیدن سنگها و تجزیه آنها در سطح زمین و یا نزدیک به سطح زمین است. بعد از میلیونها سال ، بالا آمدگی و فرسایش ، سنگهای موجود در سقف توده‌های نفوذی از بین رفته و توده در سطح زمین رهنمون پیدا می‌کند. این توده متبلور که در دما و فشار زیاد و احتمالا در چند کیلومتری زیر زمین تشکیل شده بود، اکنون در سطح زمین و در معرض شرایطی کاملا متفاوت قرار دارد.

در چنین وضعیتی ، توده سنگ به تدریج تغییر می‌کند تا جایی که دوباره با شرایط جدید به حالت تعادل برسد به چنین تغییراتی در سنگ ، هوازدگی می‌گویند. هوازدگی معمولا به دو صورت مکانیکی و شیمیایی بررسی می‌شود ولی در طبیعت این دو همزمان عمل می‌کنند.

انواع هوازدگی

هوازدگی را با توجه به نوع تغییراتی که در سنگ صورت می‌گیرد به انواع مکانیکی و شیمیایی تقسیم می‌کنند.

هوازدگی مکانیکی

در هوازدگی مکانیکی هیچ تغییری در ترکیب شیمیایی سنگ صورت نمی‌گیرد بلکه سنگها تحت تاثیر یک سری از عوامل فیزیکی به قطعات کوچکتر تقسیم می‌شوند. بر اثر خرد شدن سنگها سطح جانبی قطعات زیادتر شده و در نتیجه برای این عوامل عبارتند از : یخبندان ، انبساط حاصل از برداشته شدن بار فوقانی ، انبساط حرارتی و فعالیت موجودات زنده.

هوازدگی شیمیایی

در هوازدگی شیمیایی ساختمان داخلی کانیها بر اثر افزایش یا کاهش عناصر تغییر می‌کند. در واقع در این نوع هوازدگی ترکیب شیمیایی سنگها تغییر می‌کند. در هوازدگی شیمیایی آب مهمترین عامل به شمار می‌رود. ولی لازم به ذکر است که آب خالص غیرفعال بوده و نمی‌تواند هیچ تغییری در سنگها ایجاد کند. افزایش مقدار کمی از مواد محلول می‌تواند آب را فعال سازد. اکسیژن و دی‌اکسید کربن محلول در آب باعث ایجاد تغییرات اساسی در سنگها می‌شوند.

سرعت هوازدگی

سرعت هوازدگی سنگها به عوامل زیادی بستگی دارد از جمله این عوامل می‌توان به اندازه ذرات کانیهای سازنده سنگ و عوامل آب و هوای محیط را نام برد. هر چقدر اندازه کانی کوچکتر باشد سطح موثر آنها زیادتر بوده و در نتیجه سریعتر تحت تاثیر عوامل هوازدگی ، تجزیه می‌شوند. جنس کانیهای سازنده سنگ اثر بسیار مهمی در هوازدگی دارد به عنوان مثال سنگهای گرانیتی بسیار مقاوم تر از سنگ مرمر هستند، زیرا مرمر از کلسیت ساخته شده که به آسانی حتی در محلول اسیدی ضعیفی نیز حل می‌شود.

ترتیب هوازدگی کانیهای سیلیکاته مطابق ترتیب تبلور آنهاست. کانیهایی که زودتر از همه تبلور می‌نمایند یعنی در درجه حرارت و فشارهای زیادتری بوجود می‌آیند، نسبت به کانیهایی که بعدا متبلور می‌شوند در سطح زمین پایداری کمتری دارند. زیرا شرایط تشکیل آنها با شرایط سطح زمین بسیار متفاوت است.

عوامل آب و هوایی ، بویژه رطوبت اهمیت ویژه‌ای در سرعت هوازدگی سنگها دارد. بهترین محیط برای هوازدگی شیمیایی آب و هوای گرم و فراوانی رطوبت است. در نواحی قطبی و در عرضهای جغرافیایی بالا چون برودت هوا ، رطوبت مورد نیاز برای هوازدگی را به صورت یخ در می‌آورد لذا هوازدگی شیمیایی در این نواحی بی‌تاثیر است. در نواحی خشک نیز به علت وجود رطوبت کافی هوازدگی شیمیایی نقش نداد.

هوازدگی و نهشته‌های معدنی

هوازدگی در ایجاد بعضی از نهشته‌های معدنی مهم نقش دارد، زیرا عناصر فلزی پراکنده در سنگ مادر را در یک جا جمع می‌کند. به چنین نقل و انتقالی غالبا غنی شدگی اطلاق می‌شود. غنی شدگی به دو طریق انجام می‌شود. در روش اول هوازدگی شیمیایی به همراه آب نفوذی موادی را که مناسب نیستند از سنگ در حال تجزیه جدا می‌کنند. لذا این عناصر مطلوبی که تراکم آنها در افق نزدیک سطح زمین کم می‌باشد به اعماق برده شده و با رسوب مجدد تمرکز آنها افزایش می‌یابد.

بوکسیت

بوکسیت که کانی اصلی آلومینیوم می‌باشد یکی از کانسارهایی است که به روش غنی شدگی طی فرآیندهای هوازدگی بوجود آمده است. بوکسیت در آب و هوای گرمسیری بارانی همراه با لاتریت تشکیل می‌شود. وقتی سنگ منشا غنی از آلومینیوم در معرض هوازدگی شدید و طولانی قرار بگیرد بیشتر عناصر اصلی آن نظیر کلسیم و سدیم و سیلیس در نتیجه شستشو از محیط خارج می‌شود و بر میزان آلومینیوم آن افزاوده می‌شود. با گذشت زمان خاکی غنی از آلومینیوم به نام بوکسیت حاصل می‌شود که می‌توان از آن آلومینیوم استخراج کرد.

نهشته‌های مس و نقره

بسیاری از نهشته‌های مس و نقره زمانی حاصل شده‌اند که فرآیند هوازدگی عناصری را که در کانسار اولیه با عیار پایین پراکنده بودند در یک جا متمرکز کرده است. معمولا چنین غنی شدگی در نهشته‌های پیریت‌دار (FeS) و کانیهای سولفوری معمول انجام می‌شود. پیریت به دلیل اینکه از نظر شیمیایی به اسید سولفوریک تغییر می‌یابد، می‌تواند در آبهای نفوذی فلزات معدنی را حل کند.

با انحلال کانیها مورد نظر فلزات به تدریج از خلال توده کانسار اولیه به سمت پایین مهاجرت می‌کنند تا سرانجام ته نشین شوند. ته نشینی هنگامی اتفاق می‌افتد که محلولهای مزبور به منطقه آبدار زیرزمینی نزدیک می‌شود. در این محل تغییرات شیمیایی ته نشینی عنصر فلزی می‌شود.

کانی شناسی

ریشه لغوی

 

لغت مینرال (کانی) که از قرون وسطی مورد استعمال قرار گرفته از لغت یونانی Mna (متشابه لاتینی آن Mina است) به معنی "کانی" یا "گردال" (از نظر معدن شناسی) مشتق شده است، لذا نام فارسی آن یعنی "کانی" معروف موادی است که از کانسارها بدست می‌آورند.

نگاه اجمالی

قرنها پیش از دستیابی انسان به فلزات و علم استخراج و مصرف آنها ، برخی از سنگها و کانیها مهمترین ابزار دفاعی ، زراعی و شکار بشر محسوب می‌شده‌اند. بشر اولیه جهت تهیه ابزار سنگی از مولد دارای سختی زیاد همچون سنگ چخماق ، کوارتزیت ، ابسیدین ، کوارتز و ... که در محیط زندگی‌اش فراوان بوده استفاده کرده است. نحوه استفاده و بکارگیری این مولد آنچنان در زندگی و پیشرفت انسان مؤثر بوده است که بر این اساس زمان زندگی انسان اولیه را به سه دوره دیرسنگی ، میانسنگی) و نوسنگی تقسیم شده‌اند. همزمان با شناخت فلزات و استخراج آنها عصر فلزات آغاز گردید. احتمالاً اولین فلز استخراج شده در حدود 450 سال ق.م ، مس بوده است.

کانیها از نظر فیزیکی و شیمیایی اجسام طبیعی و همگن هستند که تقریبا منحصرا بصورت بلور و یا لااقل توده بلورین حاوی ذرات ظریف و ریز تا درشت تشکیل می‌گردند. فقط معدودی از کانیهایی که آنها را بصورت جامد می‌شناسیم، به حالت بی شکل و یا ژلهای وجود دارند. با توجه به همگن بودن شیمیایی کانیها ، ترکیب آنها را می‌توان بوسیله فرمول نشان داد. مع ذلک این فرمول در بسیاری از حالات ، منظور عادی شمی را مجسم نمی‌کند، به این جهت در نگارش آن مفاهیم کریستالو شیمی به مقیاس وسیعی باید منظور گردد. برای معرفی کانیها علاوه بر فرمول آنها ، تمام خواص فیزیکی مانند خواص نورانی ، الکتریکی ، مقاومت ، سختی و بالاخره خاصیت بلورشناسی نیز مورد بررسی قرار می‌گیرد. اساس مطالعه این خواص موضوع کانی شناسی عمومی را تشکیل می‌دهد.

تاریخچه

 

مصریان قدیم شش هزار سال قبل از میلاد در صحرای سینا فیروزه را به خاطر رنگ زیبایش استخراج می‌کردند. انسانهای عهد حجر ، سنگ آتشزنه را که دارای سطح شکست تیز است، به عنوان چاقو و سرنیزه ، جهت تراشیدن چوب و تهیه نوک تیز کمان به کار می‌برند. علاوه بر تفریت که دارای سطح شکست منحنی شکل است برای تهیه تبر و از سنگ آتشزنه و پیریت جهت تهیه آتش استفاده می‌کردند.

عهد حجر زمانی خاتمه یافت که انسان توانست در نتیجه تجارب گوناگون از مس و قلع آلیاژی به نام مفرغ یا برنز تهیه کند. در طی عهد برنز بشر قرنها تجربه اندوخت تا سرانجام حدود 1000 سال قبل از میلاد مسیح به کشف و تهیه آهن توفیق یافت. به روایت دیگر حدود 2700 سال قبل عصر مفرغ آغاز شد که در این عصر انسان ابزار خود را از این آلیاژ تهیه می‌نموده است. حدود 3000 سال ق.م مصریها از ذوب سیلیس ، شیشه تهیه نمودند و قرنها پیش از میلاد مسیح چین‌ها در فسیلها از کائولن ابزار چینی می‌ساخته‌اند. در طول تاریخ اطلاعات بسیاری در رابطه با چگونگی شکل گیری ، جنس ، ساختمان و سایر خصوصیات کانیها بدست آمده است.

سیر تحولی و رشد

 

اصولا یونانیها نخستین ملتی بودند که جنبه علمی کانیها را بررسی کردند مثل تالس ملطی که 485 سال قبل از میلاد به خاصیت کهربایی کانیها اشاره کرده و تمیش تکلس (527-549 ق.م) که دست به استخراج معادن زد. یک کتاب سنگ شناسی (الاحجار) که به ارسطو (322-384 ق.م) نسبت می‌دادند بعدها معلوم شد که در سده هشتم نوشته شده ، ولی کتابی از شاگردش یتوفر است (288-372 ق.م) بجا مانده بنام "راجع به سنگها" که شاید بتوان گفت اولین کتاب علمی کانی شناسی است.

کتاب با ارزش دیگری که بعدها نوشته شد بوسیله پزشک رومی جالینوس (201-113 م) بود. اثر دانشمند عالیقدر ایرانی ، ابو علی سینا (1037-970) تحت عنوان "درباره کانیها" را شاید بتوان گفت اولین کتابی است که کانیها را بطور سیستماتیک به چهار دسته تقسیم کرده است. از اروپاییان از کانی شناس آلمانی آلبرت فون بول (280-119 م) یاد می‌کنیم این شخص که به ماگنوس معروف است داراری پنج جلد کتاب از زمینه کانی شناسی است. از دو شخصیت دیگر آلمانی به نامهای باسیلوس والنتین و آگریکولا (1623-1555) یاد می‌کنیم که شخص اخیر بعدها به پدر کانی شناسی معروف گشت.

آخرین شخصی که کانیها را از نظر ظاهری مورد مطالعه قرار داد، کانی شناس روسی لموسوف (1711-1765) بود. در سال 1669 یک دانشمند دانمارکی به نام نیلس استنسن قانون ثابت بودن زوایا را کشف کرد. در همین سال شخص دیگری به نام اراسموس بارتولینوس موفق به کشف شکست مضاعف کلیست ایسلندی گردید. قانون پارامتر وایس آلمانی در دهه دوم قرن بیستم وضع کرد. در سال 1830 هسل 32 کلاسه را ثابت کرد، پس از آن با استفاده از محاسبات ریاضی فدروف روسی و شنفلیس آلمانی 230 شبکه فضایی را ثابت کردند. با کشف اشعه ایکس بوسیله رنتگن ، تحول عظیمی در کانی شناسی بوجود آمد بدینوسیله برای اولین مرتبه ماکس فون لاوه موفق به مطالعه ساختمان داخلی کریستال گردید. بعد از اینکه استفاده از اشعه ایکس در کانی شناسی نشان داده شد، براگ در سال 1913 اولین ساختمان یعنی شبکه نمک طعام را معرفی نمود.

کانی چیست؟

 

کانی عبارت است از عناصر یا ترکیبات شیمیایی طبیعی جامد ، همگن ، متبلور و ایزوتروپ با ترکیبات شیمیایی نسبتاً معین که در زمین یافت می‌‌شود. خواص فیزیکی کانیها در حدود مشخص ممکن است تغییر نمایند. کانیها به صورت اجسام هندسی با ساختمان اتمی منظم متبلور می‌گردند که به آن بلور می‌گویند. اگر بلور یک کانی را به قطعات کوچک و کوچکتر تقسیم نماییم سرانجام به کوچکترین جزء دارای شکل هندسی منظم خواهیم رسید که آن را واحد تبلور ، سلول اولیه و یا سلول واحد بلور می‌نامند. از کنار هم قراردادن واحدهای تبلور شبکه بلور که سازنده اجسام متبلور است ایجاد می‌گردد.

علاوه بر کانیهای متبلور با دسته‌ای از ترکیبات دارای تمامی خواص کانی بجز سیستم تبلور می‌باشند که این دسته را شبه ‌کانی می‌نامند و شرایط تشکیل کانیها بسیار متفاوت است ، برخی مانند پیریت ممکن است در شرایط بسیار متنوعی ایجاد ‌گردند در حالیکه برخی دیگر به عنوان شاخص کانی ، فشار ، دما وجود عناصر رادیواکتیو و ... مورد استفاده قرار می‌گیرند. همه کانیها به استثنا شبه‌کانی‌ها در یکی از 7 سیستم تبلور شناخته شده متبلور می‌گردند. برخی از کانیها در شرایط مشابه در کنار هم تشکیل می‌گردند که به آنها پاراژنز با کانی‌های همراه گفته می‌شود. کانیها در طبیعت در اندازه‌‌های بسیار متفاوتی یافت می‌شوند که بر این اساس آنها را به درشت بلور ، متوسط بلور ، ریز بلور و مخفی بلور تقسیم می‌نمایند. برخی از انواع درشت بلور و متوسط بلور در نمونه‌های دستی قابل تشخیص بوده ، انواع ریز بلور توسط میکروسکوپهای قوی و کانیهای مخفی بلور را به کمک اشعه ایکس و میکروسکوپهای الکترونی می‌توان شناسایی نمود.

اهمیت اقتصادی کانیها

 

کانیها دارای ارزش اقتصادی بسیار زیادی می‌باشند، بطوری که اقتصاد بسیاری از کشورهای جهان نظیر شیلی ، گینه ... بر اساس مواد معدنی پایه‌ریزی شده است. اگر چه بسیاری از کانیها دارای ارزش درمانی ویژه خود هستند و حتی تعدادی به عنوان مواد سمی و مهلک مورد استفاده قرار می‌گیرند، ولی افرادی نیز وجود دارند که همراه داشتن کانیهای معین را در درمان برخی از بیماریهای موثر می‌دانند. در سراسر جهان عده زیادی علاقمند به جمع‌آوری مجموعه‌های کانی هستند، در یک پیک نیک خانوادگی می‌توان نمونه‌هایی از این خلقت زیبای خداوند جمع‌آوری نمود. با توجه به اینکه در کشور ما کانیهای متنوعی وجود دارند و بسیاری از آنها قابل دسترس می‌باشند.

کانیها از دوران پیش از تاریخ ، نقشی اصلی در نحوه زندگی بشر و استاندارد زندگی وی داشته‌اند. با گذشت هر قرن ، اهمیت اقتصادی کانیها به گونه‌ای فزاینده بیشتر شده و امروزه به اشکال بیشماری ، از احداث آسمانخراشها گرفته تا ساخت رایانه به آنها وابسته‌ایم. تمدن جدید ، به طور شگفت آوری به کانیها وابسته است و کاربرد وسیع آنها را الزامی کرده است. تعداد کمی از کانیها مانند تالک ، آزبست ، گوگرد و ... به همان شکل استخراج شده ، معروف می‌شوند. اما بسیاری از آنها را برای به دست آوردن یک ماده مفید ، باید در آغاز فرآوری کرد. برخی از محصولات آشناتر عبارتند از : آجر ، شیشه ، سیمان ، گچ و چیزی در حدود بیست فلز از آهن گرفته تا طلا. کانسنگهای فلزی و کانیهای صنعتی در همه قاره‌ها و در هر جا که کانیهای خاص به اندازه کافی تمرکز یافته و استخراج آنها اقتصادی باشد، استخراج می‌شوند.

سنگ شناسی رسوبی

ریشه لغوی

سنگ شناسی رسوبی از دو کلمه Sedimentary به معنی رسوبی و Petrology به معنی سنگ شناسی گرفته شده است.

دید کلی

سنگهای رسوبی به دلیل داشتن منابع مهم نظیر نفت ، گاز ، ذغال ، آهن ، اوارنیم و نیز مواد مورد نیاز در مصالح ساختمانی مانند آهک ، گچ و غیره از اهمیت خاصی برخوردارند لذا سنگ شناسی رسوبی یکی از مهمترین شاخه‌های علوم زمین محسوب می‌گردد. در حدود 70٪ از سنگهای سطح زمین ، دارای منشا رسوبی هستند، و این سنگها عمدتا از ماسه سنگها ، سنگهای آهکی ، شیل ها و به مقدار کمتری اما با همان معروفیت از رسوبات نمک ، سنگهای آهندار ، ذغال و چوب تشکیل شده است.

تاریخچه و سیر تحولی

• مطالعه سنگهای رسوبی از نظر مشخصات ساختی ، بافتی و ترکیب شیمیایی آنها ، اولین بار در سال 1879 توسط سوربی انگلیسی انجام گرفت. وی مطالعه سنگهای رسوبی در مقاطع نازک را برای اولین بار ابداع نمود. بعدها در 1899 ، کایوی فرانسوی پاره‌ای از مشخصات میکروسکوپی و مشخصات ماکروسکوپی بعضی از سنگهای رسوبی در کشور فرانسه را ، به صورت مصور تشریح و تفسیر کرد.
  
  از آن تاریخ به بعد ، به پیروی از کایو ، بررسیهای سنگهای رسوبی و کوشش اکثر سنگ شناسان ، عمدتا بر کانی شناسی و تشخیص کانی‌های تشکیل دهنده این سنگها متمرکز گردید. که در این میان ماسه سنگها و رسوبات ماسه‌ای و از میان کانی‌ها هم ، کانیهای سنگین (دارای وزن مخصوص بیش از 2.85) ، بیشتر مورد توجه قرار گرفتند.
  
  
• در سال 1919 ، ونت ورث آمریکایی برای سنجش اندازه ذرات و دانه های تشکیل دهنده رسوبات تخریبی مقیاسی ارائه داد و به کمک مقیاس ونت ورث مطالعه دانه سنجی و تجزیه‌های کمی و مکانیکی رسوبات بر مبنای اندازه دانه ها و فراوانی آنها ، میسر گردید.
  
  
• سرانجام در 1933 ، آدن و کرمباین ، مقیاس‌های جدیدتری برای اندازه گیری دانه‌های رسوبی ارائه دادند و در مکانیسم تجزیه‌های مکانیکی رسوبات تخریبی ، تسهیلات زیادتری ایجاد کردند. امروز هم ، مقیاسهای اندازه گیری متداول برای مطالعات رسوب شناسی و سنگهای رسوبی ، به نام همین افراد معروف بوده و مورد استفاده سنگ شناسان و رسوب شناسان قرار دارد.

گروههای اصلی سنگهای رسوبی

رسوبات سیلیسی آواری :

رسوبات سیلیسی آواری (همچنین تحت عنوان رسوبات تریجنوس یا اپی کلاستیک خوانده می‌شوند) آنهایی هستند که از خرده سنگهای قبلی که توسط فرآیند فیزیکی حمل و رسوب کرده‌اند، تشکیل شده‌اند. این گروه شامل سنگها زیر می‌باشد:

• کنگلومراها :
  در این سنگها ، مواد دانه درشت گرد شده در زمینه‌ای از مواد دانه ریز قرار دارند.
  
  
• برش‌ها :
  مواد دانه درشت گرد نشده در زمینه‌ای از مواد دانه ریز قرار دارند.
  
  
• ماسه سنگها :
  اندازه دانه‌ها در ماسه سنگها ، کمتر از 2 میلیمتر است.
  
  
• گلسنگها :
  اندازه دانه‌ها کمتر از 2 میکرون می‌باشد.
  
  

رسوبات بیوژنیک ، بیوشیمیای و آلی :

رسوباتی هستند که بیشتر منشا بیو ژنیکی ، بیو شیمیایی و آلی دارند و شامل:

• سنگهای آهکی :
  
• سنگهای آهکی می‌توانند هم از طریق ته نشست مستقیم CaCo3 از آب دریا و هم از طریق رسوب کردن اسکلت‌های کربناتی موجودات به وجود آید.
  
  
• چرت‌ها :
  
• چرت ، یک واژه خیلی کلی برای رسوبات سیلیسی دانه ریز ، با منشا شیمیایی ، بیو شیمیایی یا بیوژنیکی است.
  
  
• فسفاتها :
  
• یکی از مهمترین کانی‌های رسوبی فسفاتها ، آپاتیت می‌باشد.
  
  
• ذغال و شیل نفتی :
  
• ذغال و شیلهای نفتی که از بقایای موجودات زنده قدیمی می‌باشند، انعکاسی از فرآیندهای دیانژ و دگرگونی دارند.
  
  

رسوبات شیمیایی :

این رسوبات منشا شیمیایی دارند و شامل موارد زیر می‌باشند:

• تبخیر‌ی‌ها: تبخیری‌ها عمدتا رسوبات شیمیایی هستند که پس از تغلیط نمک‌های محلول در آب (بر اثر تبخیر) رسوب کرده‌اند.
  
  
• سنگهای آهن‌دار :
  
• آهن ، عملا بر اندازه چند در صد در تمام سنگهای رسوبی وجود دارد، ولیکن بطور غیر معمول ، در جایی که مقدار آهن بیش از 15٪ باشد، سنگهای آهن‌دار را تشکیل می‌دهد.
  
  

رسوبات آذر آواری :

رسوبات آذر آواری رسوباتی هستند که عمدتا از دانه‌های با منشا ولکانیکی ، که از فعالیت‌های آتشفشانی همزمان سرچشمه گرفته‌اند، تشکیل شده‌اند. و شامل موارد زیر می‌باشند:

• رسوبات اتوکلاستیک :
  
• سنگهای ولکانوژیکی هستند که توسط برشی شدن در جای لاوا تشکیل شده‌اند.
  
  
• رسوبات پیروکلاستیک – ریزشی :
  
• این رسوبات به راحتی از طریق خرده‌های آتشفشانی خارج شده از یک مجرا یا یک شکاف ، بر اثر انفجار ماگماتیکی ، تشکیل می‌شوند.
  
  
• رسوبات ولکانی کلاستیک – جریانی :
  این رسوبات توسط انفجارات فورانی در محیط‌های خشکی ایجاد می‌شوند.
  
  
• هیدروکلاستیک‌ها :
  هنگامی که لاوای خارج شده ، با آب تماس پیدا کند، سرد شدن و خاموشی سریع ، باعث قطعه قطعه شدن لاوا می‌شود. این قطعات پس از حرکت در آب و دانه دانه شدن رسوبات هیدروکلاستیک را تشکیل می‌دهند.
  
  
• رسوبات اپی کلاستیک :
  رسوباتی هستند که از حرکت و ته نشست مجدد رسوبات ولکانی کلاستیک ایجاد شده‌اند.

اهمیت مطالعه سنگهای رسوبی

• سنگهای رسوبی در ادوار گذشته زمین شناسی در محیطهای طبیعی متفاوتی که امروزه وجود دارد، رسوب کرده‌اند. مطالعه این محیطهای عهد حاظر و رسوبات و فرآیندهای آنها به درک بیشتر معادل قدیمی آنها کمک می‌کند.
  
  
• دلایل زیادی برای مطالعه سنگهای رسوبی وجود دارد زیرا ارزش اقتصادی کانی‌ها و مواد موجود در آنها کم نمی‌باشد. سوخت‌های نفت و گاز از پختگی مواد آلی در رسوبات مشتق شده و سپس این مواد به یک سنگ مخزن مناسب ، که عمدتا یک سنگ رسوبی متخلخل است، مهاجرت می‌کند. ذغال ، سوخت فسیلی دیگری است که البته در توالی‌های رسوبی نیز وجود دارد. روشهای رسوب شناسی و سنگ شناسی به طور گسترده در پی جویی ذخایر جدید این منابع سوختی و سایر منابع طبیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد. سنگهای رسوبی بیشتر آهن ، پتاس ، نمک و مصالح ساختمانی و بسیاری دیگر از مواد خام ضروری را تامین می‌کنند.
  
  
• محیطها و فرآیندهای رسوبی و جغرافیای قدیمی و آب و هوای قدیمی ، همگی را می‌توان از مطالعه سنگهای رسوبی استنباط کرد. اینگونه مطالعات به شناسایی و درک تاریخ زمین شناسی زمین کمک فراوانی می‌کند. سنگهای رسوبی حاوی زندگی گذشته زمین ، به فرم فسیل‌ها هستند که اینها مفاهیم اصلی انطباق چینه شناسی در فازوزوئیک می‌باشند.

سنگ شناسی دگرگونی

سنگ شناسی دگرگونی (Metamorphic Rocks)

ریشه لغوی

واژه دگرگونی ، که از کلمه لاتین Metamorphic به معنای تغییر شکل گرفته شده است، به این اشاره دارد که سنگ اولیه ، شکل اصلی خود را تغییر داده و به شکل جدید در آمده است.

دید کلی

سنگهای دگرگونی ، سنگهایی هستند که از تغییر شکل سنگهای قبلی به علت تغییر شرایط فیزیکی ( فشار ـ دما ) یا شیمیایی و در حالت جامد به‌وجود می‌آیند. پدیده دگرگونی به محو و ناپدید شدن یک یا مجموعه‌ای از کانیهای متبلور سنگ تعبیر می‌شود. این تغییرات ممکن است بر روی سنگهای رسوبی که در شرایط سطحی به وجود آمده‌اند یا در سنگهای آذرین که از ماگما متبلور گردیده و یا حتی در سنگهای دگرگونی حادث شود.


در حالت اخیر ، شرایط دگرگون شدگی سنگ قبلی تغییر می‌نماید و این پدیده با ظهور و پیدایش یک یا مجموعه‌ای از کانیهای جدید همراه می‌باشد. بنابراین دگرگونی عبارت از پاسخی است که هر سنگ در مقابل تغییرات محیط شیمیایی یا فیزیکی از خود بروز می‌دهد و این پاسخ به صورت تجدید تبلور کانیهای قدیمی به دانه‌های جدید و یا پدیدار شدن کانیهای نو ظهور و تخریب بعضی دیگر تجلی می‌کند.

تاریخچه

واژه متامورنیسم برای اولین بار در سال 1820 توسط A.Boue عنوان گردید و جیمز هاتن اولین کسی بود که در کتاب خود به نام فرضیه کره زمین به مفاهیم کلی دگرگونی اشاره نمود.

سیر تحولی و رشد

• Elie de Beament و A. Daubre که در اواسط قرن نوزدهم می‌زیسته‌اند، اولین کسانی بودند که دگرگونی ناحیه‌ای و دگرگونی مجاورتی را از هم متمایز کردند و اصطلاح دگرگونی ناحیه‌ای توسط A.Daubre وارد این علم گردید.
  
  
• با عنوان شدن واژه ژئوسنکلینالها توسط J.D.Dana ، James Hall و E.Haug در فاصله سالهای بین 1859 و 1910 ، سنگهای دگرگونی ناحیه‌ای معنی و مفهوم دیگری پیدا کرد. این دانشمندان دما و فشار بالا و همچنین حرکات زمین ساختی حاکم بر اعماق این ژئوسنکلینالها را عامل اصلی دگرگونی ناحیه‌ای دانستند.
  
  
• اصطلاح دینامومتامورفیسم در سال 1886 توسط H.Rosenbusch پیشنهاد شد و بعدها دانشمندان دیگری واژه Dynamic را برای دگرگونی کاتاکلاستیک بکار بردند.
  
  
• در فاصله سالهای بین 1870 و 1900 ، سنگ نگاری میکروسکوپی به وجود آمد.
  
  
• Grubenmann ( 1924 ـ 1850 ) و Niggli سنگهای دگرگونی ، ناحیه‌ای را بر حسب ترکیب شیمیایی تقسیم‌بندی نمودند که بعضی از زمین شناسان اروپایی هم از آن نامها استفاده می‌کنند.
  
  
• جورج بارو با بررسی زمین شناسی سنگهای دگرگونی در اسکاتلند ، نشان داد که سنگهای دگرگونی این مناطق یک تغییر تدریجی در بافت و ترکیب کانی شناسی دارند و نتیجه این مطالعات باعث کشف زون دگرگونی تدریجی گردید.
  
  
• بررسی زونهای مختلف کانیهای دگرگونی به کرات و در نواحی مختلف توسط تیلی ( 1925 ) و هارکز ( 1932 ) و Barth ( 1936 ) صورت گرفت ولی در هیچکدام از این مطالعات مساله پیوند بین فرایندهای زمین شناسی و فرایندهای دگرگونی تدریجی به دقت مورد نظر قرار نگرفت.

اقسام دگرگونی

• دگرگونی اصابتی یا دگرگونی ضربه‌ای
• دگرگونی مجاورتی یا دگرگونی حرارتی
• دگرگونی دینامیکی یا دگرگونی کاتاکلاستیک
• دگرگونی ناحیه‌ای یا دیناموترمال متامورفیسم
• دگرگونی انباشتی یا دگرگونی ترفینی یا دگرگونی استاتیک
• دگرگونی زیر کف اقیانوسها
• دگرگونی هیدروترمال یا دگرسانی هیدروترمال

اقسام فابریک‌های دگرگونی

• سنگهایی که فاقد جهت یافتگی برتر می‌باشند.
• سنگهایی که دارای جهت یافتگی برتر و شخصی هستند.

اقسام رخساره‌های دگرگونی

• رخساره‌های دگرگونی مجاورتی
• رخساره‌های دگرگونی بر اثر وزن یا رخساره‌های ترفینی
• رخساره‌های دگرگونی ناحیه‌ای

سنگ شناسی آذرین

ریشه لغوی

سنگهای آذرین ، Igneous rocks نام خود را از واژه Ignis گرفته‌اند که در لاتین به معنای "آتش" است.

دید کلی

این سنگهای پرورده آتش ، زمانی توده‌ای داغ و مذاب را به نام ماگما تشکیل میداده‌اند، که سرد شدن تدریجی ماگما ، آنها را به سنگ سخت و جامد تبدیل کرده است. بنابراین گدازهای که از دهانه آتشفشان فوران کرده و بر سطح زمین جاری می‌شود، به سرعت سرد و سخت شده و سنگی آذرین را بوجود می‌آورد.

تاریخچه و سیر تحولی

• اغلب مولفین یونانی و رومی ، آتشفشانها ، فعالیتهای آتشفشانی و زمین لرزه ها را توصیف می‌کردند. استاربو جغرافیدان و مورخ یونانی (63 قبل از میلاد ـ 20 بعد از میلاد ) فعالیتهای آتشفشانی اتنا ، سوما ـ وزوو و جزایر لیپاری را توصیف کرد. او آتشفشانها را به منزله دریچه‌های اطمینان تلقی می‌نمود که از آنها مواد سیال خارج می‌شود.
  
  
• در قرن هیجدهم اولین مناظرات و مباحثات تند و شدید درباره ماهیت و منشا سنگها در گرفت. در مباحثات منشا سنگها مناظراتی بین دسته و گروههای زیر وجود داشت: در یک طرف نپتونیستها و در طرف دیگر ولکانیستها و پلوتونیستها قرار داشتند. نپتونیستها معتقد بودند که سنگهای پوسته متوالیا در یک اقیانوس اولیه تهنشین شده‌اند و به نظر آنها بازالت و گرانیت هر دو سنگهایی هستند که در این اقیانوس بزرگ را سبب شده‌اند. پلوتونیستها اعتقاد داشتند که زمین از انجماد مواد مذاب و داغ بوجود آمده است و گرانیت را یک سنگ نفوذی داغ به شمار می‌آوردند.
  
  
• در سال 1825 واژه ماگما و مفهوم منحصر به فرد ماگمای اولیه توسط اسکراپ عنوان شد.
  
  
• سرجـیـمزهال ( 1761 ـ 1832 ) به همراه ریمور ( 1726 ) و اسپالانزانی ( 1794 ) و جورج وات ( 1804 ) پیترولوژی تجربی را پایه‌گذاری کرد.
  
  
• در سال 1844 چاربز داروین ( 1882ـ 1809 ) اظهار داشت که انواع مختلف سنگهای ماگمایی ممکن است از یک ماگمای اولیه اشتقاق یافته باشند به شرط آنکه ترکیب ماگما با تبلور و جدایش یک یا چند کانی مشکل سنگها تغییر یابد.
  
  
• در سال 1850 هنری کلیفتون سوربی ( 1826ـ 1908 ) جهت مطالعه میکروسکوپی ، اولین مقطع نازک سنگها را تهیه کرد.
  
  
• اوایل سال 1861 روش طبقه بندی شیمیایی سنگها را ابداع کرد و در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم برخی از روشهای نمایش شیمیایی و نهایتا طبقه‌بندی شیمیایی سنگها پا به عرصه ظهور نهاد ( موینسون ـ لسینگ 1899 ، کراس ، ایدینگز ، پیرسون و واشنگتن 1903 ، اوسان 1919 ، نیگلی 1920 ، فون ولف 1922 ).
  
  
• آلفرد لوتاروگز ( 1915 ) از کتابش تحت عنوان « منشا قاره‌ها و اقیانوسها » ، اصل و ریشه سوالات پزولوژیستها را به مفهوم تغییر ناپذیری قاره مربوط دانست.
  
  
• در سال 1969 موریس و ریچادر ویلژوئن اولین توصیف دقیق شیمیایی و سنگ شناسی یک سری جدید و مهم سنگهای آتشفشانی را که واجد انواع اولترامافیکها بود ، منتشر ساختند.
  
  
• از آن زمان تا به امروز سنگ شناسی آذرین همانند دیگر رشته‌های علوم فراز و نشیبهای بسیاری را پشتسر گذاشته و با کوشش پیشگامان علم پترولوژی تجربی ، بررسی شرایط تشکیل کانیها و سنگها ، بویژه سنگهای آذرین و دگرگونی رو به رونق نهاد.

انواع سنگهای آذرین

انجماد ماگما به سنگهای آذرین ، یا در سطح زمین صورت می‌گیرد و یا در داخل پوسته زمین ، بنابراین بر حسب اینکه ماگما در کجا منجمد شود دو گروه سنگ آذرین خواهیم داشت.

• سنگهای آذرین خروجی: سنگهای آذرینی را که از انجماد ماگما در سطح زمین بوجود می‌آید سنگهای آذرین خروجی می‌نامند.
  
  
• سنگهای آذرین نفوذی: به آن دسته از سنگهای آذرین که از انجماد ماگما در داخل پوسته زمین تشکیل می‌گردد سنگهای آذرین نفوذی گفته می‌شود. سنگهای آذرین نفوذی خود در پوسته زمین به اشکال مختلفی منجمد می‌شوند که شامل موارد زیر می‌باشند.
  
  
  • لاکولیت‌ها
  • سیل‌ها
  • دایک‌ها
  • لوپولیت‌ها
  • پاتولیت‌ها
  • فاکولیت‌ها
  • استوک‌ها

انواع سنگهای آذرین از نظر رنگ

• سنگهای آذرین فلسیک یا روشن
• سنگهای آذرین مافیک یا تیره
• سنگهای آذرین بینابینی

سنگ شناسی

سنگ شناسی یا پترولوژی

واژه Petrology به معنای سنگ شناسی در سال 1811 توسط پینکر تون ابداع و به کار برده شد. این نام از کلمات یونانی petra به معنی سنگ و logos به معنی بحث کردن مشتق گردیده است. سنگ عبارت از یک جسم طبیعی است که از یک کانی یا مجموعه ای از چند کانی تشکیل شده است و سنگ شناسی به معنای اعم قسمتی از علم زمین شناسی است که در آن راجع به طرز تشکیل ، منشا و همچنین توصیف و طبقه بندی و ترکیب سنگها صحبت می شود.

سنگ شناسی توصیفی قسمتی از سنگ شناسی است که در آن راجع به ترکیب ، مشخصات و طبقه بندی سنگها صحبت می شود. در سنگ شناسی توصیفی بسته به دقت مورد نظر از چشم غیر مسلح یا حداکثر با ذره بین دستی ، میکروسکوپ ، تجزیه شیمیایی ، دیفراکسیون اشعه ایکس و ... استفاده به عمل می‌آید.

سه خانواده سنگ

زمین شناسان ، بر پایه مشاهدات انجام شده ، سنگهای زمین را از نظر منشا به سه گروه اصلی تقسیم کرده اند که عبارتند از :

• سنگهای آذرین
• سنگهای رسوبی
• سنگهای دگرگونی

سنگهای حد واسط

• سنگهای آذر آواری و توفها : این سنگها ، جزو سنگهایی هستند که از نظر ماده اولیه جز سنگهای آذرین و از نظر محل و طرز تشکیل جز سنگهای رسوبی هستند.
  
  
• میگماتیت‌ها : میگماتیت‌ها در زبان یونانی به معنی اختلاط است و عبارت از سنگی مرکب و ناهمگن که قسمتی از آن رنگ روشن و ظاهر گرانیتی داشته و قسمت دیگر از نوع گنیسی و از کانیهای تیره تشکیل شده است. این سنگ حد واسط سنگهای آذرین و دگرگونی است.
  
  
• گرانیت آناتکسی : این گرانیتها منشا رسوبی دارند و معمولا رسهای شیستی سرشار از کوارتز ، گریواک و آرکوز مولد این گرانیت می‌باشند. اگر این سنگهای رسوبی تحت تاثیر دگرگونی ناحیه‌ای شدید قرار گیرند ، بخشی از این سنگها ذوب شده و ماده حاصل از ذوب در فرآیندهای سنگ‌زایی مجدد یعنی تولید ماگمای پالین ژنتیک یا گرانیت‌هایی که از ذوب رسوبات به وجود می آیند ، شرکت می‌کند.
  
  
• در سنگهای رسوبی در اثر دیاژنز تغییراتی صورت می‌گیرد که در این صورت نه می‌توان این سنگها را سنگهای رسوبی اولیه دانست و نه می‌توان آنها را جزو سنگهای دگرگونی طبقه بندی کرد.

 

دینامیک سنگ

استرس ، استرین و قدرت سنگها

دیدکلی

تغییر شکل پوسته زمین را می‌توان به صورت تغییر در حجم ، تغییر در شکل و یا ترکیبی از این دو تعریف کرد. اگر ماده‌ای بدون تغییر حجم ، تغییر شکل دهد، این نوع تغییر شکل را لغزش می‌نامند. می‌توان از لغزاندن یک دسته ورق بازی به عنوان مثالی قابل مقایسه برای نشان دادن لغزش خالص استفاده کرد. بدین ترتیب که ورق زیرین را ثابت نگاه داشته و سایر ورقها را متناسب با فاصله شان از پایین به جلو می‌لغزانیم.

در اینصورت شکل فضای اشغال شده توسط این دسته ورق تغییر کرده است اما حجم آن (یعنی تعداد کل ورقها ثابت می‌ماند. هر نیرویی که بر ماده‌ای وارد شده و میل به تغییر ابعاد آن ماده داشته باشد را استرس می‌نامند. این استرس را معمولا استرس واحد نامیده و آنرا بوسیله تقسیم نیروی کل بر روی سطحی که نیرو بر آن عمل می‌کند تعریف می‌کنند. پاسخ سنگ در برابر استرس را معمولا استرین می‌نامند.

استرس و استرین

اثرات برخی از نیروهای تغییر شکل دهنده بر روی مواد زمین بوسیله اندازه گیری استرین حاصل از کاربرد استرس در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار گرفته است. برای مثال اگر نمونه‌ای از سنگ را به شکل استوانه در آورده و سپس آن را در معرض کشش قرار دهیم ، مقدار کشیدگی و اتساع آن را می‌توان در مقابل نیروی تولید کننده کشیدگی رسم کرد. کشیدگی سنگ در واقع پاسخ آن در برابر کشش است و استرین نامیده می‌شود.

در اغلب مواد ، توام با افزایش استرس ، استرین نیز برای مدت زمانی محدود متناسب با آن افزایش می‌یابد. اگر در این حالت استرس برداشته شود، استرین نیز به صفر می‌رسد. این محدوده را محدوده تغییر شکل الاستیک یا جهنده می‌نامند. اگر به افزایش استرس ادامه دهیم به نقطه تسلیم رسیده و بر توان و قدرت ماده فایق می‌آید. در این حالت تغییر شکل را تغییر شکل پلاستیک می‌گویند. در این حالت استرین بدون افزایش استرس زیاد می‌شود. اگر در این حالت استرس برداشته شود، قسمت پلاستیکی شده به حالت اول خود باز نمی‌گردد.

تغییر شکل الاستیک یا جهنده

تغییر شکل الاستیک سنگ بازیافتی (Recoreable) است. اگر یک جسم جامد پس از برداشتن نیروی تغییر شکل دهنده به اندازه و شکل اولیه خود باز گردد، می‌گوییم دچار تغییر شکل الاستیک شده است. هر جسم جامد الاستیک تا نقطه خاصی در مقابل تغییر شکل مقاومت می‌کند. مقاومت جامد در مقابل تغییر حجم بدون تغییر شکل بر اساس نسبت استرس به استرین تعریف می شود. به عبارت دیگر

تغییر حجم در واحد حجم/افزایش نیرو در واحد سطح = مقاومت جامد در مقابل تغییر حجم بدون تغییر شکل

مقاومت هر ماده در مقابل لغزش الاستیکی را استحکام یا صلبیت آن ماده می گویند.

تاخیر ، بازیافت

اگر پس از برداشته شدن استرس از روی سنگ تغییر شکل آن نیز ناپدید شود، می‌گوییم سنگ دچار تغییر شکل الاستیک شده است. اما سنگها معمولا پس از برداشته شدن استرس بلافاصله به شکل اولیه خود باز نمی‌گردند و بازیافت با نوعی کندی و تاخیر زمانی همراه است. می‌توان چگونگی وقوع این تاخیر زمانی را در مقیاسی بزرگ با استفاده از پیچیدگی فرودی پوسته زمین در زیر بار یخ ، یخچالهای طبیعی و بازیافت مجدد آن پس از ذوب یخ را بررسی کرد.

تغییر شکل پلاستیک

تغییر شکل پلاستیک دائمی است. یکی از خواص ماده موسوم به ویسکوزیته یا گرانروی در این نوع تغییر شکل نقش دارد. هر ماده از طریق انتشار و حرکت (ناهنجاریهای کوچک ساختاری) دچار تغییر شکل پلاستیکی می‌شود. اگر سرعت جریانی با استرس تولید کننده آن متناسب باشد، ماده را ویسکوز می نامند. و اگر سرعت جریان را نسبت به استرس رسم کنیم. شیب نمودار حاصل ویسکوزیته را نشان خواهد داد. به عبارت دیگر ویسکوزیته برابر است با استرس بر سرعت جریان.

ویسکوزیته در بعضی از فرآیندهای زمین شناسی خاصیت بسیار مهمی به شمار می‌رود. این همان خاصیتی است که در ضمن فعالیت آذرین توان و قابلیت ماگما در جریان یافتن را اداره کرده و جبه را قادر می‌سازد تا خود را در مقابل بارهای پوسته‌ای تنظیم کند.

عامل زمان

مواد درون زمین واکنشی دوگانه از خود نشان می‌دهند بدین ترتیب که امواج زمین لرزه را بطور الاستیک از خود عبور می‌دهند، در صورتی که در ضمن تشکیل کوهها و سایر پدیده‌های سطحی ، حرکتی پلاستیکی یا ارتجاعی دارند. عامل مهم در بروز این دوگانگی رفتار که نمی‌توان آن را با نمودار به نمایش گذاشت زمان است.

مواد ممکن است در عبور دادن امواج زلزله در مقابل استرس‌های کوتاه مدت واکنشی الاستیک از خود نشان دهند. اما همین مواد در مدت زمان طولانی تر به صورت پلاستیک عمل می‌کنند. برخی از سنگهای دگرگونی نیز گواهی بر این امر دارند هستند که سنگها تحت تاثیر دوره‌های نسبتا طولانی استرس و دمای فزاینده تغییر شکل می‌یابند.

انواع استرس

انواع مختلفی از استرس وجود دارد که عبارتند از تنش ‏ تراکم و لغزش. تنش استرسی کششی است و می‌تواند باعث افزایش حجم مواد شود. تراکم میل به کاهش دادن حجم دارد و استرس لغرشی نیز باعث ایجاد تغییر شکل ظاهری می‌شود. اگر استرس بیش از قدرت مواد باشد باعث ایجاد گسیختگی در آنها می‌شود.

قدرت سنگها

قدرت عبارت است از استرس محدود کننده‌ای که هر جسم جامد می‌تواند بدون آنکه دچار گسیختگی شود یا به صورت جریان پلاستیکی ممتد شود تحمل نماید. از آنجایی که واکنش سنگها نسبت به استرس‌های مختلف متفاوت است. بنابراین سنگها دارای چندین نوع قدرت هستند. بطور کلی سنگها دارای 3 نوع قدرتند که عبارتند از : قدرت تراکم ‏، قدرت لغزش و قدرت تنش آزمایشات نشان داده‌اند که قدرت سنگ در مقابل تنش کمتر از قدرت آن در مقابل تراکم است.

اگر تفاوت این دو قدرت زیاد باشد، سنگ را شکننده می‌نامند. و اگر تفاوت این دو کم باشد سنگ را شکل پذیر می‌نامند. با افزایش فشار همه جانبه ناشی از وزن سنگهای رویی سنگهای شکننده می‌نامند. و اگر تفاوت این دو کم باشد سنگ را شکل پذیر می‌نامند. با افزایش فشار همه جانبه ناشی از وزن سنگهای شکننده تبدیل به سنگهای شکل پذیر می‌شوند ، گسیختگی در تنش فرآیند مهمی در نزدیک سطح زمین می‌باشد اما این فرآیند در اعماق زیاد رخ نمی‌دهد.

تخلخل و نفوذپذیری

تخلخل عبارت است از تمام خلل و فرج‌های موجود در رسوب یا سنگ که به دو صورت کل یا موثر بیان می‌شود. تخلخل کل (Total Prosity) شامل تمام منافذ موجود در رسوب یا سنگ است که از نسبت حجم حفره‌های موجود در سنگ به حجم کل سنگ بدست می‌آید و آن را به در صد بیان می‌کنند. تخلخل موثر یا مفید (Effective Prosity) شامل حفره‌های متصل به هم است که قادر است مایعات را از خود عبور دهد. این تخلخل از نسبت حجم حفره‌های متصل به هم به حجم کل سنگ بدست می‌آید. لازم به ذکر است که در سنگ حفره‌هایی وجود دارد که قادر نیستند مایعات را از خود عبور دهند. این حفره‌ها به نام تخلخل غیر مفید نامیده می‌شود و از تفاضل تخلخل مفید از تخلخل کل بدست می آید.

طبقه بندی تخلخل

تخلخل‌ها را بر مبنای مختلفی همچون اندازه حفره‌ها و زمان تشکیل آنها طبقه بندی می‌کنند. در طبقه بندی بر مبنای اندازه حفره‌ها ، تخلخل‌ها را به دو نوع ماکروسکوپی و میکروسکوپی تقسیم می‌کنند. در تقسیم بندی بر مبنای زمان تشکیل خلل و فرج موجود در سنگ یا رسوب ، تخلخل را به انواع اولیه و ثانویه تقسیم می‌کنند.

انواع تخلخل بر مبنای اندازه

تخلخل ماکروسکوپی

در این تخلخل قطر منافذ از 8 میکرون بیشتر است. در این منافذ ، آب و مواد سیال دائما و به آسانی جریان پیدا می‌کنند و حرکت آنها تابع نیروی جاذبه می‌باشد. منافذ موجود در این نوع تخلخل در اثر انحلال مواد عملکرد فشارهای تکتونیکی و یا شکستگی‌های ناشی از خشک شدن سنگ و رسوب بوجود می‌آیند. در رسوب‌های آبرفتی و در سنگ‌های با قابلیت انحلال زیاد (مثل آهک) به فراوانی قابل مشاهده هستند. شکستگی‌های ناشی از عمل کوهزایی یا انحلال آهک و رسوبات تبخیری حفر‌ه‌ها و مجاری قابل عبور مواد سیال را فراهم می‌کنند. در نتیجه آب و نفت در آنها جریان پیدا می‌کنند. اگر طبقات بالا و پایین آن غیر قابل نفوذ باشند، مخازن بزرگ آب و نفت در چنین سنگ‌هایی حاصل می‌شود.

تخلخل میکروسکوپی

در تخلخل میکروسکوپی قطر منافذ کوچکتر از 8 میکرون می‌باشد. در این منافذ آب و یا سایر سیالات به آسانی نمی‌توانند حرکت کنند. لذا در این نوع منافذ نیروی جاذبه در عبور و جریان مایعات موثر نیست و حرکت مایعات در این منافذ تابع قانون لوله‌های مویین می‌باشد. تخلخل میکروسکوپی در رسوبات رسی فراوان است. این رسوبات طبقات غیر قابل نفوذ هستند و آب را در منافذ کوچک خود جای داده و به زحمت آن را از دست می‌دهند. در واقع تخلخل موجود در رسوبات رسی از نوع غیر مفید بوده و منافذ و حفره‌های موجود در آنها به هم راه ندارند.

عوامل موثر در تخلخل اولیه

اندازه دانه

هر قدر اندازه دانه‌ها کاهش یابد، مقدار تخلخل زیاد ولی نفوذپذیری کم می‌شود. با افزایش اندازه دانه‌ها مقدار تخلخل مفید افزایش یافته و نفوذپذیری زیاد می‌گردد. زیرا در رسوبات دانه ریز ، مجاری متصل کننده حفره‌ها بسیار کوچک است و فشار مویینه زیاد در دیوارهای این مجاری مانع عبور مایعات می‌شود.

جور شدگی

هر قدر جورشدگی بهتر باشد تخلخل و نفوذ پذیری زیادتر خواهد بود، زیرا در سنگ‌هایی که دارای جورشدگی بد هستند ذرات دانه ریز یا ماتریکس بین دانه درشت را پر می‌کنند و تخلخل و نفوذ پذیری را کاهش می‌دهند.

شکل دانه‌ها

اگر دانه‌ها دارای گردشدگی و کرویت خوبی باشند، طرز قرار گرفتن آنها به نحوی است که نزدیکتر بهم قرار می‌گیرند (آرایش متراکم) و مقدار تخلخل و نفوذپذیری را کاهش می‌دهد. لذا دانه‌هایی که کمی زاویه دار باشند برای تخلخل اولیه بهتر می‌باشند.

فابریک

فابریک شامل جهت یافتگی و آرایش دانه‌ها می‌باشد. آرایش دانه‌ها در میزان تخلخل و نفوذپذیری موثر است. اگر دانه‌ها دارای آرایش مکعبی باشند مقدار تخلخل 48% و اگر به صورت رمبوهدرال باشند در حدود 26% می‌باشد. جهت یافتگی دانه‌های ماسه به سهولت عبور جریان مایعات یا به عبارت دیگر به میزان نفوذپذیری در داخل خلل و فرج تشکیل شده در رسوب یا سنگ کمک فراوانی می‌کند.

اثر فشار بر تخلخل

پس از پوشیده شدن رسوب بوسیله رسوب‌های بالایی تخلخل در اثر سخت شدن و تراکم کاهش می‌یابد. افزایش زمان عمل و دیاژنز و تراکم به عنوان عوامل اصلی کم کننده تخلخل می‌باشند. اثر فشار بر روی رسوبات رسی تاثیر زیادی گذاشته و میزان تخلخل اولیه در هنگام رسوبگذاری را به مقدار زیادی کاهش می‌دهد. رسوبات ماسه‌ای با تخلخل اولیه خیلی کمتری از رس‌ها ته نشین می‌شوند. ولی در اثر افزایش فشار و ایجاد تراکم ، تخلخل اولیه آنها کاهش چندانی نمی‌کند. در ماسه‌ها کاهش تخلخل در اثر پدیده سیمانی شدن و دیاژنز انجام می‌گیرد.

نفوذ پذیری

سهولت عبور جریان مایعات از داخل حفره‌های رسوب‌ها یا سنگ‌ها را نفوذ پذیری می‌نامند. مقدار نفوذپذیری به اندازه حفره ها ، غلظت مایع و نیروی کششی که با کاهش اندازه دانه‌ها کم می‌شود، بستگی دارد. در واقع عواملی که بر تخلخل اولیه موثرند، در میزان نفوذپذیری نیز موثر می‌باشند. نفوذ پذیری را معمولا با واحد دارسی بیان می‌کنند. یک دارسی عبارتست از نفوذ پذیری که در آن یک مایع با غلظت یک سانتیمتر در ثانیه تحت فشار یک اتمسفر بر سانتیمتر عبور کند. نفوذپذیری اغلب سنگ‌ها بطور کلی کمتر از 1 دارسی می‌باشد.

مکانیک سنگ

مکانیک سنگ از دو کلمه rock به معنی سنگ و mechanics به معنی مکانیک گرفته شده است. مکانیک سنگ مبحثی از علوم مهندسی است که در آن چگونگی رفتار سنگ در برابر عوامل بیرونی و درونی و تغییرات آنها مورد بحث قرار می‌گیرد و چون رفتار سنگ بستگی کامل به ویژگیهای آن دارد، از اینرو بررسی آن گروه از خواص سنگها که در این مورد اهمیت دارد نیز بخشی از مبحث مکانیک سنگ را تشکیل می‌دهد.

تاریخچه

بناها و آثاری چون سدهای مربوط به سده‌های 29 و 30 قبل از میلاد در مصر و عراق ، اهرام ثلاثه مصر ، کاخ تخت جمشید و مقبره‌های نقش رستم که بر سنگ (از سنگ و یا در سنگ) ساخته شده‌اند گواه بکارگیری روشهای دقیق در امر انتخاب ، استخراج و کندوکاو سنگ و لذا کاربرد مکانیک سنگ از دیر زمان‌اند. ارتباط تنگاتنگ ما با سنگ به پیش از تاریخ بر می‌گردد. در آن زمان ، پیکانها ، ابزار معمولی و ظروف ، استحکامات ، خانه‌ها و حتی تونلها از سنگ یا در سنگ ساخته می‌شد. ساختها و مجسمه‌هایی مانند معبد ابوسمبل از مصر نشان دهنده استفاده از روشهای بسیار دقیق در امر انتخاب محل ، استخراج و کندوکاو بر سنگ است.

سیر تحولی و رشد

در قرون هجدهم و نوزدهم تونلهای بزرگ به منظور تهویه و زهکشی معادن ، فاضلاب ، کانال کشی و حمل و نقل با راه آهن زده‌ ‌شد. در همین قرن ما ، ساختن مجسمه‌های عظیم در مونت راشمو میل به درگیری برای ساختن پیکرهای بزرگ سنگی و به همان اندازه انتخاب گرانیت خوب را ، با وجود روی آوردن مهندسان به مصالح دیگر ، به جهانیان ثابت کرد. در این عصر که مهندسان مواد می‌توانند به اقتضای نیازهای خاص و عجیب آلیاژها و پلاستیکها را بسازند ، سنگ کاری هنوز انرژی صنایع و تخیل مهندسان را به خود مشغول داشته است.

نقش مکانیک سنگ در زندگی انسان

از آنجایی که حفاریها و بناهایی چون تونلهای راه آهن زیرزمینی ، تامین آب ، زهکشی و نیروگاههای زمینی ، حفره‌های ذخیره آب ، نفت ، گاز ، هوا و غیره و نیز دفن زباله‌های هسته‌ای ، معادن زیرزمینی ، معادن روباز ، برشهای عمیق برای آب ریز و ... در سنگ و یا بر سنگ صورت می‌گیرد، لذا لزوم شناخت سنگها و مکانیک سنگ برای انسان امری انکار ناپذیر است.

مباحث مربوط به مکانیک سنگ

• رده‌بندی زمین شناختی سنگها : سنگها را از نظر نحوه تکوین آنها ، معمولا به سه گروه آذرین ، دگرگونی و رسوبی تقسیم می‌کنند.
  
  
• ویژگیهای شاخص سیستمهای سنگ : برای طبقه‌ بندی مهندسی سنگها ، لازم است که ویژگیهای شاخص سنگها ارزیابی شوند و با در نظر گرفتن مجموعه آنها با همدیگر ، شخصی باتجربه می‌تواند، همبستگیهای مفیدی را بین آنها ، برای کاربردهای عملی، بیایبد. بعضی از این ویژگیهای شاخص عبارتند از : تخلخل ، چگالی ، تراوایی و استحکام.
  
  
• استحکام و معیارهای ریزش سنگ : در این بحث از مکانیک خاک معیارهای ریزش سنگ مثل خمش ، برش و خرد شدن و یا عوامل دیگری که باعث ریزش می‌شوند، بررسی می‌شوند.
  
  

• تنشهای اولیه در سنگها و اندازه‌ گیری آنها : در نزدیکی سطح زمین در نواحی کوهستانی ، تنش در جای سنگ ممکن است در بعضی نقاط به صفر نزدیک شود و در نقاطی دیگر ممکن است نزدیک به استحکام سنگ باشد، دستکاری و برهم زدن میدان تنش از طریق حفر تونل یا حتی گودبرداریهای سطحی ، ممکن است محرک آزاد سازی شدید انرژی ذخیره شده شود. در این قسمت به بررسی و تعیین بزرگی و جهت تنشهای اولیه در ساختگاه یک پروژه می‌پردازند.
  
  
• دگرشکل پذیری سنگها : دگرشکل پذیری ، ظرفیت سنگ برای واتنش در مقابل بار اعمال شده یا پاسخ به باربرداری ناشی از گودبرداری است.

ارتباط با سایر علوم

ویژگی مصالحی از قبیل سنگ و خاک در مقایسه با مصالح دیگر مهندسی این است که این مصالح کمتر قابل انتخاب است و به عبارت دیگر مهندسین طراح باید طرح را برای مواد و محیطی در نظر بگیرند که خصوصیات آن محیط الزاما مطابق خواست آنها نیست و نیز این خصوصیات از محلی به محل دیگر متفاوت است، از اینرو شناخت کلیه خواص فیزیکی ، مکانیکی ، زمین شناسی ، هیدرودینامیکی و حتی کانی شناسی و چینه شناسی سنگها معمولا مفید و در مواردی حتما ضروری است.

کاربردهای مکانیک سنگ

برخی کارهای مهندسی که در حد چشمگیری با مکانیک سنگ در ارتباط هستند، شامل موارد زیر می‌باشند.

• پروژه‌های سازنده‌های سطحی : این پروژه‌ها شامل مواردی چون پل ، ساختمانهای بلند ، نیروگاهها و سدها می‌باشند.
  
  
• مسیرهای حمل و نقل : مانند بزرگراه ، خط آهن ، کانال و خط لوله
• گودبرداریهای سطحی : مثل معدن روباز
  
  
• گودبرداریهای زیرزمینی : مثل تونلها ، حجره‌های زیرزمینی و کارهای دفاعی
• بهره‌ برداری از منابع انرژی : مثل استخراج نفت و دفن زباله‌های اتمی

 

حضور قدرتمند ایران در بازارهای بین المللی مس

 

 بهره برداري از طرح توسعه تغليظ مس سرچشمه كرمان، و روند رو به افزايش تقاضاي اين صنعت، پيش بيني مي شود، ايران به يكي از صادركنندگان برتر تبديل شود. طبق بررسي هاي صورت گرفته، بخش هايي از ايران از لحاظ ذخاير معدن بر روي كمربند مس جهان قرار گرفته است كه از جنوب شرقي ايران شروع و تا شمالغربي و نواحي آذربايجان ادامه دارد. ذخاير مس كل جهان (به استثناي چين و شوروي سابق) معادل 57 هزار ميليون تن برآورد شده است و ذخاير معادن مس كشورمان حدود 1900 ميليون تن است كه معادل 3/5 درصد از كل ذخاير معدني مس جهان است و در مقام هفدهم جهان قرار دارد. يكي از قديمي ترين مناطق توليد مس جهان در منطقه تل ابليس استان كرمان است كه داراي سابقه 6 هزار ساله است و به احتمال زياد اولين ذوب مس در ايران نيز در اين منطقه صورت گرفته است.

اولين توده بزرگ مس كه مورد بهره برداري قرار گرفت كانسار مس سرچشمه در 160 كيلومتري جنوب غربي كرمان بود و ذخيره زمين شناسي اين معدن كه از بزرگترين كانسارهاي مس جهان به شمار مي رود بالغ بر يك ميليارد و دويست ميليون تن سنگ سولفيدي با عيار متوسط 7 درصد برآورد شده است. خط توليد مجتمع مس سرچشمه شامل معدن و سنگ شكن هاي اولي و ثانويه و ثالثيه، تغليظ، موليبدن، ذوب، پالايشگاه و ريخته گري ها است كه واحد معدن فعاليت خود را از سال 60 آغاز كرده و واحدهاي تغليظ، ذوب و پالايشگاه و ريخته گري ها به ترتيب در سال هاي 60، 61، 62 و 65 در مدار توليد قرار گرفته اند.

شركت ملي صنايع مس ايران براي استفاده بهينه از سنگ هاي اكسيدي مس كه حاصل تمركز كاني هاي اكسيدي و كربناته مس در بخش فوقاني توده معدني با ذخيره 27 ميليون تن و عيار 62 درصد است اقدام به فرآوري نوين كرده تا زمينه استحصال مس از اين طريق نيز ميسر شود. از ميان روش هاي مختلف انحلال، روش انحلال توده اي انتخاب شد با توجه به ذخيره سنگ هاي اكسيدي و عيار مس آنها ظرفيت طرح 12 هزار تن ورق مس كاتد در سال تعيين شد. مجموع توليد اين شركت از ابتداي راه اندازي تا پايان سال 82 420 هزار تن بوده است كه شامل؛ 220 هزار تن سنگ هاي سولفيدي، 6123 هزار تن كنستانتره مس و موليبدن، 46 هزار تن كنستانتره موليبدن، 2343 هزار تن آند، 1683 هزار تن كاتد پالايشگاه، 843 هزار تن مفتول، 120 هزار تن بيلت و اسلب و 67/9 هزار تن نيز كاتد ليچنگ بوده است. بر اساس گفته مدير عامل شركت ملي مس ايران، با توجه به تقاضاي بالاي مس كاتد نياز بيشتري را جهت بالا رفتن توليد كنستانتره و نيز توسعه و استفاده بهينه از ظرفيت ذوب را ايجاب مي كند و توليد اين شركت همزمان با رشد و تقاضاي توليد مس در سطح جهان، در سال هاي آتي با روند افزايشي روبرو خواهد بود و با توجه به طرح هاي بهره برداري شده و در دست بهره برداري، به طور قطع تا 30 سال آينده كشور توليد مستمر خواهد داشت و پيش بيني مي شود كه در طرح هاي توسعه كوتاه مدت و ميان مدت توليد مس كشور به 350 هزار تن در سال 2010 برسد.

با توجه به بهره برداري از طرح توسعه تغليظ سرچشمه كرمان با سرمايه گذاري 1/6 ميليارد دلار در فاز اول، پيش بيني مي شود كه ظرفيت توليد سالانه كاتد از 145 هزار تن به 280 هزار تن در راستاي برنامه سوم توسعه افزايش يابد.

همچنين افزايش ظرفيت توليد 350 هزارتن كاتد در سال طي برنامه چهارم با راه اندازي فاز دوم با سرمايه اي بالغ بر 710 ميليون دلار كه با بهره برداري از طرح هاي توسعه معدن سرچشمه _ طرح توسعه تغليظ سرچشمه _ طرح مس سونگون _ ذوب مس خاتون آباد _ احداث پالايشگاه جديد _ هيدرو متالوژي و طرح گوگرد زدايي از گازهاي خروجي ذوب مس خاتون آباد از جمله برنامه هايي است كه تا پايان برنامه توسعه چهارم صورت خواهد گرفت.

بر اساس اين گزارش بنا به گفته وزير صنايع و معادن افزايش ظرفيت توليد به ميزان 280 هزار تن در سال جاري قطعي است و ارتقاء توليد تا 500 هزار تن تا پايان برنامه چهارم نيز در دستور كار وزارت صنايع و معادن است. همچنين پيش بيني مي شود با توجه به روند رو به افزايش مصرف مس در جهان، ايران بتواند ظرفيت خوبي را در بازارهاي بين المللي پيدا كند.

صنعت و معدن

 

صنعت و معدن از ديرزمان ارتباطي تنگاتنگ با يكديگر داشته اند، انسان عصر باستان از طلا، نقره و يا مس (مواد معدني) در ساخت صنايع آن زمان كه محدود به ظروف و يا ساخت پيكره هاي خدايان و زيورآلات مي شد بهره مي بُرد و انسان عصر تكنولوژي از مواد معدني در ساخت همه ملزومات از لوازم آرايش گرفته  تا صنايع سنگين و هسته اي استفاده مي كند. پيوستگي صنعت و معدن چنان است كه مي توان معدن و مواد معدني را مادر صنايع دانست چه  ، بدون مواد اوليه ايي كه از معادن استخراج مي شود، صنايع بزرگي نظير فولاد سازي، اكتشاف نفت و مواد سوختي، اتومبيل سازي و ... مختل مي شود. كشور ما به يمن دارا بودن پوسته جوان و برخورداري از موقعيت ويژه و تعداد و تنوع مواد معدني يكي از زرخيزترين كشورهاي جهان است. هم اينك بيشترين ذخاير مواد معدني و كانسنگ متعلق به مس است و بيشترين تجمع آن در استان كرمان با 32 كانسار و 16معدن فعال و پس از اين استان ، استان اصفهان با 19 كانسار و 16 معدن فعال مس در مقام دوم قرار دارد. در اين نوشتار سعي بر آن است كه صنايع استخراج و تصفيه  فراوانترين ماده معدني كشورمان يعني مس را بررسي و يك استان فعال در اين زمينه را معرفي كنيم. مس از دير زمان توسط ايرانيان در ساخت پيكره ها و ظروف به كار مي رفت. اينكه ايرانيان باستان چگونه و با چه وسيله اي به دانش تصفيه مس دست يافته و يا در چه كوره هايي عمل جداسازي فلز از سنگ معدن را انجام مي دانند بر ما مشخص نيست ، به هر روي مس در تمام استان ها به ويژه در استان هاي كرمان ، اصفهان، خراسان و آذربايجان شرقي از فراواني مطلوبي برخوردار است. استان آذربايجان شرقي در كنار چهار استان اصفهان، يزد، سمنان و زنجان از قطب هاي صنعتي – معدني كشور به شمار مي آيد و معادن مس اين استان ذخيره قابل توجهي دارد. معادن مس اين استان سونگون (اهر) قره دره، مزرعه (اهر)، ابخرد و چشمه خان است. اين معادن و ذخاير فراوان آنها به دليل قرار گرفتن ايران در كمربند مس جهان به وجود آمده اند . در اين نوشتار سه معدن سونگون، مزرعه و سرخه را بررسي مي كنيم.

معدن سونگون:

اين معدن مس در فاصله 73 كيلومتري شمال غرب شهر اهر و 125 كيلومتري شهرستان تبريز واقع شده است. كارخانه كانه آرايي مس سونگون براي دو فاز 6 و 25 ساله طراحي شده است . فاز اول طرح،كارخانه اي با ظرفيت سالانه هفت ميليون تن خوراك است كه در دست احداث مي باشد و در شش ماهه دوم سال 1383 راه اندازي خواهد شد. ميزان توليد سالانه كارخانه يكصد و پنجاه هزار تن كنسانتره مس با عيار 30 درصد خواهد بود . در فاز دوم ظرفيت سالانه كارخانه تا چهارده ميليون تن خوراك افزايش خواهد يافت . در فرآيند پرعيار سازي طراحي شده براي اين كارخانه، كانسنگ مس استخراج شده پس از خرد كردن اوليه به كمك سنگ شكن ، وارد انبار مواد درشت دانه خواهد شد، سپس مواد خرد شده به كمك آسياي خود شكن و گلوله اي، تا ابعاد زير 100 ميكرومتر آسيا شده و در ادامه تحت فرآيند هاي تصفيه و غني سازي قرار خواهد گرفت. بيش از 50 درصد مراحل احداث و تجهيز فاز اول كارخانه فرآوري مس سونگون تا پايان خرداد ماه 1382 به اتمام رسيده و در آينده نزديك با نصب و راه اندازي تجهيزات كارخانه به بهره برداري خواهد رسيد. مسئو ليت اين طرح را شركت ملي مس ايران به عهده دارد . كاني هاي اصلي  اين معدن كالكوپيريت،بورنيت،كوولين،موليبدنيت ، عناصر مفيد  آن  Cu, Mb, Au , Ag  عناصر مزاحم  Se, As, Bi   و روش استخراج در اين معدن به صورت روباز است .

معدن مس مزرعه:

اين كانسار در 5 كيلومتري شمال دهكده مزرعه و در فاصله 20 كيلومتري شمال اهر واقع شده است . ارتفاع متوسط كانسار حدود 2000 متراز سطح دريا مي باشد. اولين عمليات اكتشافي در كانسار از سال 1335 توسط شركت كل معادن آغاز شده و در پي آن عمليات استخراجي توسط اين شركت در سال 1337 آغاز گرديد . در آن زمان سنگ هاي استخراج شده پس از سنگ‌جوري به كارخانه ذوب مس غني‌آباد در نزديكي تهران حمل مي‌شده است . در عمليات كارخانه فرآوري مس مزرعه، كانسنگ مس پس از استخراج از معدن، ابتدا در مرحله سنگ شكني تا ابعاد مناسب خرد شده و سپس به كمك آسياي گلوله اي تا زير 75 ميكرومتر نرم مي شود. در پي آن با توليد  كنسانتره مس سولفيدي با عيار 34 درصد مس ، به كارخانه ذوب مس سرچشمه ارسال مي گردد. ظرفيت اين كارخانه 250 تن در روز مي باشد.   كاني هاي اصلي  اين معدن پيريت،كالكوپريت  ، عناصر مفيد  Cu, Mb, Au,Ag  و عناصر مزاحم  Se , As   است . روش استخراج  به صورت زيرزميني(انباره اي  ) است.

 معدن مس سرخه:

اين كانسار در 25 كيلومتري شهرستان مرند و در حواشي روستاي سرخه واقع شده است. محدوده معدني در ارتفاعات رشته كوه ميشو قرار دارد كه از لحاظ توپوگرافي ناحيه داراي دره هاي عميق و جاده‌اي كوهستاني است. شركت معدن مس سرخه در حال حاضر يك كارخانه توليد مس راه اندازي كرده است كه با تامين خوراك از كانسنگ خريداري شده از معدن مس طارم در استان زنجان فعال مي باشد. اما با توجه به پيشرفت در آماده سازي معدن زيرزميني مس سرخه، در آينده نزديك امكان تهيه خوراك كارخانه از اين معدن وجود خواهد داشت. به منظور افزايش عيار خوراك مورد استفاده در كارخانه ذوب، احداث يك كارخانه فرآوري در برنامه آينده شركت است كه بخش زيادي از تجهيزات آن تهيه شده و مراحل اوليه احداث كارخانه طي شده است. اين كارخانه‌ با ظرفيت 50 تن در روز جهت فرآوري كانسنگ سولفيدي معدن مس سرخه طراحي شده است.   محصولات جانبي  اين معدن  وكارخانه تصفيه كانسنگ، طلا و نقره  است . كاني هاي اصلي  مالاكيت،آزوريت،بروكانتيت،كالكوپيريت،كالكوزيت و بورنيت  است . عناصر مفيد  Cu, Au, Ag و عناصر مزاحم  Se  و روش استخراج  به صورت زيرزميني  است .

از اين معادن حجم قابل توجهي مس  استخراج شده و در صنايع مس و تصفيه آن پالايش شده و عيار آن افزايش مي يابد. مس يك فلز اقتصادي  و پايه و در صنايع الكتريكي يك فلز حياتي است ،پس از نقره، مس دومين فلزي است كه مقاومت الكتريكي بسيار پاييني دارد و  به همين منظور از مس در صنايع كابل سازي بهره فراوان مي برند.

گارنت

گروه گارنت دسته اي كاني هم ساختار با گروه فضايي Ia3d را در بر مي گيرد كه همگي در رده شش هشت وجهي سيستم ايزومتريك متبلور شده و نمود بلوري مشابهي دارند. آرايش ساختاري به گونه ايست كه جمعيت مربوط به خانواده هاي صفحه هاي {100} و {111} كمتر شده است. در نتيجه, مكعب و هشت وجهي كه در بسياري از بلورهاي شش هشت وجهي ايزومتريك رايج است, به ندرت در گارنتها مشاهده مىشود.

گارنت از واژه لاتين Granatus به معني دانه سان گرفته شده است.

از نظر خواص فيزيكي, گارنتها داراي سختي 5/6 تا 5/7, گراني ويژه 5/3تا3/4 كه بسته به تركيب تغيير مىكند, جلاي شيشه اي تا صمغي, رنگ در بسياري از موارد سرخ, گاهي نيز قهوه اي, زرد, سفيد, سبز, سياه و رنگ خاكه سفيد هستند.

تركيب گارنتها را مىتوان با فرمول عمومي ساختاري A₃B₂(SiO₄)₃ بيان كرد كه موضع A :Ca, Mg, Fe²⁺ يا Mn²⁺ و موضع B : Al, Fe³⁺ و Cr³⁺ را در خود جاي میدهد. بسته به چگونگي پر شدن هر يك از اين مواضع به وسيله اين مواد, گونه هايي اصلي با ضريب شكست و گراني ويژه و ... متفاوتي ايجاد مي شوند كه عبارتند از : "پيروپ, آلماندين, اسپسارتين, گروسولار, آندراديت, اۥواروويت و هيدرگروسولار".

گارنتهاي آبدار مانند هيدروگروسولار ممكن است تا 5/8 درصد آب داشته باشند. اين آب به شكل گروه هاي (OH)^4-₄ , احتمالا جانشين چهاروجهي هاي(SiO₄) ساختار مىشود.

مطالعات تجربي در فشارها و دماهاي بالا نشان مىدهد كه ساختار گارنت در شرايط گوشته زمين پايدار است و به نظر مىرسد كه در اين شرايط, تركيب نوع پيروپ محتمل تر باشد.

اعضاي اين گروه معمولا با بلورهاي ايزومتريك مشخصه, سختي و رنگ خود شناخته مىشوند. گراني ويژه, ضريب شكست و ابعاد سلول واحد براي تشخيص اعضاي گروه به كار مىرود.

گارنت يك كاني رايج باگسترش وسيع است كه به فراواني در بعضي سنگ هاي دگرگوني و به صورت يك سازاي فرعي در برخي سنگهاي آذرين يافت مىشود. شاخص ترين رخداد آن در ميكاشيست ها, هورنبلندشيست ها و گنايسهاست. به مقدار زياد به عنوان يك كاني شاخص در مشخص كردن محدوده مناطق هم درجه سنگ هاي دگرگوني به كار مىرود. در دايكهاي پگماتيتي و كمتر از آن در سنگهاي گرانيتي يافت مىشود.

  

"پيروپ" در سنگ هاي اولترابازيك مانند پريدوتيتها يا كيمبرليتها و در سرپانتين هاي حاصل از آنها نيز يافت مىشود.

گارنتهايي كه در اكلوژيت ها با پيروكسن ها و كيانيت همزيست هستند, تركيبي متغير از پيروپ تا آلماندين دارند. "آلماندين" گارنتي در سنگ هاي حاصل از دگرگوني ناحيه اي رسوبات رسي, ونيز يك گارنت آواري گسترده در سنگ هاي رسوبي ست.

"اسپسارتين" در ذخاير اسكارن و در تجمع هاي غني از Mn حاوي رودونيت, اكسيد هاي Mn و غيره يافت مىشود.

"گروسولار" بيشتر به صورت يكي از فرآورده هاي دگرگوني همبري يا ناحيه اي سنگ آهك هاي ناخالص يافت مىشود.

"آندراديت" در محيطهاي زمين شناختي شبيه به گروسولاريت ظاهر شده و مىتواند بر اساس واكنش زير از دگرگوني سنگ آهك سيليسي ناخالص ايجاد شود:

 

3CaCO₃ + 3SiO₂ + Fe₂O₃         Ca₃Fe₂Si₃O₁₂ + 3CO₂

 

"ملانيت" گونه سياه رنگ آندراديت است كه در سنگهاي آذرين قليائي يافت مىشود.

"اۥواروويت" كميابترين عضو گروه گارنت هاست و در سرپانتين ها همراه با كروميت يافت مي شود.

گارنت به ديگر كانيها به ويژه تالك, سرپانتين و كلريت دگرسان مىشود.

از همه گونه هاي گارنت به جز اۥواروويت به عنوان گوهر سنگ استفاده مىشود. با ارزشترين آنها "آندراديت" سبز است كه "دمانتوييد" ناميده شده و از كوههاي اورال به دست مىآيد. در گورمانتين نيويورك, يلورهاي درشت آلماندين از يك آمفيبوليت استخراج مىشود. سطوح شكست زاويه دار غير عادي و سختي بالاي گارنت ها, آنها را براي بعضي اهداف ساينده, از جمله كاغذ سنباده گارنتي مناسب كرده است.

معدن کوشک

معدن كوشك از نظر جغرافيايي در 60 كيلو متري جنوب شرقي شهر يزد و 45 كيلو متري شمال شرقي بافق قرار دارد. راه ارتباطي آن جاده اي است كه از يزد تا بهاباد ادامه دارد و كوشك بين بافق و بهاباد قرار گرفته است. از نظر مختصات جغرافيايي , اين معدن داراي طول جغرافيايي 55 درجه و 45 دقيقه و عرض جغرافيايي 31 درجه و 40 دقيقه است. بلندترين ارتفاع هم جوار معدن 2302 متر ومنطقه شامل  تأ سيسات معدن , به طور متوسط 1980 متر از سطح دريا ارتفاع دارد. تغييرات درجه حرارت از 11- تا 38 درجه است .  رطوبت نسبي 25  تا 40 درصد  و بارندگي سالانه 80 تا 120 ميلي متر مي باشد.  ازنظر زمين شناسي ، معدن كوشك در ايران مركزي ، در حوضه ي رسوبي ـ آتشفشاني بافق قرار دارد.اين حوضه 700 كيلومتر مربع وسعت دارد . از نظر سن زمين شناسي ، با توجه به  فسيل هاي سياه رنگ در اين مكان كه حتي در دنيا نادر هستند ، سن نسبي كوشك ، به دوران پركامبرين در اشكوب وسط ميرسد . از نظر ليتولوژي يا سنگ شناسي ، كنتاكت هاي بالا و پائين كانسار بر اثر كنتاكت هاي كسل ايجاد شده است . كنتاكت در روند كانسار ، در امتداد شمال غرب ـ جنوب شرق است . كنتاكت شمال غرب و غرب اين كانسار ، با ماسه سنگ هاي سبز زيتوني رنگ مشخص بوده ، سن آن به دوران ژوراسيك ميرسد . سري كوشك داراي سن پركامبرين بالائي يا بطور دقيق تر اشكوب وندين است . سري كوشك از يك سـري سـنگ هاي رسـوبي و آتشفـشاني تكرار شونده تشكيل شده كه بعضي از اين آيتم ها بصورتي هستند كه در بعضي لايه ها كم و در بعضي ديگر زياد ميشوند . بطوركلي يك ستون چينه شناسي كه ميتوان براي اين معدن در نظر گرفت ، به اين صورت است كه در قسمت هاي پائين كانسار ، يك سري سنگ هاي ولكانيكي اسيدي از جنس ريوليت قرار دارد . بر روي اين سنگ هاي ولكانيكي عدسي هاي پراكنده دولوميت سـياه رنگ وجـود داشـته ، بـر روي ايـن دولومـيت ها شيل هاي سياه قرار دارند كه اين شيل ها در برگيرنده كانسار ميباشند . بنا بر اين سنگ ميزبان ، شيل سياه رنگ است كه بر روي اين شيل ها توف هاي سبز و قهوه اي رنگ ، و بر روي آنها نيز دولوميت هائي قرار دارند كه در سطح به رنگ قهوه اي بوده ، مقطع تازه آنها به رنگ سياه است . البته تنها يك نوع لايه شيل در معدن يافت نمي شود بلكه چندين سري تكرار شونده دولوميت ، توف ، شيل به اضافه توف هاي رنگي نيز به اين سري ها اضافه ميشوند كه تنها يكي از اين شيل ها هستند كه كانسار زائي در آنها صورت گرفته و الان هم در بر گيرنده كانسار هستند . شكل كانسار ، يك عدسي است كه قطر بزرگ آن 500 متر و قطر كوچك آن 200 متر است و بطور متوسط ، ضخامتي برابر 15 متر دارد . البته ميتوان دو عدسي در معدن كوشك در نظر گرفت . يك عدسي در كمر بالاي كانسار كه كم عيار تر بوده ، كمتر مورد توجه استخراجي است ؛ و عدسي ديگر عدسي اصلي است كه پر عيار بوده در كمر پائين كانسار واقع است و بيشترين حجم استخراجي تاكنون بر روي اين عدسي بوده است . اين عدسي توسط يك سري كسل ، قطعه قطعه شده و جابجائي هائي هم صورت گرفته است و ناحيه هائي را در معدن بوجود آورده كه هر ناحيه ، با توجه به شرايط زمين ساختي خود و شرايط كاري حاكم بر معدن ، به روش هاي مختلفي استخراج شده است.                 

گل گهر

منطقه معدني سنگ آهن گل گهر در سال 1348 به وسيله شركت ايران باريت مورد شناسايي قرار گرفت و در سال1353 به تملك شركت ملي صنايع فولاد ايران در آمد. پيشينه تاريخي استخراج اين معدن به حداقل 900 سال پيش مي رسد. مجموعه معدني گل گهر شامي 6 حوزه معدني ست كه در مجموع حوزه اي به وسعت 40 كيلومتر مربع را در بر ميگيرد. ذخيره سنگ آهن حوزه هاي معدني گل گهر، 1135 ميليون تن برآورد شده است. در حال حاضر حوزه معدني شماره 1 از مجموعه گل گهر با 185 ميليون تن ذخيره قابل استخراج در مرحله بهره برداري ست.

اطلاعات عمومي:

موقعيت: استان كرمان- سيرجان . كيلومتر 50 جاده سيرجان – شيراز.

ارتفاع از سطح دريا: 1750 متر.

بارندگي در سال: 120 ميلي متر.

درجه حرارت حداكثر: 40+ درجه سانتي گراد.

در جه حرارت حد اقل: 10- درجه سانتي گراد.

سرعت باد: حداكثر 5 كيلومتر در ساعت.

بخش معدن:

تعداد ذخيره: 6 توده معدني.

نوع ماده معدني: عمدتا مگنتيت

مجموع ذخاير ممكن: 1135 ميليون تن

توليد سالانه: 6/14 ميليون تن (2/9 ميليون تن ماده معدني + 4/5 ميليون تن خاك و باطله)

وسعت: 700 هكتار

معدن كاري فعال: توده شماره يك با ذخيره زمين شناسي 265 ميليون تن كه ذخيره قابل استخراج آن 185 ميليون تن است.

نوع ماشين آلات معدني:

     

تراك EUCLID R85	14 دستگاه
دريل	3
تراك TEREX-TR100	13
دريل واگن	1
شاول	4
بلدوزر	4
لودر	2
گريدر	2
ويلدوزر	2
آنفو تراك	2
چكش هيدروليك	1

 

 

طبقه بندي سنگ آهن:

1. مگنتيت كم گوگرد و كم فسفر
2. مگنتيت هماتيت دار
3. مگنتيت پر گوگرد

 

روش استخراج:

روش استخراج در معدن شماره يك روباز بوده و براي بدست آوردن خوراك مناسب جهت ارسال به كارخانه تغليظ سينه كارهاي مختلف معدن به طور همزمان مورد استخراج قرار مي گيرند.

ظرفيت و مشخصات توليد:

الف. استخراج سنگ آهن به ميزان 2/9 ميليون تن در سال

ب. توليد كنسانتره سنگ آهن به ميزان 3/4 ميليون تن در سال

ج. تركيب شيميايي محصول بر اساس نياز مشتري:

                                                           حداقل 5/67% آهن

                                                           حد اكثر 17/0% گوگرد

                                                           حداكثر 05/0% فسفر

 

آشنايي عمومي با ساختار تكنولوژي توليد كنسانتره سنگ آهن:

در اين مجتمع كنسانتره سنگ آهن با روش مغناطيسي به وسيله دستگاههاي جدا كننده مغناطيسي با شدت پايين توليد مي شود. در اين روش بيش از 65 درصد محصول از طريق جدايش مغناطيسي خشك و مابقي از طريق جدايش مغناطيسي تر بدست مي آيد.

حفاظت از محيط زيست:

حفاظت از محيط زيست از جمله برنامه هاي مهم اجرايي شركت گل گهر محسوب مي شود. با وجود اينكه اين مجموعه معدني تا نزديكترين مجتمع جمعيتي حدود 50 كيلومتر فاصله دارد، استانداردهاي حفاظتي در كليه مراحل توليد و موارد جنبي آن اجرا مي شود. از جمله:

1. ايستگاههاي غبار گير الكترواستاتيك. قدرت دريافت غبار در حدود 64000 كيلوگرم در ساعت با راندمان جذب 9/99 درصد.
2. ايستگاههاي تصفيه بهداشتي. با ظرفيت 1000 ليتر در روز و خروجي 120 متر مكعب آب تصفيه شده بهداشتي مورد مصرف فضاهاي سبز مجتمع .
3. فضاي سبز. با زير مجموعه اي بيش از 10 هكتار جنگل كاري، 25000 اصله درخت و 2000 متر مربع فضاي گل كاري.

عکسهایی از معدن و کارخانه گل گهر

آشنايی با دستگاه نلسون

استفاده از نيروي گريز از مركز براي پرعيار سازي مواد معدني به سال 1925 برمي گردد. اما دستگاه نلسون در سال 1978 توسط Byron Knelson در كانادا طراحي و ساخته شده و در دهه 1980 و 1990 توسعه و گسترش يافته است. در حال حاضر در 2500 واحد توليد كنسانتره در 70 كشور جهان، از دستگاه نلسون براي پرعيار سازي فلزات گرانبها و سنگين مانند عناصر گروه پلاتين، جيوه، طلا و مس آزاد استفاده مي شود.

اين دستگاه از نيروي گريز از مركز براي افزايش نيروي ثقلي ذرات تا 60 برابر، در ابعاد ميكرون تا 6 ميليمتر كاربرد دارد. ذرات آزاد طلا با ابعاد 30 ميكرون توسط اين دستگاه، تا 96 درصد قابل بازيابي ست. حتي ذرات آزاد طلا تا 2/0 ميكرون توسط اين دستگاه قابل بازيابي بوده ولي بازيابي در اين ابعاد كاهش مي يابد.

دستگاه ثقلي نلسون از يك كاسه مخروطي شكل داخلي و يك مخروط خارجي تشكيل شده است كه با سرعت حدود 400 دور در دقيقه در جهت عقربه هاي ساعت مي چرخد و لذا نيروي ثقلي وارد بر ذرات را تا حدود 60 برابر افزايش مي دهد. خوراك دستگاه نلسون پس از عبور از سرندهاي ارتعاشي يا Hoppers از طريق يك لوله مركزي به دستگاه وارد مي شود و ذرات در اثر نيروي گريز از مركز، در داخل شيارهاي كاسه مخروطي تجمع مي يابند. به منظور جلوگيري بيشتر ذرات در داخل شيارها، ژاكت هاي آب در روي شيارها تعبيه شده است. آب با فشار به بستر فشرده نفوذ مي كند تا يك بستر سيال از ذرات را ايجاد نمايد. در اثر اين عمل، ذرات سنگين همچنان در شيارها باقي مي مانند ولي ذرات سبك از داخل بستر سيال جدا شده و به قسمت مركزي دستگاه حمل شده و به طور پيوسته از دستگاه خارج مي شوند.

پس از سيكل باردهي، جريان خوراك به داخل دستگاه قطع مي شود تا كنسانتره تجمع يافته در شيارهاي داخل مخروط، توسط آب شسته شده و از محل مربوط به خود استحصال مي شود. بعد از استحصال كنسانتره همين سيكل كار مجددا تكرار مي شود.

جنس كاسه مخروطي شكل داخلي معمولا از پلي اورتان، كه يك ماده مقاوم در برابر سائيدگي ست انتخاب مي شود. اندازه دستگاه نلسون با قطر كاسه مخروطي شكل مشخص مي شود.

از مهمترين پارامترهاي موثر در دستگاه نلسون، مي توان به موارد زير اشاره كرد:

1. دبي جريان و فشار آب مورد نياز براي ايجاد بستر سيال
2. مدت زمان سيكل توليد كنسانتره
3. دبي جريان پالپ خوراك

 

نسل پيشرفته يا اخير دستگاه نلسون كه در حقيقت نسل پنجم اين نوع دستگاهها به شمار مي رود، نسبت به مدل هاي قبلي، از مزاياي زير برخوردار است:

1. افزايش در خوراك ورودي
2. افزايش در بازيابي
3. كاهش در آب مصرفي تا 60 درصد در مقايسه با مدل هاي قبلي
4. كاهش در حجم توليدي كنسانتره توليدي
5. كاهش در هزينه هاي عملياتي و نگهداري

 

سري هاي مختلف دستگاه جدا كننده نلسون:

• دستگاه جدا كننده نلسون تخليه از مركز Knelson Center-Discharge Series (KC-CD)
• دستگاه نلسون با قدرت بالا Knelson Extended Duty Series (KC-XD)
• دستگاه نلسون با تخليه دستي Knelson Manual Discharge Series (KC-MD)
• دستگاه نلسون براي بازيابي جيوه Knelson Center Discharge Mercury Recovery Series (KC-CDMR)
• دستگاه نلسون با تخليه متغير پيوسته Knelson Continuos Variable Discharge Concenterator (KC-CVD)

عکسهایی از دستگاه ایکس آر دی دانشگاه کاشان

  

 

آزمايشگاه XRD دانشگاه كاشان :

XRD  مخفف عبارت X Ray Diffraction است . دستگاه XRD  جهت شناسائي ساختمان داخلي بلور ها استفاده مي شود و اساس كار آن روي پراش پودر ماده مورد نظر است . وجود تعداد زيادي از بلورهاي ماده در پودر آن باعث مي شود كه صفحات مختلف كريستالي به طور تصادفي در زواياي متفاوت تحت تاثير اشعه قرار گرفته و شدت پراش آنها اندازه گيري شود . دانه بندي پودر ماده مورد آزمايش بايد در محدوده 1 تا 25 ميكرون باشد تا آزمايش با دقت بيشتري انجام شود .

كاربرد هاي پراش اشعه X  :

• تعيين فاز به صورت كيفي و كمي
• كريستالوگرافي
• تعيين بافت
• آناليز تنش پسماند
• تعيين فاز در لايه هاي نازك

اندازه گيري پراش :

اندازه گيري پراش به دو صورت كيفي و كمي انجام مي شود .

 

1.     اندازه گيري كيفي :

·        محاسبه شبكه واحد و جستجو در پايگاه داده هاي بلور براي يافتن تركيبي با همان شبكه واحد يا شبيه آن . كاربرد اين روش چندان ساده نيست ولي نيازي به وجود الگوهاي مرجع فاز در پايگاه داده ندارد .

·        مقايسه الگوي پراش اندازه گيري شده با الگوي پراش مرجع موجود در پايگاه داده PDF2-ICDD

2. روشهاي آناليز كمي :

·        نسبت شدت مرجع (RIR) بر اساس نسبت شدت قويترين خط در نمونه به قويترين خط فاز مرجع در مخلوط 1:1

·        اضافه كردن استاندارد داخلي

·        روش ريتولد (Reitveld)

آشنائي با آزمايشگاه XRD دانشگاه كاشان :

سالن آزمايشگاه ، شامل دو اتاق است كه يكي مخصوص دستگاههاي خنك كننده و منبع تغذيه UPS و ديگري مخصوص دستگاه XRD  و كامپيوتر هاي كنترل كننده آن است كه از طريق كابل و شيلنگ به يكديگر متصل اند .

 پس از قرار گرفتن نمونه در داخل دستگاه ، منبع ايجاد اشعه X ، روي محيط يك دايره از 5 تا 80 درجه نسبت به خط افق حركت كرده و اشعه را روي نمونه از زواياي مختلف مي تاباند .حركت منبع اشعه به وسيله كامپيوتر هاي كنترل كننده و با استفاده از نرم افزار X' Pert Data Collector حاصل مي شود . اندازه گيري هاي پراش در هر 0.02θ تكرار مي شوند . بنابر اين داده ها ، حاصل اندازه گيري پراش در 4000 نقطه خواهند بود . اندازه گيريهاي كيفي و نيمه كمي پراش ، در اين آزمايشگاه با استفاده از نرم افزار X' Pert High Score وروش مقايسه الگوي پراش اندازه گيري شده با الگوي پراش مرجع ، انجام مي شود .

 كار تاسيس اين آزمايشگاه از سال 1378 آغاز شد و هم اكنون براي انجام آزمايشات بر روي مواد مختلف استفاده مي شود .

بر اساس صحبتهاي آقاي دكتر فرزانگان ، مسئول آزمايشگاه XRD  ، دانشجويان در چارچوب درس          « روشهاي تجزيه دستگاهي » امكان آشنائي و كار با دستگاه را خواهند داشت و همچنين دانشجوياني كه پروژه درسي آنها در ارتباط با آناليز پراش اشعه ايكس است ، اين امكان را خواهند يافت كه به طور عملي با دستگاه كار كنند .

 در حال حاضر، اين آزمايشگاه در ابتداي تجهيز است ونيازمند برخي اقلام مصرفي و همچنين تجهيزات جانبي ديگري ست كه با خريد اين وسايل و دستگاه فلورساني اشعه ايكس در آينده اي نه چندان دور شاهد كامل شدن آزمايشگاه خواهيم بود .

 

معرفی چند سایت مربوط به معدن

www.miningtechnology.com

سایتی است که از سال ۱۹۹۶ درباره مهندسی معدن و تکنولوژی های به کار گرفته شده در این صنعت به ارائه اطلاعات مشغول می باشد.

www.mininginformation.com

مجله mining journalرا می توان در این سایت مشاهده کرد.

 این جانب مهندس حجت پارسا برای کمک به دانشجویان عزیزاین وبلاگ را دارم آماده می کنم.منتظر راهنمایی های شما عزیزان هستم.