Μεταλλευτικοί γεωκίνδυνοι στον Ελλαδικό χώρο: η περίπτωση των λιγνιτικών πεδίων της λεκάνης Αμυνταίου

Abstract

The main goal of this PhD thesis was to investigate the mechanism of the land subsidence due to the overexploitation of the aquifer. To achieve this goal, all the factors which affect this phenomenon were investigated and all the data were collected at first. Then, a comprehensive methodology for the construction of both susceptibility and risk maps in land subsidence was created, using the WLC (Weighted Linear Combination) method. For that reason, a series of activities were carried out, including office work, field work, laboratory tests as well as the use of specific computer programs.The study area is located in the Amyntaio basin at Florina prefecture and part of this region is occupied by the homonymous open pit coal mine. The systematic overexploitation of the aquifer by both the open pit coal mine (to protect the slopes and to prevent the water outflow in the mine) and the wells for irrigation purposes have led to a significant drawdown of the ground water level, during the last decades. The hydrogeological and tectonic setting of the site along with the geotechnical parameters of the formations, trigger extensive land subsidence and surfaces ruptures causing damages at the nearby villages, infrastructure and farmlands.The recording of the necessary primary data was collected through the classical geotechnical research. More specifically, 6 field investigations were carried out, in which all the geological and tectonic, hydrological data were recorded. In addition, all the surfaces ruptures were mapped and more than 60 samples were selected for laboratory soil and crystallographic analysis tests and the surface ruptures were mapped. The laboratory tests were completed according to the procedures recommended by the ASTM standards. The results of the laboratory tests with the spatial distribution of the surface ruptures constituted the basic geotechnical knowledge. The combination of the geotechnical conditions with the tectonics and hydrogeological data of the study area eliminated the uncertainty about the mechanism of the phenomenon and highlighted the factors that play an active role.In order to determine the degree of influence of the above factors, parametric analyses were carried out using the Plaxis 3D (2016) finite element program. Taking into consideration the results of these analyses, all the thematic layers of the WLC method were calibrated.The excellent agreement between the produced maps and the findings of the field survey, proved that the WLC method, although depending on the knowledge of experts (that’s why there is the risk of incorrect results), in cases where the quality of the available data is high and of course the expert provides the right class rating and weighting of the thematic layer, the results can be rewarding. The structure of the PhD thesis was done in order to investigate all the stages of the proposal methodology. More specifically, the following chapters can be summarized as follows:The 1st section presents the scientific goal and the conceptual framework of the PhD. Furthermore, the stages of the proposed methodology were analysed in detail.The 2nd paragraph refers to the theoretical framework of the land subsidence mechanism due to the overexploitation of the aquifers. In addition, some examples of this phenomenon from the international and Greek regions are presented, as they are founded from the literature review.In the 3rd section, the general geomorphological factors as well as the land used of the Amyntaio basin are given at first. Then, the geological and tectonic structure of the area (with the corresponding thematic maps) are presented as they were derived from the literature review in combination with the field observation. This chapter ends with the seismicity data of the area.The 4th section presents the hydrological status of the Amyntaio basin. More specifically, the diagrams of the change in the level of the aquifer are given as they were derived from previous studies in combination with new measurements. Then, four isopiezometrics contour lines maps (based on measurements taken in October 2014, May 2015, October 2015, May 2016) and two drawdown contour lines map (drawn by subtracting the piezometric surfaces from May 1992 to May 2015 and from May 1992 to May 2016 are presented. The comparison of the above maps was lead to useful conclusions regarding the change of the aquifer in the study area.Section 5th presents the results of the laboratory tests as well as the final results derived from the evaluation of laboratory tests and geotechnical drilling. In addition, the geotechnical map of the Amyntaio basin is highlighted by emphasizing the geotechnical conditions of the individual lithological units and the role which they play in the emergence of land subsidence.Section 6th describes the spatial distribution of the surface ruptures that were mapped in detail during four-field campaigns and the damages that they caused to villages, road network and infrastructure. In addition, it presents the time evolution of selected damages in the Valtonera, Fanos and Anargiroi villages through photographic stamping. Finally, it examines the degree of influence of the landslide that took place on 10/6/2017 in the Amyntaio mine, in the evolution of the land subsidence due to the level drop of the aquifer.The 7th section refers to the parametric analyses carried out using the Plaxis 3D finite element program (2016) in order to investigate the degree of influence of factors the factors that play an active role in the emergence of land subsidence. More specifically, for the settlements of Fanos, Valtoners and Anargiroi, the effect of the level drop of the aquifer, the geotechnical characteristics of the formations, the offset and the slope of the fault in the emergence of the land subsidence were examined.The 8th section presents the methodology for the production of a susceptibility and a risk map in land subsidence based on the semi-quantitative method WLC (Weighted Linear Combination) using the program ArcGIS 10.1.Paragraph 9th describes the conclusions of the PhD thesis.The 10th paragraph highlights the scientific originality of this doctoral.Paragraph 11th lists some proposals for future research.

O σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η διερεύνηση του μηχανισμού εκδήλωσης των εδαφικών υποχωρήσεων εξαιτίας της πτώσης της στάθμης του υδροφόρου ορίζοντα στην περιοχή της λεκάνης του Αμυνταίου. Προκειμένου να επιτευχθεί ο συγκεκριμένος στόχος ερευνήθηκαν και συσχετίστηκαν αρχικά όλοι οι παράγοντες που διαδραματίζουν ενεργό ρόλο στην ενεργοποίηση του συγκεκριμένου φαινομένου. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε πρωτότυπη μεθοδολογία για την κατασκευή χαρτών επιδεκτικότητας και διακινδύνευσης σε φαινόμενα εδαφικών υποχωρήσεων εξαιτίας της πτώσης της στάθμης του υδροφόρου ορίζοντα με τη χρήση της μεθόδου του Σταθμισμένου Γραμμικού Συνδυασμού, (Weighted Linear Combination–WLC). Για τον λόγο αυτό πραγματοποιήθηκαν μία σειρά δραστηριοτήτων που περιλαμβάνουν εργασίες γραφείου, υπαίθρου, εργαστηριακές δοκιμές καθώς και χρήση ειδικών υπολογιστικών προγραμμάτων.Η περιοχή διερεύνησης βρίσκεται στη λεκάνη του Αμυνταίου, όπου και χωροθετείται το ομώνυμο επιφανειακό λιγνιτωρυχείο της ΔΕΗ. Οι συστηματικές υπεραντλήσεις για την κάλυψη τόσο των βιομηχανικών (προστασία του ορυχείου) όσο και των αγροτικών αναγκών οδήγησε σε σημαντική πτώση της στάθμης του υδροφόρου ορίζοντα κατά τις τελευταίες δεκαετίες. Η αλλαγή του υδρολογικού καθεστώτος σε συνδυασμό με τα γεωτεχνικά χαρακτηριστικά των εδαφικών σχηματισμών αλλά και την τεκτονική της περιοχής είχαν ως αποτέλεσμα την εμφάνιση εδαφικών υποχωρήσεων και εδαφικών διαρρήξεων. Το φαινόμενο αυτό έχει πλήξει μεγάλο μέρος της λεκάνης και εξακολουθεί να υφίσταται είτε σε νέες θέσεις είτε με την επαναδραστηριοποίηση του σε παλαιότερες θέσεις με αποτέλεσμα να προκαλεί σημαντικές ζημιές σε οικισμούς, υποδομές και αγροτικές εκτάσεις. Η συλλογή των πρωτογενών δεδομένων βασίστηκε τόσο σε δεδομένα που συλλέχθηκαν από προγενέστερες μελέτες όσο και σε στοιχεία που προέκυψαν διαμέσου της κλασσικής τεχνικογεωλογικής έρευνας. Για το λόγο αυτό πραγματοποιήθηκαν αλλεπάλληλες επισκέψεις πεδίου στις οποίες καταγράφηκαν δεδομένα που αφορούσαν τα γεωλογικά, τεκτονικά και υδρογεωλογικά χαρακτηριστικά της περιοχής. Επιπλέον, χαρτογραφήθηκαν οι εδαφικές διαρρήξεις και συλλέχτηκαν 53 διαφορετικά εδαφικά δείγματα προκειμένου να γίνουν εργαστηριακές δοκιμές εδαφομηχανικής και ορυκτολογικής ανάλυσης. Από την συσχέτιση των εργαστηριακών αναλύσεων και της χωρικής κατανομής των εδαφικών διαρρήξεων με τις τεχνικογεωλογικές, τεκτονικές και υδρολογικές συνθήκες της περιοχής έρευνας εξήχθησαν χρήσιμα συμπεράσματα ως προς τους παράγοντες που διαδραματίζουν ενεργό ρόλο στην εμφάνιση αυτού του φαινομένου.Στην συνέχεια, έχοντας ως στόχο τη διερεύνηση του βαθμού επιρροής των παραπάνω παραγόντων, πραγματοποιήθηκαν παραμετρικές αναλύσεις με τη χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων Plaxis 3D. Από την αξιολόγηση αυτών των αναλύσεων έλαβε χώρα η βαθμονόμηση των Θεματικών Επιπέδων Πληροφόρησης (Θ.Ε.Π.) σύμφωνα με τη σπουδαιότητά τους στην εμφάνιση εδαφικών υποχωρήσεων.Η επικύρωση του χάρτη και κατ’ επέκταση της προτεινόμενης μεθοδολογίας, από τις επί τόπου παρατηρήσεις, απέδειξε ότι η λεπτομερής γνώση των τεχνικογεωλογικών, τεκτονικών και υδρογεωλογικών χαρακτηριστικών της περιοχής έρευνας είναι ικανή να παρακάμψει τις όποιες αδυναμίες αυτής της τεχνικής, η οποία βασίζεται στην υποκειμενική κρίση των «εμπειρογνωμόνων». Πιο αναλυτικά, η ποιότητα των πρωτογενών δεδομένων σε συνδυασμό με τον προσδιορισμό του βαθμού επιρροής όλων των παραγόντων που συμβάλλουν στην εκδήλωση αυτού του φαινομένου οδήγησε στην ορθότερη βαθμονόμηση των Θ.Ε.Π. έχοντας ως συνέπεια την εξαγωγή ικανοποιητικών αποτελεσμάτων.Η διάρθρωση της διατριβής έγινε με τέτοιο τρόπο ώστε να εξετάζονται διεξοδικά όλα τα στάδια της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Πιο αναλυτικά τα κεφάλαια που ακολουθούν συνοψίζονται ως εξής:Στο 1ο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο επιστημονικός στόχος και το εννοιολογικό υπόβαθρο της διατριβής και αναλύονται διεξοδικά τα στάδια διερεύνησης της προτεινόμενης μεθοδολογίας.Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο θεωρητικό πλαίσιο του μηχανισμού εκδήλωσης εδαφικών υποχωρήσεων εξαιτίας της υπεράντλησης των υδροφόρων οριζόντων. Στη συνέχεια δίνονται χαρακτηριστικά παραδείγματα εδαφικών υποχωρήσεων από το διεθνή και Ελλαδικό χώρο, όπως προέκυψαν από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται αρχικά αναφορά στα γενικά γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά καθώς και στις χρήσεις γης της λεκάνης του Αμυνταίου. Στην συνέχεια, παρουσιάζεται η γεωλογική και τεκτονική δομή της περιοχής και παρατίθενται οι αντίστοιχοι θεματικοί χάρτες όπως προέκυψαν από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση σε συνδυασμό με την επιτόπου παρατήρηση. Το κεφάλαιο αυτό ολοκληρώνεται με την παράθεση της σεισμικότητας της περιοχής.Στο 4ο κεφάλαιο παρουσιάζεται το υδρολογικό καθεστώς της λεκάνης του Αμυνταίου. Πιο αναλυτικά, δίνονται αρχικά διαγράμματα της διαχρονικής μεταβολής της στάθμης του υδροφόρου ορίζοντα επιλεγμένων γεωτρήσεων, όπως προέκυψαν από την αποδελτίωση παλαιοτέρων μελετών σε συνδυασμό με τις νέες μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. Στη συνέχεια παρατίθενται οι 4 ισοπιεζομετρικοί χάρτες που κατασκευάστηκαν και αφορούν τις περιόδους Οκτώβριος 2014, Μάιος 2015, Οκτώβριος 2015, Μαίος 2016 καθώς και οι χάρτες διαχρονικής πτώσης των περιόδων Μαΐου 1992- Μαΐου 2015 και Μαΐου 1992- Μαΐου 2016. Από τη σύγκριση των παραπάνω εξήχθησαν χρήσιμα συμπεράσματα ως προς τη μεταβολή της πιεζομετρίας του υδροφόρου ορίζοντα.Στο 5ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών αλλά και τα τελικά αποτελέσματα όπως αυτά προκύπτουν από την συναξιολόγηση των εργαστηριακών δοκιμών και των γεωτεχνικών γεωτρήσεων. Επιπλέον παρατίθεται ο τεχνικογεωλογικός χάρτης της λεκάνης του Αμυνταίου και γίνεται αναφορά στις γεωτεχνικές συνθήκες των επιμέρους λιθολογικών ενοτήτων δίνοντας έμφαση στο ρόλο που διαδραματίζουν στην εμφάνιση εδαφικών υποχωρήσεων.Στο 6ο κεφάλαιο καταγράφεται η χωρική εξάπλωση των εδαφικών διαρρήξεων όπως προέκυψε από την επί τόπου έρευνα και παρουσιάζονται οι ζημιές που προκλήθηκαν από τις εδαφικές διαρρήξεις τόσο στο οδικό δίκτυο και στα γραμμικά έργα υποδομής όσο και σε οικίες και υποδομές εντός των οικισμών των Αναργύρων, των Βαλτόνερων και του Φανού. Επιπλέον γίνεται αναφορά στη χρονική εξέλιξη επιλεγμένων αστοχιών εντός των οικισμών διαμέσου της φωτογραφικής αποτύπωσης. Σε αυτό το κεφάλαιο εξετάζεται ο βαθμός επιρροής της κατολίσθησης που έγινε στις 10/6/2017 εντός του ορυχείου του Αμυνταίου, στην εξέλιξη του φαινομένου των εδαφικών διαρρήξεων που οφείλονται στην πτώση της στάθμης του υδροφόρου ορίζοντα.Στο 7ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις παραμετρικές αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων Plaxis 3D (2016) για τη διερεύνηση του βαθμού επιρροής των παραγόντων που διαδραματίζουν ενεργό ρόλο στην εκδήλωση του φαινομένου των εδαφικών υποχωρήσεων. Πιο αναλυτικά, για τους οικισμούς του Φανού, των Βαλτόνερων και των Αναργύρων εξετάστηκε η επίδραση της πτώσης της στάθμης του υδροφόρου ορίζοντα, των γεωτεχνικών χαρακτηριστικών των σχηματισμών, του άλματος και της κλίσης του ρήγματος στην εμφάνιση των εδαφικών υποχωρήσεων.Στο 8ο κεφάλαιο παρουσιάζεται το μοντέλο εκτίμησης της επιδεκτικότητας σε φαινόμενα εδαφικών υποχωρήσεων εξαιτίας της πτώσης της στάθμης του υδροφόρου ορίζοντα με τη χρήση του Σταθμισμένου Γραμμικού Συνδυασμού (Weighted Linear Combination – WLC). Στη συνέχεια δημιουργήθηκε ο χάρτης διακινδύνευσης. Τέλος, σε αυτό το κεφάλαιο πραγματοποιήθηκε η επικύρωση των χαρτών με τα στοιχεία των καταγεγραμμένων εδαφικών διαρρήξεων που είχαν προκύψει στο 6ο κεφάλαιο.Στο 9ο κεφάλαιο περιγράφονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από όλα τα στάδια της έρευνας.Στο 10ο κεφάλαιο αναδεικνύεται η επιστημονική πρωτοτυπία της παρούσας διδακτορικής διατριβής.Στο 11ο κεφάλαιο αναφέρονται ορισμένες προτάσεις για μελλοντική έρευνα.