Separation of geological formations by comparing the density dimension of drainage network and fractal dimension of drainage network (Case study: Northern slopes of Hamedan)

Author

Assoc. Prof., Dept., of Natural Engineering, Malayer University, Malayer, Iran

Abstract

The hydrographic network system in a watershed is a function of structural, lithological and topographic factors that are of particular importance in the management of natural resources. The purpose of this study is to compare the performance of two methods without quantification of quantitative parameters in geomorphology including drainage network density and their fractal dimension in the separation of surface geological formations in the northern slopes of Alvand Hamedan. First, by examining the geological map of the region and satellite images of Earth Google and field observations, four geological units including Alvand granite, chlorite hornfels, marl limestone and sterolized schist were selected and in each unit 2 plots of 2 * 2 km were randomly selected. Systematic installation and drainage network and their fractal dimension were calculated using Fractalyse and ArcGIS software and then, QQ diagram, deviation angle and determination coefficient were used for validation. The results show that the validation ratio in both techniques is very good and similar and between0.97 to 0.99 and indicates the good performance of both techniques to identify and separate geological units. However, considering the QQ diagrams and the proximity of the coefficient determination numbers in the drainage network density technique to 1, plus the low deviation angle and proximity of its computational figures to zero, the results show that the technique without dimensioning the drainage density compared to the fractal dimension technique Drainage network is the best and most appropriate technique for identifying and separating geological units in the study area.

Keywords

References

احمدی­خلجی، ا.، و طهماسبی، ز (1394)، شیمی کانی گارنت در پگماتیت­ها و سنگ­های دگرگونی منطقه همدان، نشریه زمین­شناسی اقتصادی، دوره 7, شماره 2، ص 243 - 258.
اقلیمی، ب (1379) نقشه زمین­شناسی، مقیاس 1:100000 همدان و گزارش حاشیه آن، سازمان زمین­شناسی و اکتشافات معدنی کشور.
امیری، م.، پیروان. ح، ر.، احمدی­خلجی، ا (1394) طبقه­بندی مارن­های همدان و ارتباط گروه‌های مارنی منطقه با نوع و شدت فرسایش، نشریه مهندسی و مدیریت آبخیز، دوره 7، شماره 4، ص 425 -441.
برزگری دهج، و.، زارع، م.، و اختصاصی­، م (­1398) مقایسه شاخص بدون بعد تراکم شبکه زهکش و بعد فراکتال شبکه زهکشی در جدا‌سازی واحد­های سنگ­شناسی (­منطقه مورد مطالعه: حوضه آبخیز تفت، یزد). پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی­، دوره 8، شماره ­31، ص ­ 96-80.
جوکار سرهنگی­، ع­.، و بخشی، م (1399) ­ارتباط بین سازندهای زمین‌شناسی و فرم منحنی میزان نقشه‌های توپوگرافی در بخشی از البرز شمالی و جنوبی. فصل­نامه جغرافیای طبیعی­، دوره 13، شماره50­،­ ص 95-81.
چرچی، ع.، خطیب، م.، مظفرخواه، م.، و برجسته، آ (­1390) استفاده از تحلیل فراکتالى برای تعیین پویایی تکتونیک شمال منطقه لالی در شمال شـرق خوزسـتان. مـجله زمین­شناسی کاربردی پیشرفته، شماره 1، ص 47-37.
خلیفه سلطانی، ا.، علوی، ا.، ­و قاسمی (­1395) بررسی نقش ساختارهای زمین­شناسی در ابعاد فراکتالی شکستگی­ها و آبراهه­ها در جنوب باختری لنجان- اصفهان.­ نشریه علوم زمین، سال 26، شماره 101،  ص 56-45.
سپاهی­گرو، ع. ا، سلامی، ص.، و معانی­جو، م (1396) بررسی ریخت‌شناسی و سازوکار پیدایش گرهک‌های تورمالین در آپلیت‌های منطقه خاکو (همدان) با به‌کارگیری آنالیز فراکتال و سه‌بعدی، نشریه، پترولوژی، دوره 8، شماره 29، ص 75 -88.
سپاهی­گرو، ع، ا.، جعفری، س. ر.، مؤذن، م.، و شهبازی. ح (1397) بررسی شیمی کانی، دمافشارسنجی و سنگ­زایی سنگ‌های میگماتیتی منطقه همدان، نشریه پترولوژی، دوره 9، شماره 33، ص 165 - 190.
سپاهی­گرو، ع. ا.، و معین­وزیری، ح (1379) مروری بر فازهای نفوذی و رگه‌های موجود در مجموعه نفوذی الوند، نشریه علوم دانشگاه تهران، دوره 2، شماره پیاپی 18، ص 175-186.
سلطانی­، ش.­، ­قهرودی تالی­، ­م.، و صدوق­، ح (1398) کاربرد سنجش از دور و مدل ریاضی فراکتال در بررسی رفتار و تغییرات لندفرم­های ژئومورفولوژیکی رودخانه ارس. پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، دوره 7، شماره 4­، ص 92-73.
شکیبا، س.، سپاهی­گرو، ع، ا.، قاسم­پور م، ر.، و کازو، ن (1399) کاربرد شیمی کانی‌های بیوتیت و ارتوپیروکسن در بررسی شرایط تکتونو- ماگمایی انکلاوهای توده پلوتونیک الوند و سنگ میزبان آن­ها، نشریه علوم زمین، دوره 30، شماره 118، ص ۲۲۵ -۲۴۰.
شهبازی، ح (1389) پترولوژی مجموعه سنگ‌های آذرین و میگماتیت­های کمپلکس الوند و توده نفوذی آلموقلاغ همدان و ارتباط بین آن­ها، رساله دکتری، دانشگاه شهید بهشتی.
شایان، س.، مقصودی، م.، گل علیزاده، م.، شریفی­کیا، م.، و نوربخش، ف (1394) تحلیل فضایی لندفرم­های بادی با استفاده از نظریة فراکتالی­ (مطالعة موردی: ریگ اردستان). ­پژوهش­های جغرافیای طبیعی، دورة 48­، شماره 2، ص 245-231.
شایان­، س.­، یمانی، م.، و یادگاری، م (­1394) ­مورفولیتولوژی توده الوند و نقش آن در مورفومتری و الگوی شبکه زهکشی­.­ نشریه پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، سال 4، شماره 3، ص 16-1.
علیمرادی، م.، اختصاصی، م.، تازه، م.، و کریمی، ح (­1397) محاسبة بُعد فراکتال سازندهای زمین­شناسی و بررسی ارتباط آن با حساسیت سازندها. پژوهش­های جغرافیای طبیعی (پژوهش‌های جغرافیایی)­، دوره ­50، شماره 2­،­ ص 253-241.
فتاحی، م. و طالب­زاده، ز (1396) ارتباط بین ضریب فشردگی حوضه آبریز با ویژگی­های فراکتال آن، نشریه تحقیقات منابع آب ایران، دوره­ 13، شماره­ 1، ص 191 - 203.
فتاحی­، م.، و کامیاب، س (1397) انطباق سنجی خواص ژئومورفولوژیک حوضه آبریز و ویژگی­های چند فراکتال شکل آبراهه. نشریه تحقیقات منابع آب ایران­، دوره 14، شماره 5، ص 451-339.
کرم، ا.، و صابری، ­م (1394) محاسبه بعد فراکتال در حوضه­های زهکشی و رابطه آن با برخی خصوصیات ژئوموفولوژیکی حوضه (­مطالعه موردی: حوضه‌های آبریز شمال تهران). پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، سال 4، شماره 3، ص 167-153.
کامیاب، ­س.، و فتاحی، م (1397) انطباق سنجی خواص ژئومورفولوژیک حوضه آبریز و ویژگی‌های چند فراکتال شکل آبراهه، تحقیقات منابع آب ایران­، دوره ­14­، شماره 5، ص 326-311.
محمدی خشویی، م.، اختصاصی، ­م.، طالبی، ع.، و حسینی­، ز (­1398)­ بررسی رابطه بین بعد فراکتال و ویژگی­های مورفومتریک شبکه زهکشی (مطالعه موردی: حوضه آبخیز دشت یزد-اردکان). نشریه­ خشک بوم­، دوره 9، شماره 2، ص 16-1.
محمدی خشویی­، م.، و اختصاصی، ­م (1398) مقایسه بعد فراکتال و ویژگی­های ژئومورفولوژیک در مدیریت حوضه آبخیز عقدا. ­پژوهش­های فرسایش محیطی، دوره­ 9، شماره 1، ص 84-62.
نظری صارم، م.، دبیری، ر.، انصاری، م.، و وثوقی عابدینی، م (1399) برآورد بعد ﻓﺮاﻛﺘﺎﻟﻲ ژئومورفولوژی کرانه‌های شمال خلیج­فارس ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از روش ﺷﻤﺎرش ﺟﻌﺒﻪای، ­نشریه پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی­، دوره 9، شماره 34، ص 174-159.
Ariza, V. A., Jiménez-Hornero, F.,­ Gutiérrez, de., Ravé, E (­2013) Multi-fractal analysis applied to the study of the accuracy of DEM-based stream derivation, Geomorphology, 197: 85-95.
Baas, A. C. W (­2002) Chaos, fractals and self-organization in coastal geomorphology: simulating dune landscapes in vegetated environments. Journal of Geomorphology, 48: 309-328.
Bi, L., He, H., Wei, Z., Shi, F (­2012) Fractal properties of landform in the Ordos block and surrounding areas. Journal of China Geomorphology, 175: 151-162.
Dutta, S., Ghosh, D., Chatterjee, S (­2014) Multifractal detrended fluctuation analysis of pseudorapidity and azimuthal distribution of pions emitted in high energy nuclear collisions, Int. J. Mod. Phys, A 29, 1450084.
Donadio, C., Magdaleno, F., Mazzarella, A., Kondolf, G. M (­2014) Fractal dimension of the hydrographic pattern of three large rivers in the Mediterranean morphoclimatic System: geomorphologic interpretation of Russian (USA), Ebro (Spain) and Volturno (Italy) Fluvial Geometry, Pure and Applied Geophysics, 172: 1975-1984.
Eshraghi, S. A. and Mohammadi Gharai, M., 2003 - Geological Map of Tuyserkan 1/100000, Geological Survey and Mineral exploration of Iran, Tehran.
Fac-Beneda, J (­2013) Fractal structure of the Kashubian hydrographic system, Journal of Hydrology, 488: 48 – 54.
Garsia-Ruiz.Juan M (1992) Fractal Trees and Horton’s Laws Mathematical Geology, 24.
Horton, R. E (1945) Erosional Developments of Streams and Their Drainage Basin; Hidrophysical Approach to Quantitative Morphology: Geol. Soc. Am. Bull, 56: 275-370.
Hui, Y., ­ Changxing, S (2017) The Fractal Characteristics of Drainage Networks and Erosion Evolution Stages of Ten Kongduis in the Upper Reaches of the Yellow River, China. Journal of Resources and Ecology, ­ 8: 165 –­174.
Ildoromi, A. R (2011) Evaluationof Watershed Stabilityusing Geomorphologic and Tectonics Evidence (Case study: Alvand Mountain), International Journal of Natural Resources and Marine Sciences2011, 1 (3): 175-186.
Kusak, M (­2014) Methods of fractal geometry used in the study of complexgeomorphic netwoks, AUC Geographica, 49: 99–110
Kumar, A (2014) Geomorphologic Instantaneous Unit Hydrograph Based Hydrologic Response Models for Ungauged Hilly Watershed in India, Water Resources Management, DOI­10.1007/s11269-014-0848-z.
Mandelbrot, B. B (1983) The fractal geometry of nature/Revised and enlarged edition, NewYork, WH Freeman and Co. 495p.
Mwaniki, M. W., Moeller, M. S., Schellmann, G (2015) A comparison of Landsat 8 (OLI) and Landsat 7(ETM+) in mapping geology and visualizing lineaments: A case study of central regionKenya. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing & Spatial Information Sciences.
Prigarin, S. P., Sandau, K., Kazmierczak, M., Hahn, K (2013) Estimation of Fractal Dimension: A Survey with Numerical Experiments and Software Description, International Journal of Biomathematics and Biostatistics, 2: 167-180.
Turcotte, D. L (2007) Self-organized Complexity inGeomorphology: Observations and Models, Geomorphology, 91: 302-310.

Files

History

  • Receive Date: 23 May 2021
  • Revise Date: 05 September 2021
  • Accept Date: 07 September 2021

Share

How to cite

Statistics