MÜHJEO 2015: Ulusal Mühendislik Jeolojisi Sempozyumu, 3-5 Eylül 2015, KTÜ, Trabzon

Transkript

1 Granitlerde Tek Eksenli Sıkışma Dayanımının Mineral ve Dokusal Özelliklerle İlişkisi The Relationship Between the Uniaxial Compressive Strength and Mineral and Textural Properties of Granites S. Acar,1,*, H. Ersoy 2 1 TTS Uluslararası Mühendislik ve Mimarlık Ltd. Şti, Kozyatağı, İstanbul 2 Karadeniz Teknik Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, 61 Trabzon (*serhat acar@windowslive.com) ÖZ: Bu çalışmada, Doğu Karadeniz Bölümü ndeki granitik kayaçların dayanım özelliklerinin petrografik özelliklerle ilişkisi aranmış, bu amaçla 9 farklı bölgeden adet örnek temin edilmiştir. Mineralojik tayinler sonucunda monzonit, monzogranit, granodiyorit, siyenogranit ve tonalit olarak adlandırılan kayaçlarda % -45 plajiyoklaz, % 5- ortoklaz, % kuvars ve % 5- oranlarında mafik mineral tespit edilmiştir. Deneyler sonucunda, ağırlıkça su emme değerlerinin % , görünür porozite değerlerinin % ve birim hacim ağırlık değerlerinin kn/m 3 arasında değiştiği belirlenmiştir. Bununla birlikte, tek eksenli sıkışma dayanımı değerlerinin 1-21 MPa, boyuna dalga hızı değerlerinin kuru örneklerde m/sn, suya doygun örneklerde ise m/sn arasında değiştiği görülmüştür. Yapılan değerlendirmeler sonucunda, kuvars gibi sert minerallerin varlığının granitlerin dayanımını arttırmadığı ve tane boyutu büyüdükçe granitlerin tek eksenli sıkışma dayanımlarının kısmen azaldığı belirlenmiştir. Granitlerin mafik mineral içeriğinin artması dayanımı düşürmüştür. En yüksek dayanım tek tip mineralin baskın olduğu granitlerde görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Doğu Karadeniz, Granit, Petrografi, Tek Eksenli Sıkışma Dayanımı ABSTRACT: In this study, relationship between the strength properties and petrographic features of the granitic rocks in Eastern Black Sea Region with was investigated and samples were obtained from 9 different regions for this purpose. According to the mineralogical determinations, in rocks named as monzonite, monzogranites, granodiorite, siyenogranit, and tonalite, %-45 plagioclase, %5- orthoclase, %25-35 quartz, and %5- mafic minerals were identified. As a result of the experiments, it was determined that water absorption percents by weight vary between % , apparent porosity values vary between % , and unit weight of the granites vary between kn/m3. In the meantime, it was observed that uniaxial compressive strength values range between 1-21 MPa, and longitudinal wave velocity values range between m/sn for dry condition, and m/sn for saturated condition. In the light of the evaluations, it was observed that, presence of hard minerals, such as quartz, does not increase the strength of the granites, and increase in grain size couses decrease partially of uniaxial compressive strength of the granites. Increasing the content of mafic mineral reduced resistance. It was determined that the highest strength generally occurs in granites dominated by a monotype mineral. Keywords: Eastern Black Sea, Granite, Petrography, Uniaxial Compressive Strenght 1. GİRİŞ Kaya mekaniği çalışmalarında karşılaşılan en önemli güçlük yeterli büyüklükte ve sayıda numune temin edilmesi ve temin edilen numunelerin deneye uygun hale getirilebilmesi için yapılması gereken işlemlerdir. Bu nedenle birçok araştırmacı, indeks parametreler, nokta yükü dayanım indeksi, Schmidt çekici geri tepme sayısı, ultrasonik hız ve kayaçların petrografik özellikleri gibi basit deney yöntemlerinden elde edilen verileri tek eksenli sıkışma dayanımının (UCS) tahmininde kullanmaktadırlar. Bu çalışmada dokuz farklı bölgeden alınan granitik kayaç kütlelerinden elde edilen küp örnekler üzerinde yapılan deneyler ile kayaçların indeks özellikleri belirlenmiştir. İndeks özellikleri belirlenen 254

2 kayaçlar tek eksenli sıkışma dayanımı testine tabi tutulduktan sonra kırılan her numuneye ait parça üzerinden ince kesit yaptırılmıştır. İnce kesitler mikroskop üzerinde incelenerek, nokta sayım yöntemi ile kayaçların mineral yüzdeleri belirlenmiş ve kayacı oluşturan minerallerin boyut ölçümleri yapılmıştır. 2. ÇALIŞMA ALANININ ÖZELLİKLERİ İnceleme alanı Karadeniz Bölgesinin Doğu Karadeniz Bölümü içerisinde olup, çalışma kapsamında 9 farklı bölgeden alınan granitik kayaçlardan örnekler üzerinde çalışılmıştır. Doğu Karadeniz bölgesinin doğu kesimlerinde yer alan Kaçkar Dağları, Doğu Pontid kuzey zonu içindeki granitotidlerin en yoğun alandır. Bu yörede geniş ölçüde Üst Kretase yaşlı birimlerin ve daha sonraki yenilenmesi ile de Eosen yaşlı birimlerin içine sokulan intrüzif kayalar Güven (1993) tarafından, intrüzyon yaşına bakılmaksızın Kaçkar granitoyidleri adı ile tanımlanmıştır. Üst Kretase yaşlı birimleri kesen ve Eosen birimleri tarafından transgrasif olarak örtülen granitoyidler Kaçkar Granitoyidi-I, Eosen yaşlı birimler içine intrüzyon yapmış granitoyidler Kaçkar Granitoyidi-II olarak ayırt edilmiştir. Çalışmada temin edilen granitik kayaç gruplarının hepsi Kaçkar granitoyidinin bulunduğu alanlardan alınmıştır. Şekil 1. Örnekleme noktaları 3. GRANİTLERİN PETROGRAFİK ÖZELLİKLERİ Bu çalışmada, Doğu Karadeniz Bölümü nün çeşitli yerlerinden derlenen 9 farklı gruba ait granitik kayaç bloklarından 162 adet ince kesit yaptırılmıştır. İnce kesitler mikroskopta incelenerek kaya gruplarının mineral yüzdeleri ve minerallerin ortalama, maksimum ve minimum boyut ölçümleri yapılarak petrografik özellikleri belirlenmiştir (Çizelge 1). İnce kesitler, James Swift (Model MPMBL) marka polarizan mikroskopta ayrıntılı olarak incelenmiştir. Kayaçların mineral yüzdelerinin ve boyut oranlarının belirlenmesi için modal analiz yöntemi kullanılmıştır. Yapılan modal analiz sonucunda elde edilen veriler üçgen diyagramlar üzerine işlenerek kayaçların adlamaları yapılmıştır (Çizelge 2, Şekil 3). 255

3 Çizelge 1. İncelenen granitik kayaçların lokasyonları ve petrografik özellikleri. Örnek Loksayon Doku Mineraloji Kayaç adı 1 İkizdere Porfirik, Monzogranit, granodiorit 2 İkizdere 3 Ilıcaköy 4 İkizdere 5 Çaykara (Trabzon) 6 Çaykara (Trabzon) 7 Dereli (Giresun) 8 Hemşin 9 Ilıcaköy Monzonitik Mikrolitik, Porfirik Porfirik Mikrolitik, Porfirik Porfirik, Monzonitik Porfirik Mikrolitik, Porfirik Porfirik Mikrolitik, Porfirik Hornblend, biyotit hornblend, klorit, sfen hornblend, biyotit klorit, sericite Hornblend, biyotit hornblend, biyotit, klorit hornblend, biyotit, klorit, epidot hornblend, biyotit, klorit, hornblend, biyotit, klorit, epidot, serizit hornblend, biyotit, klorit, Çizelge 2. Örnek gruplarının modal analiz özet çizelgesi Monzogranit, siyenogranit, Monzogranit, granodiorit, kuvars monzonit Monzogranit, granodiorit Monzogranit, granodiorit Monzogranit, granodiorit Siyenogranit, monzogranit Granodiorit, tonalit Granodiorit, monzogranit Örnek Kuvars (%) Plajiyoklaz (%) Ortoklaz (%) Mafik Opak Grupları (%) (%) 1 (n: 18) (n: 19) (n: 17) (n: ) (n: 15) (n: 17) (n: 21) (n: 18) (n: 18) Q (a) : Alkali feldspat granit (b) : Siyeno granit (c) : Monzo granit (d) : Granodiyorit (e) : Tonalit (f) : Kuvars monzonit (g) : Kuvars monzodiyorit (a) (b) (c) (d) (e) 7 A 9 (f) (g) P Q (a) (b) (c) (d) (e) 7 Kayaç Grupları Q (a) (b) (c) (d) (e) 9 (f) (g) 1 9 (f) (g) 1 A P A P Şekil 3. Kayaç gruplarına ait modal analiz sonuçlarının QAP diyagramında dağılımı 256

4 Kayaçların mineralojik bileşimleri kadar içerdikleri minerallerin boyutları da kayaçların mekanik davranışları üzerinde etkili bir parametredir. Bu nedenle bu çalışmada, kayaçları oluşturan minerallerin boyut analizleri yapılarak tek eksenli sıkışma dayanımı ile ilişkisi araştırılmıştır. İstatistiksel ilişkilerde kullanılan veriler Çizelge 3 de sunulmuştur. Çizelge 3. Örnek gruplarının içerdikleri minerallerin boyut analizi özet çizelgesi Örnek Kuvars (%) Plajiyoklaz (%) Ortoklaz (%) Mafik Opak Grupları (%) (%) 1 (n: 18) 6,6,34 1,61 3,,36 1,34 9,,6 3,21,9,17 2 (n: 19) 4,,,96 3,,36 1,8 13,, 1,74,7, 3 (n: 17) 6,, 1,36 4,,32 1,27 11,,48 3,83,69,28 4 (n: ) 3,9, 1,29 5,,56 1,58 18,,52 2,52,99, 5 (n: 15) 6,7, 1,53 3,, 1,18 5,,34 1,35,74,17 6 (n: 17) 7,,6 2, 3,, 1,31 6,, 1,59,85,19 7 (n: 21) 3,, 1,9 1,,,86 8,,68 2,56,69,24 8 (n: 18) 5,26, 1,46 2,9, 1,37 1,,,82, (n: 18) GRANİTLERİN JEOMEKANİK ÖZELLİKLERİ Kayaçların indeks özelliklerinin mekanik davranışlarına doğrudan etkisi olduğu birçok çalışma ile ispatlanmıştır. Bu çalışmada da, Doğu Karadeniz Bölümü nde bulunan farklı granitik kayaç örnekleri üzerinde basit deneyler ve tek eksenli sıkışma dayanımı deneyleri yapılmış ve kayaçların mineralojik ve dokusal özellikleri ile tek eksenli sıkışma dayanımı (UCS) üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Kayaç grupları üzerinde yapılan UCS deneyleri sonucunda; en yüksek ortalama UCS değerine 211 MPa ile 9 numaralı örneklerin, en düşük ortalama UCS değerine 134 MPa ile 7 numaralı örneklerin sahip olduğu görülmektedir. Tüm örnekler içinde hesaplanan maksimum UCS değeri 261 MPa ile 9 numaralı örnek grubu içerisinde, minumum UCS değeri ise 64 MPa ile 7 numaralı örnek grubu içerisinde hesaplanmıştır. UCS parametresi hesaplarında standart sapma değeri ise 16 ile 41 arasında değişmektedir. İstatistiksel ilişkilerde kullanılan UCS değerleri Çizelge 4 te verilmiştir. Kayaç grupları üzerinde yapılan sonik hız ölçüm deneyleri sonucunda; en yüksek doygun sonik hız değerine 5721 (m/sn) ile 8 numaralı, en düşük doygun sonik hız değerine 47 (m/sn) ile 3 numaralı örneğin sahip olduğu belirlenmiştir. Tüm örnekler içinde hesaplanan maksimum doygun sonik hız değeri 5888 (m/sn) ile 8 numaralı örnek grubu içerisinde, minumum doygun sonik hız değeri ise 3759 (m/sn) ile 3 numaralı örnek grubu içerisinde hesaplanmıştır. Doygun sonik hız parametresi hesaplarında standart sapma değeri ise 123 ile 263 arasında değişmektedir. En yüksek kuru sonik hız değerine 5535 (m/sn) ile 8 numaralı, en düşük kuru sonik hız değerine 3888 (m/sn) ile 4 numaralı örneğin sahip olduğu belirlenmiştir. Tüm örnekler içinde hesaplanan maksimum kuru sonik hız değeri 5743 (m/sn) ile 8 numaralı örnek grubu içerisinde, minumum kuru sonik hız değeri ise 3163 (m/sn) ile 3 numaralı örnek grubu içerisinde hesaplanmıştır. Kuru sonik hız parametresi hesaplarında standart sapma değeri ise 12 ile 258 arasında değişmektedir. Su emme deneyleri sonucunda; ortalama değerler dikkate alınarak, en yüksek ağırlıkça su emme değerine %,49 ile 9 numaralı, en düşük ağırlıkça su emme değerine %,22 ile 8 numaralı örneklerin sahip olduğu anlaşılmaktadır. Tüm örnekler için maksimum ağırlıkça su emme değeri %,56 ile 5 numaralı, minumum ağırlıkça su emme değeri ise %,14 ile 8 numaralı örnekte hesaplanmıştır. Ağırlıkça su emme hesaplarında standart sapma değeri ise.2 ile.5 arasında değişmektedir. İstatistiksel ilişkilerde kullanılan ağırlıkça su emme değerleri Çizelge 5 te verilmiştir. Görünür porozite deneyleri sonucunda; ortalama değerler dikkate alınarak, en yüksek görünür porozite değerine % 1. ile 9 numaralı, en düşük görünür porozite değerine %.58 ile 8 numaralı örneklerin 257

5 sahip olduğu görülmektedir. Tüm örnekler için maksimum görünür porozite değeri % 1.47 ile 5 numaralı, minumum görünür porozite değeri ise %.38 ile 8 numaralı örnekte hesaplanmıştır. Görünür porozite hesaplarında standart sapma değeri ise.4 ile.14 arasında değişmektedir. İstatistiksel ilişkilerde kullanılan görünür porozite değerleri Çizelge 5 te verilmiştir. Çizelge 4. Örnek gruplarının boyuna dalga hızı ve tek eksenli basınç direnci deney verileri Örnek Grupları P-Dalga Hızı (Kuru, m/s) P-Dalga Hızı (Doygun, m/s) Tek Eksenli Sıkışma Dayanımı (MPa) 1 (n: 18) (n: 19) (n: 17) (n: ) (n: 15) (n: 17) (n: 21) (n: 18) (n: 18) Su içeriği deneyleri sonucunda; ortalama değerler dikkate alınarak, en yüksek su içeriği değerine %,2 ile 5 numaralı, en düşük su içeriği değerine %,8 ile 1 numaralı örneklerin sahip olduğu görülmektedir. Tüm örnekler için maksimum su içeriği değeri %.24 ile 5 numaralı, minimum su içeriği değeri ise %,3 ile 6 numaralı örnekte hesaplanmıştır. Su içerği hesaplarında standart sapma değeri ise.1 ile.5 arasında değişmektedir. İstatistiksel ilişkilerde kullanılan görünür su içeriği değerleri Çizelge 5 te verilmiştir. Çizelge 5. Örnek gruplarının ağırlıkça su emme, görünür porozite ve su içeriği değerleri Örnek Grupları Ağırlıkça Su Emme (%) Görünür Porozite (%) Su İçeriği (%) 1 (n: 18) (n: 19) (n: 17) (n: ) (n: 15) (n: 17) (n: 21) (n: 18) (n: 18) PETROGRAFİK ÖZELLİKLERİN JEOMEKANİK ÖZELLİKLER ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ Kayaçların mekanik davranışları üzerinde etkili olan en önemli parametreler porozite, su içeriği ve su emme gibi kayaç dokusu ile ilişkili özelliklerdir. Bu nedenle literatürde mekanik özelliklerle indeks özellikler arasından birbirinden farklı birçok istatistiksel ilişki kurulmuştur. Örneğin Lashkaripour (2), Yenice (2), Chen ve Hu (3) Chang vd (6), Yalçınalp vd (8) ve birçok araştırmacı indeks parametrelerden yola çıkarak indeks parametreler ile dayanım özellikleri arasında bir ilişkinin olup olmadığı tespit etmeye çalışmışlardır. Bu çalışmada ise mineral içeriğine bağlı olarak tek eksenli sıkışma dayanımının değişimi araştırılmıştır. Sonuç olarak mineral yüzdesi birbirine yakın olan kayaçlarda tek eksenli sıkışma dayanımının arttığı görülmüştür (Şekil 4). 7 numaralı örnek ayrışma derecesinin yüksek olması nedeniyle değerlendirmelere alınmamıştır. 258

6 kuvars plajiyoklas ortoklas mafik mineral opak mineral Şekil 4. Ortalama mineral yüzdeleriyle ortalama tek eksenli sıkışma dayanımı arasındaki ilişkiyi gösteren histogram Kayaçlarda genel olarak mafik mineral (biyotit ve hornblend) oranı yüzdesinin arasında değiştiği görülmektedir. Homojen mineralli kayaçlarla heterojen mineralli kayaçların mekanik davranışı birbirinden farklı olacağından, bu çalışmada mafik mineral yüzdesinin kuvars. plajiyoklaz ve ortoklaz yüzdesine oranının tek eksenli sıkışma dayanımı üzerindeki etkisi araştırılmış ve düşük mafik mineral yüzdesine sahip kayaçların tek eksenli sıkışma dayanımlarının yüksek mafik mineral yüzdesine sahip kayaçlara göre daha yüksek olduğu sonucuna varılmıştır (Şekil 5) Örnek Grupları Şekil 5. Mafik mineral yüzdesinin tek eksenli sıkışma dayanımı üzerindeki etkisi Bilindiği gibi, ortoklaz ve kuvars düşük sıcaklık mineralleri iken, Ca lu plajiyoklazlar ve yüksek Na lu plajiyoklazlar düşük sıcaklık mineralleridir. Bu kriter dikkate alınarak, plajiyoklaz mineralleri diğer iki mineralden bağımsız tutulmuş ve tek eksenli sıkışma dayanımı Plajyoklas/(Kuvars+Ortoklaz) oranı ile ilişkilendirilmiştir (Şekil 6). Şekil 6 ya göre, genel olarak Plajyoklas/(Kuvars+Ortoklaz) oranı düşük olan kayaçların tek eksenli sıkışma dayanımı yüksek olduğu anlaşılmaktadır. 259

7 Örnek Grupları Şekil 6. Plajyoklas/(Kuvars+Ortoklaz) oranının tek eksenli sıkışma dayanımı üzerindeki etkisi Kayaçların mineralojik bileşimleri kadar içerdikleri minerallerin boyutları da kayaçların mekanik davranışları üzerinde etkili bir parametredir. Bu çalışmada, ortalama tane boyutu ile tek eksenli sıkışma dayanımı arasında ilişkiler araştırılmış ve kayacı oluşturan minerallerin boyutlarının birbirine yaklaşık eşit olmasının dayanımı azaltmakta olduğu minerallerin boyutları arasında farklılık olmasının ise kayaçların dayanımını arttırmakta olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, mineral boyutunun küçülmesinin tek eksenli sıkışma dayanımını arttırdığını da göstermektedir. Aslında tane boyutunun yaklaşık eşit olması tek eksenli sıkışma dayanımını arttıran bir özellik olabilir. Ancak incelenen kayaçlardaki ortoklazın ortalama tane boyutunun diğer minerallere göre yüksek olması (yer yer 1cm) granitik kayaçların dayanım parametresinde ortoklazın çok etkin olduğu sonucunu doğurmuştur (Şekil 7) Şekil 7. Minerallerin boyutlarının tek eksenli sıkışma dayanımı üzerindeki etkisi 5. SONUÇLAR Bu çalışmada, petrografik parametreler ve tek eksenli sıkışma dayanımı arasında ilişkiler araştırılmıştır. Petrografik veriler ve tek eksenli sıkışma dayanımı verileri aynı grafikler üzerine düşürülerek arasındaki ilişkiler incelenmiştir. Petrografik incelemeler sonucu mineral yüzdesi birbirine yakın olan kayaçlarda tek eksenli sıkışma dayanımının arttığı ve düşük mafik mineral yüzdesine sahip kayaçların tek eksenli sıkışma 26

8 dayanımlarının yüksek mafik mineral yüzdesine sahip kayaçlara göre daha yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Çalışmada kayacın yaklaşık %85-9 ını oluşturan kuvars, plajiyoklaz ve ortoklaz ile tek eksenli sıkışma dayanımı arasında bir ilişki araştırılmış. Bu ilişki araştırılırken, ortoklaz ve kuvarsın düşük sıcaklık minerali, ancak Ca lu plajiyoklazların yüksek Na lu plajiyoklazların düşük sıcaklık mineralleri olması göz önüne alınmış ve plajiyoklaz mineralleri diğer iki mineralden bağımsız tutularak tek eksenli sıkışma dayanımı değerleri Plajyoklas/(Kuvars+Ortoklaz) oranı ile ilişkilendirilmiştir. Bu çalışmanın sonucunda Plajiyoklaz/(Kuvars+Ortoklaz) oranı arttıkça kayacın tek eksenli sıkışma dayanımının düştüğü gözlenmiştir. Petrografik incelemeler sonucunda granitik kayacı oluşturan minerallerin boyutlarının birbirine yakın değerlerde olması tek eksenli sıkışma dayanımını azalttığı, mineral boyutlarının birbirinden farklı değerlerde olması ise tek eksenli sıkışma dayanımını arttırdığı gözlenmiştir. Ortaya çıkan sonuçta ortoklazın ortalama tane boyutunun diğer minerallere göre yüksek olması (yer yer 1cm) göz önüne alınırsa granitik kayaçlardaki dayanım parametresinde ortoklazın önemli bir rol oynadığını göstermektedir. Çalışmada benzer indeks ve petrografik özelliklere sahip kayaçlarda dahi farklı dayanım değerleri elde edilmiştir. Her ne kadar taze ve ayrışmamış granit örnekleri seçilmiş olsa da, özellikle bazı ince kesitlerde serisitleşme ve kaolenleşme izlerine rastlanmıştır. Bu durum, deney sonuçlarını etkilemektedir. Bu nedenle bu tür çalışmalarda ayrışma şekli ve derecesi mutlaka bir girdi parametresi olarak düşünülmelidir. 6. KAYNAKLAR Chang, C., Zoback, M. D., Khaksar, A., 6. Empirical relations between rock strength and physical properties in sedimentary rocks. Journal of Petroleum and Engineering, 51, Chen, H., Hu, Z., 3. Some factors affecting the uniaxial strength of weak sandstones. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 62, Ersoy, H., Kanık, D., 12, Multicriteria decision-making analysis based methodology for predicting carbonate rocks uniaxial compressive strength, Earth Sciences Research Journal, 16(1), Güven, İ.H., Doğu Pontidlerin Jeolojisi ve 1/2. Ölçekli Kompilasyonu, MTA Yayınları, Ankara. Kılıç, A., Teymen, A., 7. Determination of mechanichal properties of rocks using simple methods. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. Lashkaripor, G.R., 2. Predicting mechanical properties of mudruck from index parameters. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 61, Sönmez, H., Gokceoglu, C., Ulusay, R., 4. Indirect determination of the modulus of deformation of rock masses based on the GSI system. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 41(5), Tuğrul A., Zarif, I.H., Correlation of mineralogical and textural characteristics with engineering properties of selected granitic rocks from turkey. Engineering Geology, 51, Yalçinalp, B., Ersoy, H., Ersoy, A.F., Keke, C., 8. Bahçecik (Gümüşhane) travertenlerinin jeolojik ve jeoteknik özellikleri. Jeoloji Mühendisliği Dergisi, Yenice, H., 2. Bazı Kayaçların tek eksenli basınç dayanımları ile diğer malzeme özellikleri arasındaki ilişkiler. D.E.Ü. Mühendislik Fakültesi, Fen ve Mühendislik Dergisi, 4,