JEOTERMAL SU KİMYASI

Transkript

1 JEOTERMAL SU KİMYASI Doç. Dr. Gültekin Tarcan Dokuz Eylül Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Bornova-İZMİR ÖZ Bu çalışma jeotermal enerji araştırmalarında kullanılan bazı hidrojeokimyasal tekniklerin tanıtımını ve uygulanabilirliğini kapsamaktadır. Bir jeotermal alan için uygulanabilecek hidrojeokimyasal teknikler; 1- Araştırma aşamasında, 2- Geliştirilme aşamasında ve 3- İşletme ve kullanım aşamasında olmak üzere 3 grupta incelenebilir. Bu kapsamda Batı Anadolu nun çeşitli jeotermal alanlarında uygulanmış bazı örnekler ve yorumlar sunulmuştur. Bu örnekler Batı Anadolu jeotermal sahalarına ilişkin bir kısım hidrojeokimyasal yorumları içerse de bu çalışmanın esas amacı bu sahaların jeotermal özelliklerinden çok bu tekniklerin uygulanabilirliğini ve geçerlilik sınırlarının tanıtılmasıdır. Jeotermal araştırmalarda kullanılan hidrojeokimyasal teknikler a) Suların genel kimyasal özelliklerinin araştırılması (su kimyası), b) Suların çökeltici ve çözündürücü özelliklerinin araştırılması (mineral doygunluk indekslerinin saptanması), c) Suların haznedeki akışkan sıcaklıklarının ve kimyasal özeliklerinin tahmin edilmesi (jeotermometre uygulamaları) ve d) jeotermal jeokimyasında kullanılan bilgisayar programları ve watch örneği olarak 4 grupta incelenmiştir. 1. GİRİŞ Hidrojeokimya yeraltı sularının kimyasal özelliklerinin ve kalitelerinin belirlenmesi, kökenlerinin araştırılması, yüzey ve yağış suları ile olası ilişkilerinin incelenmesi, yeraltı sularının kirlenmesi ve iyileştirilmesi gibi problemlerin çözülmesi ve benzeri araştırmalarda kullanılan hidrojeolojik çalışmaların vazgeçilmez bir parçasını oluşturur. Her jeotermal araştırma programının önemli bir kısmını da hidrojeokimyasal teknikler oluşturur. Özellikle derin sondaj öncesinde yeraltındaki akışkan ve derinlerdeki koşulların saptanmasında, yeni jeotermometre tekniklerin geliştirilmesiyle, ucuzluğu ve hızlı yorumlanabilmesi gibi bir çok avantajı da beraberinde taşımaktadır. Kavram olarak hidrojeokimyasal teknikler bir çok eser element ve izotop jeokimyasını, kaya kimyasını ve gazların jeokimyasını da kapsamaktadır. Burada çoğunlukla akışkan kimyasına ilişkin hidrojeokimyasal tekniklerin tanıtılması üzerine yoğunlaşılmıştır. Bir jeotermal alan için uygulanabilecek hidrojeokimyasal teknikler: 1- Araştırma aşamasında, 2- Geliştirilmesi aşamasında ve 3- Üretim, işletme ve kullanım aşamasında olmak üzere 3 grupta incelenebilir (Çizelge 1). 198

2 Çizelge 1. Jeotermal Kaynakların Araştırılması, Geliştirilmesi ve İşletilmesi Aşamalarında Kullanılabilen Hidrojeokimyasal Teknikler (Arnorsson, 2000 den değiştirilerek) A Araştırma aşaması çalışmaları 1 Beslenme alanlarının yeri, jeotermal akışkanların ve yeraltı sularının akım yönünün değerlendirilmesi 2 Yeraltındaki akışkan sıcaklığının (hazne sıcaklığının) tahmini 3 Jeotermal sistemlerdeki sıcak ve soğuk su karışımının değerlendirilmesi 4 Jeotermal sistemlerdeki su ve buhar kalitesinin (kimyasal özelliklerinin) değerlendirilmesi B Geliştirilme aşaması çalışmaları 1 Kuyulardan çekilen su ve buhar bileşenlerinin kontrol süreci olarak değerlendirilmesi 2 Kuyularda üretim seviyelerinin yeri 3 Sondaj yapılan bir jeotermal sistem içindeki akışkan hareketinin değerlendirilmesi 4 Kaynama yapan jeotermal akiferlerdeki su / buhar oranlarının değerlendirilmesi 5 Akışkanların korozyon ve kabuklaşma eğilimlerinin değerlendirilmesi 6 Hedeflenen kullanımlar için su ve buhar kalitelerinin sayısal olarak değerlendirilmesi 7 Planlanan kullanımların çevresel etkilerinin değerlendirilmesinde katkı C Üretim-İşletme-Denetleme aşaması çalışmaları 1 Kuyulardan çekilen akışkanların kimyasal bileşimindeki değişimlerin kontrolü 2 Su ve buhar üretilen kuyulardan üretim yapılan akiferlerde kaynama sürecinin değerlendirilmesi 3 Çekimle (üretimle) birlikte hazneye soğuk su girişinin değerlendirilmesi 4 Deniz kıyısında bulunan jeotermal akiferlerde deniz suyu beslenmesinin ve bunun su kalitesi üzerine etkisinin değerlendirilmesi 2. SULARIN GENEL KİMYASAL ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI 2.1. Hidrojeokimyasal değerlendirmeler Araştırılması planlanan jeotermal alanda daha önceden yapılan jeolojik ve hidrojeolojik çalışmalarda belirlenmiş ve haritalanmış olan bütün sıcak ve soğuk su noktalarından örnekler alınarak kimyasal analizleri yaptırılır. Kimyasal analiz için (sayısal olarak) belirli bir sınırlama varsa, örneklenecek su nektarları alanı en iyi karakterize edecek şekilde seçilerek belirlenmelidir. Eğer koşullar uygunsa ve projede belirli kaynak varsa örneklemeler birer ay ara ile en az bir hidrolojik yıl boyunca olacak şekilde periyodik olarak seçilmelidir. Örnekleme sıklığı araştırma amacına göre de değişebilir. Örneğin yeni açılmış bir kuyuda pompayla çekim aşaması boyunca akifer kimyasındaki değişmeleri araştırmak için günlük, saatlik ve hatta dakika ölçeğinde bile örnekleme yapılabilir. Araştırılacak parametreler başlıca çözünmüş iyon ve bileşikler, ikincil olarak çözünmüş iyon ve bileşikler ve az çözünmüş bileşikler olarak sınıflanabilir (t 0 C, EC, Eh, ph, TDS, Na, K, Ca, Mg, Cl, Alkalinite-HCO 3 olarak, SO 4, N, N 2, NO 2, NH 4, NO 3, NH 3, H 2 S, SiO 2, B, F, Al, Fe, Li, Sr, Ba, Br, Mn, P, Pb, Zn, As, Cd,.). Arazide amaca uygun olarak örneklenecek su noktası seçiminde her arazinin kendine göre değişik özellikleri (jeolojik ve hidrojeolojik koşulları) dikkate alınmalıdır. Örneklemelerde en iyi yorum yapabilmek için yöredeki değişik su türlerinden (karşılaştırmak amacıyla) örneklemeler yapılmalı ve gerekirse şahit örnekler seçilmelidir. Örneğin denize yakın bir alanda bulunan sıcak su noktası için (kaynak veya kuyu) bu sıcak su noktasına ilaveten hem yöredeki soğuk yeraltı 199

3 suları, hem de deniz suyu örneklenerek analizleri yapılmalıdır. Ayrıca, suların fizikokimyasal özelliklerinde zamana bağlı parametre değişimleri incelenmelidir. Jeotermal akışkanların (termal ve mineral suların) hidrojeokimyasal değerlendirilmesi için çözünmüş iyon ve bileşiklerin termodinamik davranışlarının bilinmesi gerekir. Tüm çözeltilerde olduğu gibi jeotermal akışkanların içindeki bir bileşiğin termodinamik hareketi ise bu bileşiğin derişimi (konsantrasyonu) yerine etkinliğiyle belirlenmektedir. Çözünmüş bir iyon veya bileşiğin etkinliğini laboratuvarda ölçmek olası değildir. Laboratuarda kimyasal analiz sonucunda ölçülen iyon ve bileşikler çoğu kez litrede miligram (mg/l), l kilogramda miligram (mg/kg), milyonda bir kısım (ppm=part per million) olarak belirlenir. Sulu çözeltilerde bu derişim birimleri yaklaşık özdeştir. Bir çok hidrojeokimyasal değerlendirme çözünmüş her bir iyonun eş değer ağırlığının (mili ekivalan değerinin=mek/l) ve yüzdelerinin belirlenmesi ile molaritelerinin (su için molalite=molarite) hesaplanması ile yapılmaktadır. Kısaca mek/l ve M olarak belirtilen bu kavramlar ve molarite de mek/l = Ci/Pi/Zi..(1) M i = Ci/Pi x (2), denklemleriyle tanımlanır. Bağıntılardaki simgeler aşağıda belirtilmiştir. Ci = Her bir iyonun derişimi (mg/l, mg/kg veya ppm) Pi = Her bir iyonun formül gram ağırlığı Zi = Her bir iyonun değerliği (+ veya yük sayısı) Bir iyonun etkinliği (a i ) a i =M i. γ i (3) (γ i = iyon etkinlik katsayısı) bağıntısıyla hesaplanır. İyon etkinliği çözeltideki iyonların tepkimelerdeki hareketinin miktarını açıklamaktadır. Yani sudaki iyonun analiz edilen derişiminin gerçek derişime dönüştürülmesinin bir ifadesidir. Laboratuarda analiz edilen değerler o iyon veya bileşiğin gerçek görünümünü yansıtmazlar. Bu nedenle mg/l ve benzeri analiz derişim birimleri iyonun görünür (zahiri) derişimini, iyon etkinliği ise gerçek derişimini tanımlamaktadır. İyon etkinlik katsayısı (γ i ) derişimin gerçek değerlerden sapmasının bir ölçüsüdür ve tuzluluk ile yakın ilişkilidir. Seyreltik çözeltilerde etkinlik katsayısı 1 e eşit olup, tuzluluk arttıkça etkinlik katsayısı da 1 den farklı (daha düşük) değerler alır. Tuzlulukla ilişkili termodinamik bir terim olan İyonlaşma Gücü veya İyonik kuvvet (I); (I):0.5 ΣC i Z i 2.(4) (C = her bir iyonun molarite olarak derişimi, Z i = Her bir iyonun değerliği) bağıntısıyla tanımlanır. 200

4 Seyreltik suların iyonlaşma güçleri düşük, derişik sularınsa yüksek değerdedir. Örneğin deniz sularının iyonlaşma gücü 0.7 (mol) civarında iken, seyreltik tatlı sular (göl suyu, akarsu, yeraltı suyu vb) (mol) gibi değerler alabilmektedirler. Çözünmüş bileşiklerin iyon etkinlik katsayılarının (γ nın) hesabı için iyonlaşma gücü 0.1 ile 0.5 arasında değişen derişik sularda; Davies Bağıntısı : [log γ i = -A Z i 2 ( I 0.5 / 1+ I I)].(5) kullanılır. 0.5 den yüksek olan aşırı derişik sularda ve salamuralarda Pitzer denklemleri kullanılmalıdır. Ancak hidrojeolojik incelemelerin çoğu konusunu oluşturan sular genellikle 0.5 den düşük iyonlaşma gücüne sahiptir. Deniz suyu bu sınırın biraz yukarısında kaldığından zaman zaman deniz suyu için de Davies bağıntısı kullanılabilir. İyonlaşma gücü (molarite olarak) 0.1 den düşük olan tüm diğer sularda Debye-Hückel Bağıntısı : [log γ i = -A Z i 2 I 0.5 / 1 + Br o I 0.5 )... (6) kullanılır. 5 ve 6 nolu bağıntılardaki A ve B sabitleri sıcaklık ve basınca bağlı parametreler olup, yapılan hesaplamalarda suların sıcaklıklarına uygun parametreler kullanılmalıdır. Örneğin 20 0 C sıcaklıklı sular için A=0.505, B= olarak alınmalıdır (Çizelge 2). Çizelge 2. A ve B katsayılarının çeşitli sıcaklıklara göre değişimi (Helgeson vd., 1981) t 0 C A B t 0 C A B t 0 C A B Hidratlaşma yarıçapı olan r 0 ise K + ve Cl - için 3, Na +, HCO 3 - ve SO 4 = için 4, CO 3 = için 4.5, Ca ++ için 6 ve Mg ++ için 8 olarak alınmalıdır. Suların kimyasal analizlerinde yapılabilecek hatalar anyon katyon dengesinden e = [(Σ Katyon - Σ Anyon) / Σ iyon] x 100 (mek/l).. (7) bağıntısıyla hesaplanabilir. Pozitif değerler katyon fazlalığını, negatif değerler ise anyon fazlalığını gösterir. Hata yüzdesinin genellikle % 5 den düşük olması istenir. Ancak suların analizi sırasında yapılan hatalar dışında da bu oran bazen (özellikle seyreltik sularda) % 5 den yüksek olabilir. Bu durumda sularda analizi yapılmamış olan iyon türlerinden bazılarının suda baskın olduğu yorumu yapılabilir (Ford ve Williams, 1989). 201

5 Tüm hidrojeolojik çalışmalarda kullanılan geleneksel su kimyası değerlendirmeleri araştırıcının alışkanlıkları ve alanın özgün koşullarına göre veya jeotermal akışkanların kullanma amacına göre uygulanabilir. Örneğin bir termal su aynı zamanda bir mineral su kaynağı (yani maden suyu) olarak şişelenmekteyse, içme sularına yönelik hidrojeokimyasal değerlendirmeler yapılmalıdır. Eğer termal su kaynağı tarımsal sulamada da kullanılıyor veya tarımsal sulamada kullanılan yüzey veya yeraltı sularını etkiliyorsa sulama amaçlı kullanılan hidrojeokimyasal değerlendirmeler de yapılmalıdır. Hidrotermal suların mineral çökeltme özelliklerinin belirlenmesi de hemen her su noktası için çok önemli parametrelerden birisidir. Özellikle en çok çökel ürünü olarak gözlenen kalsit, dolomit ve jips doygunluk indeksleri hesaplanarak mineralin çökelebilme özellikleri de araştırılmalıdır. İleriki bölümlerde daha ayrıntılarıyla belirtileceğinden burada yalnızca ismen bahsedilmiştir. Pozitif doygunluk indeksi çökeltici özelliğe, negatif doygunluk indeksi ise çözündürücü özelliğe karşılık gelir. Buna göre bu yukarıda kısaca anlatılan bazı temel hidrojeokimyasal bağıntılar Excel bilgisayar paket programına uyarlanarak, çalışmalara hız ve kolaylık sağlanabilir. Laboratuardan mg/l olarak elde edilen kimyasal analiz sonuçları girilerek, bütün hidrojeokimyasal hesaplamalar her bir su noktası için çizelgeler olarak doğrudan elde edilebilir. Burada Gülbahçe Kaplıcası (Urla-İzmir) sularının hidrojeokimyasal değerlendirilmesi örnek olarak verilmiştir (Çizelge 3). Bu çizelgedeki hidrojeokimyasal hesaplamalar 25 0 C ve 1 atm basınç koşullarında yapılarak aşağıda kısaca belirtilmiştir. Çizelgenin oluşturulmasında kullanılan bazı bağıntılar, parametreler ve termodinamik denge sabitleri (yukarıda özetlenen) Helgeson vd., (1981), Ford ve Williams (1989), Şahinci (1991a) ve Fetter (1994) den derlenerek alınmıştır. Çizelge 3. Gülbahçe Kaplıcası (Urla-İzmir) Sularının Bazı Hidrojeokimyasal Özellikleri (Ham veriler Tarcan 2001a dan alınmıştır) [C:molarite, Z:değerlik, F:iyon etkinlik katsayısı (açıklamalar için metne bakınız), AC: C (mol/l) x F] Örnek Adı: Gülbahçe Kaplıcası Lab no. DEÜ 3 ph = 6,75 Örnekleme Tarihi: Sıcaklık 37 o C EC(µmho/cm) İYON mg/l meq/l % meq/l % mg/l C (mol/l).5cz 2 γ AC Na ,17 77,83 82,3 0, ,2436 0,69 0,3356 K ,05 1,93 3,5 0, ,0060 0,69 0,0083 Ca ,65 8,09 7,5 0, ,0506 0,23 0,0057 Mg ,07 12,15 6,8 0, ,0761 0,23 0,0086 Cl ,43 90,00 86,8 0, ,2662 0,69 0,3668 HCO ,20 0,54 0,9 0, ,0016 0,69 0,0022 SO4 = ,94 9,46 12,3 0, ,0559 0,23 0,0063 Toplam Katyon Miktarı (meq/l) 625,937 Toplam Katyon Miktarı (mg/l) 13610,0 Toplam Anyon Miktarı (meq/l) 591,562 Toplam Anyon Miktarı (mg/l) 21770,0 Toplam İyon Miktarı (meq/l) 1217,499 Toplam İyon Miktarı (mg/l) 35380,0 İyonlaşma Gücü (mol/l) 0,700 % e (Hata Yüzdesi) 2,82 SAR (Sodyum Ad. Oranı) (%) 61,203 Sertlik (Fr) 633,59 rcl / (rso 4 +rhco 3 ) Oranı 9,004 rca/rmg Oranı 0,67 SIc (Kalsit Doygunluk İndeksi) 0,079 SIj(Jips Doygunluk İndeksi) 0,17 SId(Dolomit Doygunluk İndeksi) 0,557 LogPCO 2 (CO 2 ) Kısmi Basıncı) -1,56 Fo (Köpürme Katsayısı) 31144,4 SiO 2 (mg / l ) 33,00 Hidrokimyasal fasiyes tipi: Na-Cl B +++ (mg / l ) 202

6 Çizelge 3 de belirtilen diğer hidrojeokimyasal değerlendirmeler ve simgeler aşağıda kısaca belirtilmiştir. Suların kaynarken köpürme katsayısı (Fo) = 62 rna rk (8) (r = meq / l) bağıntısıyla bulunur (Şahinci, 1991a dan alınmıştır). Fo, <60 ise kaynarken köpürmeyen su, 60<Fo<200 ise kaynarken köpüren su ve Fo>200 ise kaynarken çok köpüren su özelliğini yansıtır. Sulama amaçlı sodyum tehlikesi; SAR = Na + / [(Ca ++ + Mg ++ ) / 2) 0.5 ].....(9) bağıntısıyla bulunur. Suların sertliği; Toplam Fransız Sertliği olarak tanımlanmış olup, pratik olarak Toplam Sertlik = 5 (rca ++ + rmg ++ )... (10) bağıntısıyla (r=mek/l) bulunabilir. Suları birbiri ile karşılaştırmak, iyonlar arası etkileşimlerini araştırmak ve diyagramlara işlenmesindeki hesaplamaları kolaylaştırmak için hesaplanan iyonik oranlar, anyonlarla katyonların ayrı ayrı % mek/l ve % mg/l değerleri ile IAH (Uluslararası Hidrojeologlar Birliği) sınıflamasına göre belirlenen hidrokimyasal fasiyes tipi diğer hidrojeokimyasal değerlendirmeler arasındadır. Hidrokimyasal fasiyes kavramı ilk olarak suların üçgen diyagramlardaki izdüşüm yerine göre Back (1966) tarafından geliştirilmiştir. Buna göre suda çözünen başlıca iyonlardan anyonlar ve katyonlar ayrı ayrı olmak üzere mek/l cinsinden % 50 den fazla olan iyonlar hidrokimyasal fasiyes tipini belirtmektedir. Eğer iyonların hiçbirisi miktar olarak % 50 yi geçmiyorsa karışık su tipini belirtmektedir. Uluslararası Hidrojeologlar Birliği sıcak ve mineralli sular komisyonu çalışma raporunda belirtilen sınıflamada ise suda çözünmüş başlıca iyonlar anyon ve katyonlar ayrı ayrı olmak üzere yine mek/l olarak % 20 den fazla çözünmüş bulunan iyonlar (önce katyonlar sonra anyonlar sırasıyla yazılarak) su tipini belirlemektedir (Başkan ve Canik, 1983). Bu örnekte belirtilen hidrokimyasal fasiyes kavramı IAH sınıflamasına göre uyarlanarak kullanılmıştır Suda Çözünmüş bileşenler arasındaki ilişkilerin değerlendirilmesi Suda başlıca çözünmüş (en çok çözünen) maddeler (Na +, Ca +2, Mg +2, Cl -, HCO 3 -, SO 4-2, SiO 2 ); ikincil çözünmüş maddeler (K, Fe, B) ve az çözünmüş maddeler (örneğin, Li, Cu, Mn, Ni, Pb) arasındaki ilişkiler de hidrojeokimyasal değerlendirmelerin önemli bir kısmını oluşturabilir. Burada Turgutlu Kaplıcaları sularının kimyasal analizleri örnek olarak verilmiştir (Çizelge 4). Yapılan değerlendirmelerde içme suları standartlarında (TS-266, 1997) belirtilen limitler karşılaştırılmalıdır. Örneğin, ikincil ve az çözünen bileşenler çoğunlukla üst limitlerin altında bulunmaktadır. Demir, bakır ve mangan iyonlarında sıcak ve soğuk sular arasında herhangi bir ayrım bulunmamaktadır. Nikel ve kurşun elementleri sıcak sularda kısmen daha fazla bulunmaktadır. Lityum iyonunda ise bu farklılık oldukça çarpıcı durumdadır. Özetle jeotermal sularda lityum çözünürlüğü soğuk sulara oranla çok yüksektir. 203

7 Çizelge 4. Turgutlu Kaplıcaları ve Çevresindeki Sıcak ve Soğuk Suların Kimyasal Analizleri (Tarcan, 1995 den derlenmiştir). Tüm derişimler mg/kg; EC µs/cm; ph standart birim; t=ölçülmüş kaynak sıcaklığı ( 0 C) No Örnek t ph EC Na K Ca Mg Cl HCO 3 SO 4 SiO 2 H 3 B0 3 Fe Sr Li Cu Mn Ni adı 1 HS1 76 7, ,53 68,60 0,28 3,76 1,433 0,009 0,002 2 HS2 70 7, ,75 51,45 0,28 3,02 1,424 0,008 0,002 0,158 3 HS3 76 6, ,75 45,74 0,23 2,66 1,424 0,008 0,147 4 HS4 75 6, ,97 74,32 0,34 2,74 1,433 0,006 0,004 0,174 5 HS5 73 6, ,97 57,17 0,13 3,04 1,496 0,004 0,009 0,152 6 HS6 32 7, ,85 51,45 0,25 2,52 1,433 0,008 0,012 0,179 7 HS7 77 6, ,75 57,17 0,20 2,80 1,415 0,008 0,002 0,163 8 HS8 64 6, ,97 62,89 0,19 2,63 1,424 0,008 0,015 9 HS9 40 6, ,19 68,60 0,29 2,63 1,46 0,024 0,002 0, HS , ,97 51,45 0,25 2,85 1,46 0,008 0,13 11 HS , ,97 51,45 0,34 2,91 1,5 0,011 0,034 0,19 12 HS , ,97 45,74 0,14 2,58 1,5 0,01 0,018 0, HS , ,97 34,30 0,15 2,85 1,451 0,007 0,002 0,12 14 HS , ,63 40,02 0,13 2,63 1,5 0,01 0,005 0, HS , ,31 16 HS , ,17 57,17 0,32 2,62 1,484 0,026 0,037 0, CS1 20 7, ,19 57,17 0,18 3,95 1,342 0,014 0,002 0, CS2 21 7, ,31 57,17 3,92 1,794 0,008 0, CS3 * 7, ,24 3,43 0,19 0,76 0,085 0,011 0, CS4 * 7, ,69 1,72 0,06 1,50 0,006 0,14 0, CS5 * 7, ,68 22 S1 * 7, ,63 6,86 0,06 1,20 0,078 0,009 0, DW1 * 6, DW2 * 6, ,82 25 DW3 * 7, ,14 10,29 0,05 1,08 0,078 0,005 0, DW4 * 7, ,92 5,72 0,06 0,98 0,014 0,008 0, DW5 * 6, ,26 28 DW6 * 6, ,70 4,00 0,06 0,93 0,02 0,006 0, DW7 * 6, ,24 30 DW8 * 7, ,82 31 DW9 * 7, ,48 32 DW10 * 7, ,48 33 DW11 * 7, ,26 34 DW12 * 7, ,26 35 DW13 * 7, ,48 36 DW14 * 7, ,82 37 DW15 * 7, ,60 38 DW16 * 7, ,24 39 DW17 * 7, ,02 40 DW18 * 7, ,36 41 DW19 * 7, ,02 42 DW20 * 8, ,02 43 DW21 * 7, ,02 44 SW1 * 7, ,36 45 SW2 * 7, ,26 46 SW3 * 7, ,04 47 SW4 * 7, ,36 48 RW * 7, ,34 HS= sıcak su kaynağı, CS=soğuk su kaynağı, S=akarsu, DW=derin kuyu, SW=sığ kuyu, RW=yağmur suyu. Soğuk suların sıcaklığı düzenli ölçülmemiş olup, 18 0 C kabul edilmiştir. Örnek adları ve numaraları Tarcan 1995 de ve Tarcan ve Filiz, 1997 de belirtildiği gibidir. 204

8 Bu nedenle ilerideki bölümlerde de değinildiği gibi hazne sıcaklıklarının saptanmasına yönelik lityum jeotermometreleri geliştirilmiştir. Suda çözünmüş bileşenler arasındaki ilişkilerin araştırılması birçok hidrojeokimyasal problemlerin çözümünde yardımcı olabilir. Özellikle alandaki varolan ve/veya baskın hidrojeokimyasal süreçleri belirlemede oldukça önemlidir. Bileşenler arasındaki ilişki araştırmanın basit yollarından birisi de bileşenlerin doğrusallık ilişkisinin regresyon analiziyle belirlenmesidir. Bir çok hazır istatistiksel program doğrusallık ilişkisini korelasyon matrisi olarak da verebilmektedir. Burada örnek olarak verilen korelasyon matrisi Aquachem programından (Calmbach, 1997) alınmıştır. Bilindiği gibi y = a + bx şeklinde tanımlanan bir doğruda a doğrunun y eksenindeki kestiği noktayı, b ise doğrunun eğimini yansıtır. Yani a sabit katsayı, b ise eğim katsayısı olarak da adlandırılabilir. Doğrunun iyi bir doğrusallık ilişkisinde olup olmadığı hesaplanan korelasyon katsayılarının (r) değerlendirilmesiyle anlaşılır. Pozitif (+) korelasyon iki parametre arasındaki doğru orantıyı, negatif (-) korelasyon ise ters orantıyı belirtir. Korelasyon katsayısı sıfır ile bir arasında değişen (0< r <1) bir parametre olup, 1 e yaklaşan değerler iyi bir doğrusal ilişki olduğunu belirtir. Yorumlamalarda çok dikkatli olunmalı ve belli bir güven aralığı verilmedikçe herhangi iki parametre arasında değerler hesaplanmamalıdır. Ancak iki parametre arasında ilişki olup olmadığı şeklinde yorumlanmalıdır. Aquachem gibi programlar korelasyon matrisi yanı sıra, doğru denkleminde belirtilen a ve b katsayılarını da matris halinde verebilmektedir. Ancak burada (Çizelge 5 de) iyonlar arasında oluşturulan doğru denklemlerinden ziyade doğrusal ilişki olup, olmadığı ele alınmıştır. Çizelge 5 de gösterilen korelasyon matrisinde görüleceği gibi sodyum iyonu bikarbonat iyonuyla oldukça iyi bir doğrusal ilişki (r=0.98) ve doğru orantı (pozitif korelasyon) gösterir. Tersine kalsiyum ve magnezyum iyonlarıyla hem HCO 3 hem de sodyum iyonu kötü bir doğrusal ilişki (r<0.6) ve negatif korelasyon (r=-) belirtir. Bu veriler de bize alandaki egemen hidrojeokimyasal oluşumlar hakkında fikir verebilir. Örneğin ilk akla gelebilecek olay; eğer alanda yalnızca çözünme tepkimelerinin egemenliği olmuş olsa (özellikle mermer hazneden gelen sular için) kalsiyum (ve/veya magnezyum) ile bikarbonat iyonları arasında yaklaşık eğimi 0.5 olan çok iyi bir doğrusal ilişki olması gerekirdi. Oysa çizelgeden de görüleceği üzere iyi bir doğrusal ilişki yerine en kötü doğrusal ilişki bu iyonlar arasında görülmektedir. Özetle bu doğrusallık analizinin bir yorumu yapılacak olursa, inceleme alanındaki sularda sodyum ve bikarbonat iyonları doğru orantılı olarak artmakta ve aralarında oldukça iyi bir doğrusallık ilişkisi bulunmaktadır. Kalsiyum ve magnezyum iyonları ise sodyum ve bikarbonat iyonları ile hiçbir doğrusal ilişki kurulamayacak veriler göstermektedir. Bütün bu veriler alandaki sıcak suların kimyasal yapılarının şekillenmesinde karbonatların ve silikatların çözünürlük tepkimeleri ile birlikte, doğal yumuşatma tepkimesi olarak isimlendirilebilen iyon değişim tepkimeleri, karışım olayları (sıcak su soğuk su karışımı, ve/veya farklı beslenmeli suların karışımı) ve bu gibi oluşumların da olabileceğini göstermektedir. Sıcak sular yüzeyleyinceye kadar çeşitli oranlarda soğuk yeraltı sularıyla karışırlar. Bu karışım oranlarına ileriki bölümlerde değinilecektir. 205

9 Çizelge 5. Turgutlu-Urganlı Jeotermal Alanından Gelen Sulardaki Kimyasal Parametrelerin Korelasyon Katsayıları (doğrusallık ilişkileri). Na K Ca Mg Cl HCO 3 SO 4 SiO 2 B Fe Sr Li Mn Cu Ni ph EC (48) (48) (48) (48) (48) (48) (48) (48) (22) (22) (23) (22) (15) (23) (21) (48) (48) Na 1,00 0,94-0,58-0,47 0,51 0,98-0,33 0,94 0,92 0,50 0,91 0,99-0,96 0,17 0,94-0,44 0,95 K 1,00-0,53-0,30 0,65 0,95-0,31 0,86 0,79 0,39 0,85 0,97-0,06 0,15 0,83-0,40 0,93 Ca 1,00 0,65-0,15-0,48 0,58-0,58-0,62-0,24-0,65-0,57 0,86 0,16-0,55 0,04-0,40 Mg 1,00 0,32-0,38 0,62-0,39-0,64-0,38-0,59-0,72 0,95-0,12-0,62 0,06-0,23 Cl 1,00 0,55 0,01 0,55 0,25 0,08 0,40 0,91 0,93-0,01 0,37-0,27 0,66 HCO 3 1,00-0,35 0,90 0,89 0,50 0,86 0,99-0,75 0,28 0,93-0,52 0,96 SO 4 1,00-0,23-0,67-0,47-0,63-0,76 0,85-0,34-0,67 0,08-0,17 SiO 2 1,00 0,90 0,47 0,90 0,94-0,93 0,05 0,88-0,43 0,93 B 1,00 0,60 0,87 0,91-0,77 0,30 0,92-0,36 0,91 Fe 1,00 0,40 0,47-0,20 0,20 0,73-0,34 0,49 Sr 1,00 0,90-0,70 0,16 0,86-0,14 0,87 Li 1,00 0,52 0,20 0,95-0,35 0,98 Mn 1,00-0,07-0,73-0,02-0,64 Cu 1,00 0,23-0,63 0,22 Ni 1,00-0,37 0,93 ph 1,00-0,54 EC 1,00 Toplam 48 örnek, parantez içindeki değerler regresyon için veri sayısını göstermektedir. Derişimler mek/l dir Su kimyası grafikleri Suları grafiklerde gösterilmesi toplu halde bir arada görülebilmesi, sınıflandırılması, birbirleriyle ilişkilerinin araştırılması ve karşılaştırılması gibi amaçlar taşır. Piper üçgen diyagram, Schoeller yarı logaritmik diyagram ve Durov diyagramı gibi diyagramlar gerek iyonların topluca tek bir diyagramda görüntüleme kolaylığı açısından, gerekse benzer ve farklı kökenli suların karşılaştırılması kolaylığı açısından hidrojeolojide oldukça sık kullanılan diyagramlardır. Schoeller yarı logaritmik diyagramda benzer kökenli, aynı hazneye ve beslenme alanına sahip sular benzer pik verirler (Şekil 1). 206

10 rca++ rmg++ rk+rna+ rclrso4= rhco3+rco3= Davutlar kap. K11 sondajı Zeus Pınarı Güzelçamlı İçmeleri Davutlar Deresi K1 kuyusu K4 kuyusu 1 K7 kuyusu Arapaslan Pınarı Deniz suyu 0,1 0,01 Şekil 1. Kuşadası-Davutlar Çevresindeki Suların Schoeller Yarı Logaritmik Diyagramındaki Görünümü (Tarcan vd., 2000a). Yukarıdaki diyagramda görüleceği gibi Davutlar Kaplıcası, Zeus Pınarı, Güzelçamlı içmeleri gibi sular deniz suyuna benzer pik verdiklerinden denizel beslenmeyi yansıtırlar. Piper Üçgen diyagramı anyon ve katyonların (% mek/l cinsinden) ayrı ayrı gösterildiği iki ayrı üçgenden ve tüm iyonların ortaklaşa gösterildiği bir dörtgenden oluşmaktadır. Üçgen diyagramlar suların hidrokimyasal fasiyes tiplerinin görülmesinde, dörtgen ise suların sınıflamasında ve karşılaştırılmasında kolaylık sağlamaktadır. Turgutlu jeotermal alanındaki sıcak sular sodyum bikarbonatlı su tipini yansıtırlar ve dörtgende de doğada ender bulunan yumuşak sular kesimine karşılık gelirler (Şekil 2). Soğuk sular ise diyagramda kalsiyum magnezyum bikarbonatlı su tipini yansıtırlar. Bölgedeki baskın hidrojeokimyasal sürecin de toplam iyon derişimi en düşük olandan yüksek olana doğru (çözünürlüğün artması yönünde) Ca-Mg-HCO 3 su tipinden, Na-HCO 3 su tipine doğru olduğu açık bir şekilde gözlenmektedir. Durov diyagramı da Piper in üçgen diyagramı gibi anyonların ve katyonların % mek/l değerlerinin kullanılarak ayrı ayrı iki üçgende gösterildiği ve bu üçgenlerin birbirine dik olarak iliştirildiği kare şekilli bir dörtgenden oluşur. Su noktaları öncelikle üçgenlere yerleştirilerek, daha sonra kare diyagrama izdüşürülür. Bu şekilde suların karşılaştırılması ve bir arada görülmesi sağlanır,yorumlamasında Piper üçgen diyagramdakine benzer yorumlar yapılabilir (Şekil 3). Örnek olarak Kuşadası-Davutlar alanı verilecek olursa (Çizelge 6); Davutlar Kaplıcası, Güzelçamlı İçmeleri ve Zeus Pınarı benzer kökenli ve deniz suyu beslenmeli suları yansıtmaktadır (Şekil 3 ). 207

11 rain water 20 Mg Gediz River Cold waters SO Thermomineral waters Ca NaHCO3 Cl Şekil 2. Turgutlu Kaplıcaları Çevresindeki Suların Piper Üçgen Diyagramındaki Görünümü (iyon değerleri % mek/l) (Tarcan, 1995). Şekil 3. Kuşadası-Davutlar Çevresindeki Suların Durov Diyagramındaki Görünümü (% mek/l). 208

12 Çizelge 6. Davutlar Kaplıcası ve Çevresindeki Suların Kimyasal Özellikleri (Tarcan vd., 2000a) No Örnek No ve Adı Örn. Tarihi EC PH Na + K + Ca ++ Mg ++ Cl- - HCO 3 = CO 3 = SO 4 1 K 1 Kuyusu K 1 Kuyusu K 1 Kuyusu K 1 Kuyusu K 2 Kuyusu K 2 Kuyusu K 3 Kuyusu K 3 Kuyusu K 3 Kuyusu K 3 Kuyusu K 4 Kuyusu K 4 Kuyusu K 4 Kuyusu K 4 Kuyusu K 4 Kuyusu * K 5 Kuyusu # K 6 Kuyusu DSİ # K 7 Kuyusu DSİ # K 8 Kuyusu DSİ # K 9 Kuyusu DSİ * K 10 Kuyusu * K 11 Kuyusu * K 12 Kuyusu Davutlar Kapl Davutlar Kapl Davutlar Kapl Davutlar Kapl Davutlar Kapl Dav.Kapl.43 C MTA * Davutlar Kapl **Davutlar Kapl.? Karpuz Pınarı Karpuz Pınarı Karpuz Pınarı Haytanın Çeş Haytanın Çeş Haytanın Çeş Haytanın Çeş Haytanın Çeş Zeus Pınarı Zeus Pınarı Zeus Pınarı *Zeus Pınarı G.Çamlı İçmeler G.Çamlı İçmeler G.Çamlı İçmeler *Arapaslan Pına Davutlar Deresi Davutlar Deresi Davutlar Deresi Deniz Suyu 1994 MTA *Deniz Suyu # DSİ (1978) den alınan analizler, + MTA tarafından yaptırılan analizler (Yılmazer vd., 1994 den), * DEÜ Jeoloji Mühendisliği Bölümü Jeokimya Laboratuvarı nda yapılan analizler, ** Ercan vd den alınan analiz sonucu, geri kalanların tümü Nail Kayahan (Jeo. Yük. Müh.) tarafından örneklenerek, Aydın DSİ Laboratuvar ında yapılan analizlerdir. Eksik görülen CO 3 analizleri ph değerinin düşüklüğü nedeniyle kayıt limitlerinin altındadır. 209

13 2.4. Farklı beslenmeli suların karışım yüzdelerinin belirlenmesi Çizelge 6 ve Şekil 3 de belirtildiği gibi Davutlar Kaplıcası, Güzelçamlı İçmeleri ve Zeus Pınarı sodyum klorürlü (Na-Cl) su tipinde olup, hafif tuzlu su sınıfına girmektedirler. Alüvyon akiferdeki sular ise çoğunlukla kalsiyum, magnezyum bikarbonatlı (Ca, Mg, HCO 3 ), kısmen iyonların miktarları birbirini geçmeyen karışık su tipini, kısmen de kalsiyum, magnezyum, bikarbonat klorür su tipini yansıtmaktadır. Beslenme alanlarında karbonatlı kayaçlar bulunduğu için Ca, Mg ve HCO 3 tipli sular olağandır. Yukarıda değinilen Na-Cl li su tipleri suların beslendikleri jeolojik birimlerle uyumlu değildir. Bu durum suların farklı beslenmeli suların karışımından olmasıyla açıklanabilir. Bu olay deniz suyunun karalar içine sokulmasıyla oluşan deniz suyu girişiminden ileri gelir. Özellikle mermer gibi çok çatlaklı ve çatlakları birbiriyle bağlantılı ve çözünme boşluklu (karstik) akiferlerde deniz suyunun karalar içine ilerlemesi çok daha kolay olmaktadır. Nitekim hazne kayası mermer olan Davutlar Kaplıcası, Güzelçamlı İçmeleri ve Zeus Pınarı gibi kaynaklar değişik oranlarda deniz suyu katkısı içermektedirler. Bu oranlar deniz suyunun ve tatlı suların ortalamalarının toplam iyon miktarları gözetilerek, suların hacmine ve derişimine bağlı aşağıdaki global bağıntılar kullanılarak yapılmıştır (Şahinci, 1991a). V 1 =V 3 (C 3 -C 2 ) / (C 2 -C 1 )..(11) Bu bağıntıda, V 1 ve V 2, sırasıyla, tatlı su ve deniz suyu bileşenlerinin (karışım suyundaki oransal) hacimleri, V 3 =karışım suyunun hacmi olup, C 1, C 2 ve C 3 ise, sırasıyla, tatlı su, deniz suyu ve karışım suyundaki iyon miktarlarına karşı gelmektedir. V 3 =1 litrelik hacmi belirlediğinden 1 kabul edilirse, yöredeki deniz suyu toplam iyon miktarı (C 2 )=658 mek/l ve Davutlar çevresindeki tatlı su ortalama değeri (C 1 )=14.6 mek/l dir. C 3 değeri de her su noktası için toplam iyon miktarını belirtir. V 1 değeri yüzde olarak karışımın yüzdesini tanımlar. Tüm kimyasal bileşenlerin dikkate alındığı Aquachem (Calmbach, 1997) programına göre adı geçen bu üç kaynaktaki deniz suyu ve tatlı su oranı aşağıdaki gibidir. Çizelge 7. Kuşadası-Davutlar Çevresindeki Bazı Su Noktalarında Karışım Oranları Su Noktası Tatlı Su Oranı (%) Deniz Suyu Oranı (%) Güzelçamlı İçmeleri Davutlar Kaplıcası Zeus Pınarı Zamana bağlı parametre değişimlerinin değerlendirilmesi Sıcak su araştırmalarında suların özelliklerinin zamana bağlı (mevsimsel) olarak değişimlerinin incelenmesi çok önemlidir. Bu değişimler yüzey sularıyla veya soğuk yeraltı sularıyla karışımla ilgili olabileceği gibi, kirlenmelere, hızlı beslenmelere bağlı olarak da olabilmektedir. Örneğin kış aylarında suların sıcaklığı ile birlikte tuzlulukları da azalıyorsa bu büyük olasılıkla suların sığ dolaşımlı ve kış yağış sularıyla olan karışımı gösterebilir. Zamana bağlı parametre değişimlerinin olmaması da bir sonuçtur. Sıcak sularda bu mevsimsel değişimlerin tarihi kayıtlarla da karşılaştırılması, özellikle uzun yıllara bağlı parametre değişimlerinin olup olmaması da önemlidir. Aşağıda Salihli jeotermal alanında zamana bağlı parametredeğişimlerinin (Tarcan vd., 1998, 2000b) bir örneği ve buna bağlı olarak yapılan bir yorumu belirtilmiştir (Şekil 4). Sıcak sularda 210

14 zamana bağlı olarak anlamlı bir kimyasal parametre değişimi gözlenememiştir. Soğuk sularda Özellikle Kurşunlu Deresi nde yaz aylarına doğru olan sodyum ve bikarbonat ile bor derişimlerindeki artış, yağış beslenmesinin azalması ile nehri besleyen sıcak su debisi yüzdesinin artması ile açıklanabilir. Alandaki periyodik örneklenen beş su noktasına ait ph ve EC parametrelerinin de aylara göre değişimi aşağıda belirtilmiştir. EC Kurş unlu Hot Spring Çelikli Hot Spring Sart-Çamur Hot Spring Kurş unlu Stream Karaoluk Cold Water 100 D ec.91 Jan. 92 Feb. 92 M ar. 92 A pr. 92 M ay. 92 June 92 July. 92 ph (-logh) Dec. 91 Jan. 92 Feb. 92 M ar.92 Apr. 92 M ay. 92 June 92 July 92 Kurş unlu Hot Spring Ç elikli Hot Spring Sart-Çamur Hot Spring Kurş unlu Stream Karaoluk Cold Water mg/l D ec.91 Jan 92 Feb. 92 M ar. 92 A pr. 92 M ay 92 June 92 July 92 Na K Ca Mg Cl HCO3 SO4 Si B Şekil 4. Salihli Jeotermal Alanları ve Çevresindeki Sularda Aylara Göre Bazı Kimyasal Parametre Değişimleri (Tarcan vd., 2000b) Jeotermal akışkanların oluşturabileceği bazı çevresel problemler Jeotermal alanlardaki akışkanların yüksek oranlarda çözünmüş madde içermeleri yüzey ve yeraltı suların kirlenmesi gibi önemli çevresel problemlere yol açabilir. Türkiye deki jeotermal alanlarda (özellikle Batı Anadolu jeotermal alanlarında) bazı sularda bulunan yüksek derişimli iyonlar bazı durumlarda soğuk yüzey veya yeraltı sularına karışarak, 211

15 özellikle tarım alanlarında önemli üretim kaybına yol açmaktadır. Arsenik ve benzeri bazı zehirleyici elementlerin de jeotermal sularda yüksek olma olasılıkları bulunmaktadır. Bu nedenle içme amaçlı kullanımlarda bu tür tehlikelere dikkat etmek gereklidir. Burada örnek olarak Gediz Grabeni ndeki bor kirlenmesine değinilmiştir. Gediz Grabeni nde bulunan jeotermal alanlardan Turgutlu Kaplıcaları çevresindeki suların kimyasal analizleri Çizelge 4 de belirtilmişti. Görüleceği gibi bor derişimleri oldukça yüksektir. Yine Gediz Grabeni nde bulunan sulardan Salihli jeotermal alanlarında ise bor derişimleri daha yüksektir (Çizelge 8). Çizelge 8. Salihli jeotermal alanlarındaki sıcak ve soğuk suların kimyasal analizleri (Tarcan vd., 2000b) Örnek No ve adı Örnekleme T EC ph Na K Ca Mg Fe Li Mn Ni Cu Pb Cl HCO 3 SO 4 SiO 2 B tarihi ( O C) µs/cm 1-MTA2 Tw MTA3 Tw Caferbeyli Tw * Sart-Çamur Ts Çelikli Ts Sazdere Ts Kurşunlu Ts Tabak dere Sw Karaoluk Cs Kurşunlu dere Sw Kurşunlu Üfürük Cs Salihli dere Sw Göbekli soğuk kuyu Gediz Grabeni ndeki en önemli çevresel problemlerden birisi de toprakta ve yeraltı sularında gözlenen yüksek bor derişimi yada kısaca bor kirlenmesidir. Özellikle verimli tarım arazilerinin bulunduğu ve bağcılığın gelişmiş olduğu bu yörede yeraltı sularındaki bu yüksek bor derişimi tarımsal açıdan önemli ölçüde verim kaybına neden olmaktadır. Bilindiği üzere bor çok küçük mikarlarda olursa bitkiler için yararlıdır. Ancak belli bir miktarı geçince de özellikle bazı bitkiler için son derece zararlı zehirleyici etkidedir. Sulama sularındaki bor miktarına göre bitkiler bora karşı duyarlı, yarı duyarlı ve duyarsız olmak üzere 3 grupta toplanmıştır (Richards, 1954; Şahinci, 1991a). Çok genel bir değerlendirme yapılacak olursa sulama sularındaki bor derişimi 1 mg/l yi aşarsa bitkiler için zararlı olduğu söylenebilir. Yani sulama sularında 1 mg/l den fazla bor bulunmamalıdır. Yeraltı sularındaki bor kirlenmesi topraktaki bor kirlenmesini de beraberinde getirmektedir. Alandaki soğuk yeraltı suyu akiferlerinde yapılan çalışmalarda işletme sondajlarının derinlikleriyle bor kirlenmesi arasında bir ilişki saptanamamıştır (Filiz ve Tarcan, 1997). Yani yan yana açılmış (10 m aralıklı) bulunan sığ ve derin kuyularda farklı yörelerde farklı sonuçlar elde edilmiştir. Kimi alanda sığ derinlikli kuyularda, kimi yörelerde ise derin kuyularda daha yüksek bor elde edilmiştir. Bunun en büyük nedenlerinden birisi alanda bilinçsizce açılan sondajlardır. Daha açık bir deyişle ardalanmalı kırıntılı malzemelerden oluşan alüvyonal akiferde birden çok akifer seviyesi bulunmaktadır. Açılan sondajlarda da hangi akifer seviyesinde yüksek bor bulunduğu araştırılmadan ve akifer seviyeleri saptanmadan yapılan filtreleme sonucunda yüksek bor derişimi içeren herhangi bir akifer seviyesi sondajlardan yapılan su çekimi ile sızarak, diğer akiferleri de kirletebilmektedir. Sahada kesin olarak saptanılabilen olay, soğuk su akiferlerindeki bu bor kirlenmesinin yöredeki jeotermal sistemlerden kaynaklanmasıdır. 212

16 Alandaki sıcak su sistemleri oldukça yüksek bor içermektedir. Ayrıca bor ile klorür, sodyum ve bikarbonat iyonları ve SiO 2 arasında iyi bir doğrusal ilişkiyle açıklanabilecek pozitif korelasyon gözlenmiştir (Tarcan, 1995 ve Tarcan vd., 1998). Buradan da görüleceği üzere yeraltı sularında ve toprakta bulunan yüksek bor derişiminin nedeni jeotermal sistemlerden kaynaklanmaktadır. Bor kirlenmesini önlemek için en iyi çözüm sıcak suların, alındığı derinliklerdeki hazneye reenjeksiyon sondajları (geri basım sondajları) ile geri verilmesidir. 3.SULARIN MİNERAL DOYGUNLUK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Suların mineral doygunlukları su içindeki iyonların ve minerallerin Gibbs serbest enerjileri ( G 0 ) ile iyon etkinliklerinin bilinmesi ile ilişkilidir. Su içindeki kimyasal bir tepkimenin Gibbs serbest enerjisi ( G 0 ) ile tepkimedeki iyon veya bileşiklerin derişimleri arasındaki ilişki aşağıdaki global denklemle yazılabilir. G 0 = - RT lnk...(12) Bağıntıdaki; R: gazların sabiti (0, kcal/mol), T: sıcaklık derecesi (Kelvin), ln: doğal logaritma ve K: tepkimenin denge sabitidir. (12) bağıntısı hidrojeokimyada oldukça önemli bir yer tutar. Çünkü kimyasal tepkimelerin serbest enerjileri bilinirse kimyasal denge sabitleri, çözünmüş iyonların çökelebilme özellikleri, iyon değişimi ve kimyasal bozunum şekilleri önceden tahmin edilebilir. Standart koşullarda kimyasal tepkimelerin standart serbest enerji değişim miktarları tepkime sonu ortaya çıkan maddelerin serbest enerjileri toplamları (Σ G 0 ts), ile tepkime başlangıcındaki maddelerin toplam serbest enerjileri (Σ G 0 tb) farkına eşittir. G 0 = Σ G o ts Σ G 0 tb...(13) Standart koşullarda herhangi bir kimyasal tepkime şu şekildedir. bb + cc = yy + zz......(14) Denge sabiti ile tepkime bileşenlerinin derişimleri arasındaki ilişki (14) tepkimeye giren maddelerin iyon etkinlikleri toplamı ile tepkimeden çıkan maddelerin iyon etkinlikleri toplamı dikkate alındığında aşağıdaki şekilde gelişir. K = (ay) y (az) z / (ab) b (ac) c...(15) Denklemde a ilgili iyonun etkinliğini (etkin derişimini) tanımlar ve a = γ C...(3) ile tanımlanır; Bu denklemde de γ iyon etkinlik katsayısını, C ise molalite olarak iyon derişimini belirtir. (15) nolu denklem (12) nolu denklemde yerine konulduğunda G 0 = -RT ln [(ay) y (az) z / (ab) b (ac) c ], denklemde ilgili parametreler (standart koşullarda) yerine konur ve ondalık logaritmaya çevrilirse; log K = - G 0 / 1, (16) log [(ay) y (az) z / (ab) b (ac) c ] = - G 0 / 1, (17) 213

17 denklemi elde edilir. Bu denklemde tepkimeye giren ve çıkan maddelerin dengede olması durumunda eşitliğin her iki yanı birbirine eşittir. Denge durumunun değişmesi ile eşitlik bozularak, tepkimeye girenler veya çıkanlar yönünde değişecektir. Bu yönün tahmin edilmesi mineral doygunluğu hesaplamalarının temelini oluşturmaktadır. Buradan yola çıkılarak doygunluk indeksi (Dİ) (saturation index = SI) kavramı geliştirilmiştir. Dİ = log [(ay) y (az) z / (ab) b (ac) c ] / (- G 0 / 1,3641) = log (Q/K)...(18) Yukarıdaki tepkimede büyük parantez içindeki ifade tepkime oranını (Q) belirtir. Tepkime denge sabitine benzer, farkı tepkimenin dengede olmayabilirliğidir. Tepkimedeki (14 eşitliğindeki) mineral (katı faz) bileşik olarak yazıldığında (bütün katıların iyon etkinlikleri 1 kabul edilir) denge sabiti K = (ay) y (az) z (tepkimeden çıkan maddelerin iyon etkinlikleri toplamı = AP) olacağından (18) nolu denklem de şu şekilde gelişecektir. Dİ = log [(ay) y (az) z ] / (- G 0 / 1,3641) = log (AP/K)...(19) Özetle, Dİ (SI) log (Q/K) veya log (AP/K) şeklinde de gösterilebilen logaritmik bir kavramdan oluşur. Her mineral için özellikle sıcaklık ve kısmen de basınçla değişen değerler içerir. Termodinamik yöntemlerle hesaplanan mineral doygunluk indeksi sonuçları aşağıdaki gibi yorumlanır. Dİ (log Q/K) = 0 ise Su ilgili mineral ile dengededir (doygundur). Dİ (log Q/K)>0 ise Su ilgili mineralle aşırı doygundur (mineral çökeltici özelliktedir). Dİ (log Q/K)<0 ise Su ilgili mineralle doygun değildir (minerali çözündürücü özelliktedir). Bu anlatılan mineral doygunluk indekslerinin hesaplanması suların üretim ve iletimi aşamasında olabilecek olası çökellerin önceden tahmin edilmesi üretim ve malzeme kaybı olmadan önce alınabilecek önlemler açısından çok önemlidir. Burada sıcak suların kabuklaşma ve korozyon özelliklerinin tahmini için en çok rastlanılan çökel minerallerinin doygunluk hesaplarının yapılması örnek olarak verilmiştir. CO 2 kısmi basıncının da atmosfer kısmi basıncından ( atm) daha yüksek olması durumunda su çökeltici ve gaz çıkartıcı özelliğe sahip olarak yorumlanabilir. Kalsit, dolomit, jips doygunluk indeksleri ve CO 2 kısmi basıncı değerleri literatürdeki (Fetter, 1994; Ford ve Williams, 1989; Şahinci, 1991a,b) ilgili kimyasal bağıntıların düzenlenmesiyle oluşturulan aşağıdaki bağıntılarla hesaplanılabilir. Doygunluk indeksi olarak Çizelge 3 de gösterildiği gibi Dİ yerine SI simgesi kullanılmıştır. SI C = log [(aca ++ ) (ahco 3 - ) K 2 / K C.10 -ph ] (Kalsit doygunluk indeksi)...(20) SI D = log [(aca ++ ) (amg ++ ) (ahco 3 - ) 2 (K 2 ) 2 / K D.10-2pH ] (Dolomit doygunluk indeksi).(21) SI j = log [(aca ++ ) (aso 4 = ) / Kj] (Jips doygunluk indeksi)......(22) -logpco 2 = log[(10 -ph ) (ahco 3 - ) / (K 1 ) (Kco 2 )] (CO 2 kısmi basıncı, atmosfer olarak)...(23) Bağıntılarda a: iyon etkinliğini, K: ise termodinamik denge sabitini yansıtır. 214

18 (ah + ) (ahco - 3 ) / (ah 2 CO 3 ) = K 1 = (Karbonik asit için)...(24) (ah + ) (aco = 3 ) / (ahco - 3 ) = K 2 = (Bikarbonat için)...(25) (aca ++ ) (aco = 3 )/ (acaco 3 ) =K C = (Kalsit için)...(26) (aca ++ ) (amg ++ ) (aco = 3 ) 2 / [acamg(co 3 ) 2 ] = K D =10-17 (Dolomit için)...(27) (aca ++ ) (aso = 4 ) / acaso 4 = K j = (Jips için)...(28) (ah 2 CO 3 ) / Pco 2 = Kco 2 = (Karbondioksit için)..(29) Termodinamik denge sabitlerinin sıcaklıkla değişimi aşağıdaki çizelgede verilmiştir. Çizelge 9. Karbonat, Jips ve Halit Çözünürlük Sistemlerinde Denge Sabitlerinin Sıcaklıkla Değişimi (Ford ve Williams, 1989). Sıcaklık pk CO2 pk 1 pk 2 pk kalsit pk aragonit pk dolomit pk jips pk halit ( o C) Bu bağıntılar yine Excel programına aktarılarak çok pratik bir degerlendirme elde edilebilir (Çizelge 3). Her mineral ile ilgili termodinamik denge sabitleri edinilerek aynı işlem tekrarlanabilir. Yukarıda kısaca özetlenen mineral doygunluklarının hesaplanması için pek çok bilgisayar programı geliştirilmiştir. Watspec (Wigley, 1977), Solveq (Reed ve Spycher, 1984), Watch3 (Arnorsson vd., 1982 ve Bjarnason, 1994), Solmineq88 (Kharaka vd., 1988), PhreeqC (Parkhurst ve Appelo, 1999). Bu programların hepsi benzer ilke doğrultusunda olup, veri tabanlarında bazı küçük farklılıklar bulunmaktadır. Bu metinde örnek olarak Çizelge 10 da kimyasal bileşenleri verilen suların inceleme alanındaki suların mineral doygunluk indeksleri Solmineq88 (Kharaka vd., 1988) programı kullanılarak hesaplanmıştır (Çizelge 11). Bu hesaplamalarda sıcak sular için kaynak çıkış sıcaklıkları ( C) soğuk sular ise 20 0 C sıcaklıklar dikkate alınmıştır. 215

19 Çizelge 10. Gülbahçe Körfezi (İzmir) Çevresindeki Suların Kimyasal Analizleri (derişimler mg/l, EC: µs/cm, ph: standart birim) (Tarcan, 2001a). No Örnek Adı ph EC Na K Ca Mg Cl HCO 3 SO 4 SiO 2 1 d Ilıksu Thermal Spring 1 (37 o C) 7, ,85 1 e Ilıksu Thermal Spring 1 (37 o C) 6, ,42 2 d Ilıksu Thermal Spring 2 (35 o C) 7, ,5 233, ,54 2 e Ilıksu Thermal Spring 2 (35 o C) 6, , ,19 3 a Gülbahçe Thermal Spring (36 o C) b Gülbahçe Thermal Spring (37 o C) ,09 3 Gülbahçe Thermal Spring (37 o C) 6, ,58 3 c Gülbahçe Thermal Spring (37 o C) nr nr , , d Gülbahçe Thermal Spring (37 o C) 7, ,43 3 e Gülbahçe Thermal Spring (37 o C) 6, a Urla-İcmeler Karst Spring f Urla-İçmeler Karst Spring b Urla-İçmeler Karst Spring 7, Urla-İçmeler Karst Spring 7, e Urla-İçmeler Karst Spring (19 o C) Sea Water (Gülbahçe Bay) 8, e Karapınar Spring 7, ,25 7 Gülbahçe Cold Spring 7, Tatar Çeşme Spring. 7, Söğütköy Spring 7, ,5 10 Saraç Çeşme Spring 7, ,3 11 Burgaz Çeşme Spring 7, Domuz Pınar Spring 7, Ova Spring Dutlu Pınar Spring 7, Demircili Spring 7, İskender Bey Spring 7, Sazlı Spring 7, Yağhane Spring 7, K1 Well (Shallow Well) 7, ,42 20 K2 Well (Shallow Well) 7, K3 Well (Shallow Well) 7, ,36 22 K4 Well (Shallow Well) 7, K5 Well (Shallow Well) 7, K6 Well (Shallow Well) 7, K7 Well (Shallow Well) 7, ,4 26 K8 Well (Shallow Well) 7, ,7 27 K9 Well (Shallow Well) 7, a: Reman (1942) örnekleme tarihi: , b: Şahinci ve Gümüş (1984), c: Conrad vd., (1997), d: Yaman (1999) örnekleme tarihi: , e: Tarcan (2001a)-örnekleme tarihi: , f: İUTF (1975)- örnekleme tarihi 1971, Geriye kalan veriler Haziran-1987 ile Mart 1988 örnekleme periyodunun (Tarcan, 1989) ortalama değerleri. Soğuk suların yıllık ortalama sıcaklık değerleri 18 0 C. Boş değerler kayıt olmadığını göstermektedir. 216

20 Çizelge 11. Gülbahçe Körfezi Çevresindeki Suların Doygunluk İndeksi Değerleri (Dİ = log Q/K t =log AP/K t ) (Tarcan, 2001a). No Örnek adı Jips Anhidrit Kalsit Aragonit Dolomit Manyezit Kuvars Amorf Silis Kalsedon 1 e Ilıksu 1 (37 o C) ,592-0,463-0, e Ilıksu 2 (35 o C) e Gülbahçe Thermal (37 o C) e Urla-İçmeler Karst Spring Seawater (Gülbahçe Bay) e Karapınar Spring Gülbahçe Cold Spring Tatar Çeşme Spring Söğütköy Spring Saraç Çeşme Spring Burgaz Çeşme Spring Domuz Pınar Spring Ova Spring Dutlu Pınar Spring Demircili Spring İskender Bey Spring Sazlı Spring Yağhane Spring K 1 Well (Shallow Well) K 2 Well (Shallow Well) K 3 Well (Shallow Well) K 4 Well (Shallow Well) K 5 Well (Shallow Well) K 6 Well (Shallow Well) K 7 Well (Shallow Well) K 8 Well (Shallow Well) K 9 Well (Shallow Well) Örnek numaraları Çizelge 10 ile aynıdır. Hesaplamalar Solmineq.88 (Kharaka vd., 1988) programıyla çıkış sıcaklığın yapılmıştır. Jips ve anhidrit gibi sülfatlı mineraller alandaki tüm su noktalarında doygunluk altı (yani su jipsi ve anhidriti çözündürücü), kuvars ise (7 nolu örnek hariç) tüm su noktalarında doygunluk üstü değerler vermektedir. Manyezit de (5 nolu örnek hariç) tüm su örneklerinde çözünür özelliktedir. Kalsit, aragonit gibi kalsiyum karbonatlı mineraller (Tatar Çeşme, Gülbahçe Kaynağı gibi volkaniklerden türeyen ve Söğütköy Kaynağı gibi fay zonundan çıkan bir kaç kaynak dışında) tüm soğuk sularda doygunluk üstü değer verir. Karbonatlardan türeyen yeraltı suları için olağan sonuçlardır. Sıcak sularda ise tüm mineraller çoğunlukla doygunluk üstü olmakla birlikte bazen doygunluk altı değerler vermektedir. İleride jeotermometre uygulamaları bölümünde sıcak suların doygunluk indekslerine sıcaklık değişimleri için ayrıca değinilecektir. 4. JEOTERMOMETRELER Jeotermometrelerin genel amacı yeraltındaki akışkan sıcaklığının (yani suların akifer sıcaklığının, yada hazne sıcaklığının) tahmin edilmesidir. Bilindiği üzere sıcak sular yüzeye çıkış sıcaklıklarına göre çok değişik kullanım alanlarına sahiptirler. Derinlerde haznede bulunan sıcak sular yüzeye erişinceye değin önemli ölçüde soğuyarak ve soğuk yeraltı sularıyla değişik oranlarda karışarak yüzeylerler. Derinlerde bulunan akışkanın sıcaklığının yüzeydeki sıcaklıklarına göre çok daha fazla olacağı açıktır. Derinlere yapılacak olan sondajlar da oldukça yüksek maliyete ve zamana gereksinim göstermektedir. Bu nedenle suların kullanım alanlarının saptanabilmesi için yapılacak derin sondajlardan önce uygulanacak çeşitli jeotermometre yöntemleri ile haznedeki 217