Ankara Andezitlerinin Mühendislik Özelliklerine Bozunmanın Etkileri Fehmi Arıkan*, Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü, Fizibilite Etütleri Dairesi Başkanlığı, Ankara- Türkiye, fehmi@mta.gov.tr Nihal Aydın, Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü, Maden Analizleri ve Teknolojisi Daire Başkanlığı, Ankara-Türkiye, nihalaydin@hotmail.com (*) Yazışmacı Yazar adresi: Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü, Fizibilite Etütleri Dairesi, Üniversiteler Mah., Dumlupınar Blv.,No. 139, 68, Çankaya, Ankara-Türkiye, tel: +9 312 287 343/2439, fax: 9 312 285 4271, e-mail: fehmi@mta.gov.tr ÖZET Üzerlerinde çok sayıda yapının bulunduğu Ankara andezitleri, Ankara içinde veya yakın civarında önemli bir doğal taş kaynağıdır. Bu kayacın indeks ve mühendislik özellikleri bozunma süreçleri tarafından önemli ölçüde etkilenir. Bozunma sonucu meydana gelen değişimleri anlamak için, görsel bozunma tanımlamalarına ve indeks deneylere bağlı olarak bozunma derecelerine (sınıflarına) göre gruplandırılan örnekler Ankara nın farklı kesimlerinden alınmıştır. Bu örneklerin bozunma ile değişen fiziksel ve mineralojik özellikleri ve her bir bozunma derecesi için incelen parametrelerin değişim aralıkları laboratuarda gerçekleştirilen mikroskop çalışmaları, X-ışınları kırınım analizleri, kimyasal analizler, metilen mavisi deneyleri ve farklı jeomekanik laboratuar deneyleri ile saptanmıştır. Bozunmanın etkisiyle örneklerde meydana gelen renk değişimleri araştırılmıştır. Yapılan çalışmalar, bozunma derecesinin artmasıyla birlikte mikro çatlak yoğunluğunun, kil mineralleri miktarının ve çeşidinin arttığını göstermektedir. Plajiyolas fenokristalleri ve mikrolitleri içerisindeki bozunma şiddeti bozunma derecesindeki artışa bağlı olarak artmıştır. Bozunma derecesinin artmasıyla birlikte andezit örneklerinin mekanik özelliklerinde meydana gelen azalma, dayanımın bozunma derecesi tarafından kontrol edildiğini göstermektedir. Kimyasal bozunma bu kayacın bozunmasında baskın bir unsurdur. Anahtar kelimeler: Ankara andezitleri; Bozunma; Mikro çatlak yoğunluğu; Mühendislik özellikleri; Dayanım The Effects of Weathering on the Engineering Properties of Ankara Andesites ABSTRACT Ankara andesites on which many structures have been founded are a very important source of natural stone in and around Ankara. The index and engineering properties of these rocks have been severely affected by weathering processes. In order to understand the changes brought about weathering, representative andesite samples for each weathering grades (class) were collected based on visual descriptions and some index tests from different parts of the city. The physical and mineralogical changes in the samples induced by weathering, and ranges of the values of the investigated parameters for each of the weathering grades were determined in the laboratory through optical microscope, X-ray diffraction analyses, chemical analyses, methylene blue adsorption test, and a variety of geomechanical laboratory tests. Color changes in the andesites due to weathering were investigated. These studies show that micro fracture intensity, the type and amount of clay minerals increase with a rise in weathering grade. The intensity of weathering increases in the plagioclase pheno crystals and microlites as the weathering grade increases. The decrease in the mechanical properties
of andesite samples with the increase in weathering grade suggests that their strength is considerably controlled by the weathering grade. The results show that chemical weathering is the dominant factor in the weathering of this rock. Key words: Ankara andesites; Weathering; Micro fracture frequency; Engineering properties; Strength 1 GİRİŞ Jeolojik dönemlerde belirli sıcaklık ve basınç altında oluşan kayaçların ve / veya minerallerin yüzeyde ve yüzeye yakın kesimlerde yeni ortam koşullarına uyum sağlayabilmek için gösterdikleri değişim bozunma (ayrışma-weathering) olarak tanımlanmaktadır. Kayaçlar, bulundukları sığ koşullar altında ortam koşullarına uyabilmek için fiziksel veya kimyasal bozunmaya uğrarlar. Bozunma süreçlerinin gerçekleştiği seviyelerden sağlanan malzemelerin kullanımı bozunmanın derecesinin, derinliğinin ve bozunma ürünlerine ait mühendislik parametrelerinin belirlenmesini gerekli kılmaktadır. Ankara ve yakın civarında geniş alanlar kaplayan Ankara andezitleri yörede doğal yapı taşı olarak kullanılmaktadır. Bozunma derecesinin artmasıyla birlikte bu kayacın cila alma kapasitesi, kesildiğinde köşe verme özelliği, albenisi gibi özellikleri olumsuz yönde etkilenmektedir. Beton yapımında da kullanılan kayaç malzemesinin bozunması sonucunda ortaya çıkan ve şişme potansiyeline sahip kil mineralleri duraysızlıklara neden olmaktadır. Araştırmanın amacı, arazi gözlemleri ile bozunma derecelerine göre sınıflanan bu kayaçların mühendislik parametrelerindeki değişimleri nedenleriyle ortaya koymaktır. Bu amaçla Ankara kentinde ve Ankara Polatlı arasında andezitlerin gözlendiği lokalitelerde (Şekil 1), bazı tanımlamalar ve basit ölçütler esas alınarak, örnekler bozunma derecelerine göre arazide ayırtlanmıştır. İlk aşamada bu örneklerin mineralojik-petrografik ve kimyasal özellikleri tayin edilerek arazide tanımlanan bozunma dereceleri sınanmıştır. İkinci aşamada ise, bu örneklerin jeomekanik parametrelerine ait sınır değerler laboratuar deneyleri ile tayin edilmiştir. Daha sonra, incelenen her parametre ile bozunma dereceleri arasındaki ilişkiler araştırılmıştır. Ayrıca bozunma derecelerinin ayırtlanabilmesi amacıyla metilen mavisi deneyleri ve foto analiz tekniği kullanılarak renk ayrımı çalışması da yapılmıştır. Bu kayacın ileri derecede bozunmaya uğramış (toprak veya rezidüel zeminler) kesimlerinden alınmış örnekler üzerinde tane boyu dağılımı analizleri gerçekleştirilmiştir. 1 Sincan Sirkeli Bağlum 7 5 ANKARA 4 Sincan Volkanikleri Çubuk 3 6 Solfasol 2 Gölbaşı Elmadağ Volkanikleri Beynam Bala Şabanözü Çubuk Volkanikleri Ankara Merkez Volkanikleri Hasanoğlan 2 K Ankara Volkanikleri Örnekleme Lokasyonları 5 1 km Şekil 1. Ankara andezitlerinin örneklendikleri alana ait yerbulduru haritası (1. Kargabedir; 2. Mamak; 3. Solfasol; 4. Kale; 5. Timurleng Tepe; 6. Papaz Deresi, 7. Sanatoryum). 2 ÇALIŞMA ALANININ JEOLOJİSİ Ankara ve civarı, Oligosen ve Pleyistosen arasında Anadolu' da etkin olan Tersiyer volkanizmasının önemli merkezlerinden biri olmuştur. Ankara dolaylarında Neojen yaşlı olarak tanımlanan volkanik kayaçlar (Çalgın ve diğ., 1973) dört ana bölgede yayılım gösterirler. Volkanizmanın en yaygın ürünü andezitik-dasitik lavlar ve aynı türdeki tüf ve aglomeralardır. Akyürek ve diğ., (1982) çalışmalarında Ankara ve civarındaki andezitik püskürmelerin Eosen' de başlayıp Neojen sonuna kadar devam ettiğini vurgulamışlardır. Suludere (1976) ve Büyükönal (1971) Ankara ve yakın civarındaki andezitlerin hidrotermal alterasyondan önemli ölçüde etkilendiğini
belirtmişlerdir. Bu araştırmacılar hidrotermal alterasyon sonucunda bu kayaçlarda karbonatlaşma, kaolinleşme, serisitleşme, kloritleşme ve epidotlaşma saptamışlardır. Bu çalışmada, hidrotermal alterasyonun Ankara andezitleri üzerindeki etkilerine kısaca değinilmiştir. Değerlendirmeler bu kayacın bozunması üzerinde yoğunlaşmıştır. 3 BOZUNMA DERECELERİNİN ARAZİ ÇALIŞMALARI İLE BELİRLENMESİ Bugüne değin kayaç bozunması konusunda gerçekleştirilmiş çalışmalarda dikkate alınarak (ANON, 197; 1972; 1977; Deere ve Patton, 1971; Price, 1993; Geological society of London, 1995; Karpuz ve Paşamehmetoğlu, 1997; Gürocak ve Kılıç, 25), Ankara andezitlerinde arazide kütle ve malzeme ölçeğinde altı bozunma sınıfı tanımlanmıştır (I: Bozunmamış, II: Az bozunmuş, III: Orta derecede bozunmuş, IV: Çok bozunmuş, V: Tamamen bozunmuş, VI: Artık zemin). Kütlesel davranış yönünden; Sınıf I ve II kayayı, Sınıf III ve IV kaya ile toprak zemini, Sınıf V ve VI toprak zemini temsil etmektedir. Malzeme ölçeğinde, Sınıf I - IV kaya özelliğindedir. V. ve VI. sınıf örnekler toprak zemin özelliği taşımaktadır. Malzemenin kütle içerisindeki dağılımı, çekirdek taşlarının durumu, bozunmanın süreksizlikler boyunca etkisi, kayacın sertliği, minerallerin ayrışması, dokunun bozulması ve pratik indeks deneyler gibi ölçütler bozunma derecelerinin tanımlanmasında kullanılmıştır. Bunun yanında, gerçekleştirilen Schmidt çekici deneylerinin sonuçlarından da yararlanılarak görsel tanımlamalara dayalı bozunma sınıfları için daha duyarlı ve sayısal veriler de ilave ölçüt olarak ele alınmıştır. Ankara ve civarında yapılan saha çalışmalarında kayaçta gelişmiş olan süreksizliklerin devamlılıkları çok yüksek olarak tanımlanmıştır (ISRM, 1981). Bu süreksizliklerin yüzey sularını oldukça derine iletmeleri nedeniyle, yüzeydekine benzer bozunma derinde de meydana gelebilir. Ayrıca, bu süreksizlikler, derindeki hidrotermal alterasyonun yüzeye doğru genişlemesine de önemli ölçüde olanak sağlamışlardır. Ankara andezitlerinde gözlenen I. sınıf bozunmaya sahip süreksizlik yüzeylerinde genellikle bozunmanın izlerine ender olarak rastlanmıştır. II. sınıf bozunmaya sahip süreksizlik yüzeyleri oksitlenmenin etkisiyle sarımsı kahverengi bir renk almıştır. III. ve IV. sınıf kaya kütlelerinin içerdiği süreksizlik yüzeyleri üzerinde kil, karbonat ve silis dolgu yer yer gelişmiştir. Bu çalışmada, I. ve II. sınıf bozunmaya sahip pürüzlülük yüzeyleri çıkıntılıpürüzlü, III. ve IV. sınıf bozunmaya sahip yüzeyler pürüzlü-düz olarak tanımlanmıştır (ISRM, 1981). Bu kayaçlarda bozunmanın süreksizlik boyunca başlayarak kayacın içine doğru ilerleyip zemine dönüşünceye değin devam ettiği gözlenmiştir. I. ve II. derecede bozunmaya uğramış Ankara andezitlerinde eklem yüzeyleri arasındaki açıklık yer yer 2 mm den küçük ve ortalama 2-6 mm arasında değişmektedir. Dar aralıklı olarak tanımlanan (ISRM, 1981) bu süreksizlik yüzeylerinin yanında, III. ve IV. derecede bozunmaya uğramış kesimlerdeki süreksizlik yüzeylerini orta derecede-çok geniş aralıklı (ISRM, 1981) olarak tanımlamak mümkündür. V. sınıf bozunmaya sahip Ankara andezitlerinde kalıntı süreksizlikler (relict structures) ve çekirdek taşları mevcuttur. VI. bozunma sınıfında yer alan Ankara andezitleri toprak zemin (artık zemin) görünümündedir. Schmidt çekici deneyleri arazide eklem yüzeyleri üzerinde L-tipi çekiç kullanılarak gerçekleştirilmiştir (ISRM,1981). Çalışma kapsamında toplam 17 set Schmidt deneyi yapılmıştır. Ankara andezitlerindeki eklem yüzeylerinin bozunma derecelerine göre Schmidt sertlik çekici değişim aralıkları Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Ankara andezitlerinin bozunma sınıflarının Schmidt geri sıçrama değerlerine göre değişim aralıkları. Bozunma derecesi En küçük En büyük Veri sayısı Ortalama Standart sapma I 48.8 6.2 22 54.4 3.24 II 35.6 58.8 54 47.8 5. III 22.6 45.8 45 36.6 5.3 IV 18.6 38.6 48 26.5 4.39 Schmidt çekicinden okunan değerler ile arazide göreceli olarak bu kayaçlar için belirlenen bozunma dereceleri arasındaki ilişki basit regresyonla araştırılmıştır. Korelasyon katsayısı (r) değerinin.8 veya daha yüksek olması, araştırılan parametreler arasında anlamlı bir ilişki olduğunu belirtir (Johnson, 1984). Ankara andezitlerinde bozunma derecesi ile Schmidt çekicinden okunan değerler (Shv) arasında anlamlı bir ilişki bulunmaktadır (Şekil 2).
Schmidt geri sıçrama değeri, Shv 7 6 5 4 3 2 1 r=.9 Şekil 2. Ankara andezitlerindeki eklem yüzeyleri üzerinde gerçekleştirilen Schmidt deneylerinden belirlenmiş geri sıçrama değerleriyle bozunma derecesi arasındaki ilişki. 4 LABORATUAR ÇALIŞMALARI Kayaç bozunmasına koşut olarak değişen özelliklerin sistematik olarak belirlenmesi amacıyla bir dizi laboratuar deneyi yapılmıştır. Bu deneyler saha çalışmaları sırasında alınan farklı bozunma derecelerindeki toplam 64 adet blok örnekten elde edilen karot örnekler, el örnekleri ve örselenmiş zemin örnekleri üzerinde gerçekleştirilmiştir. I. dereceden VI. dereceye kadar bozunma gösteren bu kayaç üzerinde yapılan deneylerle incelenen parametrelerin bozunma derecelerine göre sınır değerleri belirlenmiştir. Bu parametreler ile bozunma dereceleri arasındaki ilişkileri belirlemek için basit regresyon analizleri yapılmıştır. Bozunmanın etkisiyle birlikte kayaç malzemesinde meydana gelen mineralojik, petrografik ve kimyasal bileşimdeki değişimleri belirlemek amacıyla mineralojik, petrografik ve kimyasal analizler gerçekleştirilmiştir. Bozunmanın derecesine bağlı olarak incelenen kayacın fiziksel ve mekanik özelliklerindeki değişimlerin saptanabilmesi için, kaya türü örnekler üzerinde jeomekanik laboratuar deneyleri yapılmıştır (ISRM, 1981). İleri derecede ayrışma sonucu toprak zemine dönüşmüş örnekler üzerinde tane boyu dağılımı analizleri gerçekleştirilmiştir (ASTM, 1994). Bu deneylerin yanı sıra, Ankara andezitlerinde bozunma sonucu oluşan renk değişimlerinin belirlenebilmesi ve bu değişimden bozunma derecelerinin ayırtlanması konusunda yararlanılabilirliğin araştırılması amacıyla renk ayrımı çalışmaları yapılmıştır. 4.1 Optik Mikroskop Çalışmaları Bozunma sonucunda Ankara andezitlerinin petrografik özelliklerinde ortaya çıkan değişimlerin saptanması amacıyla polarizan mikroskop kullanılarak toplam 42 adet örneğin petrografik tanımlamaları yapılmıştır. Bunun yanı sıra, Swift nokta sayıcı ile örneklerin modal analizleri gerçekleştirilmiştir. Modal analizlerin yapıldığı mineralojik ve petrografik çalışmalar kapsamında örneklerin adlandırılmaları için, IUGS (2)' in önerdiği sınıflama sistemi kullanılmıştır. Çalışma kapsamında I. dereceden IV. dereceye kadar bozunmaya uğramış kaya özelliğindeki örneklere ait ince kesitler hazırlanabilmiştir. Toprak zemin özelliği taşımaları nedeniyle ileri derecede bozunmaya uğramış V. ve VI. sınıf örneklere ait ince kesitler hazırlanamamıştır. Ankara andezitlerinde doku çoğu kez holokristalin porfirik, ender olarak hipokristalin porfiriktir. Kayaçlarda bulunan hamur daima fenokristallerden daha fazladır. Hamurda temiz veya altere camsı malzeme, opak, feldispatlar ve mafit gözlenmiştir. Örnekler içerisinde %55-8 oranında hamur, %1-55 oranında fenokristaller, %1-7 oranında camsı malzeme, %.5-35 oranında plajiyoklas mikrolitleri, %.5-8 oranında opak mineraller bulunur. %1 kadarını aksesuvar mineralleri oluşturur. Camsı malzeme; klorite, serizite, kalsite, kuvarsa, epidota ve kil minerallerine dönüşmüştür. Biyotit, epidot zeolit, feldispat ve talk sadece hidrotermal koşullarda oluşabilen minerallerdir. Kil mineralleri, klorit ve opak gibi diğer mineraller ise hem hidrotermal koşullar altında, hem de bozunma sonucu meydana gelmektedir. Örneklerin bozunma dereceleri dikkate alınarak yukarıda sunulan petrografik tanımlamalar esas alındığında, Ankara andezitlerinin ait oldukları bozunma dereceleri petrografik özelliklerine göre birbirlerinden ayrılabilmiştir. Bu örneklerin ait oldukları bozunma derecesinin özelliklerini yansıtan bazı hususlara aşağıda değinilmiştir. Plajiyoklas fenokristallerinin ve mikrolitlerinin bozunma şiddeti I. sınıftan IV. sınıfa doğru artmaktadır (Çizelge 2, Şekil 3). Camsı malzemenin alterasyon şiddeti bozunma sınıflarının ayrılmasında önemli rol oynamaktadır. Manyetik özelliğe sahip bir mineral olan magnetit, bozunma derecesinin artmasıyla birlikte hematite dönüşmektedir. Böylece örnekler bozunma derecesinin artmasıyla birlikte manyetik özelliklerini de kaybetmektedir. Örneklerin bozunma derecelerinin arazide belirlenmesinde minerallerin çizilme sertliği kullanılmıştır. Polarizan mikroskopta saptanan bozunma ürünlerinin çizilme sertlikleri ile arazide yapılan sınıflama uyum içerisindedir.
Çizelge 2. Plajiyoklas fenokristallerinin ve mikrolitlerinin bozunma derecelerine göre bozunma şiddetindeki artışlar. Bozunma derecesi Plajiyoklas fenokristalleri Plajiyoklas mikrolitleri I 75-1 8-1 II 35-75 55-8 III 1-35 3-55 IV -1-3 Büyük ölçekte bir tektonik aktivitenin gerçekleştiği, yüksek sıcaklık hidrotermal sisteminde yer alan Türkiye' de hidrotermal alterasyon oldukça yaygındır (Gevrek, 1988). Değişik araştırmacılar bu çalışmaya konu olan inceleme alanlarında yaptıkları araştırmalarda, Ankara andezitlerinin hidrotermal alterasyondan önemli ölçüde etkilendiklerini belirtmişlerdir (Büyükönal, 1971; Suludere, 1976). Bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen petrografik incelemelerde farklı bozunma derecelerini temsil eden örneklerin tümü üzerinde hidrotermal alterasyonun etkili olduğu gözlenmiştir. Şekil 3. (a) Bozunmamış bir plajiyoklas fenokristali ile etrafındaki çok sayıda bozunmamış plajiyoklas mikroliti içeren I. sınıf bozunma derecesine sahip Ankara andeziti örneği (Büyütme: X4) ve (b) bozunma sonucu tamamen kil minerallerine dönüşmüş bir plajiyoklas fenokristali ve az sayıda izler halindeki serisitleşmiş plajiyoklas mikrolitleri içeren IV. sınıf bozunma derecesine sahip Ankara andeziti örneği (Büyütme: X25). 4.1.1 Mikroçatlak yoğunluğu ile bozunma derecelerinin ilişkisi I.sınıf bozunmadan IV. sınıf bozunmaya kadar farklı bozunma derecelerine sahip ve kaya özelliği taşıyan örneklerdeki bozunmayı sayısal olarak tanımlamaya olanak sağlayan mikroçatlakların yoğunluğu (Q mç ) belirlenmiştir (Davis, 1984).
Ankara andezitleri için elde edilen verilerin istatistiksel değerlendirme sonuçları Çizelge 3 de sunulmuştur. Bu çizelgeden de görüldüğü gibi, I. ve II. sınıf bozunmaya sahip örneklerin mikroçatlak yoğunlukları birbirlerine oldukça yakındır. III. ve IV. sınıf bozunmaya sahip örneklerin mikroçatlak yoğunlukları arasındaki fark daha fazladır. II. ve III. sınıf örnekler arasındaki fark ise oldukça belirgindir. Çizelge 3. Farklı bozunma derecelerine sahip Ankara andezitlerine ait mikroçatlak yoğunluğu değerlerinin istatistiksel değerlendirme sonuçları Bozunma derecesi En küçük (mm 2 ) En büyük (mm 2 ) Veri sayısı Ortalama (mm 2 ) Standart sapma I.6 6.2.3 II.33 9.11.14 III.54.96 1.79.14 IV.96 1.51 6 1.11.2 Schmidt geri sıçrama değerleri için Bölüm 3 'te değinilen yaklaşım çerçevesinde, bozunma derecesi ile mikroçatlak yoğunluğu arasındaki bir ilişkinin olup olmadığını araştırmak amacıyla sonuçları Şekil 4' de verilen istatistiksel analizler yapılmıştır. Ankara andezitlerinin mikroçatlak yoğunlukları bozunma dereceleri ile karşılaştırıldığında, bu iki parametre arasında önemli sayılabilecek bir ilişki saptanmıştır. Bozunma derecesinin artmasıyla birlikte yoğunlukları artan mikroçatlaklar, yüzey alanının da artmasına neden olurlar. Bu durum, kimyasal çözeltilerin daha kolay dolaşımına, dolayısıyla da kimyasal bozunmanın gelişimine olanak sağlar. Mikroçatlak yoğunluğu, Q mç 1.6 1.2.8.4 r=.91 Şekil 4. Ankara andezitlerine ait örneklerin bozunma dereceleri ile mikroçatlak yoğunlukları arasındaki ilişki. 4.2 X-Işınları Kırınım Analizleri Bozunma sonucu oluşan kil minerallerinin türlerini belirlemek amacıyla farklı bozunma derecesine sahip 43 adet örnek üzerinde X- ışınları kırınım analizleri (XRD) Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü (MTA), X Işınları Mikro Analiz Laboratuarı' nda gerçekleştirilmiştir. Ankara andezitlerinde en çok rastlanan mineral plajiyoklastır. Bu kayaca ait örneklerin bozunma derecesinin artmasıyla birlikte, simektit miktarı da önemli ölçüde artmaktadır. Bunun yanı sıra, bozunmanın ileri derecelerini temsil eden bir bölüm örnekte çok az- az miktarda kaolin ve karışık tabakalı kil minerali saptanmıştır. Farklı bozunma derecelerine sahip örneklerin büyük bir bölümünde hidrotermal alterasyon sonucunda oluşan illit ve zeolit belirlenmiştir. Oldukça fazla andezit örneği içerisinde saptanan kristobalit, inceleme alanında etkili olan silisleşmeler sonucunda meydana gelmiştir (Besbelli, 1995). 4.3 Metilen Mavisi Deneyleri Metilen mavisi deneyi, kaya ve toprak zemin örneklerinin içerdiği kil minerallerinin özelliklerini ve varlıklarını belirlemek için kullanılan, X-ışınları kırınım analizlerine göre oldukça basit ve hızlı bir yöntemdir. Bu deney Ankara andezitlerinde bozunma sonucunda oluşan kil minerallerini saptamak amacıyla, AFNOR (198) tarafından önerilen deney yöntemine uygun olarak I.dereceden VI. dereceye kadar değişik bozunma derecelerine sahip toplam 54 adet örnek üzerinde gerçekleştirilmiştir. Metilen mavisi deneyinde metilen mavisinin örnek tarafından önemli miktarlarda absorbe edilmesi, bu örneğin şişme özelliğine sahip kil minerallerini içerdiğini gösterir (Topal, 1996). Deneyler sonucunda elde edilen örneklerin katyon deyişim kapasitesi (C.E.C) değerleri ile bunların ait oldukları bozunma dereceleri ilişkilendirilmişlerdir (Şekil 5). Bu grafikten de görüldüğü gibi, C.E.C ile bozunma dereceleri arasında yüksek korelasyon katsayısı (r >.82) veren bir ilişki saptanmıştır. Bozunma derecesinin artmasıyla farklı bozunma derecelerini temsil eden örneklerin C.E.C değerleri artmıştır. X ışınları kırınım analizlerinden de belirlendiği gibi, bu artışa bozunma derecesinin artmasıyla birlikte örneklerin simektit gibi şişme özelliğine sahip kil mineralleri miktarındaki artış neden olmuştur. Bu minerallerin su ile teması sonucunda su alıp şişmeleri kayaçtaki mikroçatlak yoğunluğunun artmasına ve dolayısıyla yüzey alanın büyüyerek kimyasal bozunmaya girecek minerallerin
C.E.C. (meg/1g) artmasına yol açmaktadır. Bu süreç kayacın parçalanmasını ve ufalanmasını hızlandırmaktadır. 12 1 8 6 4 2 r=.82 5 6 Şekil 5. Ankara andezitlerinin C.E.C değerleri ile bozunma dereceleri arasındaki ilişki. 4.4 Kimyasal Analizler Bozunmaya koşut olarak, örneklerin kimyasal bileşimlerinde meydana gelebilecek değişimlerin saptanması amacıyla kimyasal analizler yapılmıştır. Çalışma kapsamında I. dereceden VI. dereceye kadar farklı bozunma derecelerine sahip toplam 34 adet örnek üzerinde kimyasal analiz gerçekleştirilmiştir. M.T.A Genel Müdürlüğü, Maden Analizleri ve Teknolojisi Laboratuarında ve Hacettepe Üniversitesi Jeokimya Laboratuarında gerçekleştirilen bu analizlerle örneklerin SiO 2, TiO 2, Al 2 O 3, MnO, CaO, MgO, Na 2 O, K 2 O, Fe 2 O 3, ve P 2 O 5 gibi ana element içerikleri ile ateş kayıpları belirlenmiştir. Na 2 O, MgO, K 2 O ve CaO gibi jeokimyasal olarak hareketli elementlere sahip oksitlerin miktarları I. sınıftan VI sınıfa doğru azalmıştır. Bu oksitlerin miktarlarındaki azalmalar, sırasıyla, %76, % 9, % 71 ve %58 e kadar ulaşmaktadır. Hareketsiz olarak kabul edilen SiO 2, Al 2 O 3 ve Fe 2 O 3 gibi oksitler ile P 2 O 5, MnO ve TiO 2 oranlarında bozunma derecesine bağlı olarak belirgin artışlar ve eksilmeler saptanmamıştır. Örneklerin bozunma derecesindeki artışa bağlı olarak oluşan ateş kayıpları % 7 düzeyine kadar çıkmaktadır. Bu kayıplar kil mineralleri gibi ikincil oluşumların (bozunma ürünlerinin) varlığını göstermektedir. 4.5 Jeomekanik Laboratuar Deneyleri Bozunmanın etkisiyle birlikte, Ankara andezitlerinin fiziksel ve mekanik özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri belirleyebilmek için, kaya ve toprak zemin özelliği taşıyan I. dereceden VI. dereceye kadar bozunmuş örnekler üzerinde jeomekanik laboratuar deneyleri yapılmıştır. Birim hacim ağırlık tayinleri, Schmidt sertlik çekici deneyleri, tek eksenli sıkışma dayanımı deneyleri, çekilme dayanımı deneyleri ve P- dalgası hızı deneyleri I. dereceden IV. dereceye kadar bozunmuş kaya özelliği taşıyan örnekler üzerinde yapılmıştır (ISRM,1981). Disk makaslama indeksi deneyleri Ulusay ve Gökçeoğlu (1997) tarafından önerilmiş ve ISRM tarafından taslak yöntem olarak kabul edilen (Ulusay ve diğ., 21) yönteme göre gerçekleştirilmiştir. Schmidt çekici deneyleri blok örneklerin yüzeylerindeki fenokristallerden kaynaklanabilecek hatalı ölçümlerden kaçınılabilmesi için, blokların üstünden kesilen düz yüzeyler üzerinde yapılmıştır. Bozunmanın etkisiyle ortaya çıkan tane boyundaki küçülmenin belirlenebilmesi için, zemin türü davranış gösteren V. ve VI. sınıf bozunmaya sahip örnekler üzerinde tane boyu dağılımı analizleri yapılmıştır (ASTM, 1994). Kaya özelliği taşıyan örnekler üzerinde gerçekleştirilen jeomekanik laboratuar deneyleri ile her parametre için bozunma derecelerine göre değişim aralıkları saptanmıştır. İlgili parametrelere ait istatistiksel değerlendirmeler Çizelge 4' de sunulmuştur. Çizelge 4. Jeomekanik laboratuvar deneyleri ile saptanan her parametrenin bozunma derecelerine göre değişim aralıkları. Parametre Bozunma derecesi I II III IV Birim hacim ağırlık (kn/m 3 ) 2.38-2.6 (2.47) 2.27-2.5 (2.36) 2.1-2.49 (2.28) 2.1-2.46 (2.26) Veri sayısı 138 19 97 79 Porozite 5.45-12.29 (9.22) 8.92-14.2 (12.16) 9.32-18.7 (14.38) 13.15-25. (17.67) Veri sayısı 14 26 32 2 Disk makaslama dayanımı (MPa) 17.2-41. (25.7) 1.-33.6 (17.1) 6.-16.8 (1.9) 1.4-11.6 (5.5) Veri sayısı 62 92 67 66 Tek eksenli 57.7-142. 28.4-99.6 19.8-52.6 8.1-35.4 sıkışma dayanımı (MPa) (98.8) (56.7) (36.8) (23.5) Veri sayısı 51 78 54 26 Çekilme dayanımı (MPa) 7.5-11.78 (8.64) 3.4-7.76 (4.84) 2.16-6.64 (3.58).83-4.66 (2.67) Veri sayısı 53 78 63 59 P-dalgası 3686.9-2486.2-2396.8- hızı (m/s) 5199.5 4645.4 3435.4 (4299.6) (3723.6) (2922.3) 1391.6-2698.4 (2262.3) Veri sayısı 5 79 52 27 Parantez içindeki numaralar ortalama değerlerdir Deneyler sonucunda Ankara andezitlerinin incelenen jeomekanik parametreleri ile bozunma dereceleri arasındaki ilişkiler doğrusal ve geometrik regresyonla araştırılmıştır. Değerlendirmeler sonucunda yüksek korelasyon katsayısı veren ilişkiler saptanmıştır (Şekil 6). Bu
Ortalama yansıma değeri P Dalgası hızı V p (m/s) Tek eksenli sıkışma dayanımı s c, (MPa) Çekilme dayanımı t (MPa) Schmidt geri sıçrama değeri, SHV BPI, (MPa) Birim hacim ağırlık, (kn/m 3 ) Porozite, n (%) grafiklerden de görüldüğü gibi, bozunma derecesinin artmasıyla farklı bozunma derecelerini temsil eden örneklerin poroziteleri artmış, incelenen diğer fiziksel ve mekanik özellikleri azalmıştır. Andezitler üzerinde pek çok araştırmacı tarafından yapılan çalışmalarda benzer ilişkiler elde edilmiştir (Paşamehmetoğlu ve diğ., 1981; Saito, 1981; Koca ve Türk, 1994; Karpuz ve Paşamehmetoğlu, 1997; Ergüler, 1998). 28 26 r=.75 24 22 2 18 16 7 6 5 4 3 2 1 r=.87 2 3 4 12 8 r=.87 4 2 6 4 2 4 r=.8 3 2 1 5 5 4 3 2 1 14 12 1 r=.87 8 6 4 2 r=.89 Şekil 6. Ankara nın değişik bölgelerinden alınmış andezit örneklerinin çalışma kapsamında araştırılan parametreleri ile bozunma derecesi arasındaki ilişki. Tane boyu dağılım analizleri sonucunda V. ve VI. derecede bozunmuş örnekleri kesin sınırlarla birbirlerinden ayırmak mümkün olmamıştır. Ancak, V. sınıf bozunmaya sahip örnekler içerisinde kum ve çakıl boyutundaki malzemeler çoğunluktayken, VI. sınıf bozunmaya sahip örnekler içerisinde kil, silt ve kum boyutundaki malzemeler çoğunluktadır. Bu durum, ince tane miktarının bozunma derecesinin artışıyla birlikte arttığını göstermektedir. 4.6 Renk Ayrımı Çalışmaları Bozunmanın etkisiyle minerallerde, dolayısıyla kayaçta meydana gelen renk değişimlerinin bozunma açısından ayırtman bir gösterge olarak kullanılabilirliğinin araştırılması amacıyla, farklı derecede bozunmaya uğramış örnekler kullanılarak bilgisayar ortamında foto analiz yöntemi ile çalışmalar yapılmıştır. Farklı renkte ve farklı derecede bozunmuş andezit bloklarının kesilmesiyle elde edilmiş düz yüzeylerin ve bu kayaçların V. ve VI. sınıf bozunmaya sahip örneklerinin çekilen fotoğrafları bozunma derecelerine göre sıralanmıştır. Foto analiz çalışmalarında, algılanabilen en küçük görüntü olan piksellerin yansıma değerlerine ait dağılımın ortalamaları esas alınmıştır. Bu amaçla, farklı bozunma derecelerindeki örneklere ait fotoğraflar 6 dpi çözünürlükteki tarayıcı kullanılarak yansıma değerleri -256 arasında değişen gri ölçekteki sayısal veriye dönüştürülmüştür. Diğer bir deyişle, incelenen farklı bozunma derecelerine ait fotoğrafların standart olması için 2 x 2 piksel boyutlarında sayısal veri dosyaları oluşturulmuştur. Çalışmalar sonucunda elde edilen sayısal görüntülerin piksel yansıma değerlerine ait histogramlar çizilerek ortalamaları bulunmuştur. Her bir örnek için bulunan bu ortalama değerler ile örneklerin ait oldukları bozunma dereceleri birlikte ilişkilendirilerek Şekil 7 de verilen grafik hazırlanmıştır. Bu grafikten görüldüğü gibi, farklı bozunma derecelerindeki andezit örneklerinde bozunma derecesinin artmasıyla birlikte örneklerin ortalama yansıma değerleri artmakta, dolayısıyla gri tondaki renkleri açılmaktadır. 2 18 16 14 12 1 8 5 6 Şekil 7. Andezit örneklerinde bozunma derecesindeki artışa bağlı olarak elde edilmiş ortalama yansıma değerleri. Çalışma kapsamında gerçekleştirilen X - ışınları kırınım analizleri sonucunda bozunma derecesindeki artışa bağlı olarak karışık tabakalı kil minerali, kaolin ve simektit gibi kil mineralleri belirlenmiştir. Besbelli (1995) Ankara civarındaki andezitlerin renklerinin değiştiğini, bunun da örneklerin seçiminde tanımsal bir özellik olarak ortaya çıktığını belirtmiştir. Taze kayaç örneklerine göre, renkleri daha az açılmış olanların killi altere kesimler olduğunu vurgulayan bu araştırmacı, bu killerin genellikle kaolinit, illit ve simektit ten oluştuğunu belirtmektedir. Foto analiz çalışmaları ve X-ışınları kırınım analizleri sonucunda elde edilmiş veriler, Besbelli (1995)'in çalışmaları dikkate alınarak birlikte
değerlendirildiğinde, bozunma derecesinin artmasıyla birlikte örneklerin renklerinin açılmasında yeni oluşan kil minerallerinin rol oynadığı düşünülmektedir. 5 SONUÇLAR VE ÖNERİLER Bu çalışma kapsamında, doğal yapı malzemesi olarak kullanılan Ankara andezitlerinde bozunmanın neden olduğu mineralojik, petrografik, kimyasal, fiziksel ve mekanik değişimler araştırılmıştır. Elde edilen başlıca sonuçlar aşağıda verilmiştir. Arazi çalışmaları sonucunda Ankara andezitlerinde kütle ve malzeme ölçeğinde altı bozunma sınıfı tanımlanmıştır. Devamlılığı yüksek olan süreksizlikler derinde yüzeydekine benzer bozunmaya neden olabileceği gibi, derindeki hidrotermal alterasyonun yüzeye doğru gelişmesine olanak sağlamıştır. Bozunma derecesinin artmasıyla birlikte süreksizlik yüzeyleri üzerinde yer yer kil, karbonat ve silis gibi çeşitli bozunma ürünü mineraller gelişmiş ve iki süreksizlik yüzeyi arasındaki açıklık artmıştır. Plajiyoklas fenokristallerindeki ve mikrolitlerindeki bozunmanın şiddeti bozunma derecesinin artmasıyla birlikte artmıştır. Bozunma derecesinin artmasıyla birlikte camsı malzeme yerini serizit, kalsit, kuvars, opal ve illit gibi bozunma ürünü minerallere bırakmıştır. Magnetit giderek hematite dönüşmüş ve çizilme sertliği yüksek olan minerallerin yerini çizilme sertliği daha az olan mineraller almıştır. Farklı bozunma derecelerine sahip Ankara andezitlerinin mikroçatlak yoğunlukları ile bozunma dereceleri arasında önemli bir ilişki bulunmaktadır. Bozunma derecesinin artmasıyla birlikte yoğunlukları artan mikroçatlaklar, yüzey alanının da artmasına neden olmuşlardır. Yüzey alanındaki artış, kimyasal çözeltilerin dolaşımına, dolayısıyla da kimyasal bozunmanın gelişimine olanak sağlamıştır. Simektit gibi şişme özelliğine sahip kil minerallerinin miktarları bozunma derecesinin artmasıyla birlikte artmıştır. Bozunmanın ileri derecedeki evrelerini temsil eden örneklerin bir bölümünde kaolin ve karışık tabakalı kil minerali saptanmıştır. Bozunma derecesinin artışına bağlı olarak, genellikle Na 2 O, MgO, K 2 O ve CaO gibi jeokimyasal olarak hareketli elementlerin miktarları azalmıştır. Bunun yanında, bozunma derecesinin artmasıyla birlikte ateş kayıpları da artmıştır. Elde edilen jeomekanik deney sonuçları sahada göreceli olarak belirlenen bozunma derecesine göre sınıflandırılmış ve tayin edilen parametreler kullanılarak, her parametre için sayısal verilere dayalı bozunma derecesi değişim aralıkları saptanmıştır. Yapılan istatistiksel değerlendirmeler sonucunda bozunmanın artmasıyla birlikte örneklerin birim hacim ağırlıklarının, disk makaslama indeksi, tek eksenli sıkışma dayanımı, çekilme dayanımı, P- dalgası hızı değerlerinin azaldığı, porozitelerinin arttığı belirlenmiştir. Bu değişimler kayaç dayanımının büyük ölçüde bozunma süreçleri tarafından kontrol edildiğini göstermektedir. Foto analiz yöntemiyle gerçekleştirilen renk ayrımı çalışmaları sonucunda, bozunma derecesinin artmasıyla birlikte incelenen örneklerin beyaz tonunun da arttığı saptanmıştır. Bu artışa yeni oluşan kil minerallerinin neden olduğu düşünülmektedir. İnceleme alanındaki kayaçlar hidrotermal alterasyona uğramalarının yanı sıra, kimyasal ve fiziksel bozunmaya da uğramışlardır. Birbirleri ile sürekli etkileşim halinde olan bu bozunma süreçlerinin etkisini birbirinden kesin sınırlar ile ayırmak mümkün değildir. Ancak, bozunma derecesinin artmasıyla birlikte saptanan kil minerali miktarının fazla, kil tane boyundaki malzemenin az olması, inceleme alanında kimyasal bozunmanın fiziksel bozunmaya oranla daha baskın olabileceğine işaret etmektedir. KATKI BELİRTME Yazarlar araştırmayı destekleyen ve laboratuar olanaklarını sağlayan MTA Genel Müdürlüğü ile Hacette Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölüm Başkanlığına teşekkür ederler. KAYNAKLAR AFNOR (L' Association Francaise De Normalisation), 198. Essai au deu methylene, AFNOR 8181. Akyürek, B, Bilginer, E, Akbaş, B, Hepşen, N, Pehlivan, Ş,Sunu, O, Soysal, Y, Dağer, Z, Çatal, E, Sözeri, B, Yıldırım, M, Hakyemez, Y, 1982. Ankara- Elmadağ, Kalecik dolayının jeolojisi, MTA Rapor No: 9278, 116 s (yayımlanmamış). ANON, 197. The logging of rock cores for engineering purposes, Quarterly Journal of Engineering Geology, 3, p.1-24. ANON, 1972. The preparation of maps and plans in terms of engineering geology, Quarterly Journal of Engineering Geology, 45, p.293-382. ANON, 1977. The description of rock masses for engineering purposes, Quarterly Journal of Engineering Geology, 1, p.355-388.
ASTM (American Society for Testing Materials), 1994. Soil and Rock, Annual Book of ASTM Standards, V.4.8, 975 p. Besbelli, A, 1995. Çubuk civarı (Ankara KD su) Neojen volkanitlerindeki hidrotermal alterasyon ürünü kil minerallerinin petrografik ve minerolojik incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Ankara, 71 s (yayımlanmamış). Buyukonal, G, 1971. Microscopical study of the volkanic rocks around Ankara, Communications Serie C: Sciences naturelles, Tome, 15c. Çalgın, R, Ercan, T, Pehlivanoğlu, T, Şengün, M, 1973. Ankara çevresi jeolojisi, MTA Rapor No: 6487, 55 s (yayımlanmamış). Davis, G.H, 1984. Structural Geology of Rocks and Regions, John Willey & Sons Inc: New York. Deere, D.U, Patton, F.D, 1971. Slope stabilty in residual soils, Proceedings of the 4 th Pan American Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, San Juan, Puerto Rico, Vol.1, p.87-17. Ergüler, Z.A, 1998. Mühendislik uygulamalarında kayaç bozunması ve bozunma derecesinin belirlenmesinde Schmidt çekici ve block punch indeks deneyinin Ankara kentinde seçilmiş bir bölgedeki andezitlere uygulanması, Bitirme Ödevi, Hacettepe Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Ankara, 75 s (yayımlanmamış). Geological Society of London, 1995. The description and classification of weathered rocks for engineering purposes: Geological Society Engineering Group Working Party Report, Quarterly Journal of Engineering Geology, 28, p.27 242. Gevrek, A.İ, 1988. Importance of geothermal energy in Turkey, Proceedings of the International Congress on Solar and Other New-Renewable Energy Resources, Antalya, p.623-636. Gurocak, Z, Kilic, R, 25. Effect of weathering on the geomechanical properties of the Miocene basalts in Malatya, Eastern Turkey, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 64, p.733-381. ISRM (International Society for Rock Mechanics), 1981. Rock characterization, testing and monitoring ISRM Suggested Methods, Pergamon Press, Oxford, E.T. Brown (ed), 211 p. I.U.G.S, 2. Subcommision on the systematics of igneous rocks, Classification and nomenclacture of volkanics rocks, Iamprophyres, carbonatites and melitic rocks, N. Jb. Miner Abh. p.1 14. Johnson, R. 1984. Elementary Statistics, Duxbury Pres, Boston. Karpuz, C, Pasamehmetoglu, A.G, 1997. Field characterization of weathered Ankara andesites, Engineering Geology, 46, p.1-17. Koca, M.Y, Türk, N, 1994. Ayrışmanın andezitlerin petrografik, kimyasal ve jeomekanik özelliklerine etkisi, Türkiye Jeoloji Kurultayı Bülteni, 9, s.382-392. Pasamehmetoglu, A.G, Karpuz, C, Irfan, T.Y, 1981. The weathering characteristics of Ankara andesites from the rock mechanics point of view, Proceedings of the International Symposium on Weak Rock, Tokyo, p.185-19. Price, D.G, 1993. A suggested method for the clasification of rock mass weathering by a rating system, Quarterly Journal of Engineering Geology, 26, p.69-76. Saito, T, 1981. Variation of physical properties of igneous rocks in weathering, Proceeding of the International Sympossium on Weak Rocks, Tokyo, Vol.1, p.191 196. Suludere, Y, 1976. Meşeli - Aşağıemirler - Dedeler (Çubuk Ankara) bölgesi jeolojisi, MTA Rapor No: 63, 97 s (yayımlanmamış). Topal, T, 1996. The use of methylene blue adsorption test to assess clay content of the Cappadocian tuff, 8 th Int. Cong. on the Deterioration and conservation of stone, Berlin, Vol.2, p.791-799. Ulusay, R, Gokceoglu, C, 1997. An experimental study on the size effect In Block Punch Index test and its general usufulness, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 35(4-5), p.628-629. Ulusay, R, Gokceoglu, C, Sulukcu, S, 21. Draft ISRM suggested method for determining block punch strength index (BPI), International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 38, p.1113-1119.