ZEMİNLERİN OLUŞUMU VE YAPISI

ZEMİNLERİN OLUŞUMU VE YAPISI Tanımlar Zemin: Toprak veya Zemin bir bağlayıcı madde ile tamamen veya kısmen çimentolanmış değişik türden mineraller, organik atıklar, su ve hava karışımından oluşan yapı. Zemin Mekaniği: zemin kitlelerinin iç ve dış kuvvetler altında statik ve dinamik dengelerini inceleyen mühendislik dalı. Zeminlerin oluşumu KAYALAR Fiziksel, kimyasal veya mekanik ayrışma Taşınma Birikme Yüksek sıcaklık, basınç, çimentolanma ZEMİNLER 1

YERKÜRE Kabuk, manto ve çekirdek kısımlarından oluşur. Manto üst ve alt, çekirdek, iç ve dış olarak nitelendirilen, ikişer kısma ayrılır. Kabuk Kabuğun kalınlığı, değişkendir. Kıtalarda 35-70 km, okyanus tabanlarında 5-10 km kadardır. Kimyasal bileşimi ve yoğunluğu birbirinden farklı iki kısımdan meydana gelir. Bunlardan biri granit bileşimindeki kayaçlardan oluşan granitik yerkabuğu; diğeri ise bazalt bileşimindeki kayaçlardan oluşan bazaltik yerkabuğudur. Granitik yerkabuğunda silisyum ve aluminyum elementleri hakimdir. Bu nedenle daha hafiftir; yoğunluğu 2.7-2.8 g/cm 3 arasında bulunur. Bazaltik yerkabuğunda ise silisyum ve magnezyumlu unsurlar hakimdir. Dolayısıyla granitik kabuktan daha ağırdır; yoğunluğu 3-3.5 g/cm 3 arasında değişir. Bu iki kısım bütün kıtaların altında bulunmaktadır. 2

Manto Manto, sıcak ve katı bir tabakadır. Manto'nun üst kısımları, hem katı, hem de bir sıvı gibi davranır Ultra bazik veya ultrafamik kayaçlardan oluşur. Ağırdır; yoğunluğu 3,5-6 g/cm³arasında bulunur. İki kısma ayrılır: 1. Üst manto veya (astenosfer), 2. Alt manto. Yer kürenin toplam hacminin %82'den fazlasını, kütlesinin ise %67'sini oluşturur. Magma Herhangi bir köken bölgedeki kayaçların basınç düşmesi, sıcaklık yükselmesi, H 2 O ilavesi gibi etkenler altında bir kısmının ergimesi sonucu oluşan silikat hamuru durumundaki eriyiklerdir. Magma, ergimiş durumdaki değişik mineraller ve bazı mineral kristallerinde oluşan lapa benzeri, yoğun bir sıvıdır. Magmanın sıcaklığı yaklaşık 2000 C derecedir. Kıvamı, su ve buz kristalleri içeren yarı erimiş durumdaki kar gibidir. Tektonik Hareketler Yer kabuğu ve hemen altındaki manto katmanının birleşmesinden oluşan litosfer, yavaş bir hareketle yer değiştiren 12 ayrı 'levha' halinde, değişken bir yap-boz tablosu oluşturur. Yarı akışkan astenosfer tabakası üzerinde yüzer durumda bulunan bu levhaların hareketi için gereken enerjiyi, astenosfer tabakasındaki konveksiyon akımları sağlar. Birbirine yaklaşan levhalar bir süre sonra birbiriyle çarpışır. İki levhanın çarpışmasıyla oluşan yeryüzü şekli,levhaların türüne göre değişir. Yanardağların çoğu da genellikle erimiş kayaların levhadaki çatlaklardan yararlanarak fışkırdığı levha sınırında yer alır. 3

Levhalar ortalama olarak yılda birkaç santimetre ölçeğinde hareket ederler (Bu kayma en uç örnek olan Pasifik levhası için yılda 15 santimetreye ulaşmaktadır). Hareket halindeki levhaların birbirleri arasında üç tür ilişkisi olabilir. 1) Yaklaşma- dalma batma 2) Uzaklaşma 3) Yan yana kayma. Bir okyanus levhası, bir kıta levhası ile karşılaştığında, daha ağır olduğu için onun altına doğru kayar, dalmabatma durumu gerçekleşir. Dalma-batma söz konusu olduğunda manto tabakasının sıcak derinliklerine inen taş küre dilimi ısınarak erir ve akışkan halde yükselir. Bu, yaklaşma sınırlarındaki yanardağ etkinliğinin ve dağ oluşumunun temelidir. İki kıtasal levhanın yaklaşması ise çarpışma ile sonuçlanır, her iki levha da manto içine batamayacak kadar hafif ve kalın olduğundan büyük bir deformasyonla yüksek dağ sıraları ve platolar ortaya çıkar (Himalayadağları ve Tibet yaylasıgibi). Uzaklaşan levhalar ise yeni okyanus kabuğunun oluşmasına yol açarlar. Bu olay, iki levha arasında açılan boşluğa üst manto kaynaklı akışkan malzemenin dolması ve soğuyarak katılaşması sonucunda gerçekleşir. Bu şekilde oluşan okyanus sırtları yer kabuğunun en genç bölgeleridir. Levhalar ayrıldıkça sırt ortadan büyümeye devam eder, sırtın her iki yanına doğru uzaklaşan genç litosfer soğudukça hacmi azalır, yoğunluğu artar ve hem küçülme hem de batma nedeniyle yükseltisi azalır. Okyanus-kıta Kıta-kıta Okyanus-okyanus 4

KAYAÇ TÜRLERİ 1) Mağmatik (Püskürük) Kayaçlar a) İç püskürük b) Dış püskürük 2) Sedimenter (Tortul) Kayaçlar 3) Metamorfik (Başkalaşmış) Kayaçlar a) Mağmatik kayalardan oluşan kayaçlar b) Sedimenter kayalardan oluşan kayaçlar Mağmatik (Püskürük) Kayaçlar 1) Mağmanın soğuması ile oluşurlar. 2) Fe ve Mg içerenler kayalar koyu renklidir. 3) Si içerenler asidik kayalar açık renklidir. İç püskürük kayaçlar Granit (i.p): açık renkli, iri ve orta büyüklükte mineral kristaller içerir, iç magmatik kayaç sınıfındadır. Diorit (İ.P): gri ve koyu gri renkli, iri ve orta büyüklükte mineraller içerir, dış magmatik kayaç sınıfındadır. Yapısında Kuvars ve feldispatlar vardır, az miktarda mika, amfibol ve demir oksitler bulunur. Yapısında Kuvars az veya yoktur, çok miktarda feldispat ve amfibol ile az miktarda mika ve demir bulunur. Bazalt (D.P): koyu gri ve siyah renkli, ince tanelidir, dış magmatik sınıfındadır. Yapısında Kuvars yoktur, feldispat ve prioksen, az miktarda demir oksit ve biotit bulunur. Dış püskürük kayaçlar 5

Sedimenter (Tortul) Kayalar 1) Mineral materyalin sular içinde çökelmesi ve basınç etkisiyle pekişmesiyle oluşur. 2) Aşınma ve ayrışma, taşınma,birikim ve taşlaşma ürünlerini içerir. 3) Özellikleri: Tabakalı ve fosillidir. Renkli, aşınma ve su dalgası izleri taşırlar. Konglomera Kum taşları Kireç taşları (kalker) Fiziksel Dolomitler tortul Kimyasal Tortul kayaçlar Şeyller kayaçlar Akarsu, rüzgar ve buzul gibi dış kuvvetlerin etkisi ile aşınan parçaların birikimi Kum taşı, çakıl taşı, kil taşı Kireç tuz ve jips gibi suda çözünebilen minerallerin çökmesi Kireç taşı (kalker), alçı taşı(jips), kaya tuzu Organik tortul kayaçlar Hayvansal ve bitkisel maddenin çökmesi Taşkömürü Linyit Turba Tebeşir Bazı Sedimenter Kayaç Türleri Bazı Sedimenter Kayaç Türleri Kum taşları: griden kırmızıya kadar değişen renge sahiptir. Granül ve poroz strüktürlüdür. Şeyl: açıktan koyuya çeşitli renklerde olabilir. İnce levhalı yapılıdır. Esas olarak kuvars, bir miktar CaCO3, FeO ve kil içerir. Kil ve bir miktar organik madde içerir Kireç taşları: açık gri ve sarı renklidir. İnce taneli ve sıkı yapılıdır. Kalsit, dolomit ile az miktarda FeO, kil, fosfat, organik madde içerir. 6

Metamorfik (Başkalaşmış) Kayalar Hem metamorfik hem tortul kayaların büyük basınç, yüksek sıcaklık ile değişime uğramasıyla oluşur. Metamorfizma: 1. Mevcut mineraller büyür 2. Yeniden dizilir 3. Yeni mineraller oluşur 4. Kimileri şekil değiştirip kaybolur Kalker Mermer Kömür Granit Kumtaşı Yüksek sıcaklık +Basınç Elmas Gnays Kuvarsit Şist: Yapraklı strüktür Bazalt ve şeylerden oluşur Zeminlerin oluşum mekanizmaları Kuvarsit: Açıktan koyuya değişen renk, sıkı yapılı Mermer: Beyazdan kırmızıya, yeşil veya siyah, sıkı yapılı, ince ve kaba tekstür Kum taşlarından oluşur Kireç taşlarından oluşur, kalsit ve dolomitten ibaret olup az miktarda FeO Fiziksel Ayrışma Kimyasal Ayrışma Biyolojik Ayrışma Kayaların çatlaması, parçalanması ve ufalanması Sıcaklık farkının fazla olduğu bölgelerde Toprak oluşumu yavaştır Kayacı oluşturan minerallerin ayrışması, erimesi Sıcaklık farkının az olduğu sıcak ve nemli bölgelerde Toprak oluşumu hızlıdır Zeminler, yerinde oluşmuş(residual) ve taşınmış(transported) zeminler olmak üzere iki ana guruba ayrılırlar. Yerinde oluşmuş zeminler, ana kayanın parçalanması ve ayrışması ile ana kayanın üzerinde oluşur. Taşınmış zeminler; parçalanma ve ayrışma sonucu oluşan parçaların akarsu, buzul, dalga, kıyı akıntısı, yer çekimi vb. ile taşınarak biriktirilmesi sonucu oluşan zeminlerdir. 7

Toprak oluşum mekanizmaları 1. Fiziksel ve mekanik aşınma (weathering) Taşların kimyasal yapılarında herhangi bir değişme meydana gelmeden, bağlarının zayıflaması parçalara ayrılarak ufalanmasıdır. En önemli etken, sıcaklık farklarıdır. Sıcaklık farkının artması mekanik çözülmeyi arttırır. Özellikle, çöl ikliminin egemen olduğu alanlarda ve sıcaklık farkının fazla olduğu karasal iklim bölgelerinde etkili olmaktadır. Donma ve çözülme, buz, tuz ve kök çatlaması, ısınma ve kuruma, taşların büzüşüp genleşmesi mekanik çözülmeyi oluşturan başlıca faktörlerdir. Sıcaklığın yanı sıra akarsu akışları ve rüzgar sebebi ile de fiziksel aşınma meydana gelir. Soğuk iklimlerde Çöllerde 2. Kimyasal aşınma Su 3. Biyolojik aşınma Canlı organizmaların salgıladıkları salgılar, organik asitler ve bitki köklerinin taş aralarındaki çatlaklara girerek büyümeleri ve sonuçta taşı parçalamaları ile meydana gelir. Minerallerin ayrışmasında likenler, mantarlar ve bakterilerin etkisi bilinmektedir. Bakteriler yüksek bitkilerin yaşamsal faaliyetlerini sürdürebilmeleri için ortam yaratmışlardır. Solucanlar, böcekler ve kemirici hayvanlar toprak içinde devamlı hareket ettiklerinden toprağın parçalanmasında etkilidir. Biyolojik ayrışma özellikle bitki örtüsünün, ormanların zengin olduğu sıcak ve nemli sahalarda etkili olur. Karbonlaşma Hidroliz Hidratlaşma Oksidasyon 8

Toprak oluşumunu etkileyen diğer faktörler İklim Ana kaya türü Ana kayanın yapısı (kırık çatlak ve gözenekler) Mineral ana materyal Sert kaya ya da minerallerden oluşmuştur. Mineraller de kendi aralarında yerli ve taşınmış materyal olarak iki kısma ayrılır. Sert kayaların yerinde ayrışması ile olgunlaşmış materyale yerli materyal, esas oluştukları yerlerinden taşınmış ve başka yerlerde birikmiş olan çakıl, kum, kil gibi materyallere taşınmış materyal denir. Ana Materyal Organik ana materyal Bitki gelişmesinin fazla olduğu fakat su veya düşük ısı derecesi sebebiyle ayrışmanın yavaş bulunduğu yerlerde kısmen ayrışmış organik madde birikmeye başlar. Koşulların uygun olduğu her yerde meydana gelebilir. Eksik veya tam havasızlık, Düşük sıcaklık derecesi, Ortamda besin elementlerinin düşük düzeyde bulunması Su eksikliğidir. Taşınmış Materyaller Su ile taşınmış materyal: Allüviyal ana materyal, dar ve düzgün olmayan şeritler halinde akarsuların kıyısında yer almıştır. Yapıları ince kilden, büyük kayalara kadar değişmektedir. Rüzgârla taşınmış materyal: Çeşitli büyüklükte kumların, rüzgarın etkisiyle dik yamaçlara çarpması ve buralarda birikmesi sonucu olur. Buzullarla taşınmış materyal: Çok eski zamanlarda kıtaların büyük kısımları buz istilalarına uğramıştır. Bu buz istilasının nedeni, sıcaklığın değişmesi ve yağıştaki değişimdir. Bu süre içinde sıcaklık düşmüş yağış artmıştır. Yazın sıcağı, kışın yağan kar birikimini eritmeye yeterli olamamış ve kar birikmiştir. Karın kalınlığının artmasıyla basınç artmış ve yaz sıcağının etkisi ile karların kısmen erimesi sonucunda kar buza dönüşmüştür. Buzullar büyük merkezlerden etrafa itilmeğe başlanmış ve özellikle güney doğrultusunda hareket ederek geniş alanları örtmüştür. Buzlar hareketleri sırasında gerek oluştukları gerekse geçtikleri yollar üzerindeki materyali beraberinde taşımışlardır. Zamanla buzulların erimesiyle birlikte, taşıdıkları materyal belirli yerlerde terkedilmiş ve toprak oluşumunda etkili olmuştur. Yer çekimi etkisi ile taşınan materyal: Tepelerin yüksek kesimlerinden kopan kaya parçaları ve taşlar yer çekiminin etkisiyle aşağıya doğru hareket eder. Tepelerin eteklerinde birikir. Yer çekimi etkisi ile taşınan materyale kollüviyal materyal denir. Bu tip materyaller genellikle kaba yapılıdır ve homojen değildir. Kimyasal ayrışmadan çok burada fiziksel ayrışma söz konusudur. Zeminler ZEMİN TÜRLERİ İri (kaba ) taneli zeminler (Kohezyonsuz zeminler Ayrık taneli zeminler) Çakıl Kum İnce taneli zeminler (Kohezyonlu zeminler) Silt Kil Eğer zemini meydana getiren taneler kil partikülleri yada başka bağlayıcı maddeler yardımıyla kendi kendini dağılmadan bir arada tutabiliyor ise bu şekildeki zeminlere kohezyonlu zeminler, eğer zemini meydana getire taneler kendi kendini bir arada tutamıyor dağılıyor ise bu şekildeki zeminlere de kohezyonsuz zeminler denir. 9

Kohezyonsuz zeminler Parçacıklar birbirine yapışmamış durumdadır Parçacık boyutu genellikle 0,06-200 mm arasında değişmektedir Su parçacıklar arasından kolayca akıp gider. Kohezyonlu zeminler Parçacıklar iyi derecelendirilmiştir ve birbirine yapışmış durumdadır Parçacık boyutu genellikle 0,06 mm den daha düşüktür Islakken yumuşak kuruyken serttir Kohezif özellikler su içeriğine bağlıdır Çakıl: Su ve atmosfer koşullarıyla az veya çok yuvarlaklaşmış kaya parçalarıdır. Bileşenleri kuvartz, granit, şist, bazalt ve kalker olabilir. Kumlar: Çakıllar ile aynı minerallerden oluşmuştur. Siltler: İnce kum danelerine benzemekle birlikte, oluşumları mekanik aşınmadan daha fazla, kimyasal ayrışma sonucudur. Su ile doygun hale geldiğinde, akıcı hal alırlar. Siltler, oldukça geçirimsiz, sıkıştırılması güç, deformasyon sırasında hacim değiştiren ve dondan etkilenen zeminlerdir Killer: Kimyasal ayrışma ile oluşurlar. Su ile beraber bulunduğunda çok dikkat dilmesi gereken zeminlerdir. Kilde dane çapları küçüldükçe plastikleşirler. Karışımda silt oranı arttıkça topak halden ayrık hale dönüşür. Killer, ıslak olduklarında deformasyon mukavemetleri düşük,kuruyunca sertleşirler. Killer, pratik olarak geçirimsiz olduklarından, sıkıştırılmaları zor ve drene edilmeleri çok güç zeminlerdir. Kolloid killer: Su içinde çökelmeyerek askıda kalırlar. Elektrik yüklü danelerinin sürekli birbirlerini itmeleri nedeniyle, sürekli hareket halindedirler. Zeminlerin gözlem yolu ile analizi Bir zeminin kuru veya ıslak olarak elde şekillendirilmesi ve parmaklar arasında sıkılması arazide zemin yapısını saptamada bir yöntemdir Kum: Daneleri ayrıktır. Kuru iken elle sıkılıp bırakılırsa hemen bölünür, parçalanır. Islak iken sıkılırsa kalıplı bir biçim alır; bırakılsa bile şeklini korur; ancak dokunulduğu zaman bölünür. Kil:İnce daneli yapıdadır. Kuru iken çok parça ve topaklar halinde kırılabilir. Islak iken, plastiktir ve çok yapışkandır. Islak zemin topağı parmaklar arasında sıkılırsa, uzun süre şerit şeklinde kalır. 10

Zeminin rengi: Zemini oluşturan ana kayanın mineral içeriği Organik madde Demir iyonunun varlığı Nem içeriği Koyu kahverengiden siyaha kadar olan renkler organik madde içeriğini gösterir. Kızıl renk, hidrate olmamış demir oksitleri gösterir. Sarı ya da sarı-kahverengi zeminler demir içerirler Gri-mavi ve gri-sarı renkler zayıf drenaj koşullarının bulunduğunu gösterir. Beyaz renk, silikat ve kalker içeriğini gösterir. KİL MİNERALLERİ Mineraller Birincil (Primer) mineraller: Ergimiş magmanın soğuyarak sertleşmesi (kuvars, feldispatlar) İkincil (Sekonder) mineraller: Primer mineralin sıcaklık gaz ve sıvı etkisi ile değişimi (kil, hematit, limonit, jips) Quartz SiO2 Feldspar, grubu: Microcline MAlSi3O8, M = Na, K, Ca Birincil mineraller Birincil mika grubu: Muskovit KAl(AlSi3O10)(OH)2 Birincil mika grubu: Biotit K(Mg, Fe)(AlSiO10)(OH)2 Major elementler (%) Minor Elements (ppm) Si 30-45 Zn 10-250 Al 2.4-7.4 Cu 5-15 Fe 1.2-4.3 Ni 20-30 Ti 0.3-0.7 Mn ~400 Ca 0.01-3.9 Co 1-20 Mg 0.01-1.6 Cr 10-50 K 0.2-2.5 Pb 1-50 Piroksen: MSiO3, M = Mg, Mn Olivin: (Mg, Fe)2SiO4 Amfibol: Tremolit Ca 2Mg 5Si 8O 22(OH) 2 Na Trace-1.5 As 1-20 11

Topraklardaki en fazla bulunan ikincil mineraller: Silika kil mineralleri veya alüminosilikatlar Karbonatlar ve sülfatlar gibi çözülebilir mineraller Al ve Fe oksitleri veya hidroksitleri (seskiyoksitler denir) Amorf veya kristalimsi olmayan mineraller Mineral vermikülit, fillosilikat alt grubundaki bir silikat kil minerali Mineral kalsitdolomit-jips, çözünebilir karbonat mineralleri İkincil mineraller Mineral goatithematit, Fe hidroksitleri Mineral allofan, amorf bir mineral Kil Nedir? Tane boyutu <0,002 mm olan zeminlerdir. Kil zeminler farklı kil minerallerinin bir araya gelmesi ile oluşur. Bir kil mineralinin başlıca 2 yapıtaşı vardır; 4 oksijen (veya hidroksil) ve 1 silisyum atomundan oluşan silis dörtüçgen yüzlüsü (silis tetrahedron). Bu silis dörtüçgen yüzlüleri yan yana dizilerek silis plakasını oluşturur. İkincil yapı taşı 6 hidroksil ve 1 alüminyum (veya magnezyum) atomu ile meydana gelen alümina sekizüçgen yüzlüsüdür (aluminaoktahedron). Bu yapılar yanyana gelerek de alümina plakasını oluşturur. Yaklaşık 15 farklı kil minerali türü mevcut olup kaolin, illit ve montmorillonit en yaygın türlerdir. Özgül yüzey alanı?? 12

Kaolin İllit Montmorillonit Kil mineralleri, fillosilikatlardır (katman silikatları); Yani silikonoksijen tetrahedral ve alüminyum-oksijen oktahedral birimlerden oluşan, kristal yapısı içerisinde küçük miktarlarda metal iyonları bulunan düz yapıdaki alüminosilikatlardır. Kaolinit Magmatik kayaçlarda bulanan feldispatların ayrışması sonucunda meydana gelirler. Tabakalar arasındaki bag kuvvetleri güçlüdür. Tabakalar arasına su iyonları giremez. Bu nedenle kaolinitler su ile karıştırıldıklarında stabilitelerini kaybetmezler. Seramik sanayiinde kullanılmasının sebebi de budur. Plastik özellik gösterirler. Asitlerde erimezler, optik ve X ısınları ile ayrıt edilebilirler. Kaolinit önemli bir endüstriyel hammaddedir. Tugla,boru, çanak, çömlek yapımında, seramik sanayiinde,kagıt, kauçuk sanayinde kullanılırlar. 13

Montmorillonit Tabakalar arası bag kuvvetleri Van der Waals ve katyonlarla saglandıgı için çok zayıftır. Su, bu tabakalar arasına girerek bunların ayrılmasına sebep olur. Montmorillonit 20 katına kadar suyu tabakaları arasına alabilmektedir. Bu grupta yer alan Bentonit %500 e kadar su alabilmektedir. Montmorillonitin esas mineralini olusturan bentonit, volkan küllerin ayrısmayaugramasıyla olusur. İllit Yapısı montmorillonit ile aynı olmakla beraber yapı blokları arasına giren potasyum iyonları bagın bir miktar kuvvet kazanmasını sagladıgından su moleküllerinin araya girmesi bir ölçüde önlenmis olur. Montmorillonit gibi şişmez ancak genişler Killer elektrik yüklüdür ve mıknatıs gibi çekme ve itme özelliği gösterirler. Su varlığında şişme ve büzülme özelliği gösterir. Çift tabaka, su tutma 14

İYON DEĞİŞİMİ Toprak Katı faz Mineraller %45 Organik madde %5 Sıvı faz Toprak suyu %25 Gaz faz Toprak havası %25 15