_____________________________________________________________________________________________
41
_______
Jeotermal Enerji Semineri
JEOTERMAL ÇALIŞMALARDA DURAYLI İZOTOP
TEKNİKLERİNİN KULLANILMASI
Halim MUTLU
ÖZET
Doğada gerçekleşen fiziksel ve kimyasal işlevler neticesinde düşük atom numaralı elementlerin izotop
kompozisyonları ayrımlaşmaya uğramaktadır. İzotopların fiziksel ve kimyasal özelliklerindeki düşük
dereceli farklılıklardan kaynaklanan bu ayrımlaşma, izotop kütleleri arasındaki değişimlerle doğru
orantılıdır. İzotop kompozisyonlarında bu tür değişimlerin görüldüğü başlıca elementler hidrojen,
karbon, azot, oksijen ve kükürttür. Su, gaz ve kaya sistemlerinden örneklenen jeolojik malzemelerde
yürütülecek duraylı izotop analizleri, bu sistemlerde gelişen mineral ve akışkanların oluşum koşulları
ve kökenlerinin ortaya çıkarılmasında yardımcı olmaktadır. Jeotermal incelemelerde kullanılan su
izotopları akışkanın kökeni ve yaşı ile birlikte yeraltında farklı tür sularla gerçekleşen olası karışım, su
kayaç etkileşimi ve buhar ayrım işlevleri hakkında bilgi sağlamaktadır. Bu makalenin amacı, jeotermal
incelemelerde kullanılan izotop teknikleri hakkında genel bir bilgi vermek ve jeotermal sahaların arama
ve üretim aşamalarında yürütülmesi gereken izotop jeokimyası çalışmalarını tanıtmaktır.
1. GİRİŞ
Bir elementin elektron ve proton sayıları aynı ancak farklı nötron yüklü atomlarına izotop adı verilir. Bu
nedenle, izotopların atomik kütleleri birbirinden farklıdır. İzotoplar
radyoaktif ve duraylı (kararlı)
olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır. Radyoaktif izotoplar, radyoaktif bozuşma yoluyla bir başka
elemente dönüşen izotoplardır. Duraylı izotoplar ise, radyoaktif bozuşmaya uğramayan izotoplardır.
İzotopların jeolojide başlıca iki uygulama alanı vardır. Radyoaktif izotoplar kayaç, mineral ve suların
yaşlarının belirlenmesinde, duraylı izotoplar ise jeolojik malzemelerin oluşum koşulları ve kökenlerinin
ortaya konulmasında kullanılmaktadır [1].
Aynı elemente ait izotopların kimyasal davranışları çok az değişmekle birlikte, bu izotoplar arasındaki
kütle farkı da oldukça küçük sapmalara neden olmaktadır. Bu nedenle, izotopik değişimlere yönelik
denge sabitleri çoğunlukla 1’e yakın değerler almaktadır. Jeotermal sularda görülen izotopların
göreceli bollukları Tablo 1’de, tüm duraylı izotopların izotop oranları ve bunların analizinde kullanılan
standartlar ise Tablo 2’de verilmiştir.
Tablo 1. Jeotermal sularda görülen izotopların göreceli bollukları [2].
İzotop
Bolluk (%)
İzotop
Bolluk (%)
1
H
99.985
16
O
99.760
2
H ( = D)
0.015
17
O
0.040
3
H ( = T)
10
15
10
12
18
O
0.200
12
C
98.89
32
S
95.000
13
C
1.11
33
S
0.760
14
C
1.2x10
10
34
S
4.220
36
S
0.016
_____________________________________________________________________________________________
42
_______
Jeotermal Enerji Semineri
Tablo 2. Duraylı izotopların izotop oranları ve standartları [3].
Element
Simge
Oran
Standart
Mutlak Oran
Hidrojen
dD
D/H (
2
H/
1
H)
SMOW
1.557x10
4
Lityum
d
6
Li
6
Li/
7
Li
NBS LSVEC
0.08306
Bor
d
11
B
11
B/
10
B
NBS 951
4.044
Karbon
d
13
C
13
C/
12
C
PDB
1.122x10
2
Azot
d
15
N
15
N/
14
N
Atmosfer
3.613x10
3
Oksijen
d
18
O
d
17
O
18
O/
16
O
17
O/
16
O
SMOW, PDB
SMOW
2.0052x10
3
3.76x10
4
Kükürt
d
34
S
34
S/
32
S
CDT
4.43x10
2
2.DURAYLI İZOTOPLAR VE İZOTOP AYRIMLAŞMASI
Gaz, su ve kaya gibi sistemlerdeki izotop değişimleri ortamda gelişen doğal süreçler sonucu ortaya
çıkmaktadır. Duraylı izotopların en önemlileri olan hidrojen, oksijen, karbon ve kükürt elementleri bazı
ortak özelliklere sahiptir.
–
Düşük atomik kütleye sahiptirler;
–
Bu elementlerin nadir (ağır) ve bolluk derecesi yüksek (hafif) olan izotopları arasındaki
göreceli kütle farkı oldukça fazladır. Örneğin,
13
C ve
12
C arasında %8.3,
18
O ve
16
O
arasında %12.5 ve D ve H arasında ise %100 gibi kütle farkı bulunmaktadır;
–
Bu elementlerin çok güçlü kovalent bağ oluşturmaları yüksek oranda izotopik
ayrımlaşmaya yol açmaktadır;
–
Bu elementler jeotermal akışkan ve kayaçların önemli bileşenlerini oluşturmaktadır;
–
Nadir izotopun bolluğu kütle spektrometresi ile ölçülebilecek (yüzde ile ifade edilebilecek
şekilde) kadar yeterlidir.
Bu elementlerin doğal değişimlerini temel alan teknikler, bir jeotermal sahanın arama ve üretim
aşamalarında yürütülen jeokimyasal çalışmalar için vazgeçilmez birer araçtırlar. Sıcaklık, sukayaç
etkileşimi, buhar ayrımı, seyrelme veya karışım gibi faktörlere bağlı olarak gelişen hızlı,
tamamlanmamış veya tek taraflı süreçlerin etkisi altında, bu izotopların konsantrasyonları değişmesine
karşın, kaynaktan örnekleme noktasına kadar olan hareketleri sırasında etkin olan fiziksel ve kimyasal
işlevlerden önemli derecede etkilenmemeleri ise doğal iz sürücüler olarak kullanılmalarına olanak
vermiştir. Bu tür izotopik iz sürme hidrolojik sorunların çözümü ve yorumlanmasında günümüzde sıkça
kullanılmaktadır. Hafif duraylı izotopların yer aldığı mineral ve akışkanlar (gaz + su) arasındaki izotopik
ayrımlaşma faktörlerinin şiddeti ve bunların sıcaklık bağımlı oldukları bilinmesi gereken noktalardır.
Söz konusu ayrımlaşma faktörleri üç farklı şekilde elde edilir:
–
Spektroskopik veriler ve istatistiksel mekanik yöntemleri kullanılarak yapılan yarı deneysel
hesaplamalar;
–
Laboratuar kalibrasyon çalışmaları;
–
Oluşum koşulları iyi bilinen veya ileri derecede taklit edilebilen doğal örnekler üzerindeki
ölçümler.
Kaynak ve kuyulardan toplanan suların izotop analizleri akışkan kökeni, yaşı, yeraltında farklı sularla
gerçekleşen olası karışım, sukayaç etkileşimi ve buhar ayrım işlevleri hakkında bilgi sağlamaktadır.
Gazlar ve bunların duraylı izotoplarının sığ derinlerdeki koşullardan az etkilenmeleri nedeniyle,
jeotermal gazlardaki duraylı izotop çalışmaları, sıvı akışkanlara yönelik yapılan incelemelere göre
daha avantajlıdır. Karbon dioksit, metan ve hidrojen izotop kompozisyonlarının değerlendirilmesi ile bu
gibi gazların kökeni ortaya konabilir ve izotop jeotermometresi hesaplamaları yapılabilir.
_____________________________________________________________________________________________
43
_______
Jeotermal Enerji Semineri
Farklı kimyasal bileşiklerin izotop içeriklerindeki doğal değişimleri tanımlamak için ilk olarak
konsantrasyon birimlerini tanıtılacaktır.
İzotop oranı ( R ): Bir elementin herhangi bir izotopu ile aynı elementin en bol bulunan izotop atomları
arasındaki sayısal orandır. Örnek olarak döteryum (D) alınırsa:
R
(D)
=
H
H
1
2
(1)
Doğadaki ortalama değeri, R
(D)
= 1.5 x 10
4
.
Kütle spektrometresi duraylı izotop konsantrasyonlarını ölçen bir alettir. Bu cihaz, farklı kütleli
izotopları bir araya getirir ve bunların bolluk oranlarını sürekli olarak ölçer. Analiz sırasında ortaya
çıkan çeşitli kimyasal, fiziksel ve elektronik süreçler nedeniyle, bu oran kesin şekilde ölçülememekte
ancak aynı kütle oranına sahip bir standart ile karşılaştırılmaktadır. Böylece, bir örnekteki bilinmeyen
kütle oranı, R
örnek
, (
18
O/
16
O, D/H veya
13
C/
12
C gibi) tam olarak bilinmese de referans olarak alınan bir
maddedeki (R
standart
) aynı kütle oranı ile doğru bir şekilde karşılaştırılabilmektedir. Böylece, izotop
konsantrasyonları ‰ sapması olarak d işareti ile gösterilir.
d =
dart
S
dart
S
Örnek
R
R
R
tan
tan
3
10
-
(2)
veya aynı denklem oksijen için yazılırsa,
d
18
O =
3
16
18
16
18
16
18
10
)
/
(
)
/
(
)
/
(
x
O
O
O
O
O
O
SMOW
SMOW
örnek
ú
û
ù
ê
ë
é
-
(3)
d
18
O ve dD değerleri için standart olarak SMOW kullanılmaktadır. SMOW (Standard Mean Ocean
Water) standart ortalama deniz suyu anlamına gelmektedir. Hidrolojik döngünün giriş ve çıkış
noktalarını en iyi şekilde temsil etmesinden dolayı, okyanus suyu standart olarak seçilmiştir. Bununla
birlikte, yeryüzündeki suyun yaklaşık %97’sini oluşturan okyanus suyu oldukça tekdüze bir izotop
bileşimine sahiptir. Tanım gereği, SMOW içinde d
18
O = 0 ve dD = 0 olmalıdır. Ancak 1976 yılında
Viyana’da Duraylı İzotop Standartları konusunda yapılan bir toplantıda, gelecek yıllarda Viyana
SMOW Standardının (VSMOW) kullanılması önerilmiştir. SMOW izotop kompozisyonunun V
SMOW’a göre dD ve d
18
O değerleri sırasıyla +0.2 ‰ ve +0.04 ‰’dır [4]. VSMOW’un mutlak D/H oranı
[5] ve mutlak
18
O/
16
O oranı [6] ise aşağıdaki gibidir:
D/H
(VSMOW)
= (155.76 + 0.05) x 10
6
(4)
18
O/
16
O
(VSMOW)
= (2005.20 + 0.45) x 10
6
(5)
Herhangi bir suyun
18
O/
16
O oranı, örneğin 1991.16 x 10
6
, VSMOW’a göre 7 ‰ daha az olduğunda:
d
18
O =
6
6
6
10
20
.
2005
)
10
20
.
2005
10
16
.
1991
(
-
-
-
-
x
x
x
x 1000 = 7 ‰
(6)
Karbon için öngörülen standart, Kuzey Carolina PeeDee Formasyonunda görülen belemnit fosilinin
(PDB) karbon izotop bileşimidir. Bu standardın orijinal malzemesi günümüzde mevcut değildir. Yeni
karbonat referansı NBS19’dir. VPDB ölçümünün tanımı aşağıdaki şekildedir:
d
13
C = C
NBS19/VPDB
= 1.95
(7)
_____________________________________________________________________________________________
44
_______
Jeotermal Enerji Semineri
Kükürt için kullanılan standart ise Canyon Diablo meteorididir.
Aynı elementin izotopları benzer özelliklere sahip olmalarına karşın, kütle farkı nedeniyle farklı
reaksiyon hızları ve dağılımları göstermektedirler. Yayılma, buharlaşma, yoğunlaşma ve erime gibi
bazı fiziksel süreçler de izotop ayrımlaşmasına yol açmaktadır. Fiziksel veya kimyasal işlevler sonucu
ortaya çıkan izotop bileşimindeki tüm bu değişimler
izotopik ayrımlaşma olarak bilinir. Ayrımlaşma
faktörü, a, bir sistemdeki farklı bileşik veya fazların izotop oranları arasındaki sayısal orandır. Denge
durumunda, izotoplar molekül içinde olası tüm siteler arasında rasgele dağılım gösterirler. Bu
durumda, a katsayısı ile izotop değişim reaksiyonu arasındaki ilişki aşağıdaki şekildedir:
a = K
1/n
(8)
n: reaksiyonda yer değiştiren atom sayısı
a: dağılım katsayısına benzer bir faktör
K: izotop değişim reaksiyonunun denge sabiti
Örnek olarak CO ile CH
4
arasındaki reaksiyon için denge sabiti şu şekilde olacaktır:
12
CO +
13
CH
4
Û
13
CO +
12
CH
4
(9)
K =
)
)(
(
)
)(
(
4
13
12
4
12
13
CH
CO
CH
CO
(10)
İzotopik olarak yer değiştiren moleküllerine ait aktivite katsayıları oranları bire eşit olduğundan, aktivite
ve fugasite (oksijen basıncı) yerine genellikle konsantrasyon değerleri kullanılmaktadır. Örnek olarak,
0°C’de subuhar dengesini ele alınırsa,
a
sb
(
18
O) =
Buhar
Su
O
R
O
R
18
18
= 1.0115
olacaktır:
(11)
Böylece, eğer izotopik oranı 2.0499x10
3
olan bir su 0°C’de buhar ile dengeye ulaşırsa, buharın
izotopik oranı
R
18
O
Buhar
=
0115
.
1
10
0499
.
2
3
-
x
= 2.0217 x 10
3
olacaktır.
(12)
Bu durumda, buhar, türemiş olduğu orijinal suya göre ağır izotop bakımından daha fakirdir.
Aynı koşullarda (0°C’de subuhar dengesi), döteryum için ayrımlaşma faktörü ise:
a
sb
D =
D
R
D
R
Buhar
Su
= 1.0185
(13)
D için bulunan ayrımlaşma faktörü oksijen18’e göre daha yüksektir. Aslında, göreceli kütle farkı daha
fazla olduğundan, hafif elementler için elde edilen ayrımlaşma faktörleri daha yüksektir. Ayrımlaşma
faktörü ile sıcaklık (°K) arasındaki ilişki oksijen [7] ve hidrojen [8] için aşağıdaki denklemler ile
verilmiştir.
1000 ln a
sb
18
O = 2.644 – 3.206 (10
3
T
1
) + 1.534 (10
6
T
2
)
(14)
_____________________________________________________________________________________________
45
_______
Jeotermal Enerji Semineri
ln a
sb
D = 0.0771 + 13.436 (10
3
T
2
)
(15)
Duraylı izotoplarda, ‰ ayrımlaşması (10
3
lna) oldukça önemlidir. Bu miktar ∩ değeri ile gösterilir.
∩
AB
= d
A
d
B
» 10
3
ln a
AB
(16)
Böylece, d değerlerinin farkından elde edilen ∩, ‰ ayrımlaşması için mükemmel bir yaklaşım olacaktır.
Belirli bir sıcaklıktaki denge için gerekli ayrımlaşma faktörü 1’den çok az yüksek bir değer ile 1’den çok
az alçak bir değer arasında olacaktır. Bir başka deyişle, 10
3
ln a ifadesinin sadece işareti değişecektir.
3. JEOTERMAL SULARIN KÖKENİ
Jeotermale yönelik eski çalışmalarda, suyun jüvenil yada mağmatik bir kaynaktan türediği
sanılmaktaydı. Ancak yüksek rakımlı ve karasal alanlardan örneklenen yağmur ve kar sularının hafif
izotoplarca zengin olduğu (düşük d değerleri) ve bu sulardaki dD ve d
18
O değerlerinin meteorik su
çizgisi üzerinde yer aldığının ortaya konulmasıyla bu görüş radikal bir değişim geçirmiştir [4].
Tropik denizlerden uzaklaştıkça ağır izotoplarda (
18
O, D) görülen fakirleşme, bu izotopların yağmur ve
kar suyu gibi yoğun fazlar içine girmeleri ve kalıntı buhar fazında da hafif izotopların zenginleşmesi
(
Raleigh süreci) ile açıklanmaktadır. Craig (1961), jeotermal sulardaki d
18
O değerlerinin yerel meteorik
sulardakilerden daha yüksek (pozitif) olduğunu ancak dD bolluklarının ise aynı kaldığını ortaya
koymuştur.
Yüksek sıcaklıklı jeotermal sistemlerdeki suyun kökeni jeokimyacıların uzun yıllardır cevabını aradığı
bir soru olmuştur. Geçmiş yıllarda suyun kökenini belirlemek üzere herhangi bir teknik mevcut
olmadığı için en kabul gören teori suyun kısmen de olsa magmatik ya da jüvenil bir kökene sahip
olduğuydu. Ancak önce su ile ilgili bazı tanımlamaların yapılması gerekmektedir. Meteorik su,
herhangi bir yaşta olabilen ve yağışlar sonucu ortaya çıkan sudur. Yağmur, kar, göl, nehir ve çoğu
yeraltı suyu meteorik sular grubuna girmektedir. Magmatik su, başlangıç kökeni ne olursa olsun,
magma ile denge durumuna gelmiş suya denmektedir. Jüvenil su yerkürenin manto veya
çekirdeğinden gelen ve daha önce hiçbir şekilde hidrosfer ile temas etmemiş sudur. Hidrotermal su ise
kökenine bakılmaksızın her tür sıcak suya verilen isimdir. 1930’lu yıllarda yapılan termodinamik
hesaplamalar sonucunda, Yellowstone doğal parkındaki kaynayan suların yaklaşık %13’nün jüvenil
karakterde olduğu belirlendi. 1950’lerde İtalya’daki Larderello jeotermal sahasındaki sıcak suların,
yaklaşık %10’nun, jüvenil ya da magmatik su olduğu düşünülmekteydi. 1963 yılında izotop
tekniklerinin geliştirilmesinden sonra, Craig hidrojen ve oksijen izotopik bileşimlerini ölçmek suretiyle
jeotermal sular ve buharların meteorik kökenli olduklarını ortaya koymuştur. Craig, mantodan kabuğa
yükselmekte olan suyun tekdüze ve bilinmeyen bir D/H oranı olduğunu kabullendi. Bu tür suyun
izotopik bileşiminin yeryüzündeki yağmur suyunun izotop kompozisyonundan farklı olduğunu
söylemek hiç de yanlış olmayacaktır. Şekil 1’de yerel yeraltı suyu ile jüvenil suyun değişik oranlarda
karışımı sonucu oluşmuş suların oksijenhidrojen izotop diyagramındaki yerleri gösterilmiştir. Craig ve
onu takiben diğer araştırmacılar, mineralsu izotopik ayrımlaşma faktörlerinden yararlanarak
bozuşmamış magmatik kayaçların hidrojen ve oksijen izotop kompozisyonlarını analiz etmişler ve
magma ile denge halinde olabilecek suların olası izotop bileşimlerinin dD = – 80 ile – 40 ‰ ve d
18
O = +
5.5 ile + 9.5 ‰ aralığında değişebileceğini ortaya koymuşlardır. Farklı jeotermal alanlardaki yerel
meteorik sular farklı izotop bileşimleri sergilemektedirler. Yıllık ortalama yağışın izotop kompozisyonu
büyük ölçüde yerel hava sıcaklığına bağlıdır. Bir başka deyişle, sıcaklık ne kadar düşükse ağır izotop
bileşimi de o kadar düşük olmaktadır (d
18
O ve dD soğuk bölgelerde daha negatif değerler almaktadır).
Böylece, yükseklik, enlem ve kıta etkileri gibi parametrelerin tümü yağış kompozisyonunu önemli
derecede etkilemektedir. Örnek olarak, yağmur suyunun d
18
O değeri Kanarya Adalarında – 3‰,
Larderello jeotermal sahasında –6.5‰ ve Yellowstone doğal parkında ise – 18.5‰ olmaktadır. Ancak,
meteorik döngü içinde yer alan suların kendine özgü izotop kompozisyonu bulunmaktadır. Bu
kompozisyon yağış sularının tamamıyla meteorik bir kökene sahip olduklarına işaret etmektedir.
_____________________________________________________________________________________________
46
_______
Jeotermal Enerji Semineri
dD = 8 d
18
O + B
(17)
B sabit değeri çoğu durumda 10 olarak alınır. Bu doğrusal ilişki, jeotermal suların izotop bileşimi ne
olursa olsun dDd
18
O grafiği üzerinde
Meteorik Su Çizgisi (MSÇ) olarak adlandırılan bir doğru
üzerinde yer alacaklarını ifade etmektedir. Bölgesel ölçekte, Meteorik Su Çizgisinde bazı sapmalar
görülebilir.
20
15
10
5
0
5
10
d O
150
100
50
0
d
18
D
/
0
00
/
0
0
0
SMOW
M
et
er
oi
k
Su
Ç
iz
gi
si
Yellowstone
Parkı
Steam boat
kaynakları
Heklaİzlanda
Gayzerler (ABD)
Larderello (İtalya)
Wairakei (Y. Zelanda)
Kanarya Ad.
Jüvenil
Su ?
Yerel Yağış
Meteorik ve Jüvenil sular arasındaki
karışımın beklenen kompozisyonu
Şekil 1. Dünyanın değişik bölgelerindeki jeotermal suların beklenen kompozisyonları: Yerel meteorik
su ile jüvenil su arasındaki farklı karışım oranları [1].
Dünyanın farklı bölgelerindeki jeotermal sahalarda yürütülen izotop çalışmaları sonucunda, Şekil 1’de
jüvenil su jeotermal sular arasında gösterilen ilişkiye yönelik herhangi bir kanıt elde edilememiştir.
Şekil 2’de ise, dünyanın iyi bilinen bazı jeotermal sahalarından derlenen izotop kompozisyonları
şematik olarak gösterilmiştir. İzotop değişimlerinin sergilediği yönelim, döteryum bileşimlerinin (dD) her
sistem için sabit kaldığını ve aynı bölgedeki yerel meteorik suların döteryum bileşimleri ile aynı
olduğunu göstermektedir. Buna karşın, sıcak suların oksijen izotop bileşimleri ise yerel meteorik sulara
göre belirgin bir zenginleşme sergilemektedir. Bu farklılık ancak iki şekilde açıklanabilir: (a)220°C’de
sıvıbuhar izotopik ayrımlaşması veya (b)kayaçlar ile bunların içinde dolaşan sıcak sular arasında
gerçekleşen izotopik değişim. Birinci durum göz önüne alındığında, denge durumundaki bu iki faz
sadece 220°C’de aynı hidrojen bileşimi ve oksijen ayrımlaşması sergileyebilir. Ancak bu sahaların hiç
birisinde suların sıcaklığı 220°C’ye ulaşmaması nedeniyle bu mekanizmanın gerçekleşmesi olası
değildir. Bu nedenle, gözlenen oksijen kayması mineraller ile su arasında gerçekleşen izotopik
değişimle sağlanmış olmalıdır. Sıcak suların oksijen izotop bileşimlerinin kayaç alanına (jüvenil su)
doğru kaymasının nedeni yüksek sıcaklıklarda kayaç ile su arasında gelişen oksijen değişimidir. Bu
değişimin derecesi su ve kayaçtaki oksijen bolluğu, başlangıç
18
O içeriği, sumineral ayrımlaşma
faktörü (sıcaklık bağımlı olan bu katsayı her mineral için farklı değer almaktadır), bu iki fazın temas
süresi ve yüzeyi ile yakından ilişkilidir. Duraylı izotop teknikleri yerkabuğunun sıvı akışkanlarla her ne
şekilde olursa olsun etkileşime girdiğini ortaya koymuştur. Böylece, kapalı bir sistemde bulunan su ve
kayaçtaki izotop bileşimlerinin değişimini aşağıdaki denklem ile ifade etmek mümkündür.
_____________________________________________________________________________________________
47
_______
Jeotermal Enerji Semineri
W (d
s,su
– d
b,su
) = – R (d
s,kayaç
– d
b,kayaç
)
(18)
)
(
)
(
,
,
,
,
Ç
-
-
-
=
kayaç
s
su
b
kayaç
b
kayaç
s
R
W
d
d
d
d
(19)
Burada,
W = sudaki oksijenin değişken mol miktarı
R = kayaçtaki oksijenin değişken mol miktarı
d
B
= başlangıç kompozisyonu
d
S
= son kompozisyon
∩ = d
kayaç
– d
su
≈ 10
3
ln a
kayaç,su
Jeotermal sistemlerdeki meteorik suların
18
O bakımından zenginleşmesi ile bu sularla tepkimeye giren
kayaçlarda görülen
18
O fakirleşmesi aynı orandadır. Böylece, fosil jeotermal sistemlerdeki kayaçlarda
yapılacak
18
O analizleri, o dönemdeki sukayaç oranları ve su sıcaklıklarının tahmin edilmesine olanak
tanıyacaktır. Kayaçlardaki oldukça düşük hidrojen içeriği nedeniyle (yaklaşık %50 olan oksijen
içeriğine karşılık, hidrojen miktarı kütle olarak %1’den daha azdır), sulardaki hidrojen izotop
bileşiminde önemli bir değişim yoktur. Şekil 2’de gösterilen alanlarda oksijen izotop kompozisyonu 1‰
(Wairakei) ile 18‰ (Kanarya Adaları) arasında değişmektedir. Wairakei’deki düşük oksijen değişimi, ilk
olarak jeotermal sistemdeki su döngüsünün çok sığ olması şeklinde yorumlanmıştı. Bu tür hızlı döngü
ayrışmış kayaçların ağır izotop bakımından fakirleşmesine neden olmaktadır.
20
15
10
5
0
5
10
d O
150
100
50
0
d
18
D
/
0
00
/
0
0
0
SMOW
M
et
er
oi
k
Su
Ç
iz
gi
si
Yellowstone Parkı
Steam boat
kaynakları
Heklaİzlanda
Gayzerler (ABD)
Larderello (İtalya)
Wairakei (Y. Zelanda)
Kanarya Ad.
Jüvenil
Su ?
Yerel Yağış
Maksimum O bileşimli
yerel sular
18
d O
= +15
18
Şekil 2. Dünyanın değişik bölgelerindeki jeotermal boşalımların duraylı izotop bileşimleri [1].
_____________________________________________________________________________________________
48
_______
Jeotermal Enerji Semineri
4. JEOTERMAL SULARIN İZOTOP BİLEŞİMİNİ ETKİLEYEN DİĞER PARAMETRELER
Oksijen izotop bileşimindeki değişim jeotermal suların izotop kompozisyonunu belirleyen en temel
parametredir. Bilindiği gibi, kökenini yansıtacak bir başlangıç izotop bileşimli meteorik su jeotermal
rezervuarı beslemek üzere derinlere süzülür. Rezervuardan yüzeye yükselen bu suyun hidrojen izotop
bileşimi fazla bir değişim göstermezken oksijen kompozisyonu daha pozitif değerler sergiler. Meteorik
suların yeraltına süzülmelerini takiben duraylı izotop bileşimlerini etkileyen diğer bir takım parametreler
de vardır. Düşük sıcaklıklı jeotermal sistemlerde, su ve mineraller arasındaki izotop değişim
tepkimeleri çok düşük hızlarda gerçekleşmektedir. Bunun sonucu olarak, suların izotop
kompozisyonlarında ölçülebilecek derecede bir değişimin olması için çok uzun zaman gereklidir. Su
rezervuarda yeterli süre kalsa bile, su ve kayaç arasında denge sağlanmayabilir. Isı miktarının
kondiksiyon yolu ile kaybedilecek miktardan daha fazla olması ve mineral çökelmesinin soğuk suların
yüzeye çıkış yollarını tıkaması nedeni ile, jeotermal sistemlerde en sık rastlanan soğuma işlevleri
kaynama ve buhar kaybıdır.
Düşük sıcaklık ortamlarında ise izotop ayrımlaşmasına yol açan iki önemli fiziksel süreç ön plana
çıkmaktadır. Bunlar,
–
Yeraltı buharlaşması
–
Yüzey buharlaşması
Sıcak suyun konveksiyon şekilde yüzeye yükselmesi ve bu sırada basıncın düşmesi nedeniyle buhar
ortaya çıkmaktadır. Adyabatik buhar oluşumu aynı zamanda sıcaklıkta da bir azalımı vurgulamaktadır.
Ortaya çıkan buhar ve su fazlarının izotop bileşimi ise büyük ölçüde bu fazların akışkan içindeki
miktarına bağlıdır. Akışkanın yükselmesi sırasında buhar ve su aynı anda oluşur ve yüzeyde
birbirlerinden ayrılırlar ise (tek aşamalı buhar ayrımı), izotop bileşiminde bükük farklılıklar ortaya çıkar.
Kesintisiz buhar ayrımı olarak bilinen diğer bir işlev sırasında ise, buhar oluştuktan hemen sonra
ayrılmaktadır.
Sıvı ve buhar fazları arasındaki izotopik dengenin çok hızlı gerçekleşmesi nedeniyle [9], izotop
dağılımlarının dengeye çok yakın olduğu ve bunun da a denge sabiti ile kontrol edildiği söylenebilir.
Sıvı ve buhar fazlarında ölçülen izotop içerikleri (d
su
ve d
buhar
) ile oksijen ve döteryum arasındaki ilişki
aşağıdaki şekilde yazılabilir.
1000 ln a = 1000 (a – 1) » d
su
– d
buhar
(20)
Tek aşamalı buhar ayrımı işlevinde, ayrılan buhar ve suyun izotop bileşimi izotop dengesinden
hesaplanabilir:
d
buhar
y
buhar
+ d
su
(1 – y
buhar
) = d
B
(21)
d
B
buhar fraksiyonunun (y
buhar
) ayrılmasından önceki akışkan fazının başlangıç izotop bileşimini
yansıtmaktadır. Entalpi dengesi kullanılarak, y
buhar
hesaplanabilir.
y
buhar
=
su
buhar
su
H
H
H
H
-
-
)
(
0
(22)
H
0
, H
su
ve H
buhar
sırasıyla, akışkanın başlangıç durumundaki (buharlaşma olmadan önceki) entalpisi,
su ve buharın ayrılma sıcaklığındaki entalpileridir. Akışkan (d
Su
) ve buhar (d
Buhar
) fazlarının ayrılmadan
sonraki izotop bileşimlerinin hesaplanması için aşağıdaki formüller kullanılır:
d
Su
= d
0
+ y
buhar
(1000 ln a)
(23)
d
Buhar
= d
0
– (1 – y
buhar
) (1000 ln a)
(24)
_____________________________________________________________________________________________
49
_______
Jeotermal Enerji Semineri
Elde edilecek dDd
18
O grafiğinin eğimi (S) yaklaşık olarak aşağıdaki şekildedir:
S ≈
)
1000
)(
1
(
)
1000
)(
1
(
18
0
18
0
+
-
+
-
-
O
D
O
D
d
a
d
a
(25)
Konunun daha iyi anlaşılması için, başlangıç d
18
O ve dD değerleri sırasıyla –6.5 ve –42 olan ve
yeraltına sızan bir meteorik su düşünelim (Şekil 3). 80°C’de ayrılan buharın fraksiyon kaybı, eğimi 5.8
olan bir doğru üzerinde olacak ve %20 ve %40 buhar ayrılması durumunda kalıntı sıvının d
18
O
değerleri sırasıyla –5.3 ve –4.1 olacaktır. Diğer sıcaklıklar için hesaplanan değerler ise Tablo 3’de
verilmiştir.
Şekil 3 ve Tablo 3’den de görüldüğü üzere, 220°C’de hidrojen herhangi bir ayrımlaşmaya
uğramamaktadır. Diğer bir önemli husus da, sıcaklık yükseldikçe oksijene ait fraksiyonlarının ayrılan
buhar miktarı kadar düşük oluşudur.
8
7
6
5
4
3
2
d O
55
50
45
40
35
30
25
d
18
D
/
0
00
/
0
0
0
Me
te
ro
ik
Su
Ç
iz
gi
si
Ayrılmış buhar
Buhar ayrımından sonraki
kalıntı sıvı
80 C
120 C
220 C
260 C
o
Orijinal
su
Şekil 3. Farklı sıcaklıklarda ve %20 ve %40 buhar ayrılması durumunda kalıntı sıvının oksijen ve
hidrojen izotop bileşimleri [1].
Tablo 3. Değişik sıcaklıklarda gerçekleşen buhar ayrımı eğimleri ve %20 ve %40 buhar ayrılması
durumunda kalıntı sıvının d
18
O değerleri [1].
Buhar
ayrılma
sıcaklığı
1000 ln α
(
18
O için )
1000 ln α
(D için )
Eğim
%20 buhar ayrılması
sonucunda d
18
O değeri
%40 buhar ayrılması
sonucunda d
18
O değeri
80
6.07
36.1
5.8
5.3
4.1
120
4.35
21.5
4.6
5.6
4.7
220
2.10
0.1
0.0
6.1
5.7
260
1.46
3.6
2.4
6.2
5.9
_____________________________________________________________________________________________
50
_______
Jeotermal Enerji Semineri
5. JEOTERMAL SULARIN İZOTOP BİLEŞİMLERİNİN ZAMAN VE ALANSAL DEĞİŞİMİ
Herhangi bir jeotermal alandaki su veya buhar çıkışlarının izotop bileşimlerinde birtakım değişimler
görülebilir. Yeraltına sızan ve daha sonra yeryüzündeki sıcak su kaynakları yada kuyularından
boşalan sular hiç şüphesiz meteorik kökenlidir. Jeotermal sular ile yeraltındaki kayalar arasında
gerçekleşen kesintisiz izotop değişimi nedeni ile jeotermal suların
18
O bileşimleri artmaktadır. Boşalım
alanının farklı noktalarında yer alan kaynak veya kuyu suları, jeotermal akışkanın yüzeye çıkış rotası
boyunca oksijenin ağır izotopu bakımından devamlı bir zenginleşme göstereceklerdir.
Jeotermal sulardaki izotop değişimlerine neden olan bir diğer faktör de sıcak suların yüzeye
yükselmeleri sırasında gerçekleşen buhar kaybıdır. Önceki bölümde de görüldüğü üzere, bu işlev
sonucunda ortaya çıkan buhar ve su fazlarının izotop bileşimleri faz ayırım derecesi, ayırım sıcaklığı
ve ayrılan buharın miktarına (fraksiyon) bağlıdır. Yüzeye yaklaşan bu tür akışkanlarla beslenen sıcak
su ve buhar çıkışlarının (fumerol) izotop bileşimleri önemli ölçüde bu faktörler tarafından
denetlenmektedir.
Bir üçüncü unsur da, sıcak su sistemlerinde sıkça görülen bir işlev olan, termal sular ile soğuk yeraltı
suyu arasında muhtelif oranlarda gerçekleşen karışımdır. Jeotermal güç istasyonlarından yeraltına
enjekte edilen atık sular da yeryüzüne yükselmekte olan sıcak suların gerek kimyasal gerekse izotop
bileşimini etkilemektedir.
6. REENJEKSİYON ÇALIŞMALARINDA DURAYLI İZOTOPLARIN KULLANIMI
Bir jeotermal alanda yürütülen reenjeksiyon çalışmasının etkilerini kestirmek oldukça zordur. Ancak
buhar entalpisi veya açığa çıkan buhar miktarının azalacağı tahmin edilebilir. Reenjeksiyon
çalışmalarında yeraltına geri verilecek su miktarı ile yeraltında suyun izleyeceği yolları belirlemede
duraylı izotopların (O ve H) doğal iz sürücüler olarak kullanılabileceği İtalyaLarderello sahasında
ortaya konulmuştur [10]. Larderello güç istasyonundaki türbinden çıkışı takiben buhar yoğunlaşması
olmakta ve yoğunlaşan su soğuma kulelerinden geçtiği sırada büyük bir miktarı atmosfere buhar
olarak kaçmaktadır. Bu süreç sonunda, kalıntı sıvı döteryum (D) ve oksijen18 bakımından önemli
ölçüde zenginleşmektedir. Yapılan testler neticesinde, enjekte edilen suyun hem d
18
O hem de dD
değerlerinin +5‰ civarında sabitlendiği tespit edilmiştir. Buna karşılık, üretim kuyularındaki suların
d
18
O ve dD bileşimleri ise sırasıyla 3.0 ile 1.5‰ ve 42.0 ile 37.0‰ arasında gözlenmiştir. Böylece,
yeraltına basılan su, sisteme herhangi bir yapay veya radyoaktif izleyici verilmeksizin takip edilmiştir.
Daha karmaşık bir model ise Gayzerler sahasında denenmiştir [11] (Şekil 4). Bölgedeki reenjeksiyon
çalışmaları 1981 yılında üretim ile eşzamanlı olarak başlamıştır. Güç istasyonlarından açığa çıkan
yoğunlaşmalar üretim ile kazanılan buharla ile birlikte değerlendirilmektedir. Yeraltına basılan su
düşük sıcaklıktadır ve kaynama çatlaklardaki basınç tarafından kontrol edilmektedir. Enjekte edilen
suyun oksijen ve hidrojen izotop bileşimi derindeki buharın bileşiminden daha negatif değerdedir.
Soğuma
kulelerindeki
farklı
kütle
kayıpları
enjekte
edilecek
yoğunlaşmalardaki
izotop
kompozisyonlarının değişimine yol açmaktadır. Yeraltına basılan akışkanın yapacağı etki ilk olarak
reenjeksiyon kuyuları civarında hissedilmekle beraber zaman içinde yerel basınç gradyanı ve tüm
alanı kaplamıştır.
Şekil 4’de Gayzerler jeotermal sahasının GD kısmındaki kuyulardan alınan suların izotop bileşimleri
görülmektedir. Sahanın bu kesimi orijinal boşalım alanına oldukça yakındır. Yeraltına sızan meteorik
suyun (MW) bileşimi d
18
O = 8 ve dD = 54‰ civarındadır (siyah daireler). Su ve kayaç arasında
gerçekleşen izotop değişimi oksijen zenginleşmesi ile sonuçlanmıştır. Ortaya çıkan su buharının buhar
baskın rezervuar içindeki hidrojen izotop bileşimi ise herhangi bir değişime uğramamıştır. Ancak,
oksijen18 konsantrasyonları sahanın GD’dan merkezi kısımlarına doğru artmıştır. Bu nedenle, bu iki
fazlı buharın izotop bileşimi oksijen hattı boyunca yatay bir yönelim göstermektedir (içi boş daireler).
Bu yoğunlaşmadan doğal yolla ayrılan buhar ağır izotoplar bakımından zenginleşmiştir (CL). Yerel
_____________________________________________________________________________________________
51
_______
Jeotermal Enerji Semineri
olarak oluşan bir gaz örtüsü (GC) ise hafif izotoplarca zengin buharın sığ derinlerde yerleşmesine
imkan tanımıştır. Üretimin ilk aşamalarında, Gayzerler jeotermal sahasındaki kuyulardan örneklenen
buhar negatif bir izotop bileşimi sergilemiştir. Ancak kısa bir süre sonra gaz örtü ortadan kalkmış ve iki
fazlı rezervuarın akışkanın ana kaynağı haline gelmesiyle izotop bileşimleri gittikçe negatif değerler
almaya başlamıştır. Kuyularda ve özellikle yapısal olarak daha mükemmel ilişki gösteren enjeksiyon
kuyusunda, izotop bileşimlerinin (içi boş kareler) orijinal kompozisyon (MW) ile enjekte edilen su
kompozisyonu (J) arasında geniş bir aralıkta değişim gösterdikleri tespit edilmiştir. Bölgesel akışkan
dağılımı kapsamında, birbirine yakın zonlardaki akışkanlar muhtemelen farklı oksijen18
konsantrasyonları sergileyebilir (Şekil 4).
8
6
4
2
0
2
d O
50
40
30
20
10
0
d
18
D
/
0
0
0
/
0
0
0
MW
SMOW
J
M
e
te
o
ri
k
S
u
Ç
iz
g
is
i
CL
GC
220 C
20
0
C
.2 .4 .6
.2
.4
.6
o
o
Şekil 4. Gayzerler’deki akışkanın olası izotop bileşimleri (açıklama için metne bakınız) [1].
Ayrımlaşma süreci (ayrımlaşma faktörü, a, 220°C civarında 1’e yakın değerler almaktadır), sukayaç
etkileşimi ve bölgesel akışkan dağılımından en az etkilenen parametre döteryumdur (D). Böylece,
döteryum verisi kullanılarak orijinal ve enjekte edilen buharın katkıları göreceli olarak hesaplanabilir.
Benzer çalışmalar Larderello ve Gayzerler jeotermal sahalarında halen sürdürülmektedir. Bu
sahalarda duraylı izotop ve kuyu başı gaz/buhar oranları göz önüne alınarak aşağıda belirtilen
parametreler tespit edilmiştir [12]:
–
Derin buhar ve enjeksiyon kökenli buhar arasındaki karışım;
–
Enjekte edilen sudan kaynaklanan buharın izotop ayrımlaşması;
–
Akışkan dağılımının etkileri (izotop kompozisyonu ve gaz/buhar oranının alansal
gradyanları mevcut olduğunda);
–
Kaya ortamının olası soğuması.
_____________________________________________________________________________________________
52
_______
Jeotermal Enerji Semineri
SONUÇ
Hidrojen ve oksijen izotop bileşimlerinin birlikte değerlendirilmesi ile her türlü doğal suyun kökeni
kolaylıkla tespit edilebilmektedir. Jeotermal sistemlerdeki sukayagaz etkileşimlerinin çözümlenmesi,
yüksek ve düşük sıcaklıklarda gerçekleşen çeşitli jeolojik işlevlerin oluşum mekanizmalarının tüm
ayrıntılarıyla ortaya konmasını sağlamıştır. Günümüzde, bilim adamları jeotermal akışkanların
kimyasal ve izotopik kompozisyonlarını kullanarak bu suların kökeni, boşalım alanları ve akış yönleri
hakkında önemli veriler elde etmektedir. Bunun yanı sıra, duraylı izotop teknikleri ve klasik kimya
uygulamaları ile sıcaklık, buhar fraksiyonu ve buhar doygunluğu gibi parametrelere yönelik bilgiler de
sağlanmaktadır. Jeotermal akışkan içindeki bileşenlerin kimyasal ve izotop bileşimlerindeki değişimler
nümerik olarak çalışılarak, akışkanın yeryüzüne çıkarken maruz kaldığı ısı kondiksiyonu, sığ sularla
karışım ve buhar kaybı gibi soğuma mekanizmaları ortaya konabilmektedir. Reenjeksiyon etkilerini
belirleme ve jeotermal sahanın geliştirilmesi gibi konularda da izotop teknikleri önemli birer araç olarak
kullanılmaktadır.
KAYNAKLA R
[1] NUTI, S., “Isotope techniques in geothermal waters”. In: F. D’Amore (Coordinator), Application of
Geochemistry in Geothermal Reservoir Development. UNITAR, United Nations Development
Program, Series of Technical Guides on the Use of Geothermal Energy, Rome, 408 p., 1991.
[2] HENLEY, R.W., TRUESDELL, A.H., BARTON, P.B., WHITNEY, J.A., “Fluid–mineral equilibria in
hydrothermal systems”. Reviews in Economic Geology, 1, Soc. Econ. Geol., 267 p, 1984.
[3] WHITE, W., http://www.geo.cornell.edu/geology/classes/geo455/chapters.html.
[4] CRAIG, H., “The isotopic geochemistry of water and carbon in geothermal areas”, In: E. Tongiorgi
(ed.), Nuclear Geology in Geothermal Areas, CNR, Pisa, 1753, 1961.
[5] HAGEMANN, R., NIEF, G., ROTH, E., “Absolute isotopic scale for deuterium analysis of natural
waters. Absolute D/H ratio for SMOW”, Tellys, 22, 712, 1970.
[6] BAERTSCHI, P., “Absolute
18
O content of Standard Mean Ocean Water”, Earth Plan. Sci. Lett.,
31, 341, 1976.
[7] BOTTINGA, Y., CRAIG, H., “Calculated fractination factors for carbon and hydrogen isotope
exchange in the system calcitecarbon dioxidegraphitemethanehydrogenwater vapor”,
Geochim. Cosmochim. Acta, 33, 49, 1969.
[8] GONFIANTINI, R., “Notes on Isotope Hydrology”, IAEA, Vienna, 1971.
[9] GIGGENBACH, W.F., “Isotopic composition of waters of the Broadlands geothermal field”, New
Zealand Journal of Science, 14, 959, 1971.
[10] NUTI, S., CALORE, C., NOTO, P., “Use of environmental isotopes as natural tracers in a
reinjection experiment at Larderello”. Proceedings, 7th Stanford Geothermal Reservoir Enginerring
Workshop, 8589, 1981.
[11] NUTI, S., D’AMORE, F., FANCELLI, R., “Model for steam isotope composition at the Geysers”,
Proceedings, 28th International Geological Congress, Washington D.C., USA, 2, 527529, 1989.
[12] D’AMORE, F., NUTI, S., FANCELLI, R., “Geochemistry and reinjection of waste waters in vapor
dominated fields”, Proceedings, International Symposium on Geothermal Energy, Kumamoto and
Beppu, Japan, 244248, 1988.
ÖZGEÇMİŞ
Halim MUTLU
1962 yılında Üsküdar’da doğmuştur. 1984 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği
Bölümünü bitirmiştir. Yüksek Lisans eğitimini 1988 yılında South Dakota School of Mines (ABD),
Doktora eğitimini ise 1996 yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesinde tamamlamıştır. 19881998 yılları
arasında MTA Genel Müdürlüğünde çalışan Dr. Mutlu, halen Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Jeoloji
Mühendisliği Bölümünde görev yapmaktadır. Uzmanlık alanı sıcak sular ve mineralleşmelerin izotop
jeokimyası olan Dr. Mutlu’nun yaklaşık 40 kadar makale ve bildirisi bulunmaktadır.
Dostları ilə paylaş: |