42

Gültetim TARCAN, Şevki FÎLİZ Dokuz Eylül Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölümü, 3510e - îzmir

Turgutlu () kaplıcaları sıcak ve mineralli sularındaki sodyum bikarbonat zenginleşmesi

Turgutlu'nun yaklaşık 15 km kuzeydoğusun- sıcaklıkları, sahadaki yüksek bor derişimi, sahanın jeoter- rnal dan özellikleri vb. diğer hidrojeolojik problemlere de~ da yeralan inceleme alanında alttan üste doğ- ğinilmeksizin sıcak, ve mineralli suların genel hidrojeokim- ru sırasıyla Mesozoyik şistler, mermerler, şist- yasal özellikleri ile sodyum ve bikarbonat zenginleşmesinin mermer-fillit ardaUtnması ve dolomitik mer- nedenleri üzerinde durulmuştur. Şekil F deki haritada görü- merler gibi Menderes Masifif ne ait kayaçiar len Batı Anadolu'daki sıcak ve mineralli suların birçoğun- da da benzer hidrojeolojik problem, ve koşullar bulunması ile bunları yataya yakın bir bindirme fayı ile nedeniyle yerbulduru haritası olarak kullanılmıştır. Suların üstleyen ofiyolitik kayaçiar ve bu birimleri kimyasal analizleri. D.E.Ü. Jeoloji Mühendisliği Bölümü uyumsuz olarak üstleyen Neojen yaşlı tortul Jeokimya Laboratuvan'nda AFHA-A.WWÂ-WPCF (1975) kayaçiar ve Kuvaterner yaşlı alüvyon ve tra- standartlarına uygun, olarak yapılmıştır.. verten birimleri bulunmaktadır. Toplam- debi- leri 50-100 l/s arasında değişen ve birçok deği- Jeolojik yapı şik gözeden çıkan sıcak ve mineralli su kaynak- İnceleme alanında stratigrafik konumuna, litolojik ve ları yumuşak ve sodyum bikarbonatça zengin hidrojeolojik özelliklerine göre alttan üste doğru sırasıyla sular içermektedirler. Sodyum (ve bikarbonat) Mesozoyik yaşlı şist., mermer, şist-mermer-fîllit ağdalanma- iyonunun artışı, tersine kalsiyum- iyonunun sı, dolomitti, mermer ve ofîyolitler ile Neojen yaşlı karasal. tortullar, Kuvaterner yaşlı traverten ve alüvyon birimleri azalışı iyon değişimi ile açıklanabilir. Bu iyon ayırt, edilmiştir (Şekil 2). Alanın, temelini, oluşturan şistler değişimi karbonatların çözünürlüğü ile artan başlıca mika şistlerle temsil edilir ve irili, ufaklı, mermer, sudaki kalsiyum (ve/veya magnezyum) ile şist- meta kuvarsit,, meta serpantini!, mercekleri içerir,. Mermer lerin ya da Neojen yaşlı tortulların killerindeki birimi şistlerle uyumlu ve mercek konumludur. Erdoğan ve Güngör bu iki birime Bayındır Formasyonu, adını verip, minerallerde bulunan sodyum katyonlarının Triyas yaşlı olabileceğini, düşündüklerin belirtirler.. Şist ve yer değiştirmesi sonucu oluşan doğal yumuşat- mermer birimlerinin üzerine uyumlu ol.ar.ak. şist-mermer- ma tepkimesi olarak gerçekleşir. fillit ardalanmasmdan oluşan birim ve onun da üzerine yine uyumlu olarak, dolomitti mermer' birimi, gelir.. Erdoğan, ve Güngör (199:2) bu iki birimi "Kayaaltı Formasyonu" adı al- tında inceleyerek, yaşının Geç Triyas'dan (Moriyen-Resi- Giriş yen) başlayıp, Jura (Liyas-Dogger-Makn), Erken. Kretase Bu çalışma Turgutlu Kaplıcaları çevresinde yapılan hid- ve Geç Kretase'ye (Geç Kampamyen'e) değin, devam etti- rolojik çalışmaların bir bölümünü kapsar, inceleme alanı ğini belirtirler. Tüm bu birimlerde- baskın eğim yönü batı ve Gediz Havzası*nda yaklaşık 160 krn^ lik bir .alan kaplar güneybatı olup, metamorfizma derecesi eğim yönüne doğru ('Şekil 1), Bu çalışmada sıcak suların oluşumu, hazne kaya gidildikçe .azalmaktadır,. Dolomitli mermer birimini yataya yakın bir bindirmeyle üstleyen ofiyolitler çoğunlukla, ser-

MAYIS1998 JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ, Sayı. 52

44

Şekil 2, İnceleme alanının jeoloji haritası ve su noktalarının yeri.

MAYIS 1998 JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ, Sayı 52 45

pantiniüerden, serpantinleşmiş ultrabazik kayaçlardan, ma- 2 2 5 SID = logKaCa^aMg^aHCOa') ^ / KDAO'^f fik volkaniuerden ve yer yer' de kumlası.,,, şeyi ve çörtlerden (Dolomit doyma indeksi) ibarettir, Erdoğan, ve- Güngör' (1992) ofıyolitleriıı içinde bu- SI = log[(aCa+*)(aSO as)/Ks] (Sülfat doyma indeksi) lunan pelajik. kireçtaşı dilimlerinden elde ettikleri fosillerin S 4 Bemasiyen (E.. Kretase)-Tliro:niyen. (G. Kretase) yaşını ver- •* .-logPcoa = logKlO^XaHCOslK^co^)) (CO(CO2 temitemi diğini belirtirler. Tim bu birimleri uyumsuz olarak örten. 2 basıncı,, aimatm.. olarakolarak) Neojen yaşlı 'karasal tortullar çakıltaşı, 'kumlası, kiltaşı, mam ve gölsel kireçtaşlanndan oluşur. Güncel ve eski sıcak Bağıntılarda a iyon etkinliğini (AC), K ise termodina- su çıkışlan çevresinde gözlenen travertenler ve Gediz, Neh- mik denge sabitini yansıtır,. ri alüvyonlan yörenin en genç oluşuklarıdır. 6 4 {aH*)(aHCO3")/(aH2CO3)=K:ı =10" " (Karbonik asit için) Hidrojeoloji (aH+)(aCO!3=)/(aHCO3")=K2 =lCflco (Bikarbonat için)

++ = A Bu bölümde sıcak ve soğuk suların genel Mdrajeoklrn- (aCa. )(aCO3 )/(aCaCO3) = Kc = 10* (Kalsit için) yasal. özellikleriyle: iyon. değişimi gibi konulara değinilmiş- t+ 0l 5 ++ 0 5 = 17 (aCa ) - (aMg ) - (aCO3 )/[aMg(CO3)2] =KD=10' tir. Alanda saptanan ve Şekil 2'deki haritada gösterilen. 18 (Dolomit için) sıcak ve mineralli su kaynağı,, 3 soğuk su kaynağı (mermer- lerden gelen), 4 sığ koyu (alüvyon ve. Neojen. tortullarda, bu- (aCanCaSO^l/aCaSO^Ks =10"*6 (Sülfat için) lunan), 21 sondaj kuyusu (alüvyonda bulunan) ve- Gediz (aH CO )/Pco2 =Kco =10"L46 (Karbondioksit için) Nehri sulan 1992 yılı boyunca her ay periyodik olarak ör- 2 3 2 neklenerek.,, kimkyasal analizleri yapılmıştır. Bu çalışmada- Pozitif doyma indeksleri çökeltici,, negatif doyma, in- ki hidrojeokimyasal değerlendirmelerde tüm sıcak ve mine- deksleri ise çözündürücü özelliğe karşılık gelir. Suların, ralli suların ve tüm soğuk suların yıllık ortalama değerleri- kaynarken. köpUnne katsayısı (Fo) = 6.2 r Na*+ 78 r K+ nin ortal.amal.an kullanılmıştır. (r=meq./I) bağıntısıyla bulunur. Fo < 60 ise kaynarken kö- Hidrojeokimyasal değerlendirmelerde suda, çözünmüş pürmeyen su, 60200 ise kaynarken çok köpüren, su özelliğini yansıtır,. Su- tahlil edilen derişimleri kullanılarak» litrede milieşdeğer ların kimyasal analizlerinde yapılabilecek hatalar anyon ağırlık (miliekivalan/1 = meq/l)» molarite (mo'1/1), .anyon ve katyon dengesinden e=XKatyon-£Anyon / E iyon x. 100 katyonların, yüzdeleri (%meq/l),, iyon etkinlik katsayıları (meq/l) bağmüsıyla hesaplanabilir. Hata yüzdesinin genll- (F), iyon etkinlikleri (AC) hesaplanmıştır. Sulardaki iyon- lekli %5'den düşük olması istenir,. Sulama amaçlı sodyum laşma, gücü, bazı iyon oranlan (meq/L olarak), doygunluk tahlikesi SAR = Na/KCa^+Mg**)^"] bağmtısıyla bulunur., indeksleri vb. gibi aşağıda, çok kısa, Mr şekilde özetlenen ba- Suların sertliği Toplam Fransız, Sertliği, olarak tammlanmış zı hidrojeokimyasal hesaplamalar Ye grafiksel gösterimler olup, pratik olarak 5x(rCa+++rMg++) bağıntısıyla (25°C 1 atrn, basınç- st.and.art şartlarına göre) Excel 5,0 bil- (re=meq/l) bulunabilir. Levha 1 ve 2 ayrıntılanyla incele- gisayar programına adapte edilmiştir., Bu şekilde hız ve ko- necek olursa yöredeki sıcak ve mineralli suların doğada az laylık kazandırılan hidrojeokimyasal değerlendirmelerde bulunabilen yumuşak ve ileri derecede sodyum ve bikarbo- iyonların yalnızca mg/1. değerleri yerine konularak çizelge nat zenginleşmesi gösteren sular olduğu soğuk suların ise ve grafikler elde edilmiştir- (Levha 1 ve -2),. Çizelgelerdeki bir çok yerde görülebilen, katyonların hiçbiri, birbirini, geç- hesaplamalarda kullanılan bazı bağıntılar' aşağıda kısaca meyen bikarbonatlı ve sülfath sular olduğu anlaşılabilir.. özetlenmiştir (Tarcan, 1995),. İyonlaşma Gücü (I) : (LSZCiZi2 (C=m.olarite, Z=değer- lik). iyon etkinlik katsayılarının (Pnin) hesabı için Debye- İyon değişimi 2 5 2 Hifcke (LogF = -AZi f ) ve Davies (LogF = ~AZi inceleme, alanındaki sıcak ve- mineralli sularda çözün- (I°'Yl+IÖJ)-Q.,21) bağıntıları kullanılmıştır. A sabiti, bu çalış- müş halde bulunan, iyonlardan sodyumun artışı, tersine- kal- mada 0.51 olarak alınmıştır ve I = iyonlaşma .gücüdür. siyumun (ve/veya magnezyumun) azalışı iyon değişimi ile açıklanabilir. Yumuşak su elde edilmesinde önemli bir rol Sic = logKaCa^CaHCOBlfc/KclO"1*1] (kalsit doyma oynayan Ca ve Na katyonları arasındaki, değiş tokuş kavra- indeksi) mı yeni değildir., Daha önce- bir çok akifer sistemi için be- lirtilmiştir {Foster, 1950; Krothe .and Paozek, 1979; Thors-

MAYIS ÏW8 JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ, Sayı 52 46

MAYIS 1998 JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ, Sayı 52 47

MAYIS 1998 JEOLOJI MÜHENDISLIĞI, sayı 52 48

tenson ve dig.; Chapelle ve Knobel, 1983). birlikteliği ve %56-60 arasında değişen simektitlerden. oluştuğuna, değinir.. Görülebileceği üzere Na ve. Ca CO + CaCO + H O = Ca** + 2 HCO " çozünttrluk tep- 2 3 2 3 arasındaki doğal yumuşatma, tepkimesi, için en uygun Mİ kimesi, ile doğal yumuşatma tepkimesi olarak. Ca** + 2 :minerali montmorillonittir. Bu killer de Turgutlu + Na(ex) = Ca(eX| + 2- Na katyon değişim tepkimesi birleştiri- çevresinde oldukça yaygındır. Yeraltısulanndaki yaygın lecek olursa,,, iyonlar .arasında katyon değiştirebilme düzeni Na*>K*>Mg++>Ca++ şeklindedir.. İki. değerli katyonlar daha, CaCÖ + e CO + 2 Na = Ca + 2 Ma* + 2 HCO " 3 2 3 (ex) (ex) 3 sıkı bağlanmıştır- ve tek değerli iyonlarla yer değiştirmeye, tepkimesi, ya da, eğimlidirler. Bununla birlikte katyon değişim tepkimesi + Ca** + 2 (HCQ3) + katı-2 Na = 2 Na* + 2(eCO3 ) + geri. dönüşümlüdür ve. yüksek iyon etkiniMerin.de tek katı~Ca** tepkimesi elde edilebilir. Tepkimelerde kalsiyu- değerli iyonlar iki değerli iyonların yerini alabilir. mun, katı faza geçerek azalışı, tersine sodyumum sıvı faza İnceleme alanındaki jeotemıal sistemde (sıcak ve min- geçerek artışı ve dolayısıyla, bikarbonat zenginleşmesi, eralli su akiferinde) kireçli maddelerin çözünmesi ile sular- açıkça, gerilmektedir., En yaygın, doğal iyon değiştiriciler da kalsiyum miktarı artar ve daha sonra da bu kalsiyum zeolitler ve killerdir. En yaygın kil. mineralleri 5 grup iyon değişim yerindeki Mİ. minerallerinden sodyum, ile yer altında toplanabilir. 1) Kaolinit grubu, 2) Montmorillonit değiştirir, bu. oluşum süreci sıcak ve mineralli su (.Simektit .grabu), 3) lllit grata,,, 4) Klorit grabe, 5) özelliğindeki yumuşak ve sodyum, bikarbonat su tipini VenmknHt grubu. Her gmp bileşimsel ve yapısal olarak» az yansıtan bir yeraltısuyunun ortaya çıkmasını sağlar. İyon ya da çok» pekçok farklı mineral türü içerebilir. Bununla bir- değişimi nedeniyle sudaki kalsiyum derişiminin likte bu beş grup da tabakalı, .alüminyum silikat, mineralidir. azalmasıyla, sodyum derişim artar.. Ma iyonundan daha Jeolojik maddelerin katyon değişim kapasitesi (KDK) kolay soğrulabilme yeteneğinde olan Ca. iyonu katı 100 gramik bir kura örnekde yer değiştirebilen katyonların maddede (yani. 'killerde) so,ğralur ve killerdeki. Na iyonu da milli ekivalan miktarı olarak tan.iml.anir. Yani birimi çözeltiye (sıcak ve mineralli sulara) geçer,. İnceleme meq/100 g dır, Hofmann ve diğ., 1.956 verilerine göre^ baz. alanındaki, katyon değişiminin, kanıtları aşağıda özetlen- kil gruplarının katyon, değişim kapasiteleri., Kaolinit için 3- miştir. 15,, Montmorillonit için 80-1.50,, lllit ve Klorit için 10-40, 1- Su 'kimyası verileri: Sodyum ve bikarbonat iyonunun Sepiolit için 20-30, Haloysit için 5-50, Vermikulit için ise bolluğu, ve kalsiyum, ve- bikarbonatın azlığı., 100-150 meq/100 g olarak belirlenmiştir., Bu deneysel ver- 2- Kayaç kimyası, verileri; Sıcak su kaynaklarının ilerden görülebileceği gibi montmorillonit tipi killerin katy- yakınından alınan aynşmış jeolojik maddelerde kalsiyum on değişim kapasitesi çok yüksek olup, iyon değişiminde oksit 'yüzdelerinin, yüksekliği (%45-5G),, sodyum oksitlerin özel. bir öneme saliptir.. Ayrıca gül (1989) toprak örnekleri düşüklüğü (%Ö.5-Ö,7), sUiysum oksitlerinin düşüklüğü üzerine yapmış olduğu, deneysel, çalışmalarda, ağırlıklı (%X.7-939).. olarak monmorillonit bulunan toprakların (64.78 meq/100 g 3- Jeolojik veriler: Sahadaki akifer sisteminde halit değeri -ile) en. yüksek KDK. değerine sahip olduğunu, mont- (NaCl) gibi suda çok çözünebilen sodyum mineralleri morillonitin 'hiç saptanamadığı toprakların ise (5.71 bulunmaktadır. Hazne kaya litolojileri mermer ve şisttir.. meq/100 g değeri, ile) en düşük KDK değerine sahip Ayrıca alandaki tüm jeolojik birimlerden alınan, örneklerin olduğunu göstermiştir., kimya analizi de düşük sodyum oksit yüzdeleri göstermek- Gevrek, ve diğ. (1989) Menderes. Masifi kayalarında, ve tedir., İnceleme^ alanındaki suya sodyum verebilecek tek Neojen karasal tortullarında montmorillonitin çok. yaygın. mineral olan sodyum plajioklaslar da aşağıda belirtileceği olduğuna değinirler. Benzer şekilde Kon ve. Baykal (1993) gibi. silikatların ayrışma tepkimelerinin sahada baskın olma- yaptıkları X ışını difraktometre ve kimyasal analiz ması nedeniyle suya. bu denli sodyum kazandırmış olamaz. çalışmaları ile Turgutlu killerinde (inceleme alanındaki 4- Mineralojik ve jeokimyasal veriler: Menderes Masifi sıcak suların örtü kayasını oluşturan Neojen yaşlı karasal ve Neojen yaşlı karasal tortullarda yapılan kil analizlerinde tortulların killerinde) mantmorülonit tipi. killerin baskın yüksek KDK değerine sahip montmorillonit (simektit) tipi olduğunu belirtirler, Çolak (1995) de Turgutln killeri üzer- killerin yaygın olarak bulunması. ine yapmış olduğu yan kantitaüf analiz sonucu %51 simek- tit (montmorillonit.),. %35 lllit, %14 kaolinit saptanmıştır., 5- Kayaç kimyası ve jeolojik verilerde belirtildiği gibi Ayıca, killerin toplam kayaç min. içeriklerinim başlıca %17- alandaki suların jeokimyasal oluşum sürecinde baskın tep- 21 kuvars» %7-ll kalsit,, % 12-16 illit-plajioklas-K feldispat kime iyon değişimi yerine silikatların ayrışması olsaydı, sıcak suların bulunduğu alanda silisli maddelerin çökelme-

MAYIS1998 JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ Sayı 52 49

ions of their tailing products. Ph., D. thesis,,, Fribourg si, çatlakların SiQ2 dolgulu olması, seda ve ayrışmış çevre University, Switzherland. kayaç kimyasında da çok yüksek silisyum derişinden, bek- lenirdi. Sahada bütün bu beklentilerin olmayışı baskın tep- Erdoğan, B., Güngör,, T..,, 1992» Menderes Masifi 'nia kuzey kanadının, stratigrafisi ve tektonik evrimi. TPJD Bült 4/1, kimenin doğal yumuşatma tepkimeleri olduğunu göster- 9-34. mektedir.

Foster, M.. D.s 1950» The origin of high sodium bicarbonate waters in the- Atlantic and, Gulf Coastal Plains. Geochirnica et Sonuçlar Cosmochimica Acta. v. 1, 33-48-.. Gevrek, A. L, Karamanderesi, I. H.t Aydın» N., 1989, Aydm- inceleme .alanında 50-100 l/s toplam debiye sahip ve Germencik Jeotermal kuyulanna ait örneklerin kil miner- sıcaklıkları 2Ö-8Ö°C arasında değişen, çok sayıda gözeden alojisi ve: hidrotermal alterasyon çalışması, IV. Ulusal Kil çıkan ve bu çalışmada toplam 18 kaynak grubu altında Sempozyumu, 20-23 Eylül 1989» Ç.Ü. Sivas Bildirileri, toplanılan sıcak ve mineralli suların hazne kaya litolojileri 119-121. şistler ve- mermerler,,, örtü kayaları ise killi düzeyler içeren Gül, R., 1989; Adsorpsiyon olayı ile katyon değiştirme kapasitesi Neojen yaşlı karasal, tortullardır1, Bu sıcak ve mineralli sular (KDK) arasındaki ilişki. IV.. Ulusal Kil Semp. 20-23 Eylül iyon. değişim, tepkimeleri ile killerde bulunan sodyum iyonu 1989, Sivas, Bildiriler. ile sularda bulunan kalsiyum (ve/veya magnezyum) Hofmann,. V., Weis, G,.,, Kock, A., Mehter, V. A.., Schol, Z., 1956, iyonunun yer1 değiştirmesi sonucu oluşan, yumuşak ve yük- Inte-rcrystalline swelling cation exchange and anion exchange of minerais off tbe montmorillonite group and of sek oranda sodyum-bikarbonat içeren sulardır. kaolinite, Nat., Acad. Sei.. Publ. 456, 273-287.

Krothe, N. C.,,, Parizek, R.. R...t! 1.979, An anamalous occurance of Değinilen Belgeler sodium bicarbonate water in a flood, plain in a carbonate terrain.. Groundwater,,, v.. 17, no.6, 595-605. APHA-AWNA-WPCF, 1975 Standart, methods for examination of Kun, N.,,, Baykaî, A.,, 1.993, Turgutlu yöresi killerinin teknolojik. waller and waste water., Forteenth edition,, copyright by özellikleri. Altıncı Ulusal Kil Sempozyumu, 8-11 Eylül American. Public- Health Association., Washington D.C., 1993, , Bildiriler Kitabı,, 651-663. 1193 p. Tarcan, G., 199,5, Hydrogeological study of the Turgutlu Hot Chapelle, F. H., Knobel, L. L., 19-83.,. Aqueous- geochemistry and -Springs. Dokuz Eylül Üniv. Graduate School of Natural •the- exchangeable cation composi... of glauconite in the and Applied Sciences,, Ph. D. thesis,, 214 p. Aquia aquifer,. Maryland,, Groundwater, v. 21,, no. 3» 343-

352. Thorstenson, D. K.f Fisher,,. D. W..,, Croft,, M. G., İ979,, The geo- chemistry of the Fox Hills-Basal Hell Creek aquifer in Çolak.,, M.» 1995, 'The Emet, and Kırka borate mines () 1- Southwestern North Dakota and, Northwestern South Mineralogy and chemistry of the clays 2-Ceramic applica- Dakota.. Water Research, v. 15, no. 6, pp. 1479-1498...

MAYİS JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ» Styı. 52