Hydrochemistry and Environmental Impacts of Kestanbol Geothermal Fluid

Abstract

Kestanbol geothermal field, located in the ancient town of Alexandria Troas, is at the contact between plutonic intrusions and neighboring metamorphic rocks in the Biga Peninsula. This area is also controlled by an ENE-WSW striking right lateral strike-slip fault segment representing the extension of the southern branch of the North Anatolian Fault to the west and is one of the geothermal fields with highest temperature in the Biga Peninsula. Kestanbol geothermal fluid from a well is used to heat facilities for thermal tourism and balneological purposes. The geothermal fluid continuously seeps into the environment with low flow rate and additionally, wastewater from the facility is discharged into Ilıca stream. This study was conducted to determine the hydrochemical characteristics of the well and springs located in Kestanbol geothermal field and to evaluate the environmental effects of geothermal fluids on the soil and stream sediment. The temperature, electrical conductivity (EC) and pH of Kestanbol geothermal fluids are 59.5-74.1ºC, 30.3-35.5 mS/cm, and 6.45-6.71, respectively. The geothermal fluids are NaCl water type, with mean NaCl concentration of 19511 mg/L. In addition to higher EC values, and total dissolved solid content, Na⁺, Cl^-, B, Ba, Fe and Mn concentrations of the Kestanbol geothermal fluid are above the tolerance limit of TS 266. Moreover, the geothermal fluid is heavily polluted water (class IV) according to the Turkish Inland Water Quality Regulations in terms of EC, Na⁺, Cl^-, B and Fe. There is a scaling problem in the Kestanbol geothermal field. XRD and SEM-EDX analyses identified the minerals causing scale as calcite, halite and siderite. Arsenic, Fe and Mn concentration of scale, soil and stream sediment samples are higher than the mean value of world continental crust. According to the enrichment factor and geoaccumulation index, the geothermal fluid with intense rock interaction enriches soil and stream sediment in terms of As and Mn metal(loid)s as a result of discharge. It is recommended that geothermal fluids and waste waters from the facility should not be discharged into the soil and Ilıca stream.

Keywords

• Kestanbol geothermal fluid,environmental impact,hydrochemistry,scaling

Project Number

FHD-2019-2877

Kestanbol Jeotermal Akışkanının Hidrokimyasının ve Çevresel Etkilerinin Belirlenmesi

Abstract

Alexandria Troas Antik Kenti’nde yer alan Kestanbol jeotermal alanı, Biga Yarımadası’nın plütonik yükselimleri ile komşu metamorfik kayaçlarının kontağında bulunmaktadır. Bu alan aynı zamanda Kuzey Anadolu Fayı’nın güney kolunun batıya olan uzantılarını temsil eden DKD-BGB uzanımlı sağ yanal doğrultu atımlı bir fay segmenti ile kontrol edilmekte olup, Biga Yarımadası’ndaki en yüksek sıcaklığa sahip jeotermal alanlardan biridir. Kestanbol jeotermal alanında bulunan sondajdan çıkan jeotermal akışkan tesisin ısıtılması, termal turizm ve balneolojik uygulamalarda kullanılmaktadır. Jeotermal akışkan çevreye düşük debi ile sürekli olarak sızmakta ve ayrıca kaplıcanın atık suyu Ilıca deresine deşarj edilmektedir. Bu çalışmada, Kestanbol jeotermal alanında yer alan sondaj ve kaynakların hidrokimyasal karakteristiği belirlenerek, toprak ve dere sedimenti üzerindeki çevresel etkileri ve antropojenik kirlilik yaratma potansiyeli değerlendirilmiştir. Kestanbol jeotermal akışkanının sıcaklık, elektriksel iletkenlik (EC) ve pH değerleri sırasıyla 59,5-74,1ºC, 30,3-35,5 mS/cm ve 6,45-6,71 arasındadır. Jeotermal kaynaklar NaCl su tipinde olup, ortalama NaCl konsantrasyonu 19511 mg/l’dir. Kestanbol jeotermal akışkanının yüksek EC değeri ve toplam çözünmüş katı madde içeriğinin yanı sıra Na⁺, Cl^-, B, Ba, Fe ve Mn konsantrasyonu bakımından TS 266’ya göre izin verilen maksimum değerlerin üzerindedir. Ayrıca jeotermal akışkanın EC değeri ve Na⁺, Cl^-, B ve Fe konsantrasyonu Yerüstü Su Kalitesi Yönetmeliği’ne göre çok kirlenmiş su (IV. sınıf) kalitesindedir. Kestanbol jeotermal alanında kabuklaşma problemi vardır. XRD ve SEM-EDX analizleri ile kabuğu oluşturan minerallerin kalsit, halit ve siderit olduğu tespit edilmiştir. Jeokimyasal analiz sonuçlarına göre kabuk, toprak ve dere sedimentindeki As, Fe ve Mn konsantrasyonunun Dünya kıtasal kabuk ortalama değerinden yüksek olduğu saptanmıştır. Zenginleşme faktörü ve jeobirikim indeksi değerlerine göre yoğun kayaç etkileşiminde kalan jeotermal akışkanın deşarjı sonucunda toprak ve dere sedimenti As ve Mn metal(loid)leri açısından zenginleşmiştir. Kestanbol jeotermal akışkanın ve tesisin atık suyunun çevresindeki toprağa ve Ilıca deresine deşarj edilmemesi önerilir.

Keywords

• Kestanbol jeotermal akışkanı,çevresel etki,hidrokimya,kabuklaşma

Supporting Institution

Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi

Project Number

FHD-2019-2877

References

1. Aksoy, N., 2007. Jeotermal sahalarda kabuklaşma ve çözüm yöntemleri. Jeotermal Enerji Semineri, 143–153.
2. Baba, A., Ertekin, C., 2007. Determination of the source and age of the geothermal fluid and its effects on groundwater resources in Kestanbol (Çanakkale-Turkey). GQ07: Securing Groundwater Quality in Urban and Industrial Environments, 7th International Groundwater Quality Conference, Fremantle, Western Australia, 2–7 December 2007, 1–8.
3. Baba, A., Sözbilir, H., 2012. Source of arsenic based on geological and hydrogeochemical properties of geothermal systems in Western Turkey. Chemical Geology, 334, 364–377.
4. Balderer, W., 1994. A multidisciplinary approach for the study of the effects of active tectonics along the North Anatolian fault zone: possibilities for the application of the electrical self potential method. Annals of Geophysics, 37(5), 1269–1282.
5. Beccaletto, L., 2003. Geology, correlations, and geodynamic evolution of the Biga Peninsula (NW Turkey). Lozan Üniversitesi, İsviçre, Doktora tezi, 140 s., (yayımlanmamış).
6. Beccaletto, L., Jenny, C., 2004. Geology and correlation of the Ezine zone: a Rhodope fragment in NW Turkey?. Turkish Journal of Earth Sciences, 13(2), 145–176.
7. Bertani, R., 2015. Geothermal power generation in the World-2010-2014 update report. World Geothermal Congress (WGC2015), Proceedings of World Geothermal Congress, Melbourne, Australia, 19-25 April 2015, R. Horne ve T. Boyd (eds.), International Geothermal Association, Melbourne, 1–19.
8. Birkle, P., Merkel, B., 2000. Environmental impact by spill of geothermal fluids at the geothermal field of Los Azufres, Michoacán, Mexico. Water, Air, & Soil Pollution, 124(3-4), 371–410.

9. Cattaneo, A., Couillard, Y., Wunsam, S., Fortin, C., 2011. Littoral diatoms as indicators of recent water and sediment contamination by metals in lakes. Journal of Environmental Monitoring, 13, 572–582.
10. Chapman, D., Kimstach, V., 1996. Selection of water quality variables. In: D. Chapman (ed.), Water Quality Assessments-A Guide to Use of Biota, Sediments and Water in Environmental Monitoring, 2nd ed., Chapmam & Hall: E&FN Spon, Cambridge, 59–126.
11. Çağlar, K.Ö., 1947. Türkiye maden suları ve kaplıcaları. Maden Tetkik Arama Yayınları, Ankara, Fasikül 2, Seri B, No 11, 249–250.
12. Çağlar, I., Demirörer, M., 1999. Geothermal exploration using geoelectric methods in Kestanbol, Turkey. Geothermics, 28(6), 803–819.
13. Çardak, M., Şanlıyüksel Yücel, D., Ay, M., Söküt Acar, T., Erol Tınaztepe, Ö., 2019. Jeotermal akışkanın hidrokimyasal karakterizasyonunun belirlenmesi: Simav (Kütahya) örneği. Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 5(1), 1–15.
14. Doğdu, M.S., Bayarı, S., 2005. Environmental impact of geothermal fluids on surface water, groundwater and streambed sediments in the Akarcay Basin Turkey. Environmental Geology, 47, 325–340.
15. Erguvanlı, K., Yüzer, E., 1973. Yeraltı Suları Jeolojisi (Hidrojeoloji). İstanbul Teknik Üniversitesi Kütüphanesi, Sayı 967, 339 s.
16. Erkul, H., 2012. Jeotermal enerjinin ekonomik katkıları ve çevresel etkileri: Denizli-Kızıldere jeotermal örneği. Yönetim Bilimleri Dergisi, 10(19), 1–30.
17. Eroğlu, A., Aksoy, N., 2003. Jeotermal suların kimyasal analizi. VI. Ulusal Tesisat Kongresi, İzmir, Türkiye, 8-10 Ekim 2003, Jeotermal Enerji Semineri Kitapçığı, TMMOB Makine Mühendisleri Odası Yayınları, Ankara, 149–183.
18. Gemici, U., Tarcan, G., 2002. Distribution of boron in thermal waters of western Anatolia, Turkey, and examples of their environmental impacts. Environmental Geology, 43, 87–98.
19. Gevrek, A.İ., Şener, M., Ercan, T., 1986. Çanakkale-Tuzla jeotermal alanının hidrotermal alterasyon etüdü ve volkanik kayaçların petrolojisi. Maden Tetkik ve Arama Dergisi, 103-104, 55–81.
20. Gündüz, O., Şimşek, C., Hasözbek, A., 2010. Arsenic pollution in the groundwater of Simav Plain, Turkey: its impact on water quality and human health. Water Air & Soil Pollution, 205, 43–62.
21. Gözler, M.Z., Ergül, E., Akçaören, F., Genç, Ş., Akat, U., Acar, Ş., 1984. Çanakkale boğazı doğusu-Marmara Denizi güneyi-Bandırma-Balıkesir-Edremit ve Ege Denizi arasındaki alanın jeolojisi ve kompilasyonu. MTA Rapor No: 7430, (yayımlanmamış).
22. Haklıdır Tut, F.S., Batı Anadolu’da Yüksek Sıcaklıklı Jeotermal Sistemlerde Gözlenen Kabuklaşma Türleri ve Kabuklaşma Oluşumunun Kontrolünün Sağlanmasında Kullanılan Sistemler; Kızıldere-II (Denizli) Jeotermal Güç Santrali Örneği. Türkiye Jeoloji Bülteni, 60 (3), 363–382.
23. IAH, 1979. Map of mineral and thermal water of Europe. Scale 1:500.000, International Association of Hydrogeologists, Paris, France.
24. Kalafatçıoğlu, A., 1963. Ezine civarının ve Bocaada’nın jeolojisi, kalker ve serpantinlerinin yaşı. MTA Dergisi, 60, 61–70.
25. Karagülle, M.Z., Doğan, M.B., 2002. Kaplıca Tıbbı ve Türkiye Kaplıca Rehberi. Nobel Tıp Kitapevi, İstanbul, 48 s.
26. Kelly, W.P., 1963, Use of saline irrigation water. Soil Science, 95, 355–391.
27. Koçak, A., 2002. Jeotermal uygulamalar ve MTA. Jeotermalde Yer bilimsel Uygulamalar Yaz Okulu Ders Notları, Dokuz Eylül Üniversitesi, Jeotermal Enerji ve Araştırma Merkezi, İzmir, 119–131.
28. Krauskopf, K.B., 1979. Introduction to Geochemistry, 2nd edition. McGraw-Hill International series in the Earth and Planetary Sciences, 617 s.
29. Kristmannsdottir, H., Armannsson, H., 2003. Environmental aspects of geothermal energy utilization. Geothermics, 32(4-6), 451–461.
30. Liu, W.H., Zhao, J.Z., Ouyang, Z.Y., Soderlund, L., Liu, G.H., 2005. Impacts of sewage irrigation on heavy metal distribution and contamination in Beijing, China. Environment International, 31(6), 805–812.
31. Lund, J.W., Boyd, T.L., 2016. Direct utilization of geothermal energy 2015 worldwide review. Geothermics, 60, 66–93.
32. Mertoğlu, O., Şimşek, Ş., Başarır, N., 2015. Geothermal country update report of Turkey (2010–2015). Proceedings of World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, 19-24 April 2015, International Geothermal Association, Bonn, 1–7.
33. Mutlu, H., Güleç, N., Hilton, D.R., 2014. Chemical and isotopic constraints on the origin of thermal waters in Anatolia, Turkey: fluid-mineral equilibria approach, (Geothermal Systems and Energy Resources: Turkey and Greece, Editörler: Baba, A., Bundschuh, J., Chandrasekharam, D.), Sustainable Energy Development Series, CRC Press, Taylor & Francis, 39–50.
34. Müller, G., 1979. Schwermetalle in den sedimenten des Rheins-Veränderungen seit 1971. Umschau, 79, 778–783.
35. Müller, G., 1986. Schadstoffe in Sedimenten-Sedimente als Schadstoffe. Mitt, Österreichische Geologische Gesellschaft, 79, 107–126.
36. Mützenberg, S., 1997. Nature and origin of the thermal springs in the Tuzla area, Western Anatolia, Turkey. (Active Tectonics of Northwestern Anatolia-The Marmara Poly-Project, Editörler: Schindler, C., Pfister, M.). VDF Hochschul Verlag AG an der ETH Zurich, 301–320.
37. Nicholson, K., 1993. Geothermal Fluids: Chemistry and Exploration Techniques. Springer-Verlag, Berlin, 263 s.
38. Ölmez, E., 1976. Çanakkale-Ezine Kestanbol sıcak su 1. sondajı kuyu bitirme raporu. Manden Tetkik ve Arama Enstitüsü Rapor No: 5595, 3 s., (yayımlanmamış).
39. Özbey, G., Atamer, N., 1987. Kizelgur (Diatomit) hakkında bazı bilgiler. 10. Türkiye Madencilik Bilimsel Teknik Kongresi, 11-15 Mayıs 1987, Ankara, 493–502.
40. Özen Balaban, T., Bülbül, A., Tarcan, G., 2017. Review of water and soil contamination in and around Salihli geothermal field (Manisa, Turkey). Arabian Journal of Geosciences, 10, 523.
41. Piper, A.M., 1944. A graphical procedure in the geochemical interpretation of water analysis. Transactions of the American Geophysical Union, 25, 914–928.
42. Richards, L.A., 1954. Diagnosis and Improvement of Saline and Alkali Soils. Agricultural hand book 60, U.S. Deptment of Agriculture, Washington D.C., 160 s.
43. Salah, E.A.M., Zaidan, T.A., Al-Rawi, A.S., 2012. Assessment of heavy metals pollution in the sediments of Euphrates River, Iraq. Journal of Water Resource and Protection, 4, 1009–1023.
44. Sarp, S., Burçak, M., Yıldırım, T., Yıldırım, N., 1998. Biga Yarımadası’nın jeolojisi ve jeotermal enerji olanakları ile Balıkesir-Havran-Derman kaplıca sahasının detay jeotermal etüdü ve gradyan sondajları. MTA Rapor No: 10537, (yayımlanmamış).
45. Schoeller, H., 1955. Geochimie des Eaux Souterraines. Revue de l’Institut Francais du Petrole, Paris, 10 (3), 181–213, 10 (4), 219–246.
46. Siyako, M., Burkan, K.A., Okay, A.I., 1989. Biga ve Gelibolu Yarımadaları’nın Tersiyer jeolojisi ve hidrokarbon olanakları. Türkiye Petrol Jeologları Derneği (TPJD) Bülteni, 1 (3), 183–199.
47. Sutherland, R.A., 2000. Bed sediment-associated trace metals in an urban stream, Oahu, Hawaii. Environmental Geology, 39, 611–627.
48. Şahinci, A., 1991. Doğal Suların Jeokimyası. Reform Matbaası, Beyler, İzmir, 548 s.
49. Şamilgil, E., 1966. Çanakkale’nin Tuzla ve Kestanbol sıcak su havzalarında jeotermik enerji araştırması yönünden hidrojeolojik etüt. MTA Rapor No: 4274, 53 s., (yayımlanmamış).
50. Şanlıyüksel, D., Baba, A., 2011. Hydrogeochemical and isotopic composition of a low temperature geothermal source in northwest Turkey: Case study of Kirkgecit geothermal area. Environmental Earth Sciences, 62, 529–540.
51. Şanlıyüksel Yücel, D., Karaca, Z., Yücel, M.A., 2013. Determining hydrogeochemical characteristics of geothermal resources in Biga Peninsula (city of Canakkale), NW Turkey. 40th International Association of Hydrogeologists Congress, 15-20 September 2013, Perth, Australia, 261.
52. Şanlıyüksel Yücel, D., Yücel, M.A., 2017. Determining hydrochemical characteristics of mine lakes from abandoned coal mines and 3D modelling of them using unmanned aerial vehicle. Pamukkale University Journal of Engineering Sciences, 23 (6), 780–791.
53. Şanlıyüksel Yücel, D., Baba, A., 2018. Determining water and sediment quality related to lead and zinc mining activity. Archives of Environmental Protection, 44 (3), 19–30.
54. Şanlıyüksel Yücel, D., 2019. Characterization and comparison of mine wastes in Can Coal Basin, northwest Turkey: a case study. Environmental Earth Sciences, 78, 154.
55. Şaroğlu, F., Emre, Ö., Kuşçu, İ., 1992. Türkiye Diri Fay Haritası (Ölçek 1/2.000.000). Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü, Ankara.
56. Şimşek, Ş., 1997. Geochemical potential in northwestern Turkey. (Active Tectonics of Northwestern Anatolia-The Marmara Poly-Project, Editörler: Schindler, C., Pfister, M.). VDF hochschulverlag AG an der ETH Zurich, 111–123.
57. Şimşek, Ş., Yıldırım, N., Gülgör, A., 2005. Developmental and environmental effects of the Kızıldere geothermal power project, Turkey. Geothermics, 34 (2), 234–251.
58. Şimşek, Ş., 2015. Dünya’da ve Türkiye’de jeotermal gelişmeler. TMMOB Jeoloji Mühendisleri Odası III. Jeotermal Kaynaklar Sempozyumu, 4-6 Kasım 2015, Ankara, 1–17.
59. TS 266, 2005. İnsani tüketim amaçlı sular hakkında yönetmelik, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, Resmî Gazete Tarihi: 17.02.2005, Resmî Gazete Sayısı: 25730.
60. Yalçın, T., 2007. Geochemical characterization of the Biga Peninsula thermal waters (NW Turkey). Aquatic Geochemistry, 13 (1), 75–93.
61. Yalçın, T., Sarp, S., 2012. Biga Yarımadası Termal Sularının Jeokimyasal ve Jeotermal Potansiyeli. Biga Yarımadası’nın Genel ve Ekonomik Jeolojisi, E. Yüzer ve G. Tunay (Editörler), Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü Özel Yayın Serisi, Ankara, 289–301.
62. Yenal, O., Kanan, E., Bilecen, L., Öz, G., Öz, Ü., Göksel, A., Alkan, H., Kutluat, S., Yassa, K., 1975. Türkiye Maden Suları: Marmara Bölgesi, İstanbul Üniversitesi, Tıp Fakültesi, Hidroklimatoloji Kürsüsü, İstanbul, 212 s.
63. Yerüstü Su Kalitesi Yönetmeliği, 2015. Yüzeysel Su Kalitesi Yönetimi Yönetmeliğinde Değişiklik Yapılmasına Dair Yönetmelik, Orman ve Su İşleri Bakanlığı, Ankara, Resmî Gazete Tarihi: 15.04.2015, Resmî Gazete Sayısı: 29327.