A Geochemical Approach to the Origin of Geothermal and Mineral Waters Southwest of Uludağ Mountain (Bursa)

Abstract

In this study, hydrogeochemical characteristics and the origin of geothermal springs and mineral waters southwest of Uludağ (Bursa) Mountain were investigated. Temperatures of thermal waters are 37-64.5 °C and those of mineral waters range from 15.6 to 22.5 °C. Total dissolved solid (TDS) content of waters is in the range of 451 to 2026 mg/l. The pH of mineral waters (6.2 - 6.7) is much more acidic than thermal waters (7.1 - 7.3). Thermal waters are represented by Na-Ca-HCO₃ facies type, while mineral waters are Mg-Na-Ca-HCO₃ type.

Tritium measured in the Bursa mineral waters is 0.34 to 5.96 TU. Thermal waters (0.34 to 1.95 TU) have lower tritium content than mineral waters (1.57 to 5.46 T). These results indicate that most of studied fluids are regarded as modern waters. δ¹⁸O of samples is -11.08 to -7.97‰ (VSMOW) and δD values are in the range of -73.81 to -57.64‰ (VSMOW). Stable isotope compositions of Bursa mineral water are located between Global and Mediterranean Water Lines, indicating meteoric origin.

δ¹³C values measured in dissolved inorganic carbon (HCO₃) are between -15.3 and +10.12‰ (VPDB). Carbon isotope compositions of thermal waters are about 15‰ lower than those of mineral waters, implying that carbon in thermal springs is derived from an organic source. Carbon in mineral waters originates from marine limestones. Using the deuterium-altitude relationship, the recharge zone for Bursa mineral waters was at 1180-2300 m.

Keywords

• Geothermal spring
• mineral water
• hydrogeochemisrty
• isotope
• Uludağ
• Bursa

Uludağ'ın (Bursa) Güneybatısındaki Jeotermal Kaynak ve Madensularının Kökenine Jeokimyasal Bir Yaklaşım

Abstract

Bu çalışmada, Uludağ’ın (Bursa) güneybatısındaki jeotermal kaynaklar ile maden sularının hidrojeokimyasal özellikleri ve kökensel ilişkileri incelenmiştir. Termal suların sıcaklıkları 37-64,5 °C maden sularının sıcaklıkları ise 15,6-22,5 °C arasında değişmektedir. Toplam çözünmüş madde miktarı (TDS) 451-2.026 mg/l arasında ölçülmüştür. Örneklerin pH değerleri sıcak sular için 7,1-7,3 arasında maden suları için daha asidik karakterde olup 6,2-6,7 aralığındadır. Sıcak sular Na-Ca-HCO₃fasiyesi ile temsil edilirken maden suları Mg-Na-Ca-HCO₃ tip özellik sergiler.

Bursa mineralli sularının trityum içerikleri 0,34 ile 5,96 TU arasında değişmektedir. Trityum sıcak sular için 0,34-1,95 TU arasında, maden suları için ise 1,57’den 5,46 TU’ya kadar değişmektedir. Bu sonuçlar akışkanların büyük bir kısmının modern sular olduğuna işaret etmektedir. Örneklerin δ¹⁸O değeri ‰-11,08 ile -7,97 (VSMOW) arasında δD değerleri ise ‰-73,81 ile -57,64 (VSMOW) arasında değişmektedir. Duraylı izotop bileşimleri Küresel ve Akdeniz Meteorik Su Çizgileri arasında kalan Bursa termal ve maden suları meteorik kökenlidir.

Bursa mineralli sularında çözünmüş inorganik karbonda (HCO₃) ölçülen δ¹³C ‰-15,3 ile +10,12 (VPDB) arasındadır. Sıcak suların karbon izotop bileşiminin maden sularına göre yaklaşık ‰15 düşük olması bu sulardaki karbonun organik madde kaynaklı olduğunu gösterir. Maden sularında çözünmüş karbon ise denizel kireçtaşlarından türemiştir. Döteryum-yükseklik ilişkisi kullanılarak Bursa sıcak sularının 1180-2300 m arasında bir rakımdan itibaren beslendikleri bulunmuştur.

Keywords

• Jeotermal kaynak
• maden suyu
• hidrojeokimya
• izotop
• Uludağ
• Bursa

References

1. Akıllı, H. ve Mutlu, H. (2018). Polatlı ve Haymana (Ankara) sıcak sularının kökenine yönelik kimyasal ve izotopik sınırlamalar. Yerbilimleri, 39(1), 41-64.
2. Aydın, H., Karakuş, H. & Mutlu, H. (2020). Hydrogeochemistry of geothermal waters in eastern Turkey: geochemical and isotopic constraints on water-rockinteraction. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 390, Article 106708. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2019.106708
3. Ateş, Ş., Mutlu, G., Bulut Üstün, A., Özata, A., Özerk, O.C., Karakaya Gülmez, F., ve Osmançelebioğlu, R. (2009). Bursa İli ve Kentsel Alanların Yer Bilim Verileri (Derleme no: 11163). Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü (yayımlanmamış).
4. Barry, P. H., Hilton, D. R., Füri, E., Halldórsson, S. A. & Gronvold, K. (2014). Carbon isotope and abundance systematics of Icelandic geothermal gases, fluid sand subglacial basalts with implications for mantle plume-related CO2 fluxes. Geochimica et Cosmochimica Acta, 134, 74–99.
5. Bingöl E., Akyürek B. ve Korkmazer B. (1973). Biga Yarımadasının Jeolojisi ve Karakaya Formasyonun Bazı Özellikleri. Cumhuriyetin 50. Yılı Yerbilimleri Kongresi Ankara (s. 70-76).
6. Clark, I. D. & Fritz, P. (1997). Environmental Isotopes in Hydrogeology. Lewis Publishers, New York.
7. Craig, H. (1961). Isotopic variations in meteoric waters. Science, 133, 1833-1834.
8. Criaud, A. & Fouillac, C. (1986). Etude de seaux thermo minerales carbogaze uses du Massif Central Français. II. Comportment de quelquesmetaux en trace, de l’arsenic, de l’antimoine et dugermanium. Geochimica et Cosmochimica Acta, 50, 1573–82.

9. De Leew, G. A. M., Hilton, D. R., Güleç, N. & Mutlu, H. (2010). Regional and temporal variations in CO2/3He, 3He/4He and d13C along the North Anatolian Fault Zone, Turkey. Applied Geochemistry, 25, 524-539.
10. Dewey, J. F. & Şengör, A. M. C. (1979). Aegean and surrounding regions: complex multiplate and continuum tectonics in a convergent zone. Geological Society of America Bulletin, Part I, 90, 84–92.
11. Ergül, E., Öztürk, Z., Akçaören, F. ve Gözler, M. Z. (1980). Balıkesir İli-Marmara Denizi arasının Jeolojisi (Derleme No: 6760). Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü (yayımlanmamış).
12. Farley, K. A. & Neroda, E. (1998). Noble gases in the Earth’s mantle. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 26, 189–218.
13. Fournier, R. O. (1979). Geochemical and hydrologic consideration sand theuse of enthalpy-chloride diagrams in the prediction of underground conditions in hot-spring systems. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 5, 1-16.
14. Gat, J. R. & Carmi, I. (1987). Effect of climate changes on the precipitation pattern sand isotope composition of water in a clima tetransition zone - case of the eastern Mediterranean Sea area. In S. I. Solomon, M. Beran, & W. Hogg (Eds.), The Influence of Climate Changeand Climate Variability on the Hydrologic Regime and Water Resources (pp. 513-523) IAHS Publications.
15. Giggenbach, W. F., Gonfiantini, R., Jangi, B. L. & Truesdell, A. H. (1983). Isotopic and chemical composition of Parbati Valley geothennal discharges, north-west Himalaya. India. Geothermics, 12, 199-222.
16. Gökgöz, A., Mutlu, H., Özkul, M. & Yüksel, A. K. (2021). Multiple fluid-mineral equilibria approach to constrain the evolution of thermal waters in the Hisaralan geothermal field, Simav graben, western Turkey. Turkish Journal of Earth Sciences, 30, 182-203.
17. Greber, E. (1994). Deep circulation of CO2-rich palaeowaters in a seismically active zone (Kuzuluk/Adapazarı, North western Turkey). Geothermics, 23(2), 151–74.
18. Hilton, D. R., Fischer, T. P. & Marty, B. (2002). Noble gases and volatile recycling at subduction zones. In: D. Porcelli, C.J. Ballentine & R. Wieler, (Eds.), Noble Gases in Geochemistry and Cosmochemistry. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 47(1), 319–370
19. IAH., (1979). Map of Mineral and Thermal Water of Europe, Scale: 1:500.000. International Association of Hydrogeologists, United Kingdom.
20. James, E. R., Manga, M., Rose, T. P. & Hudson, G. B. (2000). The use of temperature and the isotopes of O, H, C, and noble gases to determine the pattern and spatial extent of groundwater flow. Journal of Hydrology, 237, 100-112.
21. Ketin, İ. (1947). Uludağ Masifinin Jeoloji İncelemesi (Derleme No: 1930). Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü (yayımlanmamış).
22. Marques, J. M., Andrade, M., Carreira, P. M., Eggenkamp, H. G. M., Graça, R. C., Aires-Barros, L. & Da Silva, M.A. (2006). Chemical and isotopic signatures of Na/HCO3/CO2-rich geofluids, North Portugal. Geofluids, 6(4), 273–287.
23. Mutlu, H. (1998). Türkiye'deki maden sularının kimyasal özellikleri ve oluşumu. Jeoloji Mühendisliği Dergisi, 53, 67-74.
24. Mutlu, H. (2007). Constraints on the origin of the Balıkesir thermal waters (Turkey) from stable isotope (d18O, dD, d13C, d34S) and major-trace element compositions. Turkish Journal of Earth Sciences, 16, 13-32.
25. Mutlu, H. & Güleç, N. (1998). Hydrogeochemical outline of thermal waters and geothermometry applications in Anatolia, Turkey. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 85, 495-515.
26. Okay, A. I. (1987). Notes on the geology of Northwest Turkey. Guide book on the geology of the western Anatolia for the IGCP Project number five. Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü.
27. Okay, A. I. (1989). Tectonic unit sand sutures in the Pontides, northern Turkey. In A. M. C. Şengör, (Ed.), Tectonic Evolution of the Tethyan Region (pp. 109-115). Kluwer, Dordrecht.
28. Okay, A. I., Harris, N. B. W. & Kelley, S. P. (1998). Exhumation of blueschists along a Tethyan suture in North West Turkey. Tectonophysics, 285, 275-299.
29. Parlaktuna, M., Güçer, Ş., Güleç, N., Savaşçın, Y., Mutlu, H., Tut, F. S., Erhan, Z., Süer, S., Arkan, S., Gök, E. & Çetinoğlu, A. (2008). Geothermal Energy Potential Assessment of Bursa, Turkey (102Y156). TÜBİTAK - JULICH (yayımlanmamış).
30. Piper, A. (1944). A graphic procedure in the geochemical interpretation of water-analyses. Transactions. American Geophysical Union. 25(6): 914–928.
31. Schoeller, H. (1962). Les Eaux Souterraines, Hydrologie Dynamique et Chimique, Recherche, Exploitation et Évaluation des Ressources. Masson et Cie, Paris.
32. Schürch, M., Kozel, R., Schotterer, U. & Tripet, J-P. (2003). Observation of isotopes in the water cycle—the Swiss National Network (NISOT). Environmental Geology, 45, 1-11.
33. Stumm, W. & Morgan, J. J. (1981). Aquatic Chemistry, an Introduction Emphasizing Chemical Equilibria in Natural Waters, 2nd ed. Wiley-Interscience, New-York.
34. Süer, S., Güleç, N., Mutlu, H., Hilton, D. R., Çifter, C. & Sayın, M. (2008). Geochemical monitoring of geothermal waters (2002-2004) along the North Anatolian Fault Zone, Turkey: spatial and temporal variations and relationship to seismic activity. Pure and Applied Geophysics, 165, 17-43.
35. Şaroğlu, F., Emre, Ö. & Boray, A. (1987). Türkiye’nin diri fayları ve depremselliği (Derleme No: 8174). Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü (yayımlanmamış).
36. Şengör, A. M. C. & Yilmaz, Y., 1981. Tethyan evolution of Turkey: a plate tectonic approach. Tectonophysics, 75, 181–241.
37. Şentürk, N. (2006). Uludağ Maden Suyu Kaynakları Jeoloji-Hidrojeoloji İncelemesi ve Koruma Alanları Çalışması. Uludağ İçecek Türk A.Ş. (yayımlanmamış).
38. Truesdell, A. (1991). Effects of physical processes on geothermal fluids. In F. D’Amore, (coordinator), Applications of Geochemistry in Geothermal Reservoir Development. (71-92). UNITAR/UNDP Publications.
39. Truesdell, A. H., Nathenson, M. & Rye, R. O. (1977). The effects of subsurface boiling and eilution on the isotopic compositions of Yellowstone thermal waters. Journal of Geophysical Research, 82, 3964-3707.
40. Tut Haklıdır, F. S. (2007). Bursa İli ve Çevresindeki Termal, Maden ve Yeraltı Sularının Jeokimyasal İncelenmesi [Yayımlanmamış yüksek lisans tezi]. Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
41. Tut Haklıdır, F., 2013. Hydrogeochemical evaluation of thermal, mineral and cold waters between Bursa city and Mount Uludağ in the South Marmara region of Turkey. Geothermics, 48, 132-145.