Polatlı ve Haymana (Ankara) sıcak sularının kökenine yönelik kimyasal ve izotopik sınırlamalar

Year 2018, Volume: 39 Issue: 1, 41 - 64, 02.04.2018

Hafize Akıllı Halim Mutlu

Abstract

Bu çalışmada Ankara’nın güneybatısında yer alan Polatlı ve Haymana jeotermal sahalarındaki termal ve soğuk su kaynaklarının hidrojeokimyasal özellikleri ile duraylı ve radyojenik izotop sistematikleri incelenmiştir. 21.2 – 42.6 °C arasında değişen sıcaklıklara sahip olan sular çoğunlukla Ca-Na-HCO3 fasiyesinde gelişmişlerdir. δ18O ve δD değerleri sırasıyla –11.7 ile –8.1‰ ve –86.7‰ ile –61.9‰ (VSMOW) arasında olan sular küresel ve Ankara meteorik su doğrularından değişik miktarlarda sapma göstermektedir. 1.0‰’den 11.9‰’ye kadar geniş bir aralıkta değişen döteryum fazlalığı değerleri yüksek nemli koşulları yansıtmaktadır. Polatlı-Haymana sularının trityum değerleri 0.0 ile 5.37 TU arasındadır. Sıcak sular için kaydedilen düşük değerler, yüksek Cl içerikleri de göz önüne alındığında, yeraltında derin bir dolaşımı işaret etmektedir. Sularda çözünmüş sülfatta ölçülen δ34S değerleri –9.2‰’den +19.5‰’e (VCDT) kadar geniş bir aralıkta değişim göstermektedir. Sülfata ait δ18O ise 3.66‰ ile 14.99‰ (VSMOW) arasındadır. δ34S–δ18O sistematikleri ya doğrudan denizel evaporitlerden ya da denizel ve karasal evaporitlerin karışımı şeklinde bir katkı belirtmektedir. Polatlı ve Haymana sularındaki çözünmüş inorganik karbonun (DIC) (HCO3) izotop (δ13C) değerleri –21.84‰’den –1.34‰’ye (VPDB) kadar değişmektedir. Bu değerler denizel kireçtaşlarının yanı sıra (–3 ile +3‰ arasında) ve organik kaynakların da sudaki karbon izotop bileşimini kontrol ettiğine işaret etmektedir. Kireçtaşlarında ölçülen δ13C (2.66 ile 6.80‰ VPDB) değerleri travertenlerden elde edilen değerlere göre (–0.79 ile +3.24‰ VPDB) daha yüksektir. Sulardaki 87Sr/86Sr değerleri 0.705883’den 0.707896’a kadar dar bir aralıkta değişmektedir. Bu bölgelerden toplanan granit, kireçtaşı, andezit ve travertenlerin Sr izotop bileşimleri ise 0.706119 ile 0.708831 arasındadır. Su örneklerinin Sr izotop bileşimleri kayaçlarınkilerle (özellikle kireçtaşları) büyük ölçüde örtüşmektedir. Mineral doygunluk hesaplamaları Polatlı-Haymana sıcak sularının dolomit, kalsit, aragonit ve silika minerallerine göre doygun, jips ve anhidrite göre ise doygun olmadıklarını göstermiştir. Kuvars jeotermometresi ile hesaplanan rezervuar sıcaklıkları Polatlı örnekleri için 48-117ºC, Haymana örnekleri için ise 72ºC’dir. Her iki saha için düşük sıcaklıklar öngörmüş olsa da kalsedon jeotermometresi ile hesaplanan sıcaklıklar (40-88ºC) daha gerçekçi bulunmuştur. 

Keywords

Jeokimya, duraylı-radyojenik izotoplar, su-kayaç etkileşimi, polatlı-haymana sıcak suları

References

• Açıkgöz, S., Akıllı, H., Kurtuluş, O., ve Hökelekli, E., 2008. Çağlayık (Polatlı/Ankara) Civarının Jeolojisi, Jeofizik Etütleri ve Jeotermal Enerji Olanakları. MTA Genel Müdürlüğü, Rapor No. 11198, Ankara (yayınlanmamış, Türkçe).
• Akyürek, B., Duru, M., Sütçü, Y.F., Papak, İ., Şaroğlu, F., Pehlivan, N., Gönenç, O., Granit, S., ve Yaşar, T., 1996. Ankara ilinin çevre jeolojisi ve doğal kaynaklar projesi. MTA Genel Müdürlüğü Rapor No. 9961, Ankara (yayınlanmamış, Türkçe).
• Başkan, E., 1972. Haymana (Ankara) kaplıcası hidrojeoloji etüdü. MTA Genel Müdürlüğü Rapor No. 4844, Ankara (yayınlanmamış, Türkçe).
• Bilgin, A.Z., Uğuz, M. F., Sevin, M., Parlak, O., Pekgöz, M., Elibol, H., Erdem, Y., ve Özden, U. A., 2009. Ayaş-Temelli-Polatlı (Ankara) dolayının jeolojisi (Ankara İ28 paftası). MTA Genel Müdürlüğü Rapor No: 11215, Ankara (yayınlanmamış, Türkçe).
• Bilgin, A. Z., Uğuz, M. F., Sevin, M., ve Erdem, Y., 2010. Haymana ve Yenimehmetli (Ankara) güneyinin jeolojisi (Ankara-J29 Paftası-Kısmen). MTA Genel Müdürlüğü Rapor No. 11318, Ankara (yayınlanmamış, Türkçe).
• Bülbül, E., Lezgi, A., Çam, D., ve İldeş, L., 2015. Ankara Polatlı Belediyesi`Ne Ait Ankara-Polatlı 06/2011/151 No.lu Karacaahmet-Çağlayık ve 06/2011/160 No.lu Karahamzalı jeotermal kaynak arama ruhsat sahaları jeoloji ve jeofizik etüt raporu. MTA Genel Müdürlüğü Rapor No. 11829, Ankara (yayınlanmamış, Türkçe).
• Bülbül, E., 2017. Kişisel görüşme. MTA Genel Müdürlüğü, Enerji Hammadde Etüt ve Arama Dairesi Başkanlığı, Ankara.
• Clark, I., and Fritz, P., 1997. Environmental isotopes in hydrogeology. Lewis Publishers, New York, 328 s.
• Coplen, T.B.,Herczeg, A.L. and C Barnes, 2000. Isotope Engineering, Using Stable Isotopes of the Water Molecule to Solve Practical Problems, Environmental Tracers in Subsurface Hydrology (editors. P.G. Cook and A. L. Herczeg), Kluwer Academic Publishers, Australia, 529p.
• Craig, H., 1961. Isotopic variations in meteoric waters. Science, 133, 1833-1834.
• Çelmen, O., and Çelik, M., 2009. Hydrochemistry and environmental isotope study of the geothermal water around Beypazarı granitoids, Ankara, Turkey. Environmental Geology, 58, 1689–1701.
• Dansgaard, W., 1964. Stable isotopes in precipitation. Tellus, 16, 436-468.
• Dotsika, E., Poutoukis, D., Kloppmann, W., Guerrot, C., Voutsa, D., and Kouimtzis, T.H., 2010. The use of O, H, B, Sr and S isotopes for tracing the origin of dissolved boron in groundwater in Central Macedonia, Greece. Applied Geochemistry, 25, 1783–1796.
• Dönmez, M., Akçay, A.E., Türkecan, A., Evcimen, Ö., Atakay, E., ve Görmüş, T., 2009. Ankara ve yakın çevresinin Tersiyer volkanitleri. MTA Genel Müdürlüğü, Rapor No. 11164, Ankara (yayınlanmamış, Türkçe).
• Esat, K., Kaypak, B., Işık, V., Ecevitoğlu, B., and Seyitoğlu, G., 2016. The Ilıca Branch of the Southeastern Eskişehir Fault Zone: An Active Right lateral Strike-Slip Structure in Central Anatolia, Turkey. Bulletin of the Mineral Research and Exploration, 152, 25-37.
• Faure, G., 1986. Principles of Isotope Geology, 2nd ed., John Wiley & Sons, Singapore, 589 s.
• Fishman, M.J., and Friedman, L.C., 1989. Methods for Determination of Inorganic Substances in Water and Fluvial Sediments, Techniques of Water-Resources Investigations of the United States Geological Survey, 5, 545 s.
• Fournier, R.O., 1973. Silica in Thermal Waters: Laboratory and Field Investigations. Proceedings of the International Symposium on Hydrogeochemsitry and Biochemistry, Tokyo, Vol. 1, Clark Co., Washington D.C., 122-139.
• Fournier, R.O., 1977. Chemical Geothermometers and Mixing Models for Geothermal Systems. Geothermics, 5, 41-50.
• Fournier, R.O., and Potter, R.W., 1982. A Revised and Expanded Silica (Quartz) Geothermometer. Geoth. Res. Council Bull., 11-10, 3-12.
• Fournier, R.O., 1991. Water geothermometers applied to geothermal energy. In: D’Amore, F. (coordinator), Application of Geochemistry in Geothermal Reservoir Development. UNITAR/UNDP publication, Rome, 37-69.
• Friedmann, I., and O’Neil, J.R., 1977. Compilation of Stable Isotope Fractionation Factors of Geochemical Interest, USGS Numbered Series (report), 440- KK, 11 p.
• Gat, J.R. 1981. Isotopic Fractination, In Stable Isotope Hydrology, Deuterium and Oxygen-18 in Water Cycle, Technical Report Series 210, IAEA, Vienna, pp.21-34Comments on the Stable Isotope Method in Regional Groundwater Investigations, , Water Resources Research, v.7, pp.980- 993,
• Giggenbach, W.F., 1988. Geothermal Solute Equilibria, Derivation of Na-K-Mg-Ca Geoindicators. Geochimica et Cosmochimica Acta, 52, 2749-2765.
• Goff, F., Wollenberg, H.A., Brookins, D.C., Kristler, R.W., 1991. A Sr-isotopic comparison between thermal waters, rocks, and hydrothermal calcites, Long Valley caldera, California Journal of Volcanology and Geothermal Research, 48, 265–281.
• Gönenç, O., 1978. Haymana-Polatlı Havzasının Batı Bölgesinin Jeolojisi ve Petrol Olanakları, MTA Genel Müdürlüğü Rapor No. 6396, Ankara (yayınlanmamış, Türkçe).
• Grasby, S.E., Hutcheon, I., and Krouse, H.R., 2000. The influence of water-rock interaction on the chemistry of thermal springs in western Canada. Applied Geochemistry, 15, 439– 454.
• Güleç, N., 1994. Geochemistry of thermal waters and its relation to the volcanism in the Kızılcahamam (Ankara) area, Turkey.  Journal of Volcanology and Geothermal Research, 59, 295-312. 
• Güleç, N., Mutlu, H., and Hilton, D.R., 2014. Gas geochemistry of Turkish geothermal fluids: HeCO2 systematics in relation to active tectonics and volcanism, Geothermal Systems and Energy Resources: Turkey and Greece (Editors: A. Baba, J. Bundschuh and D. Chandrasekharam), Sustainable Energy Development Series, CRC Press, Taylor & Francis Group (ISBN 9781138001091) p. 13-23.
• Helvacı, C., ve Bozkurt, S., 1992. Beypazarı (Ankara) granitinin jeolojisi, mineralojisi ve petrojenezi. Türkiye Jeoloji Bülteni, 37, (2), 31-42.
• Izbicki, J.A., Christensen, A.H., Newhouse, M.W. and Aiken, G.R. 2005. Inorganic, isotopic, and organic composition of high-chloride water from wells in a coastal southern California aquifer. Applied Geochemistry, 20, 1496-1517.
• Kampschulte, A., and Strauss, H., 2004. The sulfur isotopic evolution of Phanerozoic seawater based on the analysis of structurally substituted sulfate in carbonates, Chemical Geology, 204, 255-286.
• Köksal, S., and Göncüoglu, M. C., 2008. Sr and Nd isotopic characteristics of some S, I, and A-type granitoids from Central Anatolia. Turkish Journal of Earth Sciences, 17, 111-127
• Kurttaş, T., 2002, Karışım Sularında Kökensel Katkıların Belirlenmesi, Hidrolojide İzotop Tekniklerinin Kullanılması Sempozyumu, DSİ Genel Müdürlüğü, Adana
• Liu, L., Suto, Y., Bignall, G.N., and Hashida, T., 2003. CO2 injection to granite and sandstone in experimental rock/hot water systems. Energy Conversion and Management. 44, (9), 1399-1410.
• Lloyd, R.M., 1968. Oxygen isotope behavior in the sulfate-water system. Journal of Geophysical Research, 73 (18), 6099-6110.
• Marques, J.M., Carreira, P.M., Goff, F., Eggenkamp, H.G.M., and Antunes da Silva, M., 2012. Input of 87Sr/86Sr ratios and Sr geochemical signatures to update knowledge on thermal and mineral waters flow paths in fractured rocks (N-Portugal), Applied Geochemistry 27, 1471–1481.
• Mizutani, Y., and Rafter, T.A., 1969. Oxygen isotopic composition of sulfates-3. Oxygen isotopic fractionation in the bisulfate ion-water system. New Zeeland Journal of Science, 12, 54-59.
• MooK, W.,G. 2001. Environmental isotopes in the hydrological principles and applications, VIENNA.
• Mutlu, H., 1998. Chemical geothermometry and fluidmineral equilibria for the Ömer-Gecek thermal waters, Afyon Area, Turkey. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 80, 303-321.
• Mutlu, H., 2007. Constraints on the origin of the Balıkesir thermal waters (Turkey) from stable isotope (d18O, dD, d13C, d34S) and majortrace element compositions, Turkish Journal of Earth Sciences, 16, 13-32.
• Mutlu, H., and Güleç, N., 1998. Hydrogeochemical outline of thermal waters and geothermometry applications in Anatolia, Turkey, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 85, 495-515.
• Mutlu, H.,  Güleç, N., Hilton, D.R., Aydın, H., and Halldórsson, S.A., 2012. Spatial variations in gas and stable isotope compositions of thermal fluids around Lake Van: Implications for  crust-mantle dynamics in eastern Turkey.  Chemical Geology, 300-301, 165176.
• Mutlu, H., Güleç, N., and 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 (Editors: A. Baba, J. Bundschuh and D. Chandrasekharam), Sustainable Energy Development Series, CRC Press, Taylor & Francis Group (ISBN 9781138001091) p. 1-11. 
• Nuti, S., 1991. Isotope techniques in geothermal studies in “Applications of geochemistry in geothermal reservoir development” Franco D’amore (Ed). 215-251.
• Özkul, M., Gökgöz, A., Kele, S., Baykara, M.O., Shen, C.-C., Chang, Y.-W., Kaya, A., Hançer, M., Aratman, C., Akın, T., and Örü, Z., 2014. Sedimentological and geochemical characteristics of a fluvial travertine: a case from the eastern Mediterranean region. Sedimentology, 61, 291-318.
• Palmer, M.R., Helvacı, C., and Fallick, A.E., 2004. Sulphur, sulphate oxygen and strontium isotope composition of Cenozoic Turkish evaporates. Chemical Geology, 209, 341356.
• Parkhurst, D. L., and Appelo, C.A.J., 2013. Description of input and examples for PHREEQC version 3—A computer program for speciation, batch-reaction, one-dimensional transport, and inverse geochemical calculations: U.S. Geological Survey Techniques and Methods, book 6, chap. A43, 497 p.
• Sayın, M., ve Eyüpoğlu, S. Ö., (2005). Türkiye’deki Yağışların Kararlı İzotop İçeriklerini Kullanarak Yerel Meteorik Doğruların Belirlenmesi. II. Ulusal Hidrojeolojide İzotop Teknikleri Sempozyumu, İzmir, 323-345.
• Tarcan, G., 2005. Mineral saturation and scaling tendencies of waters discharged from wells (> 150 degrees C) in geothermal areas of Turkey.  Journal of Volcanology and Geothermal Research, 142, 263-283.
• Uysal, I.T., Feng, Y., Zhao, J.-X., Altunel, E., Weatherley, D., Karabacak, V., Cengiz, O., Golding, S.D., Lawrance, M.G., and Collerson, K.D., 2007. U-series dating and geochemical tracing of late Quaternary travertine in coseismic fissures. Earth and Planetary Science Letters, 257, 450-462.
• Ünalan, G., Yüksel, V., Tekeli, T., Gönenç,O., Şimşek, Z., ve Hüseyin, S., 1976. Haymana-Polatlı Yöresinin (Güneybatı Ankara) Üst Kretase Alt Tersiyer Stratigrafisi ve Paleocoğrafik Evrimi. Türkiye Jeoloji Kurumu Bülteni, c. 19, 159-176.
• Vengosh, A., Helvacı, C., and Karamanderesi, İ.H., 2002. Geochemical constraints for the origin of thermal waters from western Turkey. Applied Geochemistry, 17, 163–183.
• Zoroğlu, O. ve Kadıoğlu, Y.K., 2004. Oymaağaç (Beypazarı - Ankara) granitoyidinin jeolojisi ve petrografisi. Gazi Üniv., F.Ü. Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 16 (2), 299-308.