Hydrogeochemistry and origin of carbonated, sulfated, and saline geothermal waters, Central Anatolia, Türkiye

Öz

This study aims to compare the geothermal waters of Gümüşkent (GK), Koçpınar (KP), Dertalan (DA), Terme (TE), Kozaklı (KZ), Bayramhacı (BH), Karakaya (KK), Tuzlusu (TZ), Ziga (ZG), Narlıgöl (NG), Yeşilhisar (YH), and Kemerhisar (KH), which exhibit temperatures ranging from 17.5 °C to 86 °C. Additionally, the origins of these waters are evaluated by taking into account the cold waters of Helvadere (HD), Dokuzpınar (DP), Terme (TES), and Kozaklı (KOS), with temperatures between 10.4 °C and 13.09 °C, all located in Central Anatolia. The aquifers of these fault-controlled waters are of Paleozoic marbles and Eocene limestones; cover rocks are impermeable units. The heat production system of these waters may be due to young volcanism and granitic/syenitic intrusions as well as radiogenic sources. The types of these carbonated, sulfated, and saline waters are Ca-HCO3 in KP, GK, BH, and TE; Na-SO4 in KZ; Ca-SO4 in DA; Na-Cl in TZ, ZG, NG, KH, KK, and YH, respectively. These waters, which are of meteoric origin in terms of isotopic (δ18O and δ2H), generally have deep circulation and slow flow. The main reason for the deviation observed from the meteoric water line in some waters is evaporation. In KH, YH, and KK with low temperatures, the mineralization of these waters increased as a result of long-term gas-rock-water interaction. The causes of salinization in the Na-Cl-type waters may be the dissolution of halite minerals and the mixing of older waters trapped at depth during the closure of the Tuzgölü and salt domes in the TZ and ZG, the Central Kızılırmak basin in the YH and KK, and the Ulukışla basin in the KH. According to δ13C (‰PDB) values, the sources of CO2 gas in waters may be geogenic (marble, marine and lacustrine limestone) and/or mantle. According to δ34S‰VCDT values, the source of sulfate in waters may be evaporitic rocks in KK, ZG, KZ, TZ, KH, and volcanic and/or carbonate rocks in other waters. The 14C ages of the waters are lowest in DA (19.15 ka) and highest in KK (45.11 ka). The calculated ages are apparent because the 14C values of the waters in question are often a measure of the contribution of modern biogenic carbon to the total dissolved carbonate or bicarbonate. In this context, the waters examined may be old waters that entered the system from the late Pleistocene to the early Holocene periods.

Anahtar Kelimeler

• Geothermal waters
• Carbon and sulfur isotopes
• Hydrogeochemistry
• Central Anatolia

Orta Anadolu’daki karbonatlı, sülfatlı ve tuzlu jeotermal suların hidrojeokimyası ve kökeni, Türkiye

Öz

Bu çalışmanın amacı, Orta Anadolu'da sıcaklıkları 17.5 – 86 °C arasında değişen Gümüşkent (GK), Koçpınar (KP), Dertalan (DA), Terme (TE), Kozaklı (KZ), Bayramhacı (BH), Karakaya (KK), Tuzlusu (TZ), Ziga (ZG), Narlıgöl (NG), Yeşilhisar (YH) ve Kemerhisar (KH) jeotermal sularını, bu jeotermal suların bulunduğu alanlarda, sıcaklıkları 10.4 ile 13.09 °C arasında değişen Helvadere (HD), Dokuzpınar (DP), Terme (TES) ve Kozaklı (KOS) soğuk suları da dikkate alarak su kimyası ve su izotopları yardımıyla karşılaştırmak ve kökenlerini değerlendirmektir. Fay kontrollü bu suların akiferleri Paleozoyik yaşlı mermerler ve Eosen yaşlı kireçtaşları; örtü kayaları ise geçirimsiz birimlerdir. Bu suların ısı üretim sistemi genç volkanizma ve granitik/siyenitik sokulumların yanı sıra radyojenik kaynaklara da bağlı olabilir. Karbonatlı, sülfatlı ve tuzlu bu suların tipleri KP, GK, BH ve TE’de Ca-HCO3; KZ’de Na-SO4; DA’da Ca-SO4; TZ, ZG, NG, KH, KK ve YH’da Na-Cl şeklindedir. İzotopik (δ18O ve δ2H) açıdan meteorik kökenli olan bu sular genelde derin dolaşımlı ve yavaş akışlıdır. Bazı sularda meteorik su doğrusundan gözlenen sapmanın asıl nedeni buharlaşmadır. Sıcaklığı düşük KH, YH ve KK’nın mineralizasyonları uzun süreli gaz-kayaç-su etkileşimi sonucu yükselmiştir. Na-Cl tipli sularda tuzlanmanın sebepleri halit mineralinin çözünmesi ile TZ ve ZG’de Tuzgölü ve tuz domları, YH ve KK’da Orta Kızılırmak ve KH’da Ulukışla havzalarının kapanımı sırasında derinlerde kalmış daha yaşlı suların bu sulara karışması olabilir. δ13C (‰PDB) değerlerine göre sulardaki CO2 gazının kaynağı, jeojenik (mermer, denizel ve gölsel kireçtaşı) ve/veya manto olabilir. δ34S ‰VCDT değerlerine göre sulardaki sülfatın kaynağı KK, ZG, KZ, TZ, KH’da evaporitik, diğer sularda ise volkanik ve/veya karbonat kayaçlar olabilir. Suların 14C yaşları DA’da en düşük (19.15 ka), KK’da en yüksektir (45.11 ka). Söz konusu suların 14C değerleri çoğunlukla toplam çözünmüş karbonat veya bikarbonattaki modern biyojenik karbonun katkısının ölçümü olduğu için hesaplanan yaşlar görünürdür. Bu bağlamda, incelenen sular geç Pleyistosen ve erken Holosen döneminde sisteme girmiş yaşlı sular olabilir.

Anahtar Kelimeler

• Jeotermal sular
• Karbon ve sülfür izotopları
• Hidrojeokimya
• Orta Anadolu

Kaynakça

1. [1] Mutlu H, Gulec N. “Hydrogeochemical outline of thermal waters and geothermometry applications in Anatolia (Turkey)”. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 85, 495–515, 1998.
2. [2] Afşin M, Allen DA, Kriste D, Durukan ÜG, Gürel A, Oruç O. “Mixing processes in hydrothermal spring systems and ımplications for interpreting geochemical data: a case study in the cappadocia region of Turkey”. Hydrogeology Journal, 22(1), 7-23, 2014.
3. [3] Afşin M, Bayarı CB, Dağ T, Davraz A, Aksever F, Karakas Z, Hınıs MA. “Conceptual hydrogeological model of the Hüdai Geothermal Field (Afyonkarahisar, Turkey) based on hydrochemical and environmental isotopic data”. Hydrogeology Journal, 33(3), 755–779, 2025.
4. [4] Çağlar KÖ. Türkiye Maden Suları ve Kaplıcaları. MTA Enstitüsü Yayınları, Ankara, Türkiye, Seri B, No: 11, 1950.
5. [5] Afşin M, Baş H. “Hydrochemical evaluation of the Koçpınar springs (Aksaray), central Anatolian, Turkey”. Geological Bulletin of Turkey, 39(1), 69–80, 1996.
6. [6] Gazioğlu M. “Oral communication”. DSİ Genel Müdürlüğü 4. Bölge Müdürlüğü, Konya, Türkiye, 20.10.2025.
7. [7] Afşin M, Gürdal H. “Ihlara vadisi ve çevresindeki (Ziga, Yaprakhisar, Belisırma, Ihlara, Ilısu) Jeotermal Suların Tıbbi-Biyoiklimsel ve Hidrojeokimyasal İncelemesi, Aksaray, Türkiye”. Proje No: ASÜ BAP FEB 2020-2021, 2022.
8. [8] Afşin M, Erdoğan N, Gürdal H, Gürel A, Onak A, Oruç Ö, Kavurmacı M, Durukan G. “Orta Anadolu’daki sıcak ve mineralli suların ve travertenlerin hidrojeokimyasal ve izotopik incelenmesi ve suların tıbbi ve biyoiklimsel değerlendirilmesi, Aksaray, Türkiye”. Ankara, Türkiye, TÜBİTAK Proje No: ÇAYDAG 104Y197, 2007.

9. [9] Lefebvre C, Barnhoorn A, Hinsbergen VD, Kaymakci N, Vissers RLM. “Late Cretaceous extensional denudation along a marble detachment fault zone in the Kırsehir massif near Kaman, central Turkey”. Journal of Structural Geology, 33, 1220-1236, 2011.
10. [10] Clark ID, Fritz P. Environmental Isotopes in Hydrogeology. 1st ed. Boca Raton, FL, USA, CRC Press, 1997.
11. [11] APHA (American Public Health Association), AWWA (American Water Works Association), and WPCF (Water Pollution Control Federation). “Standard Methods For The Determination of Water and Waste Water”. APHA, Washington, DC, USA, 15th ed. 1995.
12. [12] Freeze RA, Cherry JA. Groundwater. 1st Ed. Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, USA, 1979.
13. [13] Afşin M. “CO2’ce zengin Çorak, Karakaya ve Gümüşkent (Nevşehir) mineralli sularının hidrojeokimyası”. Yerbilimleri, HÜ Yerbilimleri Uygulama ve Araştırma Merkezi Bülteni, 26, 1-14, 2002.
14. [14] Afşin M, Kuşcu İ, Elhatip H, Dirik K. “Hydrogeochemical properties of CO2-rich thermal-mineral waters in Kayseri (Central Anatolia), Turkey”. Environmental Geology, 50(1), 24-36, 2006.
15. [15] Clark ID. Groundwater Geochemistry and Isotopes. 1st ed. Boca Raton, FL, CRC, 2015.
16. [16] Craig H. Isotopic variations in meteoric waters. Science, 133(3465), 1702–1703, 1961.
17. [17] Dilaver AT, Aydın B, Özyurt NN, Bayarı CS. Türkiye yağışlarının izotop içerikleri (2012-2016). Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü Teknik Araştırma ve Kalite Kontrol Dairesi Başkanlığı ve Meteoroloji Genel Müdürlüğü Araştırma Dairesi Başkanlığı. Ankara, Türkiye, 2018.
18. [18] Özyurt NN. “Residence time distribution in the Kırkgöz karst springs (Antalya–Turkey) as a tool for contamination vulnerability assessment”. Environmental Geology, 53, 1571–1583, 2008.
19. [19] Cartwright I, Currell MJ, Cendón DL, Meredith KT. “A review of the use of radiocarbon to estimate groundwater residence times in semi-arid and arid areas”. Journal of Hydrology, 580, 124–247, 2020.
20. [20] Wei Z, Huang S, Xu J, Yuan C, Zhang M, Wang C. “Geochemical evolution of geothermal waters in the Pearl River Delta region, South China: insights from water chemistry and isotope geochemistry”. Journal of Hydrology, 51, 101670, 2024.
21. [21] Yıldırım N, Güner İN. “Büyük Menderes Grabeni’nin doğusunda yeralan jeotermal sahalarda bulunan suların izotopik ve hidrojeokimyasal özellikleri”. DSİ TAKK Dairesi Başkanlığı, 2. Hidrolojide İzotop Tekniklerinin Kullanılması Sempozyumu, Adana, Türkiye, 21-25 Ekim 2002.
22. [22] Çelik Karakaya M, Karakaya N, Temel A, Yavuz F. “Mineralogical and geochemical properties and genesis of kaolin and alunite deposits SE of Aksaray (Central Turkey)”. Applied Geochemistry, 124, 1-13. 2021