Hydrogeological investigation of Gönen and Ekşidere (Balıkesir) thermal waters

Abstract

Ülkemiz sıcaksu kaynaklan açısından oldukça zengin olup, son yıllarda bunlardan tedavi amacının yanısıra, alternatif bir enerji kaynağı olarak da yararlanılmaktadır. Fakat bu doğal zenginliğimiz yeterince araştırılmadığı için potansiyeli tam olarak bilinememektedir. İTÜ-ETH Marmara Projesi'nin bir parçası olan bu doktora tezi çalışmasında Gönen bölgesi hidrojeolojik açıdan incelenmiş, Gönen ve Ekşidere termal sularının kökeni araştırılmıştır. Gönen termal suyu günümüzde, kaplıcalarda ve yaklaşık 1000 konutun ısıtılmasında kullanılmaktadır. Termal su tüketimi ortalama olarak 50 İt/sn' dir. Gönen, kaplıcaları sayesinde iç turizm açısından oldukça hareketli olup ve 550 yatak kapasitesine sahiptir. Ekşidere termal suyunun kullanımı ise, gelişmekle birlikte, oldukça sınırlıdır. Çalışma alanı Balıkesir iline bağlı Gönen ilçesi sınırlan içerisinde Gönen ve Ekşidere termal sularının civanndadır. Bölge coğrafîk olarak Marmara Bölgesi'nde yer almaktadır. Gönen'in antik ismi Artemea olup Gönen isminin Germenon'dan kaynaklandığı iddia edilmektedir[2]. Çalışma alanı 187 km2 yüzölçümlü ve deniz seviyesinden 3 Om yüksekliğe sahip olan Gönen o vasidir ve civandır. Çalışma alanındaki drenaj ağı, antik adı Aisepos olan Gönen Çayı ve onun kollan tarafından oluşturulmuştur. Bölgede, Karadeniz ile Akdeniz iklimlerinin geçiş iklimi olan Marmara iklimi hüküm sürmektedir. Yıllık ortalama yağış 700 mm ve yıllık ortalama sıcaklık 14.5°C'dir. Arazi çalışmaları sırasında, inceleme alanındaki jeolojik birimler ve tektonik hatlar belirlenmiş ve ayrıntılı hidrojeolojik bilgilerin toplanmıştır. Sıcak ve soğuk suların fiziksel, kimyasal, izotopik ve gaz özelhklerinin saptanması için arazide ve laboratuvarda çalışmalar sürdürülmüştür. Suların debi, pH, elektrik iletkenlik(EC), redoks potansiyeli(Eh), sıcaklık, alkalinite ve asidite değerleri kaynak veya kuyu başmda ölçülmüştür. Kimyasal, izotopik ve gaz analizlerinin büyük bir kısmı ETH- Zürich laboratuvarlarında ve Almanya'da yapılmış veya yaptırılmıştır. Çalışma alanının en altında bulunan birim gnays, amfîbolit ve mermerden oluşan içinde Permiyen yaşlı kireçtaşı olistolitleri bulunan Karakaya Karmaşığı' dır. Bu birim Sanköy Ovası'nın güneyinde ayrışmış, yapraklanmış yeşil renkli olarak gözlenmektedir. Birim mermer ve siyah çört ile aratabakah olup kuvars-albit-muskovit şist, kuvars-feldispat-muskovit şist ve metatüf olarak tanımlanmıştır. Birim içerisinde fosil bulunamamıştır fakat bölgesel tektonik verilerden hareketle [30] Triyas yaşı önerilmiştir. Bu birimin üzerinde uyumsuz bir şekilde Alt Jura yaşlı Bayırköy Formasyonu yer almaktadır. -X11- Bayırköy Formasyonu Gündoğan, Hafizhüseyinbey ve İncirli civarında sanmsı- kahverengi, ince-kalın tabakalı, karbonat çimentolu konglomera, silttaşı, kumtaşı ve marn serisi olarak gözlenmektedir. Bu birimin üzerine Orta-Üst Jura- Alt Kretase yaşlı Bilecik Kireçtaşı uyumsuz olarak gelmektedir. Bilecik Formasyonu Hafizhüseyinbey, Dereköy, Çığmış, Babayaka, Akçapmar ve İncirli civarında gözlenmektedir. Birim tabanda beyaz-krem renkli, kalın tabakalı ve onkolitik köşeli çakıllı kireçtaşı; ortada siyah-açık kahverenkli orta tabakalı, oolitik aratabakalı çörtlü sparitik kireçtaşı; üstte gri-siyah renkli, orta kalınlıkta tabakalı mikritik kireçtaşı şeklindedir. Bu birimin üzerine Üst Kretase yaşlı Vezirhan Formasyonu gelmektedir. Vezirhan Formasyonu Üçpınar civarında beyaz-açık kahverenkli, ince-kalın tabakalı, çok çatlaklı killi kireçtaşı olarak gözlenmektedir. Birimin tabam çalışma alanında gözlenmemekle birlikte birim, Biga Yarımadası'mn birçok yerinde Bilecik Kireçtaşı'nın üzerinde yer almaktadır [30]. Bu birim uyumsuz olarak Tersiyer yaşlı tortullarla örtülmüştür. Miyosen yaşlı volkanik kayaçlar, göl çökelleri ve Kuvaterner yaşlı akarsu çökelleri çalışma alanının birçok yerinde gözlenmektedir. Volkanik kayaçlar genelde andezitik olup hyalokristalin porfirik dokuda, bol plajiyoklas, biotit, piroksen, amfibol ve opak mikrokristaller içermektedirler. Yer yer feldispat mineralleri çok ayrışmış olup kaolenleşmişlerdir. Silisleşrhe yaygın olarak gözlenmektedir. Tüfler, tüfit, kumlu tüfit, aglomeratik tüf ve tüflü kumtaşı şeklinde gözlenmektedirler ve kahverengimsi san, beyaz ve gri renkli olup, bazen gevşek bazen de sıkı, kil, süt, kum ile plajiyoklas, biyotit ve amfibol içeren türlerden oluşmuştur. Gölsel çökeller linyit içeren kil, kireçtaşı, konglomera, kumtaşı ve marn içermektedirler. Bu birimlerin üzerine Gönen Çayı ve kollan tarafından taşınmış alüvyon gelmektedir. Alüvyonun ortalama kalınlığı 20 m. civarında olmakla birlikte yer yer 100 m.yi bulmaktadır. Tersiyer çökellerinin toplam kalınlığı ise 400 m. dolayındadır. Metamorfik (yeşilşist) olan Karakaya Karmaşığı'nda yapraklanma gözlenmektedir. Uyumsuzluklar Karakaya Karmaşığı, Bayırköy Formasyonu, Bilecik Kireçtaşı, Vezirhan Formasyonu, Noejen birimleri ve alüvyon arasında gözlenmektedir. Bayırköy Formasyonu, Bilecik Kireçtaşı ve Vezirhan Formasyonu arasındaki uyumsuzluk açısal değil, zaman boşluğundandır. Yukarıdaki üç birim kıvrımlıdır. Tabaka doğrultu ve eğimlerinin değerlendirilmesi sonucu ortalama olarak K7D doğrultulu ve 35NE dalımlı bir kıvrım ekseni saptanmıştır. Çalışma alam içerisinde Kuzey Anadolu Fay Zonu'nun uzantısı iki adet doğrultu atımlı fay vardır. Bunlar Yenice-Gönen ve Sanköy İnova faylandır. KD-GB yönelimli faylardan Sanköy-înova Fayı Sanköy Ovası'nın kuzey sınırını oluşturur. Bu ovanın güney sının ise gömülü bulunan Dereköy Fayı tarafından oluşturulmuştur. Çalışma alanındaki faylanmaların ana kaynağı Kuzey Anadolu Fayı'nın batı uzantısıdır. Bu fayın B-GB yönlü hareketi, D-B dan KD-GB yönlü normal faylanmaya ve çek-ayır havzasının (Bursa-Gönen Grabeni) oluşmasına neden olur. -X111- Çalışma alanı dışında gözlenen ve bazı araştırmacılara göre Karakaya Karmaşığı'nın altoda yeralan Kazdağ Grubu ve çalışma alanı içinde yer alan jeolojik birimlerin hidrojeolojik özellikleri yaşlıdan gence doğru aşağıda tanımlanmaktadır. Gnays, amfibolit ve mermerlerden oluşan Kazdağ Grubu, mermerlerinde gözlenen erime boşlukları ve çatlakları sayesinde suyu iletecek yeterli geçirimliliğe sahiptir. Zayıf bir akifer ortam olarak tanımlanan bu birimin Gönen termal sularının oluşumunda önemli olduğu düşünülmektedir. Kazdağ Grubu'nu üzerleyen Karakaya Karmaşığı ise çok zayıf akifer olarak sınıflandırılmıştır. Bu birim de, çok düşük geçirimliliğinin olması ve Kazdağ Grubu üzerinde örtü kaya işlevi görmesi dolayısıyla, Gönen termal sularının oluşumunda oldukça önem taşımaktadır. Bayırköy Formasyonu'nu oluşturan taneler sıkı çimentolu olduğundan permeabilitesi düşüktür. Birim, çatlaklı yapısı sayesinde ikincil porozite kazanmış olup yerel akifer niteliği göstermektedir. Bilecik kireçtaşı da yerel akifer niteliğindedir fakat karstik yapısı sayesinde bölgedeki en önemli kaynaklan oluşturmaktadır. Neojen tortul kayaçları zayıf ve çok zayıf akifer, çatlaklı volkanik kayaçlar ise yerel akifer niteliğindedir. Sanköy Ovası'nda ve Gönen Ovası'nın kuzey kesiminde bulunan alüvyonlar yaygın ve zengin akiferlerdir. Bu birimin özgül verimi 2 lt/sn/m'nin üzerindedir ve permeabilitesi 16-86 m3/day/m2 arasındadır. Gönen ovasındaki diğer alüvyonlar ise çok zayıf akiferlerdir. Çalışma alam içerisinde yeralan su noktalan kimyasal açıdan Ca..HCO^.., Na..HÇ03..,Na..(S04)(Cl)(HC03) karakterli ve diğer tip sular olarak sınıflandırılmıştır Gönen termal suyu Na..(SOa)(Cl)(HCOA Ekşidere termal suyu Ca..HCCK.. türünde sulardır. Gönen termal suyu SOLMINEQ.88 bilgisayar programı kullanılarak jeokimyasal açıdan modellenmiştir. Bu program yardımıyla suyun değişik sıcaklık ve basınç koşullan altında iyon cinsleri ve doygunluk indisleri hesaplanmıştır. İlk modelleme soğumuş termal suyu yansıtan 25°C sıcaklıkta ve 0 bar basınç altında yapılmıştır.Bu durumda su aragonit, kalsit, kalsedon, kristobalit, dolomit, kuvars ve talk bakımından doygun bulunmuştur. İkinci modelleme suyun kuyudan çıkış anını yansıtan 82° C sıcaklıkta, 0 bar basınç altında ve kuyu başında titrasyon yöntemiyle ölçülen CO2 miktarının suya eklenmesi ile yapılmıştır. Bu durumda suyun kuvars haricinde hiçbir mineralce doygun olmadığı gözlenmiştir. Üçüncü modelleme ise suyun yaklaşık 1 km derindeki durumunu yansıtan 100°C sıcaklık ve 100 bar basınç altoda yapılmıştır. Yalnızca dolomitin doygun olduğu, kuvarsın ise dengede olduğu görülmüştür. Bu modelleme sonucu kuvars açısından dengede olan suyun rezervuar sıcaklığının hesaplanmasında kuvars jeotermometresinin doğru sonuç verebileceği bulunmuş ve kuyu civarında gözlenen aragonit kristallerinin de varlık nedeni açıklanmıştır. Sıcak sularının kökenlerinin anlaşılmasında çok gerekli olan stabil izotop (Döteryum ve Oksijen- 18) analizleri çalışma alanı içindeki ve dışındaki çok sayıdaki su noktasından alman su örneklerinde yapılmıştır. Bazı örneklerde ise yaş saptaması için -X1V- radyoaktif izotoplardan trityum ve Karbon- 14 analizleri de yapılmıştır. Sularda genellikle çözünen gazlardan olan metan, azot, oksijen, argon ve karbondioksit miktarları da gaz analizleri yardımıyla saptanmıştır. Gönen ve Ekşidere Termal Sularının Kökeni Çalışma alam içinden ve dışmdan toplanan su örneklerinin stabil izotop konsantrasyonları (Çizelge 1), Anadolu, Akdeniz, Marmara meteorik su hatlarını ve paleoklimatik su hattını içeren 82H-5180 diyagramına işlendiğinde, Gönen termal sularının paleoklimatik su hattı ile Anadolu meteorik su hattı arasında kaldığı görülmektedir (Şekil 1). Bu durum Gönen termal suyunun yaşlı bir meteorik su olduğunu işaret etmektedir. Ekşidere termal sulan ve diğer su noktalarından alman sular meteorik su hatları arasında bulunduğundan bunların kökeni de kesin olarak meteoriktir. Çizelge 1 Örneklenmiş suların izotop analizi sonuçlan -XV- -11 -10 5180(%o) -3 -8 -7 -40 -45 -50 -55 -GO Ö2H -65 -70 -75 -80 Şekil 1 Alınan su örneklerinin 82H -8180 diyagramı (a - Doğu Akdeniz meteorik su hattı S2H(%>) =88180 + 22 b - Marmara meteorik su hatu 82H(%o) =88180 + 16 c - Dünya ve Orta Anadolu meteorik su hattı 82H(%o) =8S180 + 10 d - palaeoklimatik su hattı S2H(%o) =8S180 + 1.2) Gönen termal suyunda analizi yapılan argon gazımn çözünürlüğü ile ortam sıcaklığı arasındaki ilişkiden ve soy gaz olması nedeni ile yeraltında reaksiyonla miktarının değişmeyeceğinden yararlanarak Gönen termal suyunun süzülmesi sırasında ortam sıcaklığının 0°C olduğu bulunmuştur. Bu sonuç da bizi Gönen termal sularının süzüldüğü zamanda çok soğuk iklim koşullarının hüküm sürdüğünü ve Buzul Çağı'nda süzülmüş bir su olabileceğini düşündürmektedir. Gönen termal suları ile Kazdağ arasında bulunan sıcak ve soğuk sular arasında uzaklığın bir fonksiyonu olarak izotopik ve kimyasal açıdan bir korelasyon bulunmuştur. Bu ilişki Gönen termal sularının süzülme bölgesinin Kazdağ civarında olduğunu düşündürmektedir fakat bu durum kesin olarak ispatlanamamıştır. Gönen G-4 kuyusundan elde edilmiş [31] sıcaklık loğundan yararlanarak termal suyun hızı tahmin edilmeye çalışılmıştır [49]. Hesaplama sonuçlarına göre Gönen termal suyunun görünür hızı 0.17 m/yıl ve porozitenin %2 olduğu varsayımına dayanılarak gerçek hızı 8.5 m/yıl olarak tahmin edilmiştir. Bu hıza göre Kazdağ yakınlarından süzülen su 10.000 yılda Gönen'e ulaşacaktır. Gönen termal suyunun rezervuar sıcaklığı kuvars jeotermometresi yardımıyla 97.9°C olarak hesaplanmıştır. -XV1- Elde edilen hidrojeolojik sonuçlar yardımıyla Gönen termal sularının hidrojeolojik modeli oluşturulmaya çalışılmıştır. Ekşidere termal sulan ise sığ dolaşımlı ve Gönen termal suyundan çok daha genç meteorik kökenli bir su olarak saptanmıştır. Süzülme bölgesi muhtemelen kaynağın güneyinde yer alan yükseltilerdir. Ekşidere termal suyunun rezervuar sıcaklığı kuvars jeotermometresi yardımıyla 61.9°C olarak hesaplanmıştır.

This dissertation is one of the separate element but also an integrated part of the İTÜ-ETH multi-disciplinary Marmara Project which investigates the active tectonics of NW Turkey and its interrelation to groundwater circulation, heat flow and seismicity. The investigation area is located in Gönen town of Balıkesir city. In this study the 82°C discharging Gönen thermal water and 42°C discharging Ekşidere thermal water were investigated from hydrogeologic, chemical and isotopic points of view. The investigated area is situated geologically in the Sakarya Zone of Pontides. The Karakaya Complex is the oldest unit in the investigation area. This unit is unconformably overlain by the Jurassic-Cretaceous aged Bâyırköy Formation, Bilecik Limestone and Vezirhan Formation. Neogene lacustrinel sediments, volcanosedimentary and volcanic rocks overlie all these formations. The overlying superficial deposits principally consist of Quaternary alluvium laid down by the Gönen River and its branches. The main faulting in the investigation area is the western extension of the North Anatolian Fault Zone (NAFZ). Hydrologic characteristics of the investigation area were examined through calculation of evapotranspiration and runoff by evaluation of meteorological data in Penman's water budget table, calculation of base flow, surface runoff and evapotranspiration by separation of hydrograph components of Gönen River and Keçi Stream. The alluvia of Sanköy Plain and northern side of Gönen Plain were classified as rich and extensive aquifer. Consolidated formations such as Jurassic-Cretaceous karstic limestone and Neogene fractured volcanic rocks were classified as local and individual aquifer. The alluvium of central and southern Gönen Plain was classified as poor aquifers. Some alluvia of the Gönen Plain, Neogene sedimentary rocks and Triassic Karakaya Complex were classified as very poor aquifers. The discharge of groundwater was computed to be 48.1 06 m3/year. The groundwater discharges by the streams (30. 106 m3/year), evapotranspiration (4.106 m3/year), springs (2.106 m3/year) and artificial discharge (12. 106 m3/year). The groundwater samples collected from the area were grouped into 4 as Ca..HC(X.. Na..HCCk.. Na (S04)(C1)(HC03) and other types. The origin of the Gönen thermal water was found to be meteoric water infiltrated during the Pleistocene at a low temperature of about 0°C («10,000 years ago). The infiltrated water flows most probably through the Kazdag Metamorphic Unit, and reaches a depth of 3-4 km and is heated to approximately 100°C in the reservoir.. The emergence of the water at the surface takes place where the permeability is increased due to fault zones. The origin of the Ekşidere thermal water is shallow circulating meteoric water associated with karstic system. The infiltrated water from the hills located at the southern side of the thermal water emerges at the surface through the fault zone between volcanic and sedimentary rocks of the Neogene. The impermeable sedimentary rocks cause the emergence of water above the plain level.