Sismik Aktivitenin Bölgesel Hidrojeolojik Yapıya Etkisinin Helyum İzotopları ile İncelenmesi: Doğu Anadolu Örneği


Creative Commons License

Aydın H. , MUTLU H., HILTON D. R. , GÜLEÇ N.

4. Ulusal Hidrolojide Izotop Teknikleri Sempozyumu, İstanbul, Türkiye, 5 - 09 Ekim 2015, ss.83-88

  • Basıldığı Şehir: İstanbul
  • Basıldığı Ülke: Türkiye
  • Sayfa Sayıları: ss.83-88

Özet

Yerküreden boşalan akışkanların (sıvı ve gaz) sahip olduğu kimyasal ve izotopik bileşimler, yerkürenin heterojen yapısından dolayı konum ve zaman içinde farklılık göstermektedir (King, 1986; Hilton, 1996; Italiano vd., 2001; de Leeuw vd., 2010; Umeda vd., 2013; Aydın vd., 2015). Bu farklılık, yerkürenin oluşumunda etken olan plaka tektoniği, volkanik ve sismik aktiviteler, su-kayaç etkileşimi gibi dinamik süreçlerden kaynaklanmaktadır. Hidrojeokimyasal ve çevresel izotop çalışmalarının yanı sıra iyi tanımlanmış uç bileşenleri (manto: 8 RA (Graham, 2002), kabuk: 0.05 RA (Andrews, 1985), atmosfer: 1 RA (Sano ve Wakita, 1985)) ile asal gaz izotopları içinde yer alan helyum (He) izotop oranları, yukarıda belirtilen dinamik süreçlerin aydınlatılmasına önemli katkılar sağlamaktadır.

Doğu Anadolu bölgesinde hüküm süren aktif tektonizma, Orta Miyosen'de Avrupa ve Arap plakalarının çarpışması ile başlamıştır (Şengör ve Kidd, 1979; Dewey vd., 1986). Çaldıran Fayı, Doğu Anadolu bölgesi aktif tektonizması açısından büyük önem taşımakta ve bölgedeki önemli süreksizlik düzlemlerinden birini oluşturmaktadır (Bozkurt, 2001; Koçyiğit, 2013). 2006 yılından günümüze kadar gerçekleştirilen GPS çalışmalarında, Doğu Anadolu bölgesi Küçük Kafkaslar-Tales ve Türkiye-İran Plato blokları olmak üzere iki ayrı bloğa ayrılmıştır (Reilinger vd., 2006; Djamour vd., 2011). Bu iki blok sınırını, doğrultu atımlı Çaldıran ve Kuzey Tebriz fayları oluşturmaktadır. 1966 Varto (Mw: 6.7) ve 1976 Çaldıran (Mw: 7.3) depremlerinin yanı sıra 2011 Van depremi (Mw: 7.2) ve artçı şokları bölgede hüküm süren aktif tektonizmanın en son örneklerini teşkil etmektedir. Buna ek olarak inceleme alanında, 1983-2011 yılları arasında büyüklüğü (Mw) 3.5 ile 7.2 arasında değişen 190 adet deprem kaydedilmiştir. Diğer taraftan Doğu Anadolu bölgesinde geniş alanlarda yayılım gösteren Pliyo-Kuvaterner volkanik çıkış merkezlerinin (Nemrut, Süphan, Tendürek, Ağrı, Meyda) varlığı, Orta Miyosen'den itibaren bölgede meydana gelen tektonik rejim değişikliği ile yakından ilişkilendirilmiştir (Yılmaz vd., 1998; Karaoğlu vd., 2005; Özdemir vd., 2011; Ulusoy vd., 2012). Doğu Anadolu bölgesinin jeolojik yapısı genel olarak paleotektonik (Pliyosen öncesi) ve neotektonik (Pliyo-Kuvaterner) birimler olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır (Yılmaz vd., 1998; Keskin, 2007). Paleozoyik-Mesozoyik yaşlı Bitlis Masifi ile Miyosen-Kretase yaşlı ofiyolitik, sedimanter ve volkanik kayaçlar paleotektonik birimleri temsil ederken, Pleyistosen-Kuvaterner yaşlı volkanik kayaçlar ile güncel çökeller ise neotektonik birimleri temsil etmektedir.

Orta Miyosen'den itibaren bölgede hüküm süren aktif tektonizma ve güncel volkanizma, Doğu Anadolu bölgesinde orta entalpili bir jeotermal potansiyelin ortaya çıkmasına neden olmuştur (Mıhçakan ve Öcal, 2000). Doğu Anadolu bölgesinde örnekleme gerçekleştirilen jeotermal sahalar Çaldıran, Erciş, Diyadin, Çukur (Güroymak) ve Tutak olup bu sahaların birçoğu Van Gölü çevresindeki aktif/yarı aktif yanardağların çevresinde yer almaktadır. Bölgedeki en yüksek su sıcaklık 2009 yılında 81.4 °C olarak Erciş jeotermal sahasında kaydedilmiştir (Çizelge 1). Silika jeotermometrelerinden kalsedon jeotermometresi ve SO4-H2O izotop jeotermometresi kullanılarak Doğu Anadolu jeotermal sahaları için rezervuar sıcaklığı sırası ile 40–126 °C ve 40-196 °C arasında hesaplanmıştır (Mutlu vd., 2011; Aydın vd., 2013; Mutlu vd., 2013).

Aktif tektonizma ve volkanizmanın hüküm sürdüğü Doğu Anadolu bölgesi jeotermal kaynaklarında, 1988-2011 yılları arasında gerçekleştirilen asal gaz izotop çalışmaları ile 2011 Van depremi (Mw: 7.2) ve artçı şokları, bölgesel hidrojeolojik yapının aydınlatılmasına yönelik önemli bir fırsat oluşturmuştur. Bu çalışmada, Doğu Anadolu Bölgesinde yer alan 7 jeotermal kaynakta 1988-2011 yılları arasında gözlenen R/RA değerlerinin ve farklı uç bileşenlere sahip He katkı oranlarının (Çizelge 1) zamansal değişimi ve söz konusu zaman aralığında meydana gelen sismik aktiviteler (Mw: >3.5) arasındaki ilişki, bölgesel hidrojeolojik yapının aydınlatılması amacı ile incelenmiştir. Çizelge 1'de yer alan T (±0.15 °C), pH (±0.2) ve EC (±1 μS/cm) değerleri kaynak başında YSI 556 Multiprobe ile ölçülmüş olup arazide asal gaz örnekleme yöntemi ve laboratuar analiz süreci Mutlu vd. (2012), Aydın vd. (2015) ve Ray vd. (2009)'da ayrıntılı olarak verilmiştir. Doğu Anadolu bölgesi jeotermal kaynaklarında farklı uç bileşenlere ait He katkısı, Sano ve Wakita (1985) tarafından önerilen üç bileşenli karışım modeli ile hesaplanmıştır.

Doğu Anadolu jeotermal akışkanların R/RA oranları 1988 yılında 1.62-4.02, 2009 yılında 0.93-6.36 ve 2011 yılında 0.84-6.37 arasında olup kabuksal He değerinden (0.05 RA) oldukça yüksektir (Çizelge 1). R/RA değerleri yüksek olan akışkanlar, genellikle aktif/yarı aktif volkanik alanların (CKR: Nemrut Krateri) ve ana tektonik hatların (AYR, BUG, TAS: Çaldıran Fayı) çevresindeki jeotermal kaynaklardan boşalmaktadır. Üç bileşenli karışım modeline göre Nemrut Krateri, Çaldıran Fay Zonu ve Diyadin alanında boşalan jeotermal akışkanlardaki mantosal He katkısı sırası ile % 45.5-80.9, % 5.8-53.3 ve % 1.5-23.2 arasında hesaplanmıştır. Çizelge 1'de görüleceği üzere, zaman içinde R/RA oranları ve farklı uç bileşenler için hesaplanan manto-kaynaklı He katkıları Nemrut Krateri çevresindeki kaynaklarda herhangi bir değişim göstermezken, Çaldıran ve Diyadin jeotermal alanlarında ise oldukça değişkendir. Söz konusu anomali bölgede 1983-2011 yılları arasında meydana gelen sismik aktiviteler (Mw: >3.5) ile ilişkilendirilmiştir. Çünkü 1988 yılında bölgede meydana gelen depremler sonrası AYR, BUG ve DYD lokasyonlarında ölçülen R/RA oranları ile manto ve kabuk kökenli He değerleri yüksek iken 2009 yılında alınan örneklerde düşmüş ve 2011 Van depremleri sonrası toplanan örneklerde ise tekrar yükselmiştir.

Kabuktaki süreksizlikleri temsil eden aktif faylar veya kırık-çatlak zonları, genel olarak yüksek gözeneklilik ve permabilite değerlerine sahiptir (King, 1986). Kabuktaki bu tür süreksizlikler derinlerden gelen akışkanların (gaz veya sıvı) yüzeye daha kolay ulaşmasını sağlarlar. 23 Ekim 2011 Van depremi sonrasında ortaya çıkan anomali, odak merkezini çevreleyen yaklaşık 60 km'lik bir daire içinde gözlenmiştir. Deprem sırasında kuzeyden güneye doğru gerçekleşen blok hareketi (ters fay), gözeneklilik ve permabilitenin odak merkezinin güneyinde kalan bölgelerde sıkışmadan dolayı azalmasını, buna karşın kuzeyinde kalan alanlarda ise genişlemeden dolayı artmasını gerektirir (Şekil 1). Bu durum Aybige ve Antonioli (2013) ve Utkucu vd. (2013) tarafından gerçekleştirilen jeofizik modelleme çalışmaları (Coulomb stres değişimi ile statik ve dinamik stres değişimleri) ile tutarlılık göstermektedir. Elkhoury vd. (2006) permabilite artışı ile sismik aktivite arasında lineer bir ilişki olduğunu ve dinamik stres değişimin göstergesi olan maksimum yer hızı (PGV) değerinin deprem esnasında ~1 cm/s'den büyük olması durumunda bölgedeki permabilitenin değişebileceğini savunmuştur. 23 Ekim 2011 Van depremi için hesaplanan PGV değeri (Aybige ve Antonioli, 2013), değişimin gözlendiği sınır dikkate alındığında 14 cm/s'den büyüktür.  

Bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen değerlendirmeler ve jeofizik modellemeler, 23 Ekim 2011 Van depremi odak merkezinden itibaren 60 km'lik bir daire içinde kalan bölgenin hidrojeolojik yapısında değişiklikler meydana getirdiğini göstermiştir. Mevcut kırık-çatlak sistemlerinin açılması ve yeni kırık yüzeylerinin oluşmasına neden olan söz konusu değişiklikler manto ve kabuk kökenli gazların yüzeye daha kolay ulaşmasına olanak sağlamıştır. 

Chemical and isotopic compositions of fluids (liquid or gas) that discharge from Earth’s surface vary over time due to several dynamic processes such as volcanic and seismic activities and water-rock interaction arising from the heterogeneous structure of the crust. In addition to hydrochemical and environmental isotopes, helium isotope ratios with well defined end-members (mantle, crust and atmosphere) greatly contribute to the understanding of such processes.

The Çaldıran fault which was formed as a result of active tectonism in eastern Anatolia comprises one of the major discontinuity planes in the region. The 1966 Varto (Mw: 6.7), 1976 Çaldıran (Mw: 7.3) earthquakes and, most recently, 2011 Van earthquake (Mw: 7.2) and aftershocks are the latest manifestations of tectonic unrest in eastern Anatolia. In addition to tectonism, recent volcanism also played an important role in the development of a low-enthalpy geothermal potential in eastern Anatolia (Çaldıran, Erciş, Diyadin, Çukur and Tutak geothermal fields). Results of helium isotope studies on previously sampled fluids (1988-2009 period) and approximately one month after the 2011 Van earthquake have given us an opportunity to investigate hydrogeological structures of the region.

For this purpose, helium isotope compositions measured at 7 geothermal sites in eastern Anatolia and estimated mantle-He contributions are evaluated on the basis of seismic activities (Mw: > 3.5) during the 1988-2011 period. R/RA ratios of the samples are 1.62-4.02 in 1988, 0.93-6.36 in 2009 and 0.84-6.37 in 2011 (Table 1) which are noticeably greater than the crustal value (0.05 RA). Fluids with higher R/RA values are generally found around historically active volcanoes (e.g. Nemrut crater) or main tectonic lines (e.g. Çaldıran fault). Based on a three end-member mixing model, mantle-He contributions from Nemrut crater, Çaldıran fault zone and Diyadin geothermal area are 45.5-80.9%, 5.8-53.3% and 1.5-23.2%, respectively. Although He isotope compositions and mantle-He contributions of springs in the vicinity of Nemrut crater did not change during periods of seismic unrest, those of Çaldıran and Diyadin geothermal areas varied significantly. This anomaly is closely related to seismic activity that occurred during the 1983-2011 period.

Changes in He-isotope systematics and hydrogeological character of the region after the 2011 Van earthquake were recorded in an area at a distance of about 60 km to the epicenter. This finding is also supported by previous geophysical modeling works for the region. Movement of the northerly block during the earthquake (thrust fault) has caused permeability and porosity to decrease in areas to the south of epicenter due to compression and to increase in areas at the north due to extension (Figure 1). Throughout the region, dynamic processes have resulted in opening of present fracture-crack systems and the development of new ones which have facilitated the release of mantle and crustal volatiles to the surface.