5/3/2013 1

YERALTISUYUNDA

RADYOKARBON YAŞ TAYİNİ

Serdar BayarıNur Özyurt

Hacettepe Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Hidrojeoloji Mühendisliği Anabilim Dalı, Beytepe 06532 Ankara

2

Amaç ve Kapsam

AMAÇ:

Yeraltısuyu radyokarbon yaş tayini

çalışmasının tüm adımlarını basit

bir yaklaşım ile açıklamak...

KAPSAM:

� Kuramsal temel,

� Örnekleme,

� Analiz ve ölçüm,

� Hesaplama ve Kontrol

3

Kuramsal temel•Radyokarbon (14C)Kaynak: Stratosferik azot molekülleri kozmik nötronlar ile çarpışma sonucu karbon elementine dönüşür

•14CO2 gazı atmosferik dolaşıma katılır. •Soluma yoluyla canlıların, difüzyon yoluyla su kütlelerin bünyesine geçer.•Kozmojenik üretimin sabit olduğu varsayılabilir.•Atmosferik 14CO2 gaz bolluğu ile canlıların ve su kütlelerinin 14C bollukları arasında doğal bir denge (secular equilibrium) vardır. •Canlıların ölümü ile bu denge bozulur ve radyoaktif bozunma ile ölü bünyedeki 14C miktarı azalmaya başlar.

4

Kuramsal temel

•Atmosferik 14CO2 aktivitesinin 1950 yılı itibariyle 100 pmc (percent modern carbon) olduğu kabul edilmektedir.

•Atmosferik 14CO2 ile dengede olan canlı bünyesindeki 14C içeriği de 100 pmc’dir.

•Ölüm sonrasında bünyedeki 14C aktivitesi radyoaktif bozunma yasasına uygun olarak, eksponansiyel biçimde azalmaya başlar.

•At=Ao exp-Lt

At: t zamanındaki akitivite (pmc)Ao: başlangıçtaki aktivite (pmc)t: başlangıçtan itibaren geçen zaman (yıl)

L: bozunma hızı {=ln (2) / t1/2}t1/2: bozunma yarı ömrü (5730±40 yıl, Cambridge)

(5568±30 yıl, Libby, Nobel ödülü)

5

Kuramsal temel

0

20

40

60

80

100

120

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000

Zaman (yıl)

14C

akti

vit

esi

(pm

c)

0.01

0.1

1

10

100

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000

Zaman (yıl)

log

14C

akti

vit

esi

(pm

c)

Yaş tayin sınırı:

Klasik ölçüm tekniği: 50 bin yıl

AMS ölçüm tekniği: 70 bin yıl

6

Kuramsal temelUygulama: Arkeolojik çömlek/kemik buluntusu

Buluntu 14C aktivitesi: 0.25 pmc

t (yıl) ={ln (At/Ao)}/-L

t (yıl) ={ln (0.25/100)}/-0.000121 = 49529 yıl

0.01

0.1

1

10

100

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000

Zaman (yıl)

log

14C

akti

vit

esi

(pm

c)

7

Yeraltısuyunda Radyokarbon Yaş Tayini

Sorun: Yeraltısuyu karbon element dengesine etkiyen tüm kaynak (source) ve kayıp (sink) süreçleri kesin biçimde tanımlanmalıdır.

Çözümü zorlu ����, sonucu keyifli bir sorular zinciri ☺☺☺☺

Toplam İnorganik Karbon (TİK) Havuzu

TİK= CO2 + HCO3 + CO3

Kaynaklar

Kayıplar

8

Yeraltısuyunda Radyokarbon Yaş Tayini

Sorun:Eğer, yeraltısuyu TİK içeriğini yalnızca atmosferik ve/veya kök zonu CO2’nden alsa idi problem arkeolojik yaş tayini gibi basit olurdu. ☺

Gerçek durum: Yeraltısuyu TİK rezervuarına akım yolu boyunca girdi ve çıktılar oluşmaktadır. �

Yeraltısuyu Radyokarbon Yaş Tayini için tüm bu fiziksel ve kimyasal süreçlerin 14C-TİK üzerindeki etkilerini dikkate almak zorundayız. �

9

Yeraltısuyunda Radyokarbon Yaş Tayini

Kaynaklar (zenginleşme): •Atmosferik CO2 girdisi•Kök zonu atmosferi CO2 girdisi (C3, CAM ve C4 türü bitkiler)•Genç karbonatların çözünmesi (50 bin yıldan genç çökeller, 14C> 0 pmc)•Redoks reaksiyonları ile CO2 üretimi (GENÇ organik madde oksidasyonu)

Kayıplar (seyrelme): •Yaşlı karbonatların çözünmesi (14C= 0 pmc, Ölü Karbon)•Yeraltısuyundan karbonat çökmesi (kırık-çatlak dolguları)•Ek CO2 kaynakları (kabuksal CO2 getirimi)•Redoks reaksiyonları ile CO2 üretimi (YAŞLI organik madde oksidasyonu)

10Yeraltısuyu TİK Havuzu Kaynak ve Kayıplarının 14C İçeriği Üzerindeki Etkisi Nasıl Düzeltilir?

Yanıt:Gerçekci bir Hidrojeokimyasal Modelleme

Araç:Kaynak ve Kayıp terimlerinin 13C içeriği (13C İzotop Kütle Dengesi yaklaşımı)Model doğru ise “hesaplanan 13C = ölçülen 13C”

Gerekenler:Yeraltısuyu akım sistemine ait Kavramsal Akım Modeli’nin oluşturulması ve Hidrojeokimyasal model için gerekli fiziksel, kimyasal ve izotopik veriler

Veri Kaynakları:Yeraltısuyu (su ve gaz), akifer mineralleri (katı)

11

Yapılması GerekenlerKavramsal Hidrojeolojik Modelin Oluşturulması•Jeolojik yapı•Akifer, akiklüd, akifüj•Genel beslenim, boşalım alanları•Yeraltısuyu yük dağılımı, bölgesel akım yönü

Örnekleme (su-gaz-kayaç)•Örnekleme noktalarının seçimi (bölgesel akım yolu !)•Yerinde ölçümler (S, ÖEİ, pH, ÇO, Eh vb)•Örnekleme (majör iyonlar, besin tuzları, iz elementler, Fe-Mn, H2S, CH4gibi redoks türleri, N ve S izotopları)•Örnekleme (toprak CO2, YAS CO2, H2S, CH4 vb)•Örnekleme (kayaç ve çatlak dolguları)

•Hidrojeokimyasal Modelleme

•Sonuçların Bağımsız Yaklaşımlarla Kontrolu

12Uygulama: Konya Kapalı Havzası Yeraltısuyunun Radyokarbon Yaşları

Ayrıntılar için:

Hydrogeology Journal

Radiocarbon age distribution of groundwater in the Konya Closed Basin, central Anatolia, Turkey

C. Serdar Bayarı, N. Nur Özyurt & Susan Kilani

13

Hidrojeolojik

Kavramsal

Model

14

Kavramsal Hidrojeolojik Model

Kavramsal Hidrojeolojik Model hakkında ayrıntılar için:

Hydrogeology Journal(DOI 10.1007/s10040-008-0351-9)

Obruks, as giant collapse dolines caused by hypogenic karstification in centralAnatolia, Turkey: analysis of likely formation processes

C. Serdar Bayarı, Emrah Pekkan & N. Nur Özyurt

Bölgesel yeraltısuyu akımı(Şentürk, 1969)

15

İklim Değişimi:Eski Konya Gölü Eski Tuz Gölüseviye değişimleri“günümüzden 6-60 bin yıl öncesi”

Erol, 1986

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

0 20 40 60 80 100 120 140Zaman (Günümüzden önce 1000 yıl)

d O

ksije

n-18

_SP

EC

MA

P

(%o

V-P

DB

)

SPECMAP Günümüz İklimiDİD Buzul DönemleriKonya Gölleri

Würm Riss

16

Karbon-14 örnekleme noktaları (Ağustos 2003)

A: Ambar

Ac: Acıkuyu

Ç: Çıralı

E: Eskil

İ: İslik

K: Karapınar

T: Taşpınar

Y: Yenisu,

17

Karbon-14 Ölçümü Accelerator Mass Spectrometry, AMS Dating~0.1g karbon (1 litre su),+13C>> 575 USD (www.geochronlabs.com)

Conventional Liquid Scintillation Dating~3 g karbon (300 litre su),+13C>> 300 USD

18

KKH Karbon-14 örneklemenoktaları

Bölgesel akım yolu

19

6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

0 20 40 60 80 100 120 Toroslardan Uzaklık (km)

pH

-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

LogPCO2 (atm)

pH logPCO2

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

0 20 40 60 80 100 120

Toroslardan Uzaklık (km)

Doy

gunl

uk İn

disi

(Dİ)

L_PCO2 Kalsit Dolomit

Jips Anhidrit Florit

14

15

16

17

18

19

20

0 20 40 60 80 100 120

Toroslardan Uzaklık (km)

Sıc

aklık

(oC

)

400

600

800

1000

1200

1400

1600

ÖEİ (

mic

roS

/cm

)

Sıcaklık ÖEİ

Bölgesel akım yolu boyunca YAS kimyası

20

CaCO3 fasiyesi hakim,

Ağırlıklı Reaksiyonlar:

Kalsit, Dolomit çözünmesi,

Kısmi jips, halit, silvit çözünmesi,

Dedolomitizasyon etkili,

Genellikle oksik ...

0 .0 1

0 .1 0

1 .0 0

1 0 .0 0

1 0 0 .0 0

C a M g N a K C l S O 4 A lk

De

rişi

m (

me

q/l)

C i r a l i A m b a r Is l i k

T a s p i n a r E s k i l K a r a p in a r

A c i k u yu Y e n i s u A p a B a r a j

A p a o b r u g u 1 5 m K izo r e n o b r u g u 2 4 m M e yi l o b r u g u 2 2 m

M e yi l o b r u g u 1 0 m C i r a l i o b r u g u 1 6 m T i m r a s 2 5 m

K i zö r e n 1 2 5 m T r a ve r te n K o n i s i

Bölgesel akım yolu boyunca YAS kimyası

21

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 20 40 60 80 100 120

Toroslardan Uzaklık (km)

13C

ve 1

8O

(%

o V

-PD

B)

0

10

20

30

40

50

60

14C

(pm

c)

13C_TÇİK 18O_TÇİK 14C_TÇİK

Bölgesel akım yolu boyunca 3H, 14C ve 18O

-11.0

-10.5

-10.0

-9.5

-9.0

-8.5

-8.0

0 20 40 60 80 100 120

Toroslardan Uzaklık (km)

O18

_yas

(%

o S

MO

W)

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100 120

Toroslardan Uzaklık (km)

14

C (

pm

c)

-1

0

1

2

3

4

5

6

3H

(T

U)

14C 3H

22

Ara beslenim kuşağı

CO2 çıkışları

Miyo-kuvaterner

volkanik kayalar

-0.5

0.00.5

1.01.5

2.02.5

3.0

Am

bar

Yen

isu

İslik

Kar

apın

ar

Acı

kuyu

Çır

alı

Kuy

u

Esk

il

Taş

pına

r

Diğ

erl

eri

(m

mo

l/kg

H2

O)

-2

0

2

4

6

8

10

CO

2_

ga

z (m

mo

l/kg

H2

O)

Kalsit Dolomit Jips

Halit Silvit Katyon Takas

Org. Madde CO2_gaz

Bölgesel akım yolu boyunca Kütle Transferi

2314C model yaşlarının hesaplanması (NETPATH)

Başlangıç ve sonuç sulara ait kimya-izotop verileri

Reaksiyonlara ait kimya-izotop verileri

Hesaplanan Kütle Transferleri+ çözünme (giren)- Çökelme (çıkan)

2414C model yaşlarının hesaplanması (NETPATH)

Hesaplanan Kütle Transferleri+ çözünme (giren)- Çökelme (çıkan)

Gözlenen-hesaplanan 13C-TİK değerleri

Hesaplanan 14C yaşı

2514C model yaşlarının hesaplanmasıNETPATH, 2.13Plummer, N.L., Prestemon, E.C., and Parkhurst, D.L., 1991, An Interactive Code (Netpath) For Modeling Net Geochemical Reactions Along A Flow Path, USGS WRI Report 91-4078, USGS, Virginia, 227p.

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

Am

bar

Yenisu

Karapınar

İslik

Acıkuyu

Çıralı K

uyu

Eskil

Taşpınar

13C

(%

o V

-PD

B)

13C_Hesaplanan 13C_gözlenen

KKH_13C değerleri

-0.5

0.00.5

1.01.5

2.02.5

3.0

Am

bar

Yen

isu

İslik

Kar

apın

ar

Acı

kuyu

Çır

alı

Kuy

u

Esk

il

Taş

pına

r

Diğ

erl

eri

(m

mo

l/kg

H2

O)

-2

0

2

4

6

8

10

CO

2_

ga

z (m

mo

l/kg

H2

O)

Kalsit Dolomit Jips

Halit Silvit Katyon Takas

Org. Madde CO2_gaz

2614C model yaşları

2714C model yaşlarının kontrolu (Hidrolik Yaşlar, Darcy !)

14C Model Yaşı (yıl) = 1.1318 x Hidrolik Yaş (yıl) - 154.19r2 = 0.9847

0

10000

20000

30000

40000

0 10000 20000 30000 40000

Hidrolik Yaş (yıl)

14C

Mod

el Y

aşı (

yıl)

Toroslar'dan uzaklık (km)

Karbon-14 Yaşı (1000 yıl)

Hidrolik Yaş (1000 yıl)

Ambar 0 0 0

Yenisu 5 1749 1437

İslik 20 6737 5748

Karapınar 30 9546 8622

Acıkuyu 60 19009 17243

Çıralı Kuyu 90 26168 25865

Taşpınar 110 39187 31612

Eskil 130 41261 37360

2814C model yaşları ve paleo-iklim

-11.0

-10.5

-10.0

-9.5

-9.0

-8.5

-8.0

0 20 40 60 80 100 120

Toroslardan Uzaklık (km)

O18

_yas

(%

o S

MO

W) Günümüz iklimi

Daha serin, nemli iklim

Ortalama yıllık hava sıcaklığında 6oC’ye varan azalma...

Geçmişe doğru Akdeniz kökenli yağışlara doğru kayma ...

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

0 20 40 60 80Zaman (Günümüzden önce 1000 yıl)

d O

ksij

en-1

8_

SPE

CM

AP

(%o

V-

PDB

)

-12.0

-11.0

-10.0

-9.0

-8.0

-7.0

-6.0

d O

ksij

en-1

8w

(%

o V

-SM

OW

)

Küresel Hava Sıcaklığı (oC) Buzul DönemleriKonya Gölleri 14C_Model Yaşı

Würm Riss

-80

-70

-60

-50

-40

-12 -10 -8 -6

Oksijen 18 (%o, V-SMOW)

Döt

eryu

m (

%o,

V-S

MO

W)

YMSD +10 YMSD +16 Bölgesel YAS Geçmiş Beslenim

Akdeniz yağışları

Orta Anadolu yağışları

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

Oksijen 18 (%o, V-SMOW)

Döt

eryu

m (

%o,

V-S

MO

W)

YMSD +10 YMSD +16 Bölgesel YAS

Geçmiş Beslenim Ankara Adana Antalya

29

SONUÇLAR ve ÖNERİLER� YAS 14C yaş tayini çok sayıda,

farklı türde veriye gereksinim duyar,

� Akım sistemi ne denli basit ise sonuca o denli kolay ulaşılır,

� Örnekleme güvenilir bir kavramsal hidrojeolojik modele dayanmalıdır,

� Hesaplamalar köklü bir hidrojeokimya birikimi gerektirir,

� Hidrojeokimyasal 14C yaşları bağımsız yaklaşımlar ile desteklenmelidir...