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
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
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
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...