Geri Dön

Source and geochemistry of acidic waters in King George Island, Antarctic peninsula

Antarktika King George Adası'nda gelişen asidik suların kaynağı ve jeokimyası

PDF İndir

  1. Tez No: 886679
  2. Yazar: ŞEVVAL YALÇINKAYA BAY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NURGÜL ÇELİK BALCI, PROF. DR. BURCU ÖZSOY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Jeoloji Mühendisliği, Geological Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kutup Bilimleri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kutup Bilimleri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 98

Özet

Doğal küresel bir olay olan asidik kaya drenajı kayaçlar (ARD), dünya çapında yüksek dağlar, Orta Doğu Alpleri'ndeki buzul çevresi, Peru'daki buzulların ön bölgesi, Rocky Dağları ve King George Adası'nın (KGI) kıyı şeridi gibi jeokimyasal olarak farklı ortamlarda meydana gelir. Genel olarak, sülfür mineralleri, özellikle de pirit, gaz veya sulu O2'ye veya herhangi bir oksitleyici maddeye (örneğin Fe(III)aq) maruz kaldığında, Fe ve sülfat bakımından zengin asidik akışkan atık üreten karmaşık bir dizi kimyasal ayrışma reaksiyonu meydana gelir. Ana kayanın tamponlama kapasitesi üretilen asitliği uzun süre nötralize etmek için yeterli değilse, Antarktika koşullarında bile ARD gelişir. Sonuçta ortaya çıkan, güçlü bir hava koşulları etkeni olan sülfürik asit, çevresel açıdan toksik elementlerin (örneğin Pb, Zn, Cu ve Cd) yanı sıra besin maddeleri (örneğin Fe) gibi potansiyel olarak temel elementlerin serbest bırakılmasına neden olan ve onlarla etkileşime giren kayaların hava koşullarından etkilenmesini artırır. Biyolojik reaksiyonlar ARD oluşumuna önemli ölçüde katkıda bulunabilir. Genel olarak Fe ve S'yi oksitleyen bakteri A. ferroxidans, katalitik olarak görev yaparak ARD'nin oluşumunda rol oynar. Antarktika kıtasında buzla kaplı alanların varlığı nedeniyle ARD üretimi sınırlıdır. Barton Yarımadası'nda, KGI, yaygın sülfür mineralizasyonunun varlığı, artan küresel ısınmayla birlikte, ARD oluşumlarının bölgede daha da sık hale gelebileceğini kuvvetle düşündürmektedir. Bugüne kadar, Maritime Antarktika'sındaki Barton Yarımadası, KGI'da ARD oluşumunun kaynaklarını, jeokimyasal özelliklerini ve potansiyel çevresel etkilerini kapsamlı bir şekilde inceleyen sistematik bir çalışma yapılmamıştır. Küresel ısınmanın artmasıyla birlikte, sülfit oksidasyonu ile birlikte kayaların ayrışma reaksiyonlarını ve bunların yarımadadaki ARD oluşumuna katkılarını aydınlatmak daha da kritik ve gereklidir. Bu bilgi, yalnızca Yarımada'da değil, aynı zamanda dünya çapındaki benzer ortamlarda, doğal olarak oluşan ARD'nin yüzey suyu kalitesi üzerinde oluşturacağı gelecekteki tehlikelerin değerlendirilmesi için hayati önem taşımaktadır. Bu çalışma, King George Adası'ndaki Barton Yarımadası'ndaki asit kaya drenajının kaynaklarını, oluşum mekanizmasını ve jeokimyasal özelliklerini izotoplar, su ve sediman jeokimyası gibi saha ve deneysel verileri kullanarak açıklamayı amaçlamaktadır. Çalışma alanı, Antarktika'nın deniz kıyısındaki King George Adası'nda yer alan Barton Yarımadası, büyük oranda bazalt ila bazaltik andezit kaplıdır. Yarımadanın orta kuzey kesiminde granodiyorit stoğu yer alırken, yarımadanın kuzey kesiminde diyorit mostra gözlenmektedir. En alttaki stratigrafik birim olan Sejong Formasyonu büyük ölçüde volkanoklastiklerden oluşur ve güney kıyı şeridinin neredeyse tamamı boyunca gözlenir. Arazi gezisi ve örnekleme 2019 yılı Avustralya yazının sonunda gerçekleştirildi. Kaya (n=25), sediment (n=30) ve su (n=29) örnekleri toplanarak İTÜ Jeomikrobiyoloji ve Biyojeokimya Laboratuvarı'nda muhafaza edilmiştir. Yerinde pH değerleri 3,6 ile 6,7 arasında değişirken ortalama EC değeri yaklaşık 112,2 μS/cm'dir. Su örneklerinin jeokimyasal analizi, su örneklerinin katyon ve anyonlarının sırasıyla Mg+2> Na+2> Ca+2> K+ ve Cl- >SO4-2>HCO3- şeklinde azalan bir sıra izlediğini ortaya koymuştur. Piper diyagramına göre, sular kalsiyum ve sodyum klorit açısından zengin ve karışık tip sular olarak sınıflandırılmıştır. Asidik ve asidik olmayan sulardan elde edilen sedimanların alterasyon derecesini değerlendirmek için bir dizi farklı indeks kullanılmaktadır. Hesaplanan kimyasal alterasyon indeksi (CIA) değerleri, orantılı kimyasal değişikliklerin grafiksel olarak yorumlanmasına olanak tanıyan A-CN-K üçlü diyagramında daha ayrıntılı olarak ele alınmaktadır. Farklı bileşimlerdeki magmatik kayaçların çoğu 35 ila 50 CIA değeri arasında yer alırken mafik kayaçlar daha düşük değerler almaktadır. Her bir sediman örneği için hesaplanan kimyasal değişim indeksi (CIA) değerleri 37,6% ila 74 arasında değişmekte olup en yüksek değerler asidik sularla ilişkilidir. Örneğin, asidik L7 gölünden alınan sedimanlar en yüksek CIA değerlerine sahiptir. Ayrıca, bu örnekler AI2O3 zenginleşmesi ile birlikte A-CN-K diyagramında orta ila yüksek derecede ayrışma eğiliminde çizilmiştir. CIA değerlerine ek olarak, bileşimsel değişkenlik indeksi (ICV) hesaplanmıştır. Yüksek oranda kil olmayan silikat mineralleri veya altere olamamış mineraller içeren sedimanlar birden büyük ICV değerlerine sahip olacaktır. Buna karşılık, yoğun ayrışma koşulları altında çoğunlukla kil mineralleri içeren sediman örnekleri birden daha düşük ICV değerlerine sahip olmalıdır. Buna göre, sedimanların ICV değerleri 1,05 ile 2,88 arasındadır ve en düşük değerler asidik sulardan gelenlere aittir. Asidik göllerden (L7 ve L2) elde edilen sedimanların ICV değerleri sırasıyla 1 ila 1,2 ve 0,96 ila 1,13 arasında değişmektedir. Sedimanların geri kalanı ise 1,25 ila 3,55 arasında değişmektedir. Hesaplanan bu indeksler, asidik olmayan suyla ilişkili sedimanların büyük ölçüde ana kayaların fiziksel ayrışmasından kaynaklandığını, asidik suyla ilişkili sedimanların ise hem kimyasal hem de fiziksel ayrışma süreçlerinden kaynaklandığını göstermektedir. A. ferrooxidans bakterisi laboratuvar koşullarında 10°C'ye adapte edilmiştir. Bakterilerin optimum büyüme koşulları sağlandıktan sonra, başlangıç pH=2 olacak şekilde 3 farklı oksijen izotop değerine sahip (δ18O; -10.66‰ (Van), -7.21‰ (UP), ve 8.5 ‰ (ISO)) sularda pirit minerali ile biyotik ve abiyotik deney setleri kurulmuştur. Biyotik ve abiyotik pirit deneylerinin sonunda, çözelti kimyası önemli farklılıklar göstermiştir. Fe (II)aq, Fe(tot), ve SO4(aq konsantrasyonları biyotik deneylerde en az 20 kat daha yüksektir. Pirit deneylerine ek olarak, Barton Yarımadası'ndan (KSJ-20) elde edilen kaya deneyleri (bazaltik andezit) pirit ile tamamen benzer koşullar altında kurulmuştur. Deneylerin sonunda, genel olarak, biyotik deneylerdeki katyon bileşimleri daha yüksek değerler göstermiştir. Özellikle Na, Mg, K ve Ca konsantrasyonları biyotik deneylerde belirgin şekilde daha yüksektir. Bu kararsız elementler, biyotik aktivite nedeniyle kayaçlardan kolayca süzülür ve gelişmiş pirit oksidasyonu yoluyla asitlik üretir. Bu nedenle, çevreye salınan elementlerin (SO4, Fe+2, Fe(tot)) miktarı biyotik deney setinde daha yüksektir. Buna göre, artan kaya çözünmesi ile birlikte biyotik deneylerin pH'ı abiyotik deneylere kıyasla yükselmiştir. Pirit ve kaya ile yapılan liç deneyleri, çözünme hızının bakteri varlığından etkilendiğini göstermiştir. Kayadan ortama salınan Al, K, Mg ve Ca gibi elementlerin konsantrasyonu, biyotik olanlarda abiyotik olanlara kıyasla biraz daha yüksektir. Bakterilerin varlığında pirit oksidasyonu önemli ölçüde daha yüksektir ve yüksek sülfat, Fe ve asit açığa çıkar. Bu deneysel sonuçlar, Barton Yarımadası'ndaki pirit içerikli ana kayaların çözünmesinin A. ferrooxidans tarafından etkilendiğini göstermektedir. Bakterinin rolü pirit oksitlemek ve asitlik üretmektir, bu da ana kayalarla reaksiyona girerek katyonları ve metalleri çevreye salmaktır. Asidik sulardan gelen sedimanların yüksek CIA ve düşük ICV değerleri bu mekanizmayı desteklemektedir. Dolayısıyla, adanın kuzeyinde yer alan ve düşük pH değerine sahip L2 ve L7 gölleri çevresindeki düşük ICV ve yüksek CIA değerleri biyolojik aktivitenin varlığına bağlanabilir. Asidik sularda Pb, Zn, Cu ve As gibi metallerin asidik olmayan sulara kıyasla daha yüksek konsantrasyonlarda bulunması, ARD'nin çevreye metal salınımını artırdığını göstermektedir. Saha ve kaya deneylerinin δ18OSO4 ve δ34SSO4 değerleri pirit oksidasyon deneyleri ile tutarlıdır. Barton Yarımadası'ndaki asidik sulardan toplanan çözünmüş sülfatın δ18OSO4 ve δ34SSO4 değerleri, pirit oksidasyonunun deneysel çizgileri üzerinde yakın bir şekilde çizilmiştir, bu da piritin yarımadadaki ARD'nin kaynağı olduğunu ve ağırlıklı olarak biyotik ve oksik koşullar altında oksitlendiğini göstermektedir. Pirit deneylerinden elde edilen δ34SSO4 değerleri, piritin δ34S değerini yakından yansıtmaktadır ve bu nedenle δ18OSO4 ve δ34SSO4 değerleri, biyotik ve abiyotik pirit oksidasyonunun yanı sıra buzullaşmış bir ortamda sülfat kaynağını aydınlatmak için kullanılabilir.

Özet (Çeviri)

Acid rock drainage (ARD), a natural global phenomenon, occurs worldwide in various geochemically distinct settings such as high-alpine, periglacial environments in the Central Eastern Alps, in the foreland of glaciers in Peru, the Rocky Mountains and in the shoreline of King George Island (KGI) in Maritime, Antarctica. In general, when sulfide minerals, in particular pyrite, are exposed to gaseous or aqueous O2, or any oxidizing agents (e.g. Fe(III)aq,) a complex set of chemical weathering reactions occurs, producing Fe and sulfate-rich acidic effluent. If the buffering capacity of the bedrock is insufficient to neutralize generated acidity over an extended time, ARD develops, even in extreme Antarctic conditions. The resulting sulfuric acid, a strong weathering agent, enhances the weathering of rocks that interact with and cause the liberation of potentially key elements such as nutrients (e.g., Fe) as well as environmentally toxic elements (e.g. Pb, Zn, Cu, and Cd) into the environment. Biological reactions can significantly contribute to ARD generation. In general, Fe and S-oxidizing bacteria, A. ferroxidans, is involved in the formation of ARD, acting as a catalytic. In the Antarctic continent, generation of ARD is limited due to the presence of ice-cover areas. The existence of the extensive sulfide mineralization on the Barton Peninsula, KGI, together with the increasing global warming strongly suggests that ARD occurrences may even become more frequent in the region. To date, no systematic studies have comprehensively examined the sources, geochemical characteristics, and potential environmental impacts of ARD formation on the Barton Peninsula, KGI, in Maritime Antarctica. With increased global warming, it is even more critical and necessary to elucidate the rock weathering reactions coupled with sulfide oxidation and their contribution to ARD formation on the peninsula. This information is vital for assessing the future hazards posed by naturally occurring ARD on surface water quality, not only on the Peninsula but also in similar settings worldwide. This study aims explaining sources, formation mechanism, and geochemical characteristics of acid rock drainage on the Barton Peninsula, King George Island, by adapting field and experimental data including isotopes, water and sediment geochemistry. The study area, the Barton Peninsula, is located in King George Island, maritime, Antarctica, is largely covered by basalt to basaltic andesite. A granodiorite stock is located in the central northern part of the peninsula and diorite mostra is observed in the northern part of the peninsula. The lowermost stratigraphic unit, the Sejong Formation, is largely composed of volcanicclastics and observed along almost the entire southern coastline. The field excursion and sampling were carried out at the end of the austral summer of 2019. Rock (n=25), sediment (n=30) and water (n=29) samples were collected and kept at ITU Geomicrobiology and Biogeochemistry Laboratory until further analysis. In-situ pH values range between 3.6 and 6.7 while the average EC value is ca. 112.2 μS/cm. Geochemical analysis of water samples revealed that cations and anions of water samples follow the decreasing order of Mg+2> Na+2> Ca+2> K+ and Cl- >SO4-2>HCO3-, respectively. According to Piper diagram, the waters are classified as calcium and sodium chlorite rich and mixed type waters. A number of different indexes is used to evaluate the degree of alteration of the sediments obtained from acidic and non-acidic waters. The calculated chemical index of alteration (CIA) values are further discussed in the accompanying ternary diagram, A-CN-K, which allows for the graphical interpretation of the proportional chemical changes. Most igneous rocks in different compositions will plot between a CIA value of 35 and 50, with mafic rocks placing the lower values. The chemical index of alteration (CIA) values calculated for each sediment sample range from 37.6 to 74 % with the highest values associated with acidic waters. For example, the sediments from the acidic lake L7 have the highest CIA values. Moreover, these samples are plotted on the moderate to high degree of weathering trend on the A-CN-K diagram along with AI2O3 enrichment. In addition to the CIA values, the index of compositional variability (ICV) was calculated. Since sediments with a high percentage of non-clay silicate minerals, or unaltered minerals, will have ICV values greater than one. In contrast, sediment samples with mostly clay minerals under intense weathering conditions should have ICV values lower than one. Accordingly, ICV values of the sediments are between 1.05 and 2.88 with the lowest values belong to those from the acidic waters. The ICV values of the sediments obtained from the acidic lakes (L7 and L2) range from 1 to 1.2, and 0.96 to 1.13, respectively. The rest of the sediments ranges from 1.25 to 3.55. These calculated indexes suggest that non-acidic water associated sediments are largely originated from the physical weathering of the bedrocks while acidic water associated sediments result in both the chemical and physical weathering processes A. ferrooxidans bacteria were adapted to 10°C in the laboratory conditions. After the optimum growth conditions of the bacteria were provided, biotic and abiotic experimental sets were established with pyrite mineral in waters with 3 different oxygen isotope values (δ18O; -10.66‰ (Van), -7.21‰ (UP), and 8.5 ‰ (ISO)) with an initial pH=2. At the end of the biotic and abiotic pyrite experiments, solution chemistry showed significant differences. The concentrations of Fe (II)aq, Fe(tot), and SO4(aq) are at least 20-fold higher in the biotic experiments. In addition to the pyrite experiments, rock experiments (basaltic andesite) obtained from the Barton Peninsula (KSJ-20) were set up under the exact similar conditions to pyrite. At the end of the experiments, in general, cation compositions in the biotic experiments showed higher values. In particular, concentrations of Na, Mg, K and Ca are notably higher in the biotic experiments. These labile elements are readily leached from the rocks due to the biotic activity, producing acidity via enhanced pyrite oxidation. Therefore, the quantity of elements (SO4, Fe+2, Fe(tot)) released to the environment was higher in the biotic experimental set. Accordingly, with increasing rock dissolution pH of the biotic experiments raised compared to the abiotic ones. Leaching experiments conducted with pyrite and rock showed that dissolution rate is influenced by the presence of bacteria. The concentration of elements such as Al, K, Mg, and Ca which were released into the environment from the rock is slightly higher in the biotic ones compared to the abiotic ones. Pyrite oxidation is significantly higher in the presence of bacteria, releasing high sulfate, Fe and acidity. These experimental results suggest that dissolution of the bedrocks with pyrite contents at the Barton Peninsula is influenced by A. ferrooxidans. The role of the bacteria is to oxidize pyrite and produce acidity which in turn react with the bedrocks, releasing cations and metals into the environment. The high CIA and low ICV values of the sediments from the acidic waters support this mechanim. Therefore, the low ICV and high CIA values around lakes L2 and L7 in the north of the island with low pH may be attributed to the presence of biological activity. High concentration of metals such as Pb, Zn, Cu and As in the acidic waters compared to those of the non-acidic waters, further suggest ARD enhanced metal release into the environment. The δ18OSO4 and δ34SSO4 values of the field and rock experiments are consistent with the pyrite oxidation experiments. The δ18OSO4 and δ34SSO4 values of dissolved sulfate collected from the acidic waters on the Barton Peninsula closely plotted on the experimental lines of pyrite oxidation, suggesting that pyrite is the source of ARD at the peninsula and predominantly oxidized under biotic and oxic conditions. The δ34SSO4 values obtained from the pyrite experiments closely reflect the δ34S value of pyrite and therefore, the δ18OSO4 and δ34SSO4 values can be used to elucidate biotic and abiotic pyrite oxidation as well as source of sulfate under a glaciated environment.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    667106

    Tekneli (Niğde) ve Delikkaya (Kayseri) Pb-Zn yataklarındaki alterasyonların mineralojik, jeokimyasal özellikleri ve kökeni

    Geology, mineralogy and geochemistry genesis of alteration in Tekneli (Niğde) ve Delikkaya (Kayseri) Pb-Zn deposits

    ALI JAWADI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Jeoloji MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜLYA ERKOYUN

  2. Tez No

    874227

    Kısacık (Biga metalojenik provensi, KB Türkiye) epitermal altın sisteminin cevherleşme karakteristiklerinin incelenmesi

    Investigation of the mineralization characteristics of Kısacık (Biga metallogenic province, NW Turkey) epithermal gold system

    ALİ ERDEM BAKKALBAŞI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP DÖNER

  3. Tez No

    287021

    Erzincan altın sahası örneğinde arseniğin kökeni, taşınımı ve tutunumu

    Source, transport and retention of arsenic in the case of Erzincan gold mine

    SEVGİN GÖRKEM ÇELİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Jeoloji MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İRFAN YOLCUBAL

  4. Tez No

    842154

    Yolindi (Biga, Çanakkale) Fe-Cu skarn cevherleşmesinin evrimi: Mineralojik, jeokimyasal ve izotopik yaklaşımlar

    Evolution of the Yolindi (Biga, Çanakkale) Fe-Cu skarn deposit: Mineralogical, geochemical and isotopic approaches

    MUSTAFA KAYA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA KUMRAL

    DOÇ. DR. AMR ABDELNASSER ALİ KHALİL

  5. Tez No

    859165

    Geochemistry, mineralogy, and genesis of the zinc-lead sulfide ore deposit, Kirazlıyayla, NW Turkey

    Kirazlıyayla (KB Türkiye) çinko kurşun sülfid maden yatağının jeokimyası, mineralojisi ve jenezi

    FARHAD JAVID MAJD

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN ÇİFTÇİ

Geri Dön