Akçay, Miğraç
Jeokimya:
Temel Kavramlar ve Uygulamaya Aktarımları/
Miğraç
Akçay.- Trabzon: Karadeniz Teknik Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü.-
KTÜ Matbaaası, Trabzon: 2002.
Bütün hakları mahfuzdur / Basım hakkı ©
2002
Bu
kitabın bütün hakları 5486 sayılı ‘Fikir, Sanat ve Sanat Eserleri Kanunu’
kapsamında koruma altına alınmıştır. Bu nedenle, öğretim amacıyla kullanım
dışında, kitabın tamamı veya bir kısmı yazarın ve yayın şirketinin yazılı izni
olmaksızın hiç bir şekilde kopya edilemez ve çoğaltılamaz. Aksi bir durum,
yukarıda belirtilen yasa gereği kanuni işleme tabidir.
Üniversiteler
Yayın Yönetmeliği’nin 6. maddesine göre, bu eserin bilim ve dil bakımından
sorumluluğu yazara aittir.
Dağıtım Adresi
Karadeniz
Teknik Üniversitesi
Kitap
Satış Bürosu
K.T.Ü.,
Trabzon
( (0462) 3772749
İÇİNDEKİLER LİSTESİ
KULLANILAN SEMBOLLER........................................................................................................ xv
BÖLÜM 1: JEOKİMYANIN TANIMI
VE TARİHÇESİ
1.1. JEOKİMYANIN TANIMI VE TARİHÇESİ................................................................................... 1
1.2. MODERN JEOKİMYA................................................................................................................. 3
1.3. JEOKİMYANIN KONUSU........................................................................................................... 3
BÖLÜM 2: ELEMENTLER
2.1. GİRİŞ............................................................................................................................................ 7
2.2. PERİYODİK TABLO.................................................................................................................... 9
2.3. ELEMENTLERİN KÖKENİ........................................................................................................ 12
2.3.1. Evrenin Erken Devresi......................................................................................................... 13
2.3.2. Yıldızların Gelişimi............................................................................................................... 15
2.3.3. Hidrojen Yanması................................................................................................................ 19
2.3.4. Süpernova ve Patlayıcı Yanma............................................................................................. 24
2.4. ELEMENTLERİN JEOKİMYASAL SINIFLANDIRILMASI....................................................... 26
BÖLÜM 3: KRİSTAL YAPISI, KİMYASI VE MİNERALLERİN BİLEŞİMİ
3.1. GİRİŞ........................................................................................................................................... 29
3.2. İYON YARIÇAPI........................................................................................................................ 29
3.3. KRİSTALLERDEKİ BAĞLAYICI KUVVETLER....................................................................... 32
3.3.1. İyonik Bağ.......................................................................................................................... 33
3.3.2. Kovalent Bağ...................................................................................................................... 35
3.3.3. Van der Waals Bağı............................................................................................................ 36
3.3.4. Metalik Bağ........................................................................................................................ 37
3.4. KOORDİNASYON PRENSİBİ.................................................................................................... 38
3.5. ELEKTRONEGATİVİTE............................................................................................................. 41
3.5.1. Kimyasal Bağın Cinsi Hakkında Genel Kurallar..................................................................... 42
3. 6. İYON POTANSİYELİ................................................................................................................ 43
3.7. İZOMORFİZMA (EŞ ŞEKİLLİLİK)............................................................................................. 44
3.8. ÇOK ŞEKİLLİLİK (POLYMORPHISM)..................................................................................... 46
3.8.1. Yer Değiştirmeli Çok Şekillilik.............................................................................................. 47
3.8.2. Yeniden Yapılanmalı Çok Şekillilik........................................................................................ 48
3.8.3. Düzen-Düzensizlik Dönüşümü İle Çok Şekillilik...................................................................... 48
3.9. YER DEĞİŞTİRME..................................................................................................................... 49
3.10. MİNERAL FORMÜLÜNÜN HESAPLANMASI........................................................................ 50
3.10.1. Molar Oranların Hesaplanması............................................................................................ 51
3.10.2. Molar Oranların Normalleştirilmesi...................................................................................... 51
3.10.3. Katyonların Odacıklara Yerleştirilmesi................................................................................. 53
3.10.4. Mineral Formül Hesabında Karşılaşılan Güçlükler................................................................. 56
3.10.4.1. Ferrik demirin (Fe3+) stokiyometrik hesaplanması..................................................... 56
3.10.4.2. Mineral formülünde F bulunması............................................................................. 57
3.11. EKSOLÜSYON......................................................................................................................... 59
BÖLÜM 4: METEORİTLER
3.1. GİRİŞ........................................................................................................................................... 63
3.2. METEORİTLERİN SINIFLANDIRILMASI................................................................................. 64
3.2.1. Kondiritler........................................................................................................................... 64
3.2.2 Akondiritler......................................................................................................................... 68
3.2.3. Demirli Meteoritler.............................................................................................................. 69
3.2.4. Taşımsı Demirler................................................................................................................. 69
3.3. METEORİTLERİN KÖKENİ....................................................................................................... 69
BÖLÜM 5: YERYUVARININ BİLEŞİMİ
4.1. GİRİŞ........................................................................................................................................... 73
4.2. YER YUVARININ KİMYASAL BİLEŞİMİ................................................................................ 76
4.2.1. Çekirdek............................................................................................................................. 78
4.2.2. Manto................................................................................................................................. 79
4.2.2.1. Üst mantonun mineralojik ve kimyasal bileşimi........................................................... 81
4.2.2.2. Alt mantonun bileşimi............................................................................................... 88
4.2.3. Kabuk................................................................................................................................. 89
4.2.3.1. Kıtasal kabuk.......................................................................................................... 91
4.2.3.2. Okyanusal kabuk..................................................................................................... 95
BÖLÜM 6: ASİTLER VE BAZLAR
6.1. GİRİŞ......................................................................................................................................... 109
6.2. KİMYASAL REAKSİYONLARDA DENGE............................................................................. 110
6.2.1. Kütle Hareketi Kanunu...................................................................................................... 112
6.2.2. Zayıf Asit ve Bazların Çözünüşü......................................................................................... 114
6.2.2.1. Zayıf asitlerin çözünmesi........................................................................................ 114
6.2.2.2. pH (asitlik derecesi)............................................................................................... 116
6.2.2.3. Basamaklar halinde çözünen asitlerin çözünmesi...................................................... 117
6.2.3. Zor Çözünen Bazların Çözünmesi........................................................................................ 125
6.2.4. Amorf Silisin Çözünmesi..................................................................................................... 128
6.2.5. Tuzların Çözünmesi............................................................................................................ 133
6.2.6. Hidroliz............................................................................................................................. 133
6.2.6.1. Karbonatların hidrolizi............................................................................................ 136
6.2.6.2. Sülfatların hidrolizi.................................................................................................. 138
6.2.6.2. Silikatların hidrolizi................................................................................................. 139
6.3. AKTİVİTE VE KONSANTRASYON........................................................................................ 142
BÖLÜM 7: JEOKİMYASAL
TERMODİNAMİK
7.1. GİRİŞ......................................................................................................................................... 149
7.2. GENEL KAVRAMLAR............................................................................................................. 150
7.2.1. Termodinamik Sistem......................................................................................................... 150
7.2.2. Denge Durumu ve İlgili Kavramlar...................................................................................... 151
7.3. TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ KANUNU................................................................................ 152
7.3.1. Entalpi, Reaksiyon ve Oluşum Isıları.................................................................................... 154
7.3.2. Özgül Isı (Isı Kapasitesi).................................................................................................... 157
7.4. TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ KANUNU................................................................................... 161
7.4.1 Serbest Oluşum Enerjisi....................................................................................................... 163
7.4.2. Serbest Enerji İle Denge Katsayısı Arasındaki İlişki.............................................................. 166
7.4.3. Serbest Enerjinin Sıcaklıkla Değişimi................................................................................... 168
7.4.4. Serbest Enerjinin Basınçla Değişimi..................................................................................... 172
7.4.5. Denge Sabitinin Sıcaklıkla Değişimi..................................................................................... 173
BÖLÜM 8: MİNERAL DURAYLILIK
DİYAGRAMLARI
8.1. GİRİŞ......................................................................................................................................... 179
8.2. OKSİTLENME POTANSİYELİ ve Eh - Ph DİYAGRAMLARI.................................................. 181
8.2.1. Oksitlenme-İndirgenme Reaksiyonlarının Dengelenmesi........................................................ 181
8.2.2. Elektrot Reaksiyonları........................................................................................................ 183
8.2.3. Oksitlenme Potansiyeli....................................................................................................... 184
8.2.4. Standart Potansiyel Tablolarının Kullanılması........................................................................ 185
8.2.5. Oksitlenme Potansiyeli ve Serbest Enerji İlişkisi................................................................... 187
8.2.6. Doğada Eh ve pH Değerleri............................................................................................... 189
8.2.6.1. Doğal ortamlarda suyun üst ve alt duraylılık sınırları.................................................. 190
8.2.7. Bazı Minerallerin Duraylılık Alanları.................................................................................... 196
8.2.7.1. Demirli bileşiklerin duraylılık alanları........................................................................ 197
8.2.7.2. Diyagramın yorumlanması...................................................................................... 202
8.2.7.2. Manganez minerallerinin duraylılık alanları............................................................... 205
8.2.7.3. Fe ve Mn Eh-pH diyagramlarının karşılaştırılması..................................................... 208
8.2.7.4. Kükürtlü tortular ve çökelimler................................................................................ 209
8.2.7.5.Yüzeysel bozuşmaya bağlı minerallerin dur. alanları................................................... 213
8.2.7.6. Uranyum oluşukları................................................................................................ 215
8.3. MİNERAL DURAYLILIK DİYAGRAMLARI........................................................................... 216
8.3.1. Plajiyoklaslar ve İlgili Mineraller Sistemi.............................................................................. 218
8.4. ÇÖZÜNÜRLÜLÜK DİYAGRAMLARI..................................................................................... 225
8.4.1. Hematitin Çözünürlülüğü..................................................................................................... 226
8.4.2. Gibsitin Çözünürlülüğü........................................................................................................ 228
8.5. KISMÎ BASINÇ DİYAGRAMLARI........................................................................................... 232
8.5.1. Oksijen ve Hidrojen Gaz Basıncı Limitleri............................................................................ 234
8.5.2. Demir Oksit ve Karbonatların Duraylılığı............................................................................. 235
8.5.2. Bakır Oksit ve Sülfürlerin Duraylılığı.................................................................................... 241
BÖLÜM 9: DURAYLI İZOTOPLAR
9.1. GİRİŞ......................................................................................................................................... 245
9.2. DURAYLI İZOTOPLARIN JEOKİMYADA KULLANIMI....................................................... 248
9.2.1. İzotop Farklılaşması............................................................................................................ 250
9.2.1.1. İzotop değişim reaksiyonları.................................................................................... 250
9.2.1.2. Kinetik işlemler...................................................................................................... 252
9.2.1.3. Fiziko kimyasal etkiler............................................................................................ 252
9.2.2. İzotop Verilerinin Sunulması................................................................................................ 255
9.3. HİDROJEN İZOTOPLARI......................................................................................................... 258
9.4. OKSİJEN İZOTOPLARI............................................................................................................ 262
9.5. DOĞAL ÇÖZELTİLERİN O ve H İZOTOP BİLEŞİMLERİ....................................................... 270
9.5.1. Meteorik Sular................................................................................................................... 270
9.5.2. Okyanus Suyu................................................................................................................... 272
9.5.3. Jüvenil Su.......................................................................................................................... 272
9.5.4. Mağmatik Su..................................................................................................................... 273
9.6. ÇÖZELTİ KAYAÇ ORANI....................................................................................................... 274
9.7. KÜKÜRT İZOTOPLARI........................................................................................................... 276
9.7.1. Örnek Hazırlama............................................................................................................... 277
9.7.2. Kükürt İzotop Farklılaşması................................................................................................ 279
9.7.2.1. Biyojenik farklılaşma.............................................................................................. 280
9.7.2.2. Organik bileşiklerin parçalanması ile farklılaşma....................................................... 281
9.7.2.3. Organik indirgenme ile farklılaşma.......................................................................... 282
9.7.2.4. İnorganik indirgenme ile farklılaşma........................................................................ 285
9.7.2.5. Sülfürlü minerallerin bozunması ile H2S oluşumu...................................................... 285
9.7.2.6. Sülfitlerin oksidasyonu ile sülfat oluşumu ................................................................. 286
9.7.3. Kükürt İzotoplarının Jeotermometre Olarak Kullanımı........................................................... 286
9.7.4. Çözeltinin Kükürt İzotop Bileşiminin Belirlenmesi................................................................. 290
9.7.4.1. Çözünmüş S bileşikleri arasındaki izotopik denge...................................................... 291
9.7.4.2. Kükürt kaynağının belirlenmesi............................................................................... 292
9.7.4.3. H2S ve SO4 konsantrasyonlarının belirlenmesi.......................................................... 294
9.8. KARBON İZOTOPLARI........................................................................................................... 298
9.8.1. Örnek Hazırlama............................................................................................................... 299
9.8.2. Karbon İzotop Farklılaşması................................................................................................ 300
9.8.2.1. Fotosentez ile karbon izotop farklılaşması................................................................. 300
9.8.2.2. Kimyasal izotop değişim reaksiyonları ile farklılaşma................................................ 300
9.8.3. Karbon İzotop Değişimleri.................................................................................................. 302
9.8.3.1. mΣC, fCO2 ve fO2 nin δ13C üzerindeki etkileri............................................................. 306
9.8.4. S ve C İzotop Verilerinin Değerlendirilmesi.......................................................................... 307
BÖLÜM 10: UYGULAMALI
JEOKİMYA
10.1. GİRİŞ....................................................................................................................................... 315
10.2. TEMEL KAVRAMLAR........................................................................................................... 315
10.2.1. Jeokimyasal Çevre........................................................................................................... 315
10.2.2. Jeokimyasal Dağılım......................................................................................................... 316
10.2.3. Jeokimyasal Hareketlilik................................................................................................... 319
10.2.4. Ana, İz, Gösterge ve İz Bulucu Element Kavramları........................................................... 321
10.2.5. Jeokimyasal Anomali Kavramı.......................................................................................... 323
10.2.6. Veri Elde Etme................................................................................................................ 328
10.2.6.1. Kimyasal analiz yöntemleri................................................................................... 328
10.2.6.2. Analiz sonuçlarının doğruluğu................................................................................ 328
10.2.6.3. Kesinlik............................................................................................................... 329
10.2.7. İz Elementlerin Katı Maddelerde Zenginleşme Yolları......................................................... 333
10.3. BİRİNCİL JEOKİMYASAL DAĞILIM.................................................................................... 334
10.3.1. Difüzyon Yoluyla Birincil Jeokimyasal Dağılım................................................................... 334
10.3.2. Sızıntı Yoluyla Birincil Jeokimyasal Dağılım........................................................................ 336
10.3.3. Difüzyon ve Sızıntı Tür Birincil Dağılımların Karşılaştır........................................................ 337
10.3.4. Birincil Jeokimyasal Dağılımda Zonlanma........................................................................... 338
10.3.5. Birincil Dağılımın Jeokimyada Kullanılması......................................................................... 341
10.3.5.1. Kayaç jeokimyası için oryantasyon çalışması.......................................................... 342
10.3.5.2. Örnekleme şekli................................................................................................... 343
10.3.5.3. Sonuçların değerlendirilmesi.................................................................................. 344
10.4. İKİNCİL JEOKİMYASAL DAĞILIM...................................................................................... 345
10.4.1. Yüzeysel Bozunma........................................................................................................... 346
10.4.2. İkincil Dağılımı Oluşturan Etkenler..................................................................................... 347
10.4.2.1. Mekanik etkenler................................................................................................. 347
10.4.2.2. Biyolojik etkenler................................................................................................. 354
10.4.3. İkincil Dağılım Çeşitleri..................................................................................................... 356
10.4.3.1. Tanesel (klastik) dağılım....................................................................................... 356
10.4.3.2. Hidromorfik (iyonik halde) Dağılım........................................................................ 359
10.4.3.3. Biyojenik dağılım.................................................................................................. 359
10.4.4. İkincil Dağılımın Jeokimyada Kullanılması.......................................................................... 360
10.4.4.1. Drenaj jeokimyası................................................................................................ 360
10.4.4.2. Toprak jeokimyası................................................................................................ 365
10.4.4.3. Bitki jeokimyası.................................................................................................... 376
BÖLÜM 11: JEOKİMYASAL
VERİLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ
11.1. GİRİŞ....................................................................................................................................... 389
11.2. VERİ SETİNİN DÜZENLENMESİ VE TEMEL İSTATİSTİK.................................................. 389
11.2.1. Verilerin Gruplandırılması.................................................................................................. 390
11.2.2. Temel İstatistik Hesaplamalar........................................................................................... 391
11.2.2.1. Medyan ve Mod Değerleri.................................................................................... 393
11.2.3. Verilerin Dağılımının Belirlenmesi...................................................................................... 393
11.2.3.1. X2 testi ile dağılım türünün belirlenmesi.................................................................. 395
11.2.4. Jeokimyasal Anomalilerin Belirlenmesi............................................................................... 399
11.2.4.1. Histogramların Kullanılması.................................................................................. 400
11.2.4.2. Ortalama veya Medyan Değerinin Kullanılması...................................................... 400
11.2.4.3. İhtimal Grafiklerinin Kullanılması........................................................................... 402
11.2.5. Veri Setlerinin Karşılaştırılması.......................................................................................... 406
11.2.5.1. Ho hipotezi ve ihtimal kavramı.............................................................................. 407
11.2.5.2. F Testi................................................................................................................ 407
11.2.5.3. t Testi................................................................................................................. 408
11.2.5.4. Anomali kontrastı................................................................................................. 409
11.2.6. (İki Değişkenli) Değişkenler Arası İlişkil. Belirlenmesi........................................................ 410
11.2.6.1. Regresyon Analizi................................................................................................ 410
11.2.6.2. Korelasyon Analizi............................................................................................... 413
11.2.7. (Çok Değişkenli) Değişkenler Arası İlişkil. Belirlenmesi...................................................... 417
11.2.7.1. Faktör Analizleri.................................................................................................. 418
11.2.7.2. Küme (cluster) analizleri....................................................................................... 421
BÖLÜM 12: ÇEVRE JEOKİMYASI
12.1. GİRİŞ....................................................................................................................................... 425
12.2. HAVA KİRLİLİĞİ................................................................................................................... 426
12.2.1. Atmosferin Bileşimi.......................................................................................................... 426
12.2.2. Hava Kirliliğine Etki Eden Etmenler................................................................................... 427
12.2.2.1. Mikroparçacıklar.................................................................................................. 427
12.2.2.2. Karbon monoksit.................................................................................................. 428
12.2.2.3. Karbon dioksit..................................................................................................... 429
12.2.2.4. Kükürt gazları...................................................................................................... 429
12.2.2.5. Ozon................................................................................................................... 429
12.2.2.6. Kurşun................................................................................................................ 430
12.2.2.7. Radon................................................................................................................. 430
12.2.2.8. Diğerleri.............................................................................................................. 431
12.2.3. Asit Yağmurları............................................................................................................... 431
12.2.4. Ters Hava Akımı............................................................................................................. 432
12.2.5. Hava Kalitesi................................................................................................................... 433
12.2.5.1. Trabzon’da hava kalitesi....................................................................................... 434
12.3. SU KİRLİLİĞİ.......................................................................................................................... 435
12.3.1. Yeraltı Suyu Kirliliği......................................................................................................... 435
12.3.2. Maden Atık Suları............................................................................................................ 441
12.3.3. Endüstriyel Katkılar.......................................................................................................... 442
12.3.3.1. İnorganik kirleticiler.............................................................................................. 443
12.3.3.2. Diğer inorganik kirleticiler..................................................................................... 444
12.3.3.3. Organik kirleticiler................................................................................................ 444
12.3.4. Tarımsal Kirleticiler.......................................................................................................... 448
12.3.4.1. Gübre.................................................................................................................. 448
12.3.4.2. İstenmeyen bitki ve haşere öldürücüler.................................................................. 448
12.3.5. Asit Maden Suları............................................................................................................ 449
12.3.5.1. Asidik ortamlar.................................................................................................... 449
12.3.5.2. Asit oluşum reaksiyonları...................................................................................... 449
12.3.5.3. Nötrleştirici reaksiyonlar....................................................................................... 450
12.3.5.4. Asit özellikli sular................................................................................................. 452
12.3.5.5. Maden atıklarının depolanması.............................................................................. 454
12.3.5.6. Asidik göller........................................................................................................ 455
12.3.5.7. Asidik ortamlarda örnekleme................................................................................ 456
12.3.5.8. Kirleticilerin taşınması.......................................................................................... 457
12.4. ÇEVRE KİRLİLİĞİ, İZ ELEMENTLER VE SAĞLIK............................................................... 458
12.4.1. Elementlerin Bünyeye Alınması......................................................................................... 459
12.4.2. Bünye İçin Bol Miktarda Gereken Elementler.................................................................... 461
12.4.2.1. Kalsiyum............................................................................................................. 461
12.4.2.2. Klor.................................................................................................................... 462
12.4.2.3. Mağnezyum......................................................................................................... 462
12.4.2.4. Fosfor................................................................................................................. 462
12.4.2.5. Sodyum............................................................................................................... 463
12.4.2.6. Kükürt................................................................................................................ 463
12.4.3. Bünye İçin Az Miktarda Gereken Elementler..................................................................... 463
12.4.3.1. Kobalt................................................................................................................. 463
12.4.3.2. Krom.................................................................................................................. 464
12.4.3.3. Bakır................................................................................................................... 464
12.4.3.4. Flor..................................................................................................................... 464
12.4.3.5. İyot..................................................................................................................... 465
12.4.3.6. Demir................................................................................................................. 465
12.4.3.7. Manganez........................................................................................................... 466
12.4.3.8. Molibden............................................................................................................. 467
12.4.3.9. Selenyum............................................................................................................ 467
12.4.3.10. Çinko................................................................................................................ 468
12.4.4. Bünye İçin Gereksiz Elementler........................................................................................ 468
12.4.4.1. Nikel................................................................................................................... 468
12.4.4.2. Kalay ve vanadyum............................................................................................. 469
12.4.4.3. Silisyum............................................................................................................... 469
12.4.4.4. Alüminyum.......................................................................................................... 469
12.4.4.5. Arsenik............................................................................................................... 470
12.4.4.6. Kadmiyum........................................................................................................... 471
12.4.4.7. Kurşun................................................................................................................ 471
12.4.4.8. Civa.................................................................................................................... 472
12.4.4.9. Diğer elementler.................................................................................................. 472
EK BELGELER................................................................................................................................ 475
DİZİN............................................................................................................................................... 499