Kulakçayırı Gölü'nün doğal radyoaktivite ve ağır metal kirliliğinin belirlenmesi
Determination of natural radioactivity and heavy metal pollution of Kulakcayiri Lake
Yazar: GÜLDEREN AÇIKGÖZ
Danışman: PROF. DR. EROL KAM
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, İstanbul ili Arnavutköy ilçesinde bulunan Kulakçayırı Gölü'nden sondaj yöntemi ile alınan farklı derinliklerdeki (SK-1=5-5,5 m, SK-2=10-10,5 m, SK-3=15-15,5 m) karot sediment numunelerinin doğal ve yapay radyonüklit dağılımı, iz elementleri, göl ve çevresindeki gama doz hızı değerleri tespit edilmiş, XRD analizleri ve SEM görüntüleri kullanılarak mineralojik ve dokusal özellikleri belirlenmiştir. Ayrıca radyokarbon tarihleme yöntemi ile bölgedeki sedimanların yaşları bulunmuş ve sedimantasyon hızları hesaplanmıştır.
Radyoaktivite konsantrasyonunun hesaplanması için numuneler HPGe dedektörü ile sayılmıştır. Analiz sonuçlarına göre numunelerin K-40 konsantrasyonları sırasıyla 325±18 Bq/kg, 353±19 Bq/kg ve 367±19 Bq/kg hesaplanırken, Th-232 konsantrasyonları 38±6 Bq/kg, 43±6 Bq/kg ve 42±6 Bq/kg olarak hesaplanmıştır. Bunun yanında Ra-226 konsantrasyonları sırasıyla 29±5 Bq/kg, 26±5 Bq/kg ve 26±5 Bq/kg hesaplanırken üç numunenin de Cs-137 konsantrasyonları ≤MDA olarak hesaplanmış ve oldukça düşük konsantrasyonlarda var olduğu görülmüştür. Ortalama aktiviteleri hesaplanan numunelerin K-40 izotopu için 348±186, Th-232 izotopu için 41±6,3, Ra-226 izotopu için ise 27±5,1 ortalamaya sahip oldukları gözlenmiştir.
Karasal kökenli radyasyonun çevreye yaydığı etkilerini belirlemek için göl ve çevresinde 12 km aralıklarla yirmi noktada ölçüm yapılarak gama doz hızları belirlenmiştir. Zemin seviyesinden 1 metre yükseklikte havadaki açık gama dozları, taşınabilir ESP-2 (Eberline Smart Portable) sintilatör cihazı kullanılarak ölçülmüştür. Ölçümler saatte 1 kere olmak üzere 20 noktada yapılmış ve değerlerin ortalaması 37,5 nGy/h olarak bulunmuştur. 
İz element analizlerinde WDXRF spektrometresi kullanılarak on dokuz ayrı element ile kalsiyum oksit (CaO), titanyum oksit (TiO2) ve hematit (Fe2O3) konsantrasyonları belirlenmiştir. Elementel analiz sonucunda sedimentlerin yapısında kobalt, nikel, bakır, kurşun ve krom gibi ağır metaller ile uranyum ve toryum gibi radyoaktif elementler tespit edilmiştir. Özellikle SK-1 numunesinde, kurşun konsantrasyonu yüksek çıkmıştır. Bu yüksek değer doğal nitelikte olan göl çevresindeki sediment yapısından kaynaklanmaktadır. 
Numunelerin XRD analizleri, Bruker D8 Advantage, Panalytical X'Pert Powder ve Philips PW 1830 marka model cihazlar ile yapılmıştır. XRD analizleri ile mineralojik bileşimleri belirlenen numunelerin SEM görüntüleri, JEOL JSM-6390LAV cihazı ile tanımlanmıştır. Sedimentlerin standart malzemeler olmayıp çeşitli organik ve inorganik bileşiklerden oluşması nedeniyle SEM görüntüleri karmaşık bir yapı sergilemiştir. XRD analizlerinde ise çeşitli minerallere karşılık gelen çok sayıda pik elde edilmiştir. Tespit edilen piklerin, minerallerden hematit (Fe2O3), kuvars (SiO2), kalsit (CaCO3) ve korendona (Al2O3) karşılık geldiği görülmüştür.
Radyokarbon tarihlendirme yöntemi için AMS spektrometresi kullanılmıştır. Numunelere ait sonuçlara göre; SK-1 numunesinde sediment çökelimi 5599 yılda gerçekleşirken SK-2'de 7596 yılda, SK-3'te ise 8060 yılda gerçekleşmiştir. Sedimantasyon hızları ise; SK-1>SK-2>SK-3 olarak sıralanmaktadır. Elde edilen verilerden sedimantasyon hızının farklı derinliklerde farklı oranlara sahip olduğu gözlenmiştir. 

Anahtar Kelimeler: Kulakçayırı Gölü, sediment, doğal radyoaktivite, gama spektrometre, gama doz hızı, XRD, SEM, radyokarbon tarihlendirme

Abstract:
Natural and artificial radionuclide distribution, trace elements, and gamma dose rate values in and around the lake were detected in the present study based on the drilling core sediment samples collected from Kulakçayırı Lake located in the city of Istanbul, district of Arnavutköy at various depths (SK-1=5-5,5 m, SK-2=10-10,5 m, SK-3=15-15,5 m) using drilling method, and mineralogical and textural properties are identified using XRD analyses and SEM images. Moreover, ages of the sediments in the region are detected and calculated the sedimentation rates using radiocarbon dating method.
Samples are counted using HPGe detector in order to calculate the radioactivity concentration. Based on the analysis results, while the K-40 concentrations of the samples are calculated as 325±18 Bq/kg, 353±19 Bq/kg, and 367±19 Bq/kg respectively, the Th-232 concentrations are calculated as 38±6 Bq/kg, 43±6 Bq/kg, and 42±6 Bq/kg. Besides, while the Ra-226 concentrations are calculated as 29±5 Bq/kg, 26±5 Bq/kg, and 26±5 Bq/kg respectively, the Cs-137 concentrations of the three samples are calculated as ≤MDA, and found out to exist at extremely low concentrations. Mean activities of the samples are calculated, and it is observed that the mean value is 348±186 for K-40 isotope, 41±6,3 for Th-232 isotope, and 27±5,1 for Ra-226 isotope.
Measurements are taken at twenty locations with 12 km intervals in and around the lake in order to determine the radiation released by the terrestrial radiation to the environment, and gamma dose rates were determined. Outdoor gamma dose rates in the air at 1 meter above the ground level are measured using ESP-2 (Eberline Smart Portable) scintillator. Measurements were taken at 20 locations once hourly, and the mean value of the measurements is 37,5 nGy/h.
Calcium oxide (CaO), titanium oxide (TiO2), and hematite (Fe2O3) concentrations are determined with nineteen different elements using WDXRF spectrometry in trace element analyses. Elemental analysis revealed that heavy metals such as cobalt, nickel, copper, lead and chromium and radioactive elements such as uranium and thorium are detected in the sediment structures. Lead concentration is measured as elevated especially in SK-1 sample. This elevated value is caused by the sediment structure around the lake which is natural.
XRD analyses of the samples are conducted using Bruker D8 Advantage, Panalytical X'Pert Powder, and Philips PW 1830 make and model equipment. Mineralogical compositions of the samples are determined in XRD analyses and the SEM images are defined using JEOL JSM-6390LAV equipment. SEM images manifested a complex structure due to the fact that the sediments are not standard materials and consist of various organic and inorganic compounds. A large number of peaks are obtained in XRD analyses corresponding to various minerals. It is seen that the detected peaks correspond to hematite (Fe2O3), quartz (SiO2), calcite (CaCO3), and corendon (Al2O3) among the minerals.
AMS spectrometry is used for radiocarbon dating method. According to the sample results; while sediment precipitation in SK-1 sample occurred in 5599 years, occurred in 7596 years in SK-2, and occurred in 8060 years in SK-3. Sedimentation rates are in SK-1>SK-2>SK-3 order. Based on the obtained data, it is observed that the sedimentation rate varies at various depths.

Keywords: Kulakçayırı Lake, sediment, natural radioactivity, gamma spectrometer, gamma dose rate, XRD, SEM, radiocarbon dating