Niksar yöresindeki bazaltların mühendislik özelliklerine ayrışmanın etkileri
The effects of weathering on the engineering properties of basaltts in the Niksar region
Yazar: ATİYE TUĞRUL UĞURLU
Danışman: PROF. DR. OKAY GÜRPINAR
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uygulamalı Jeoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1995
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Bazalt = Basalt ; Mühendislik özellikler = Engineering properties ; Tokat-Niksar = Tokat-Niksar

Özet:
Uygulamalı Jeoloji programında doktora tezi olarak hazırlanan bu araştırmanın amacı; Ayrışmanın, Niksar yöresindeki bazaltların mühendislik özelliklerine etkilerinin değerlendirilmesidir. Bu amaca yönelik yürütülen arazi çalışmaları ile Niksar ve dolayının 1/25 000 ölçekli jeoloji harita ve enine kesitlerinin yaraşıra, ayrıntılı araştırmaların gerçekleştirildiği Niksar Çevre yolu ile Ünye - Akkuş - Niksar yol güzergahları için 1 / 2000 ölçekli ayrışma haritalan hazırlanmıştır. İnceleme alanı, Tokat ili sınırlan içinde, Niksar ve Akkuş ilçeleri arasında yer almakta ve yaklaşık 209 km2' lik bir alanı kapsamaktadır. Canik dağlarının güney eteklerinde yer alan bu alan, kısmen tektonizmaya, kısmen de litolojiye bağımlı olarak engebeli bir morfolojiye sahiptir. Niksar - Akkuş dolayında yantropikal ( Akdeniz iklimi ) ile nemli orta enlem iklimlerine geçiş iklimi etkindir. Çalışma alanındaki en yaşlı kayaç grubunu, Alt - Orta Jura yaşlı Mudurnu formasyonu oluşturmaktadır. Volkanik kaya elemanlı çakıl taşlan ile başlayan bu birim, kumtaşı, çamurtaşı, tüf, aglomera ve marnlardan oluşan karışık bir seri görünümündedir. Mudurnu formasyonu ile uyumlu olan Bilecik kireçtaşı ise Orta Jura - Alt Kretase yaşlı olup, çört yumrulu kireçtaşlar ile temsil edilir. Bilecik kireçtaşının üzerinde uyumsuz olarak Üst Kretase yaşlı kireçtaşı - killi kireçtaşı - mam ve tüf ile temsil edilen Vezirhan formasyonu yer alır. Bu formasyonun üzerinde yine uyumsuz olarak Orta Eosen yaşlı kumtaşı, kumlu killi kireçtaşı, kiltaşı ve marndan oluşan Kusuri formasyonu bulunmaktadır. Kusuri formasyonu, üzerinde bulunan Hasanşeyh formasyonu ile yanal ve düşey geçişlidir. Bu formasyon bazalt, aglomera, otoklastik breş, tüf, tüffit, kumtaşı ve mamdan oluşur. Bölgenin faylarıma tektoniği ile ilgili olan Yolüstü formasyonu, aranda bulunan Hasanşeyh formasyonu ile ilişkisi yer yer uyumsuz ve feylıdır. Kelkit vadisi boyunca geniş alanlarda görülen ve Niksar ovasını dolduran alüvyon ise Kelkit ırmağı ve yan kollarının taşıdığı tutturulmamış veya gevşek tutturulmuş çakıl, kum, süt ve kilden oluşur. -152-Kuzey Anadolu Fay Zonu ve bu zonun kuzeyinde yer alan inceleme alanı, bölgenin genel tektonik yapışma uygun olarak ileri derecede kırıklı ve faylıdır. Faylar, Kuzey Anadolu Fay Zonuna koşut ve fay zonunu enine kesen faylar ile diğerleri olmak üzere, üç grup altında incelenmiştir. Alanda karmaşık bir kınk sistemi mevcuttur. Özellikle ana fay zonlar arasında kalan kesimlerde yoğun çatlak düzlemleri gelişerek kayaç kütleleri yer yer tamamen parçalıkınlı bir bal almıştır. Araştırmaların üzerinde gerçekleştirildiği Hasanşeyh formasyonuna ait bazaltlar, kendi aralarında makroskopik olarak üç fasiyese ayrılarak incelenmiştir. Bunlar, iri plajioklas fenokristalli bazaltlar, küçük fenokristalli bazaltlar ve iri piroksen fenokristalli bazaltlardır. İnceleme alanının, tektonik açıdan aktif bir bölge içinde yer alması, bu alandaki ayrışmada jeolojik yapının önemini arttırmıştır. Araştırmalann gerçekleştirildiği, Niksar çevreyolu güzergahının Ladik - Niksar - Bereketli Fay Zonuna yakın yer almasından dolayı, bu güzergahtaki kayaçlar Ünye - Akkuş - Niksar karayolu güzergahında yer alan kayaçlara oranla daha kırklı ve yer yer parçalanmış durumdadır. Çatlaklar oluşumlar açısından beş guruba ayrılmış olup; birincil çatlaklar, tektonik kökenli çatlaklar, küresel ayrışma kabuklan, ayrışma çatlaklar ve yapay ( patlatma vd. ) çatlaklar şeklinde değerlendirilmişlerdir. Bazaltlarda, ayrışmaya bağlı olarak gelişen zonlar, genellikle topografya yüzeyine paraleldir, kalıntı toprak, ayrışmış ve ayrışmamış kayaç seviyelerinden oluşan ayrışma profili, topoğrafik açıdan arazinin yüksek kesimlerinde korunmuştur. Araştırma konusu olan bazaltlar, fiziksel parçalanma ile birlikte kimyasal ve biyolojik ayrışmanın yaranda hidrotermal alterasyona da uğramışlardır. Birbirleri ile sürekli etkileşim halinde olan bu ayrışma idlerinin etkisini birbirinden ayırmak oldukça güçtür. Fiziksel ayrışma, kayaçta kütlesel gevşemenin yaraşıra, önceden var olan çatlakların büyümesine, süreksizlik sayışırım artmasına ve ayrıca kayacın parçalanma ve ufalanmasına sebep olmuştur. Bunun sonucunda hacim ve yüzey alanında artış, dane boyunda ise küçülme gözlenmiştir. Bazaltların çoğunlukla, ayrışmaya karşı duraylılığı az olan minerallerden oluşması, ayrışabilirliklerini arttırmıştır. Kimyasal ayrışma ile bu kayaçlardaki SiQ>, CaO, Na20 ve K20 azalmış, MgO ise artmıştır. Araştırmalarda, taze kayaya genelde yol yarmalarında rastlanılmıştır. Topografya, tektonizma etkileri, yeraltısuyu kotu ve mikroklimaran çok kısa mesafelerde değişmesinden dolayı, ayrışmanın her yerde aynı gelişmediği ve farklı derinliklere ulaştığı görülmüştür. Niksar çevreyolu güzergahında, yüzeyde bitkisel toprağın dışında, az ayrışmış kesimler başta olmak üzere, çok az ve çok ayrışmış 153-kesimler çoğunluktadır. Kuzeydeki Ünye - Akkuş - Niksar yolu güzergahında ise çok ayrışmış kesimler başta olmak üzere, tümüyle ayrışmış ve az ayrışmış kesimler çoğunluktadır. Arazi verilerine göre, inceleme alanındaki bazaltlar için yeni bir ayrışma sınıflaması geliştirilmiş ve bu sınıflamaya göre, bazaltlardaki ayrışma sekiz sınıflı ayrılmıştır. Bu sınıflama oluşturulurken kullanılan ölçütler; kaya kütlesinin rengi, dokusu, "kaya / zemin" oranı, çekirdek taşlarının bulunması, bunların renkleri ve şekilleri ile birlikte süreksizlik yüzeylerinin özellikleridir. Bazaltlardaki ayrışmayı sayısal olarak ifâde etmek amacıyla petrografik ayrışma indeksi tanımlanmış ve bu indeks her ayrışma derecesindeki örnekler için belirlenmiştir. Bunun yanısıra, önceki araştırmacıların geliştirdikleri mikroçatlak yoğunluğu ile kimyasal indeksler de kullanılmıştır. Petrografik ve kimyasal indekslere ek olarak, fiziksel ve mekanik özellikler de belirlenmiştir. Deneylerden elde edilen değerler basit regresyon analizleri yapılarak istatistiksel olarak değerlendirilmiş ve aralarındaki ilişkinin önem derecesi araştırılmıştır. Buna göre, bazaltların ayrışma dereceleri arttıkça, kuru birim ağırlıkları ile çekme dayanımlarının doğrusal olarak azaldığı, porozite ile geçirimlilik katsayılarının doğrusal olmayan bir şekilde arttığı, tek eksenli basma dayanımları ile teğet elastisite modüllerinin ise doğrusal olmayan bir şekilde azaldığı tespit edilmiştir. Çok fazla ayrışmış, tümüyle ayrışmış ve kalıntı toprak malzemeleri üzerinde yapılan granülometri deneylerinden elde edilen sonuçlara göre; çok fazla ayrışmış malzemelerin % 50' den fâzla bir kesimini çakıl boyutunda malzemelerin, tümüyle ayrışmış kesimlerin çoğunu kum ve süt boyutundaki malzemelerin, kalıntı toprak malzemelerini ise çoğun kil boyutundaki malzemelerin oluşturduğu belirlenmiştir. Ayrıca, Birleştirilmiş Zemin Sınıflamasına göre; çok fazla ayrışmış malzemeler genelde SM, tamamen ayrışmış malzemeler SM - SC, kalıntı toprak malzemeleri ise çoğun ince daneli olup yer yer SC sınıfında yer almaktadır. Plastisite abağında ise, çok fazla ayrışma derecesindeki malzemelere ait ince daneli zeminler CL - ML ile ML - OL sınıfında, tümüyle ayrışmış malzeme gurubundaki ince daneli zeminler CL ve çok az oranda CL - ML sınıfında, kalıntı toprak gurubundakiler ise çoğun CH sınıfındadır. Öte yandan, çok fazla ayrışmış malzemelerin çoğun düşük aktiviteli - düşük şişme potansiyelli, tümüyle ayrışmış malzemelerin genelde düşük ve orta aktiviteli - orta, düşük ve yüksek şişme potansiyelli, kalıntı toprak malzemesinin ise çoğun çok yüksek aktiviteli - yüksek ve çok yüksek şişme potansiyelli olduğu saptanmıştır. Yine aynı malzemeler üzerinde yapılan konsolidasyonlu - drenajsız üç eksenli basma deneylerinin sonuçlarına göre, çok fazla ayrışmış malzemelerin, tamamen ayrışmış ve kalıntı toprak malzemelerine oranla daha dirençli ve daha düşük kompressibiliteli olduktan belirlenmiştir. -154-Ayrıca üzerinde çalışılan bazaltların ayrışma ürünlerinin gözlenen davranışları ve bazı mühendislik parametreleri esas alınarak, çalışma alanında yapılacak değişik amaçlı mühendislik projelerinde karşılaşılması olası sorunlar özetle tartışılmıştır. 155-

Abstract:
The main scope of the research is to determine the effect of weathering on the engineering properties of basalt rocks in the Niksar region, besides a 1/25000 scaled geological mapping. A 1/2000 scaled detailed weathered rocks mapping project was carried out along the Niksar surrounding roads and Ünye-Akkuş-Niksar highway alignment The area of study is located within the boundaries of Tokat province and between Niksar and Akkus counties. Its surface area is approximately 209 km". The area situates on the Southern slopes ofCanik mountains and it has an irregular land morphology depending on the liihology and the tectonics of the region. Around Niksar and Akkus counties, the climatic condition is subtropical and it changes to the middle latitude climate with the humidity. The oldest rock stratum is the Lower and Middle Jurassic aged Mudurnu formation in the study area. At the bottom level, this stratum has gravel derived from the volcanic rocks and in the field it appears as a complex series that consists of sandstone, muds tone, tuff, agglomerate and marl. The Bilecik limestone with chert nodules has a conformity with the Mudurnu formation. The age of these deposits is Middle Jurassic and Lower Cretaceous. Upper Cretaceous aged Vezirhan formation disconformabty rests upon Bilecik limestone. Vezirhan formation comprises limestone, clayey limestone, marl and tuff. Middle Eocene aged Kusuri formation consists of sandstone, sandy clayey limestone, claystone and marl. These deposits disconformabty locate at the top of Vezirhan formation. In the area, at some places lateral and at the others vertical transitions exist between the Kusuri formation and the Hasanşeyh formations. The main rock types, which are basalt, agglomerate, autoclastic breccia, tuff, tuffite, sandstone and marl constitute Hasanşeyh formation. Depend on the fault tectonics of the region; Hasanşeyh formation shows partly unconfirmed parity faulted relation with the overlying Tolüstü formation. Alluvial deposits cover the large areas along the Kelkit valley as well as the Niksar plane. This alluvium is composed of uncemented, loose or cemented gravel, sand and clay deposits, which were transported by the Kelkit river and its branches. 156-The study area is extremely fractured and faulted depends on the general tectonic system of the region. The faults in the area are divided in three groups, which are; faults parallel to the North Anatolian Fault Zone, faults crossing the North Anatolian Fault Zone, and the others. It shows a complex fracture system. Due to having dense joint planes at the some sections of the area, particularly between the main fault zones, the rocks are partially and at some places completely fractured The basalt in the Hasanşeyh formation has been investigated by dividing it into three facies. These are basalt with coarse plagioclase phenocrystals, basalt with fine phenocrystals and basalt with coarse pyroxene phenocrystals. In point of the active tectonic in the study area, the geological structures came into prominence for the weathering processes. The rocks along the Niksar surrounding road alignment have more fractures than the out crops along the Ünye - Akkus - Niksar highway alignment, due to the Niksar road runs along the Ladik-Niksar-Bereketii Fault Zone. Depending on their genesis, fractures were divided in five groups; primary fractures, fractures have tectonic origins, exfoliation fractures, weathering fractures and artificial (blasting) fractures. The weathering zones are generally parallel to the topographical surface. According to the relief conditions, weathering profile, which consists of residual soils, weathered and unweathered rock levels, is protected in the areas where the elevation is high. The basalt rocks that are the main topic of this research have been subjected to the physical disintegration together with the chemical and biological weathering and hydrothermal alteration. Establishing their effect on the rock is quite difficult since, there has been an interaction between these different weathering processes. The physical disintegration caused the loosening the mass, enlarging of the previous fractures, increasing the amount of the discontinuities, crumbling and breaking down of the rock into small pieces. As the result of these phenomena, while the volume and surface area of the rock have increased, the grain size of the rock has decreased The abundance of the unstable minerals in the basalt reduces the rock strength. In these rocks the amounts of the SiÖ2, CaO, Na^O andK.2Q have diminished while the amount ofMgO rose with chemical weathering. It has been observed that, dissimilar weathering effects reach down to different depths of the fresh rocks cropped-out at the cut areas of the roads. The reason behind this is the differentiated effects of the topography, tectonics, groundwater, and microclimate. Along the Niksar ring road, besides the top soil, range of the weathered rocks are; slightly weathered relatively unweathered and extremely weathered respectively. On the other hand, to the North, along the Ünye-Akkuş-Niksar 157-highway the largest quantity of weathered rocks belongs to the extremely weathered group. The others, which follow the above group are completely and slightly weathered sections respectively. Considering the data obtained from the field, a new weathering classification system has been developed for the basalt rocks. According to this classification, the basalt rocks are divided in eight classes. During the preparation of this classification system, the criteria, which were taken into consideration are; the color and the texture of the rock masses, the "rock/soil" ratio, existence of the corestones and their color, shapes together with the features of the discontinuities. To give a quantitative description to the weathering degrees in the basalt rocks, petrographical weathering index was distinguished for the each sample, which was effected in different rates by the weathering processes. Apart from this index, microfracture density and chemical indexes, which were determined by the previous researchers were used to test the accuracy of the new classification system. In addition to the petrographical and chemical indexes, physical and mechanical properties were evaluated The experimental data were turn to account by using statistical regression analysis and the importance of the relation between these data was investigated The result of the statistical analysis proves that while the degree of weathering increases, the dry density and the tensile strength of the rock decreases linearly. The porosity and the permeability coefficients increase with non linear relation and the unconfined pressure strength tangent modulus elasticity of the rock decreases with a non linear relationship. In accordance with the results of the grain size distribution tests, which were carried out on the extremely and completely weathered rocks and on the residual soils, the following characteristics were obtained The extremely weathered rocks contain more than 50% gravel size. The completely weathered rocks consist of mostly sand and silt size material and the residual soils are composed of mostly clay size material. According to the United Soil Classification system, the extremely weathered materials are generally in the SM group. The completely weathered materials are SMSC type soils and the residual soils, which have mostly fine materials are partially in the SC group. On the plastisity chart, fine grained part of the extremely weathered materials are CL-ML andML-OL type soils and fine grain part of the complately weathered group are CL class soils but rearfy they are in the CL-ML classes. Finally, the residual soils are in the CH group on the plasticity chart. On the other hand, it was defined that, the extremely weathered materials mostly show low activity and low swelling potential The completely weathered materials generally give low to moderate activity and low to high swelling potential while the residual soils mostly show extremely high activity and -158.high to extremely high swelling potential. The interpretations, depending on the consolidated- undrained triaxial test results, indicate that the more -weathering processes effect the rock, the more the rock losses its strength and the more the rock gains compressibility. Additionally, the possible engineering problems encountered in the study area, during the construction of different projects have been briefly discussed on the basis of the new products, which have been derived from the basalt rocks by the weathering processes. -159-