Deniz tabanı topoğrafyasının hidrotermal dolaşıma etkileri: Lucky strike hidrotermal alanında çalışma
Effects of sea bottom topography on hydrothermal 
circulation: Study on LLucky strike hydrothermal
Yazar: ENGİN ERÇETİN
Danışman: DOÇ. DR. DOĞA DOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering

Özet:
Yeryüzünün herhangi bir noktasından yeraltına süzülen sular, magmanın etkisiyle ısınmış durumda olan sıcak kayaç ortamı ile karşılaştıkları zaman ısınırlar ve de ısınmış olan bu sular genleşmenin de etkisi ile geldikleri yoldan farklı bir güzergah üzerinden yeryüzüne doğru yükselmeye başlarlar ve yüzeye ulaşırlar. Bu sular yeraltında bulundukları ortamın sıcaklıklarına göre buhar ya da sıcak su olarak yeryüzüne çıkarlar. Bu tip döngülere sahip ortamlara hidrotermal kaynaklar denir. Genellikle hidrotermal kaynaklar volkanizmanın hakim olduğu noktalarda, fay ve benzeri kırık ve çatlakların bulunduğu oluşumlarda yer alırlar. Hidrotermal sistemlerin temel bileşenlerinden olan magmanın bulunduğu konum ise, ayrılma yaşanan sırtların morfolojisi için önemli bir faktördür. Magma odacığı deniz tabanı topoğrafyasına ne kadar yakın ise okyanus ortası yayılma hızı o kadar hızlı, deniz tabanından ne kadar uzakta ve derinde ise sırtta gerçekleşen yayılma hızı o kadar yavaş olacaktır.
Jeofizik yöntemler, hali hazırda aktif olan veya aktifliğini yitirmiş olan hidrotermal alanların bulunmasında kullanılan en etkili yoldur. Aktif olmayan hidrotermal alanların, doğrudan gözlem ile bulunması oldukça zordur. Özellikle bu bölümde jeofizik yöntemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Araştırmalarda önemli olan nokta yapısal oluşumları ortaya koyabilmektir. Bunun için yeriçi aramalarında faylanma, ara katmanların kalınlıklarında gözlemlenen ani değişimler, sıcaklık farklılaşması, akışkan hareketleri ve mineralizasyon farklılık gösteren temel parametrelerdir. Bu oluşumları bulmak için kullanılan başlıca jeofizik yöntemlerini sıralamamız gerekirse bunlar, sismik, gravite, manyetik ve mikrosismisitedir.
Bir ortamın gözenekli olduğunun söylenebilmesi için ilk olarak, ortam kendi boyutlarıyla kıyaslandığında, haznesinde küçük ve birbiri ile irtibat halinde bulunan boşluklar içermesi, ikinci olarak ise akışkan cisim, ortamın bir ucundan diğerine yol alıp çıkabilmelidir. Boşluklu yapılarda, bu akışların irdelenmesi açısından göz önünde bulundurulması gereken bir çok parametre vardır, gözeneklilik (porozite) ise bunların başında gelmektedir. Geçirimlilik (permeabilite) ise bu akışa etki eden bir başka önemli değişkendir. Gözenekli ortamın içinden akışkanın geçme parametresidir fakat akışkanın değil gözenekli ortamın bir özelliğidir. Poroz bir ortamda bulunan akışın debisi ise, bir başka deyişle zaman başına düşen hacimi, akışkanın yol süresince verdiği yük kaybı ile doğru, akış yolunun uzunluğu ile ters orantılıdır. 
Akışkanlar dinamiği fonksiyonlarının sıvı akışkanlarına uygulanabilmesi için, sistemin sınır koşullarının matematiksel değerler ile tanımlanmış olması gerekmektedir. Bu sebepten, poroz ortamda gerçekleşen akışın cebirsel ifadesi oluşturulsa dahi, bu teori, istatistiksel durumda ya da yalnızca akışın özelliklerine değinen kanunlara ait bir teori olmalıdır. Fakat akışkanın poroz ortamda edindiği hareket, Oberback-Boussinesq formülasyonu, akış fonksiyonu formülasyonu ya da boyut içermeyen formülasyon gibi farklı fonksiyonlarla da gösterilebilinir. Tez konusu çalışmalarda oluşturulan modellerde ise, yer içinde bulunan akışkanın hem sıcaklık dağılımları hem de Darcy hız vektörleri gösterilmekte olunup, boyutsuz formülasyon ile değerlendirilmiştir. Rayleigh sayısı ise, akışkan içerisinde ısı taşınımının nasıl gerçekleşeceğini belirleyen, boyut içermeyen bir sayıdır. Eğer Rayleigh sayısının değeri kritik değerden yüksek ise ısı iletim olayı taşınım (konveksiyon) yoluyla, eğer kritik değerden düşük ise iletim (kondüksiyon) yoluyla gerçekleşmektedir.
Akışkanlar mekaniği problemlerinin analizi ve çözümlenmesi için sayısal yöntem ve algoritmaların kullanıldığı akışkanlar mekaniği bilimi dalına hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) denir. Sonlu hacim yöntemi (SHY), özellikle büyük ölçekli problemler, yüksek türbülanslı akışlar için bellek kullanımı ve çözüm hızında bir avantaja sahip olduğu için hesaplamalı akışkanlar dinamiğinde yaygın olarak kullanılan bir yaklaşımdır. Ansys Fluent ise sonlu hacimler yöntemi kullanarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği problemleri çözümünde yardımcı olan bir programdır.
En kısa tanımıyla modelleme çalışmaları, gerçek olan görüntülere yakın görüntüler elde etmektir. Modelleme çalışmalarının en zor kısmı ise, parametrelerin hesabında işlenebilecek en küçük bir farklılık bile sonuç için muazzam değişikliklere sebebiyet verebilmesidir yanısıra hata payının kabul edilebilir seviyede asgari düzeyde olması ise en önemli durumdur. Mevcut tez çalışması içeriğinde bulunan modelleme çalışmaları, belirli geometrik sınırlarla belirlenmiş poroz ortamlarda, akışkanın hız ve doğrultusu ile yer altı sıcaklık durumunu belirlemek sebebiyle yapılmıştır. Bu çalışmalar, sonlu hacimler tekniği kullanan, hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı olan ANSYS FLUENT yazılımı eşliğinde gerçekleştirilmiştir.
Sismik kesitlerden yola çıkılarak oluşturulacak olan ve yer içi şekline uygun bir modelleme çalışmasından önce, poroz ortamda bulunan akışkanın fiziksel parametrelerini kontrol etmek amacı ve uygunluğunu görebilmek için bir takım test modelleri oluşturulmuştur. Kullanılan parametreler çalışma alanı olan Lucky Strike hidrotermal alanına uygun şekilde belirlenmiştir.
Bu kapsam içerisinde deniz tabanı topoğrafyası, tekli ve çoklu yükselimler oluşturacak şekilde modellenmiştir. Yanısıra tekli batimetrik yükselimlerde, genişlik ve yükseklik değerleri değiştirilerek topoğrafyanın etkisi incelenmiştir. Çoklu batimetrik yükselimlerde ise yükselim sayısı, yüksekliği ve genişliği farklı değerler girilerek sentetik modelleme çalışmaları tamamlanmıştır. Batimetrik olarak tek bir noktadan yükselme gösteren deniz tabanı topoğrafyasında çeşitli yükselimler için modelleme yapılmıştır. Magma odacığı ise modelin orta kısımlarında derinlerinde bulunmaktadır.
Bu çıkış noktası zaman içerisinde batimetrik yükselimin zirvesine doğru ilerlemekte ve de sonunda kararlı (steady-state) bir hal almaktadır. Bu zaman içerisinde yer değiştirme durumunun başlamasından sonra geçen süre ve kararlı duruma erişmeden göçün tamamlanması için gereken zaman, öngörülen batimetrik yüksekliğin yükseklik ve genişliğine bağlıdır. Modelleme çalışmalarımızın sonuçları, zaman içerisinde akışkanın yer değiştirme durumunun, topoğrafik yükselimin genişliği ile ters orantılı olduğunu ve yüksekliği ile doğrudan bağlı olduğunu göstermektedir.
Bilindiği üzere deniz tabanı topoğrafyası düzenli bir yapıya sahip değildir. Yeriçinde bulunan çeşitli akışkan hareketleri ve okyanus ortası sırtların yıllık açılma sürelerinin farklı olmasından ileri gelen bir takım düzensizlikler mevcuttur. Bu durum neticesinde modelleme çalışmasının sonraki bölümünde batimetrik yükselimin çoklu olması durumunda gerçekleşebilecek durumlar irdelenmiştir.
Modelleme çalışmasının yapıldığı bölge Atlas okyanusunun ortasında yer alan, Portekiz'e bağlı bir bölge olan Azor takımadalarında bulunan, 21 hidrotermal çıkış noktasına sahip ve yaklaşık 150 km2 alana sahip Lucky Strike Hidrotermal alanıdır. Fayların ve çatlakların geometrilerinin haritalanması ise sadece yansıma sismiği yöntemi ile gerçekleşmektedir. Bu sebeple hareket ederek modelleme çalışmalarına başlamak için öncelikle bölgede yapılmış olan sismik yansıma çalışmaları irdelenmiştir. Yapılan literatür çalışma neticesinde ise modelleme çalışmalarında, stratigrafik yorumlama ve yansıma gücü kesitlerinden yararlanılmıştır.
Bu çalışmada deniz tabanı topoğrafyasının hidrotermal sirkülasyona etkileri araştırılmış ve modellenmiş olunup, çalışma alanı olarak Lucky Strike Hidrotermal alanına uygulanmıştır. Çalışma kapsamında sırası ile öncelikle tek batimetrik yükselimin genişlikleri ve uzunlukları arasında ki fark incelenmiş olup ardından magma odacığının topoğrafik yükseltinin sağında ve solunda olması durumu irdelenmiştir. Bu çalışmaları takiben çoklu batimetrik yükselimin durumunda batimetrinin hidrotermal sirkülasyona etkileri araştırılmıştır. Bu esnada ise yine yükseklikleri ve genişlikleri birbirinden farklı 4 model oluşturulmuş ve modellenmiştir. Çalışmanın en son kısmında ise düzensiz fakat havza ortasından simetrik bir yapıya sahip olan Lucky Strike Hidrotermal alanında modelleme çalışması yapılmıştır.

Abstract:
The waters draining underground from any point of the earth are heated by the hot rock environment warmed by the influence of the magman and they warm up and reach the surface through a route which is different from the way that they are caused by the expansion. These waters emerge on the ground as steam or hot water depending on the temperature of the environment they are in. The environments with this type of cycling are called hydrothermal sources. Generally, hydrothermal sources are located at the points where volcanism is dominant, faults and similar fractures and cracks. The position of magma, which is one of the basic components of hydrothermal systems, is an important factor for the morphology of the separated ridges. The closer the magma chamber is to the top of the sea basin, the faster the spread of the center of the ocean, the farther away from the seabed and the slower the spreading rate in the back will be.
Geophysical methods are the most effective way to find hydrothermal areas that are currently active or have lost their activity. It is very difficult to find inactive hydrothermal areas by direct observation. Especially geophysical methods are needed in this section. The important point in the research is to be able to reveal the structural formations. This is the basic parameter for the interstitial search, the sudden changes in the thicknesses of the interlayers, the temperature variation, the fluid movements and the mineralization. The main geophysical methods used to find these formations are seismic, gravitational, magnetic and microscopic.
In order to be able to say that an environment is porous, first, the medium must contain small and interconnected gaps in its reservoir when compared to its dimensions, and second, the fluid body must be able to travel from one end of the medium to another. In hollow structures, there are a number of parameters that need to be taken into account in the study of these flows, and porosity is at the top of these. Permeability is another important variable affecting this flow. It is a parameter of the fluid passing through the porous medium, but a property of the porous medium, not of the fluid. In other words, the volume per time is inversely proportional to the length of the flow path, with the flow loss of the fluid over the course of the path.
In order for the theorem functions to be applied to liquid fluids, the boundary conditions of the system must be defined by mathematical values. Hence, even if an algebraic expression of flow in a porous environment is established, this theory must be a statistical theory or a theory of laws that only refers to the properties of flow. 
However, the motion of the fluid in the porous environment can be represented by different functions such as the Oberback-Boussinesq formulation, the flow function formulation, or the non-dimensional formulation. In the models created in the thesis work, both the temperature distributions and the Darcy velocity vectors of the in-situ fluid are evaluated and evaluated by the dimensionless formulation. The Rayleigh number is a dimensionless number that determines how the heat transfer in the fluid will take place. If the value of the Rayleigh number is higher than the critical value, the heat transfer phenomenon takes place by convection, and if it is lower than the critical value, by conduction.
Numerical methods and algorithms for analyzing and solving fluid mechanics problems are called computational fluid dynamics (HAD). The finite volume method (SHY) is a widely used approach to computational fluid dynamics, especially since it has advantages over large-scale problems, memory use for high turbulence flows, and solution speed. Ansys Fluent is a program that helps solve the problems of computational fluid dynamics using the finite volume method.
Modeling exercises in the shortest sense is to obtain close-up images that are real. The hardest part of modeling is that even the smallest difference that can be computed in the calculation of the parameters can lead to enormous changes to the result, as well as a minimum level of error in the acceptable level. The modeling works in the present thesis study are made in the porous media determined by certain geometric limits, to determine the velocity and direction of the fluid and the underground temperature condition. These studies were conducted in the context of ANSYS FLUENT software, a computational fluid dynamics program that uses the finite volume technique.
A set of test models has been developed to check the physical parameters of the fluid in the porous medium prior to a modeling study, which will be generated from the seismic sections and suitable for the in situ shape. The parameters used were determined in accordance with the Lucky Strike hydrothermal field, the study area.
Within this context, the topography of the seafloor was modeled to form single and multiple ascents. In addition, the effects of topography were investigated by changing width and height values in single bathymetric elevations. In multiple bathymetric elevations, synthetic modeling studies have been completed by entering different values for elevation, elevation and width. Modeling has been done for various elevations in the sea basin topography, which shows elevation from a single point. The magma chamber is deep in the middle parts of the model.
This vent point progresses towards the peak of bathymetric uplift over time and eventually becomes steady-state. The time elapsed since the beginning of the displacement situation during this time and the time required to complete the migration without reaching the steady state depend on the height and width of the prescribed bathymetric height. The results of our modeling studies show that over time, the displacement state of the fluid is inversely proportional to the width of the topographic elevation and is directly dependent on height.
As it is known, the topography of the sea basin does not have a regular structure. There are a number of irregularities that occur due to the different fluid movements in the location and the annual opening times of the ocean-centered backs. As a result of this, in the next part of the modeling study, the cases that can occur when the bathymetric rise is multiple are examined.
The area where the modeling work is done is the Lucky Strike hydrotermal area, which has 21 hydrothermal vent points and about 150 km2 area in the Azor archipelago, a region of Portugal connected to the Atlantic Ocean. Mapping of the faults and fracture geometry is done only by the reflection seismic method. For this reason, in order to start the modeling works by moving, seismic reflections studies made in the region have been examined. In the result of literature study, stratigraphic interpretation and reflection power sections were used in modeling studies.
In this study, the effects of hydrothermal circulation on the seafloor topography were researched and modeled and applied to the field of Lucky Strike Hydrotermal as a study area. First of all, the difference between the widths and lengths of the single bathymetric elevation was investigated and then the case of the magma chamber to the right and left of the topographic elevation was investigated. Following these studies, the effects of batimetrin on hydrothermal circulation in the case of multiple bathymetric ascension have been investigated. At the same time, four models with different heights and widths were created and modeled. In the last part of the work, a modeling study was carried out in the field of Lucky Strike Hydrothermal which is irregular but has a symmetrical structure from the middle of the basin.