Doğu Trakya Bölgesi (Silivri) ergene formasyonunda kum-çakıl üretimindeki atık killerinin mineralojik ve jeokimyasal incelenmesi
Mineralogical and geochemical investigation of waste clays in sand-gravel production in the ergene formation of Eastern Thrace Region (Silivri)
Yazar: AYŞE SEHRA ÖZKAN KOSİFOĞLU
Danışman: PROF. DR. RECEP FAHRİ ESENLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Doğu Trakya = Eastern Thrace ; Jeokimyasal analiz = Geochemical analysis ; Kil = Clay ; Kum = Sand ; Mineraloji = Mineralogy ; Çakıl = Gravel ; İstanbul-Silivri = İstanbul-Silivri

Özet:
Doğu Trakya bölgesi Ergene Formasyonu içerisinde, kum-çakıl üretimi amacıyla işletilmekte olan pek çok ocak bulunmaktadır. Üretim sonucu kilce zengin malzeme atık durumuna düşmekte ve ocaklara ait mil havuzlarında depolanmaktadır. İstanbul ili, Silivri ilçesi kuzeyinde; Çayırdere - Beyciler - Sinekli - Büyük Sinekli - Bekirli mahalleleri (köyleri) hattı, çalışma alanı olarak belirlenmiştir. "Doğu Trakya Bölgesi (Silivri) Ergene Formasyonunda Kum-Çakıl Üretimindeki Atık Killerin Mineralojik ve Jeokimyasal İncelenmesi" başlıklı bu çalışmada amaç; çalışma alanında yer alan dört kum-çakıl ocağı için atıl duruma düşen kilce zengin bu potansiyel rezervin malzeme karakterini belirlemek ve endüstriyel hammadde olarak kullanılabilirliğini minerolojik açıdan ifade etmeye çalışmaktır. Bu amaca yönelik olarak sahadan derlenmiş örneklerin mineralojik, petrografik ve jeokimyasal özellikleri incelenmiştir.
Doğu Trakya bölgesi ana olarak üç jeolojik topluluktan oluşmaktadır. Bölgenin kuzeyinde Paleozoyik yaşlı metamorfik ve magmatik kayaçlardan oluşan Istranca Birliği; doğusunda, Alt Ordovisiyen-Üst Kretase yaşlı metamorfik olmayan İstanbul Birliği yer alır. Doğu Trakya havzasının neredeyse tamamını kapsayan Orta Eosen-Pliyosen yaşlı Trakya Tersiyer Havzası birimleri ise; Istranca ve İstanbul Birlikleri'nin üzerinde yer alır. Çalışma alanı ve yakın çevresine bakıldığında Danişmen ve Ergene Formasyonlarına ait birimler gözlenmektedir. Çalışma alanının önemli bölümünü oluşturan Miyosen yaşlı Ergene Formasyonu (İstanbul Formasyonu - Kıraç Üyesi); Oligosen-Erken Miyosen yaşlı Danişmen Formasyonu'nun (çalışma alanında gözlemlenen; Gürpınar, Çantaköy Tüf ve Sinekli üyeleri) üzerine uyumsuz olarak çökelmiştir. Bu birimler üzerinde Kuvarterner yaşlı, çoğunlukla kum ve silt boyutlu bileşenlerden oluşan alüvyonlar yer alır.
Çalışmaya konu olan kum ocakları Ergene Formasyonu (İstanbul Formasyonu-Kıraç Üyesi) içerisinde yer almaktadır. Çoğunlukla tutturulmamış çakıl ve kil ile milden oluşan birim içerisinde, oluşum şekli ile ilişkili olarak, çapraz tabakalanma, teknemsi çapraz tabakalanma, kanal içi çökelleri ve benzeri yapılar gözlenebilmektedir. Baskın litolojinin kum olduğu formasyon içerisinde yaklaşık %20-30 oranında çakıl ve en az %10 oranında kil silt boyutlu malzeme bulunmaktadır. Yer yer kil seviyeleri (ve mercekleri) gözlemlenmektedir. Birim için gözlemlenebilen kalınlık 30-40 m arasındadır.
Ocakların kum-çakıl, kil seviyelerinden, stok malzemesinden ve mil havuzu çamurlarından örnekler alınmıştır. Seçilen örneklerle amaca yönelik; Binoküler mikroskop, petrografik-polarizan mikroskop, XRD, SEM+EDX, XRF ve ICP-MS analizleri gerçekleştirilmiştir. Ocak seviyelerinden alınmış tüvanan kum örnekleri ile gerçekleştirilmiş tüm çalışmalarda sonuçlar birbiriyle uyumludur. İncelemelerin birlikte değerlendirilmesi sonucunda kumlar için genel mineralojik bileşim; kuvars (+kuvarsit) (% 30-65) + feldspat (K-feldspat, plajioklaz) (% 10-55) + smektit (% 10-25) + illit-mika (%<5-10) + kalsit (% <5) + zeolit (%<5) + kuvarsit harici kayaç parçaları (%<20)" şeklindedir. Ocak ayna seviyelerini temsil eden bu örneklere ait sonuçlara bakıldığında; alttan üste doğru kuvars oranında azalmaya karşı feldspat oranında artış olduğu görülmüştür. Benzer ters ilişki; feldspat oranında azalmaya karşın smektit oranında artış şeklinde de gözlemlenir. Binoküler ve petrografik-polarizan mikroskop incelemelerinde, feldspatlarda gözlemlenen ayrışma kile (smektite) dönüşüm olarak yorumlanmıştır. Petrografik-polarizan mikroskop çalışmalarında bölge kumlarının hem K-feldspat hem de plajioklas içerdiği gözlemlenmiştir. Ayrışmanın çoğunlukla K-feldspatlarda gözlemlenmesi, oluşan smektitin büyük ölçüde K-feldspat kaynaklı olduğunun bir göstergesidir. Buna karşın, daha az oranda, plajioklas-smektit dönüşümü de söz konusudur. XRD analiz sonuçları ve SEM görüntüleri de bölgede sadece K-feldspat-smektit dönüşümü olmadığını göstermiştir. SEM incelemelerinde smektitlerin mısır gevreği veya gül rozeti benzeri morfolojilerde oldukları; feldspat kenarlarında, dilinim ve ikiz düzlemleri boyunca ve de pertitik zonlarında oluştukları görülmüştür. SEM incelemelerinde feldspatlara ek olarak, kum-çakıl birimlerinde az oranda bulunan mikaların kenarlarından itibaren smektite dönüşüm olduğu da gözlemlenmiştir. SEM-EDX analizi ile smektitlerin yaklaşık değerler olarak Si (%20), Al (%7), Fe (%5), Mg (%1,5), Ca (%1,5), K (%0,5) kimyasında olduğu ve yüksek Fe içerikli smektitler olabileceği görülmüştür. Bu sonuçlara ek olarak; kum örneklerine ait jeokimya analizi sonuçlarına bakıldığında kuvars/feldspat oran değişimleri ile smektit varlığı ve artışı majör oksit özelinde gözlemlenmektedir. Ayrıca, smektitle doğru orantılı olarak toplam iz ve nadir toprak element değer artışı söz konusudur. SiO2 oranında azalmaya karşın; feldspat-smektit dönüşümüyle, Al2O3, Fe2O3, MgO+CaO oranlarında artış ve Na2O+ K2O oranında azalma olduğu görülmektedir. Feldspat smektit dönüşümüyle ortaya çıkan feldspat kaybı, kimyasal bir sonuç olarak Na2O+K2O oranında azalma olarak gözlemlenmektedir. Na2O ve K2O majör oksit değerleri ayrı ayrı değerlendirildiğinde Na2O değerleri önemli bir fark göstermez. Bu durum bölge kumlarında çoğunlukla K-feldspat-smektit dönüşümü gerçekleştiğini göstermektedir. 
Bölgeden alınmış kil örneği (bentonit) için gerçekleştirilmiş XRD analizi sonucunda genel mineralojik bileşimin "smektit (%70-75) + illit-mika(%<5) + klorit-kaolinit (%5-10) + kuvars (%<5) + feldspat (%<5) + kalsit (%10-15)" şeklinde olduğu belirlenmiştir. Mil havuzu çamur örnekleri ve bu örneklerden hazırlanmış kil fraksiyonu ile gerçekleştirilen XRD analizleri sonucu belirlenmiş genel mineralojik bileşim ise smektit (%60-65) + illit-mika (%5-10) + klorit-kaolinit (%5-10) + kuvars (%5-10) + feldspat (%5-10) + zeolit (%<5, klinoptilolit)"şeklindedir. Kum, kil (bentonit) ve mil havuzu çamur örnekleri kullanılarak gerçekleştirilmiş XRD analizleri sonucunda bölgedeki ana kil mineralinin dioktahedral (d060 mesafe değeri 1,49 Å), Ca-smektit (smektit d001 mesafe değerlerine göre) olduğu belirlenmiştir. Kil fraksiyonu sonuçları, örneklerde ana kil minerali olan Ca-smektite ek olarak az ve eser oranda illit, klorit, kaolinit bulunduğunu göstermiştir. Ek olarak smektitin düşük oranda I/S (illit/mika) türü karışık katman içerebileceği belirlenmiştir.
Tüm bunlara ek olarak jeokimya çalışmaları sonucunda elde edilen değerler kullanılarak köken ve alterasyon indeksini gösterir diyagramlar oluşturulmuştur. CIA ve PIA değerlerinin smektitle de ilişkili olması sebebiyle ocakların kilce daha zengin alt seviye kumlarında alterasyon indekslerinin göreli yüksek olduğu saptanmıştır.
Gerçek rezerv değeri saptama amacı bulunmayan bu çalışmada, bölgedeki herhangi bir kum-çakıl ocağında gerçekleştirilen, 1 milyon ton kum-çakıl agregası üretimi sonucunda 100 bin ton atıl mil rezervi oluşacağı saptanmıştır. Bu rezerv özel bir ekonomik harcama gerektirmeden ortaya çıkan yan ürün olarak düşünülmelidir. Bu çalışma ile mineralojik karakteri belirlenmiş atıl durumdaki potansiyel bir hammaddenin değerlendirilmesine yönelik, jeolojik-mineralojik bir değerlendirme sunulmuştur.

Abstract:
Within the Ergene formation of the Eastern Thrace region, there are many quarries that are being operated for the purpose of sand and gravel production. As a result of production, the clay-rich material becomes waste and is stored in the silt ponds of the quarries. North of Silivri county in Istanbul province, Çayırdere - Beyciler - Sinekli - Büyük Sinekli - Bekirli neighborhoods (villages) line has been determined as the study area. The aim of this study, titled "Mineralogical and Geochemical Investigation of Waste Clays in Sand and Gravel Production in the Eastern Thrace Region (Silivri) Ergene Formation"; is to determine the material characteristics of this potential clay-rich reserve of the four sand and gravel quarries in the study area and to try to express its usability as an industrial raw material from a mineralogical point of view. For this purpose, mineralogical, petrographic and geochemical properties of the samples collected from the field were investigated.
The Eastern Thrace region mainly consists of three geological communities. In the north of the region, the Strandja Unit consists of Paleozoic aged metamorphic and igneous rocks. To the east is the Lower Ordovician-Upper Cretaceous non-metamorphic Istanbul Unit. The Middle Eocene-Pliocene aged Thrace Tertiary Basin Units, which cover almost the entire Eastern Thrace basin, is located above the Strandja and Istanbul Units. When the study area and its surroundings are examined, units belonging to the Danişmen and Ergene Formations are seen. Miocene aged Ergene Formation (İstanbul Formation - Kıraç member); was unconformably deposited on the Oligocene-Early Miocene Danişmen Formation (Gürpınar, Çantaköy Tuff and Sinekli members observed in the study area). These units are mostly covered by Quaternary aged alluvial deposits consisting of sand and silt sized components.
The sand quarries, that are the subject of the study, are located in the Ergene Formation (Istanbul Formation-Kıraç Member). Cross- bedding, boat-like cross- bedding, in-channel deposits and similar structures can be observed in the unit, which is mostly composed of unconsolidated gravel, clay, and silt. In the formation, where the dominant lithology is sand, there is approximately 20-30% gravel and at least 10% clay - silt - sized material. Clay levels (and lense-shaped clays) are observed in places. The observable thickness for the unit is between 30-40 m.
Sand, gravel, clay level, stocked material and silt pond mud samples were taken from the quarries. With selected samples; binocular microscope, petrographic - polarizing microscope, XRD, SEM+EDX, XRF, and ICP-MS analyzes were performed. The results of all the studies carried out with the unsorted sand samples taken from the quarry levels are compatible with each other. As a result of the evaluation of the studies together, the general mineralogical composition of the sands has been determined as "quartz (+quartzite) (30-65%) + feldspar (K-feldspar, plagioclase) (10-55%) + smectite (10-25%) + illite - mica (<5-10) + calcite (% < 5) + zeolite (<5%) + non-quartzite rock fragments (<20%)". Considering the results of these samples representing the quarry face levels, an increase in the feldspar ratio against the decrease in the quartz ratio from the bottom to the top was observed. A similar inverse relationship between the decrease in the feldspar ratio and an increase in the smectite ratio was also seen. In binocular and petrographic- polarizing microscope examinations, the weathering observed in feldspars was interpreted as conversion to clay (smectite). In petrographic - polarizing microscope studies, it was observed that the region's sands contain both K-feldspar plagioclase. The fact that the weathering is mostly observed in K-feldspars is an indication that the formed smectite is mainly from K-feldspar. On the other hand, to a lesser extent, plagioclase-smectite transformation is also present. XRD analysis results and SEM images also show that there was not only K-feldspar-smectite transformation in the region. In SEM examinations, it was observed that smectites were in cornflakes or rose rosette-like morphologies and formed at the edges of the feldspar, along the cleavage and twin planes, and in the perthitic zones. In addition to feldspars, in SEM examinations, it was observed that micas, which are rare in sand and gravel units, also transformed into smectite from their edges. With SEM-EDX analysis, it has been found that the approximate chemical components of smectites are Si (20%), Al (7%), Fe (5%), Mg (1.5%), Ca (1.5%), K (0.5%), and that there may be smectites with high Fe content. In addition to these results, when the results of the geochemical analysis of the sand samples are examined, the quartz/feldspar ratio changes, and the presence and increase of smectite are observed in the case of major oxides. In addition, there is an increase in total trace and rare earth element value in direct proportion to smectite. In contrast to the decrease in SiO2 ratio; as a result of the feldspar - smectite transformation, an increase in the ratios of Al2 O3, Fe2 O3, MgO + CaO and a decrease in the ratio of Na2O + K2O is seen. The loss of feldspar, which occurs with the feldspar - smectite transformation, is observed as a decrease in the ratio of Na2O + K2O as a chemical result. When Na2O and K2O major oxide values are evaluated separately, Na2O values do not show a significant difference. This shows that mostly K-feldspar- smectite transformation takes place in the sands of the region.
According to the XRD analysis, the general mineralogical composition of the clay (bentonite) sample taken from the region is "smectite (70-75%) + illite-mica (<5%) + chlorite-kaolinite (5-10%) + quartz (<5%) + feldspar (<5%) + calcite (10-15%)". The general mineralogical composition, which was determined as a result of XRD analyzes performed with silt pond mud samples and the clay fraction prepared from these samples, is "smectite (60-65%) + illite-mica (5-10%) + chlorite-kaolinite (5-10%) + quartz (5-10%) + feldspar (5-10%) + zeolite (<5%, clinoptilolite)". As a result of XRD analyzes carried out using sand, clay (bentonite) and silt pond mud samples, it was determined that the main clay mineral in the region was dioctahedral (d060 distance value 1.49 Å), Ca-smectite (according to smectite d001 distance values). Clay fraction results showed that in addition to Ca-smectite, which is the main clay mineral, little and trace amounts of illite, chlorite and kaolinite were found in the samples. In addition, it was determined that smectite may contain a low percentage of I/S (illite/mica) type mixed layers.
In addition to all these, using the values obtained resulting from geochemistry studies, diagrams showing the origin and alteration index were created. Since CIA and PIA values are also related to smectite, alteration indexes were found to be relatively high in the clay-rich lower-level sands of the quarries.
In this study, which does not aim to determine the actual reserve value, it has been determined that 100 thousand tons of idle silt reserve will be formed as a result of the production of 1 million tons of sand and gravel aggregate in any sand and gravel quarry in the region. This reserve should be considered as a by-product that does not require any special economic expenditure. In this study, a geological-mineralogical evaluation was presented for the evaluation of a potential raw material in an inactive state whose mineralogical character was determined.