Deniz tabanı topoğrafyasının hidrotermal dolaşıma etkileri: Lucky strike hidrotermal alanında çalışma

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.