SPELEOLOJİ VE PALEOİKLİM DENİZ ALTUNAY

Speleoloji nedir? Speoloji kelimesi Yunanca spelaion; mağara ve logos; bilim kelimesinden gelir. Speleoloji, mağaralarla ilgili fiziksel, kimyasal, biyolojik, jeolojik, mineralojik vb. gibi özellilerin incelenmesini kapasayan bir bilim dalıdır.

İlk Speleolojik çalışmalar 1900 yıllarına rastlar İlk Speleolojik çalışmalar 1900 yıllarına rastlar. 1859 yılında doğan Fransız mağarabilimcisi Eduard-Alfred Martel tüm yaşamını mağara araştırmalarına adamış ve bu araştırmaların pek çok disiplin içeren bir bilim dalı olarak kabul edilmesini sağlamıştır.

Mağara Nedir? Uluslararası Mağara Bilim (Speleoloji) Birliği’nin yaptığı tanıma göre mağara: İnsan geçişine izin verecek büyüklükteki ağzı ile kayaçta açılmış bir yeraltı boşluğudur.

Yazören Mağarası

Mağaraları oluşturan yeraltı boşlukları, lavlar içindeki gaz boşlukları (lav tünelleri) ya da molozları oluşturan kayalar arasındaki boşluklar şeklinde olabilmekle birlikte, mağaraların oluşumunda etkili başlıca süreç minerallerin çözünmesidir. Mağaralar çoğunlukla karbonat ya da evaporit minerallerinin yüzeyden kaynaklanan ya da derinlerden kaynaklanan sulu çözeltilerce çözünmesi sonucu oluşurlar.

Genellikle dünyada aynı cins arazilerde oluşan mağaraların en kolay oluşabileceği kayaçlar kireçtaşları, kalker, dolomit, kalsit ve jips gibi tortul kayaçlardır. Mağaralar kireçtaşı gibi tortul kayaçların olduğu yapıların dışında andezit, bazalt ve trakit gibi volkanik oluşumlarda da görülür. Ayrıca yine çok az olarak kumtaşı, granit gibi kayaçlar içinde bulunabilen mağaralar en büyük hacimlerine sadece tortul kayaçlarda ulaşmaktadır.

Karbonatlı kayalar içinde yeraltı boşlukları oluşmasının başlıca nedeni, bu kayaların suyun içerdiği asit tarafından çözünmesidir. Çözünmeyi sağlayan asit, hidrotermal-aktif alanlarda sülfürük asit tipinde olabilse de, karbonatlı kayalarda çözünmeyi genellikle karbonik asit sağlamaktadır. Karbonik asit, gazlı içeceklerde bulunan zayıf bir asit türüdür. Doğada suyla temas eden karbondioksit gazının suda çözünmesi sonucunda oluşmaktadır.

Mağara Çökelleri Nasıl Oluşur? Mağara çökelleri yüzeyden sızma sonucu mağaraya ulaşan yeraltı suyunun sızma sürecinde bünyesine aldığı kalsiyum, bikarbonat ve karbonat iyonlarının birleşerek kalsit şeklinde çökelmesi sonucu oluşmaktadır. Çökelim sırasında kalsit dışındaki karbonatlı minerallerin de oluşması mümkün olmakla birlikte mağara çökellerinin tamamına yakın bölümü kalsit mineralinden oluşmaktadır.

Mağaraya ulaşan yeraltı suyunun karbonatlı mineral çökeli oluşturmasının temel nedeni ise, mağara atmosferindeki karbondioksit basıncının, suyun dengede bulunduğu kök zonu karbondioksit içeriğinden daha düşük olmasıdır. Bu durumda, çözelti sahip olduğu karbondioksit kısmi basıncını, temasta olduğu atmosferik karbondioksit kısmi basıncı ile eşitlemek için bünyesindeki fazla karbondioksiti mağara atmosferine salmaktadır. Bu durumun günlük yaşamdaki örneği, açılan bir madensuyu şişesinde oluşan karbondioksit kaçışıdır.

Sarkıt-Dikit Gelişimi Sarkıt, dikit ve sütun gelişiminin şematik gösterimi

Sarkıtların büyüme hızı ortalama 0. 13 mm/yıldır Sarkıtların büyüme hızı ortalama 0.13 mm/yıldır. En çabuk oluşum kalsiyum karbonat ve karbondioksit açısından zengin ve hızlı akan suda olur. Böylesi ortamlarda büyüme yılda 3 mm’ye kadar çıkabilir. Her sarkıt, oluşumuna, ilk olarak mineral yüklü bir damla suyun düşmesiyle başlar. Damla düştüğünde ardında incecik bir kalsit halkası bırakır. Sonraki her damla ilk halkaya yeni kalsit halkaları ekler. Bu halkalardan çok dar (0.5 mm), içi boş, “makarna sarkıt / saman sarkıt” denilen tüpler oluşur. Tüpler tıkandığında su, tüpün dışından akmayı sürdürür, yine daha fazla kalsit açığa çıkar ve sarkıtın şekli daha tanıdık konik bir hal almaya başlar. Sarkıtın ucundan damlayan su, damladığı yere de kalsit bırakır. Bu damlalar sonucunda yuvarlak ya da konik dikitler oluşmaktadır. Sarkıtların aksine dikitler, hiçbir zaman içi boş tüp şeklinde oluşmazlar. Yeterince zaman geçerse bu oluşumlar, sarkıt ve dikitler birleşip, sütun oluştururlar.

MAĞARA ÇÖKELLERİNİN PALEOİKLİM ÇALIŞMALARINDA KULLANIMI Mağara çökellerinin paleoiklime ilişkin içerdikleri bilgiler çökelin, oksijen ve karbon izotop içerikleri ile iz element içeriklerindeki değişimlerden elde edilmektedir.

Mağara çökellerine dayalı paleoiklim çalışmasının içerdiği aşamalar: Bölge seçimi Mağara seçimi Örnek seçimi Yaş tayini Oksijen ve Karbon içeriklerinin belirlenmesi İz element içeriklerinin belirlenmesi Verilerin mevcut yerel/bölgesel kayıtlar ile karşılaştırılması ve yorumlanması

1)Bölge – Mağara – Örnek Seçimi Mağara çökellerinin paleoiklim amaçlı kullanımına dönük çalışmalarda, öncelikle uygun bölgenin belirlenmesi gerekmektedir. Çalışamaya uygun bölge daha önce çalışılmış alanlar arasında, bu alanlardan elde edilen verilerin içerdikleri soruların giderilmesi ya da eksik kayıtların tamamlanmasını sağlayabilecek nitelikte olmalıdır. Özetle, çalışma bölgesi bilimsel bir soruyu cevaplamaya yönelik olarak seçilmelidir.

Çalışma bölgesinden sonra, incelenecek mağara mevcut gözlemler ya da ek mağara araştırmaları ile belirlenmelidir. Bu kapsamda mağaranın bulunduğu bölgede geçmiş iklim koşullarının çökelim üzerindeki etkisi, mağaranın günümüzde ve geçmişte hangi hava akımlarına bağlı yağışlardan beslenmiş olabilecekleri gibi etkenler dikkate alınmalıdır.

Paleoiklim amaçlı çalışmalarda her türden mağara çökeli kullanılabilmekle birlikte, tercih edilen çökel tipi simetrik görünümlü, tepesi sivri olmayan dikitlerdir. Dikitlerin sarkıtlara ve diğer çökellere göre daha yavaş oluşmaları aynı uzunluktaki diğer çökellere göre daha yüksek zamansal çözünürlükte iklim bilgisi içermelerini sağlamaktadır. Paleoiklim kayıtları açısından en uygun dikitlerin seçimi konusunda kesin ölçütler bulunmamaktadır.

2) Yaş Belirleme Günümüzde mağara çökellerinin yaş tayininde kullanılan en yaygın yaklaşım, Toryum yaş belirme tekniğidir. Teknik, Uranyum izotopunun Toryum izotopuna bozunması sürecinden hareketle, örneğin oluştuğu andaki Toryum-Uranyum izotop oranı ile örnekte ölçülen Toryum-Uranyum izotop oranı arasındaki farkın belirlenmesine de dayanmaktadır. Yöntem, örneğin çökelim anındaki Toryum ve Uranyum içeriklerinin yalnızca bozunmaya bağlı olarak değiştiğini, dış ortamla etkileşimin olmadığını varsaymaktadır. Toryum yöntemi ile 1,000 ile 500,000 yıl arasındaki yaşlar belirlenebilmektedir.

Yaş belirleme çalışması öncesinde dikit, gelişim ekseni boyunca kesilerek ikiye ayrılmakta, içeriğinde bulunan, kalınlığı genellikle 10 ile 500 mikron arasında değişen yıllık/mevsimlik çökel şeritleri (Laminasyon) incelenmektedir.

Türkiye’yi de içeren mevsimlik yağışların oluştuğu ılıman iklim kuşağında gelişen mağara çökelleri, beslenimin güçlü (ilkbahar) ve zayıf (kış) olduğu dönemlerde çökelmiş her yıla ait iki laminasyondan oluşan ardalanma içermektedir. Genellikle, bitki kök zonundaki aktivite artışından kaynaklanan organik madde bolluğu nedeniyle ilkbahar-yaz laminasyonu, sonbahar-kış laminasyonuna göre daha koyu renkli olmaktadır. Bu durum, yüzeyde zengin bitki örtüsünün bulunduğu ortamlarda daha belirgin olup, bitkisel faaliyetlerin zayıf olduğu ortamlarda laminasyonların gözle görülebilmesi imkansızlaşmaktadır. Böyle durumlarda örneğin ultraviyole ışık altında izlenmesi laminasyonları daha belirgin hale getirmektedir. Laminasyonların incelenmesindeki temel amaç ise, örneğin çökelimde duraksama içerip içermediğinin belirlenmesidir.

Analitik yöntemlerdeki teknolojik gelişmeler sonucunda mağara çökellerindeki ölçüm hassaslığı +/- 15 yıl düzeyine kadar inmiş bulunmaktadır. Daha hassas ölçümlerin yapılmasındaki tek engel ise, çökelin daha küçük bölümlerinin örneklenebilmesindeki teknik yetersizliklerdir. Mağara çökellerine dayalı paleoiklim çalışmasında incelenmesi gereken örnek sayısı konusunda kesin bir ölçüt yoktur. Bazı durumlarda, tek bir örnekten oldukça ayrıntılı veriler üretilebilmekteyken, bazı durumlarda ise çok sayıda örnekten ayrıntılı bir kayıt oluşturulamamaktadır.

Günümüzde örneklerin Toryum ve Uranyum içerikleri MC-SF-ICP-MS (Çok Toplayıcı-Elektromıknatıs Obinli- Endüktif Eşlenik Plazma – Kütle Spektrometresi) cihazları ile ölçülmektedir.

3) Oksijen ve Karbon İçeriğinin Belirlenmesi Mağara çökellerinin Oksijen içerikleri, Çökelin oluşum dönemindeki yağışın kökeni ve ortam sıcaklığı hakkında bilgi vermektedir. Yine benzer biçimde, çökelin içerdiği Karbon sinyali dış ortamdaki bitki örtüsünün zenginliği ve tipi hakkında bilgi vermektedir. Yaş tayini sonucunda Oksijen ve Karbon içeriğinin belirlenmesi amacıyla incelenecek örneklerden elmas uçlu dişçi matkabı kullanılarak kaba çözünürlükte toz örnekler alınmakta ve Oksijen ve Karbon içerikleri belirlenmektedir. Seçilen örnekler, mağara içinde hava akımlarının oluşmadığı, yıl içi sıcaklık salınımlarının en düşük düzeyde olduğu iç, kuytu kesimlerden alınmaktadır.

Dikit gelişim ekseni boyunca alınan toz örneklerin Oksijen ve Karbon İçerikleri IRMS (İzotop Oranı Kütle Spektrometeresi) ile belirlenmektedir.

4) İz Element İçeriğinin Belirlenmesi Mağara çökellerinin iz elementleri, çökelin oluşum anında dış ortam koşulları hakkında bilgiler sağlamaktadır. İz elementler mağara çökeli içinde; - kalsit kristal örgüsünün bir bileşeni -örgü içi ikincil çökeller -sıvı kapanımlar içindeki iyonlar şeklinde bulunabilmektedir.

Mağara Çökellerinin iz element içeriğinin belirlenmesinde en yaygın kullanılan teknik, LA-ICP-MS (Lazer Aşındırma –Endüktif Eşlenik Plazma-Kütle Spektromesi) tekniğidir. Bu teknikte, dikit örneğinin gelişim ekseni boyunca kalın kesitler (1-2 mm) hazırlanarak iz element içerikleri bağıl büyüklük olarak belirlenmektedir.

ÖRNEK UYGULAMALAR

Bu bölümde mağara çökellerinden elde edilen paleoiklim bilgilerine ilişkin bazı örnekler sunulmaktadır. Örnek çalışmalar: -Dünya genelindeki çalışmalar -Türkiye’deki çalışmalar

1) Dünya Genelindeki Çalışmalar Hulu Mağarası ve GISP Kayıtlarının Karşılaştırılması Çin’deki bazı mağaralara ait dikitlerden elde edilen Oksijen kayıtları son 20 yıl içindeki paleoiklim çalışmalarının yönünü belirleyen oldukça önemli bulgular sağlamıştır. Bu çalışmalardan öne çıkanlardan birisi de Hulu mağarası dikitleri Oksijen kayıtları ile GISP buzul karotu Oksijen verileri arasındaki benzerliktir. Bu çalışma Wang vd. (2001) tarafından yapılmıştır. GISP2 (Greenland Ice Sheet Project Two), Grönland buzul örtüsünde gerçekleştirilen sondajdan elde edilen yaklaşık 3050 metre uzunluğundaki buzul karotunun adıdır.

Hulu mağarası dikitlerine ait Oksijen kayıtları ile Grönland GISP2 buzul karotuna ait Oksijen kayıtlarının karşılaştırılması

B) Buzul Dönemi Sonlanması Mağara Çökellerinden elde edilen, küresel ölçekte, paleoiklim araştırmaları açısından büyük önem taşıyan bir diğer çalışma ise Cheng vd. (2009) tarafından yapılmıştır. Son 5 buzul döneminin sonlanmasında etkili olan süreçlerin incelendiği bu çalışma, Çin’de bulunan Sanbao mağarasına ait Oksijen verilerine dayanmakta ve bu kayıtlar ile Milankovitch Döngüleri olarak bilinen yerküre eksenindeki döngüsel değişimler arasındaki ilişki incelenmektedir.

Sanbao mağarasının Oksijen kayıtlarının karşılaştırma tablosu

2) Türkiye Genelindeki Çalışmalar Kuvaterner’de Karadeniz-Akdeniz Bağlantısı Kuvaterner’de Karadeniz ile Akdeniz arasındaki bağlantının değişen iklim koşullarından nasıl etkilendiğini açıklayan bir çalışma örneğidir. Zonguldak civarında bulunan Sofular mağarası dikitinin Oksijen kayıtları kullanılarak Badertscher vd. tarafından 2011 yılında gerçekleştirilmiş bir çalışmadır. Araştırmacılar bu çalışma sonucunda son 650,000 yıl boyunca Karadeniz ile Akdeniz arasındaki bağlantının daha önce düşünülenden çok daha sık biçimde gerçekleştiğini göstermiştir. Bulgular ayrıca Karadeniz’in en az 7 kez Hazar Havzası’ndan kaynaklanan sularla da beslendiğini göstermiştir.

B) Holosen’de Anadolu ve Çevresinde Yağış Rejimi Sofular mağarasına ait dikit örneklerinden elde edilen Oksijen kayıtları ile diğer iklim göstergeleri kullanılmıştır. Göktürk vd. tarafından 2011 yılında gerçekleştirilen bir araştırmadır. Bu çalışmada son 12,000 yıllık dönemde Anadolu ve çevresindeki yağış rejimi araştırılmıştır. Bulgular özellikle günümüzden 9,500-7,000 yıl öncesini kapsayan dönemde iklimin günümüze göre daha yağışlı olduğunu, 5,500- 4,500 yıl aralığında ise azalarak günümüzdeki düzeye indiğini göstermektedir.

Holosen boyunca Muson ve Doğu Akdeniz bölgelerine ait çeşitli paleoiklim kayıtlarının karşılaştırılması.

C) İz Element İçeriği – İklim İlişkisi Şenoğlu tarafından 2006 yılında yapılan bu çalışma, Eskişehir’deki Yelini mağarasından alınan bir dikit örneğinin gelişim ekseni boyunca iz element içeriğinin değişimi LA-ICP-MS tekniği ile incelenmiştir. Elde edilen veriler, bazı elementlerin bolluklarının paralel değişim içinde olduğunu göstermiştir. Gelişim ekseni boyunca karbonat, alüminyum-silikat ve organik madde kökenli olduğu düşünülen elementlerin bolluklarındaki değişimin iklim koşullarındaki değişimle ilgili olduğu görülmektedir. Gelişim ekseni boyunca Magnezyum bolluk değişimin dikitin gelişim dönemindeki dış ortam sıcaklığı ile orantılı olduğu belirlenmiştir. Bu durum, güncel çökellerde dikitlerdeki Mg içeriğinin mağara sıcaklığı ile birleştirilmesi durumunda, dikit verileri kullanılarak paleo-sıcaklık tahmini yapılabileceğini göstermektedir.

D) Orta Karadeniz Bölgesinde Son 500 Yıldaki Yağış Rejimi Mağara çökellerinin Oksijen kayıtlarından hareketle elde edilen paleoiklim bilgilerinden birisi de yağış miktarıdır. Jex vd. tarafından 2011 yılında Gümüşhane’de bulunan Akçakale mağarasında bu tip bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Dikitlerin Oksijen içeriği, oluşumlarını sağlayan yağışın Oksijen içeriği ile ilişkilidir. Jex vd. çalışmalarında 1938-2004 yılları arasındaki yerel yağış miktarı ve Oksijen içeriği ile aynı dönemde oluşan çökellerin içerikleri arasında istatistiksel bir ilişki kurmuştur. Bu ilişki ve çökel Oksijen içerikleri kullanılarak bölgenin 1500-2005 yılları arasındaki son 500 yıllık yağış rejimi tahmin edilmiştir.

E) Orta Anadolu Batısında Son 700 Yıldaki Yağış Rejimi Eskişehir’deki Yelini mağarasından alınan bir dikit örneğinin gelişim ekseni boyunca belirlenen Oksijen içeriğinin mağara yakınlarındaki Sivrihisar meteoroloji istasyonunun aletsel yağış gözlemleri ile birleştirilmesi sonucunda 1340-2004 yılları arasını kapsayan döneme ait paleo-yağış serisi oluşturulmuştur. Tahmini yağış serisi ile dikitin Karbon içeriğinin karşılaştırılması sonucunda, kök zonu Karbon içeriğinin yağış bolluğuna paralel bir seyir izlediği görülür. Kadıoğlu (2011) tarafından sunulan bilgilere göre, Türkiye’nin kıtlık ve açlık tarihçesi ile Yelini mağarası paleo-yağış değişimleri arasında dikkat çekici paralellikler bulunmaktadır. Örneğin: 1564-65, 1595-98, 1611, 1828, 1873-74 yıllarında yaşanan kıtlık olayları Yelini kayıtlarında yağışların düşük olduğu dönemlere karşılık gelmektedir.

KAYNAKÇA http://www.mta.gov.tr http://www.obruk.org Bayarı, S. 2012. Speleoloji ve Paleoiklim. İç: Kuvaterner Bilimi, Ed: Kazancı, N. Ve Gürbüz, A., Ankara Üniversitesi Yayınları, Ankara, s.411-436 Erlat, E. 2012. İklim Sistemi ve İklim Değişmeleri, Ege Üniversitesi Yayınları, İzmir, s.116-118 Şenoğlu, G. 2006. Mağara Çökellerinin İz Element İçeriğinden Paleoiklim Koşullarının Belirlenmesi, Yüksek Mühendislik Tezi, Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 106 s. http://www.mta.gov.tr http://www.obruk.org