İng. Hydrogeology
Hidrojeoloji; yer altı sularının, kaplıca ve maden sularının oluşumunu, kökenini, fiziksel ve kimyasal özelliklerini, hareketini ve çevre jeolojisi ile ilişkisini inceleyen bir bilim dalıdır.1 Bu bilim dalı ile uğraşan kişilere hidrojeolog denir. Hidrojeologlar, içme suyu temini, sulama planları ve diğer amaçlar için su kuyuları tasarlar ve inşa eder, su kaynaklarını sürdürmek için ne kadar su bulunduğunu keşfetmeye çalışır, suyun kalitesini araştırır, yeraltı suyunun kirlendiği yerlerde bu kirliliği denetlemek ve ortadan kaldırmak için plan ve tasarım yapar, inşaat ve madencilikle ilgili yeraltı suyu sorunlarını çözümler.
Doğada katı (kar, buz, kırağı), sıvı (su) ve gaz (su buharı) hâlinde üç fazda bulunan toplam su miktarı sabittir. İklim ve doğal koşullara bağlı olarak suyun litosfer ile atmosfer arasındaki sürekli hareketine hidrolojik döngü denir (Şekil 1).2 Su buharı, kara yüzeyinde ve su kütlelerinde buharlaşma ve canlıların terlemesi ile üretilir. Bu buhar atmosferde dolaşır ve yağmur veya kar olarak düşer. Yağış suları atmosferden farklı miktarlarda karbondioksit, diğer gazlar ve bazen radyoaktif maddeler ile az miktarda organik ve inorganik materyalleri bünyesine alır. Daha sonra bu sular yeryüzüne ulaştıktan sonra temasta bulundukları kayaç ve minerallerle reaksiyona girerler. Suyun bünyesindeki çözünmüş tuzlar suyun kimyasal bileşimini etkiler.1
Yeraltı suyu, yüzeyin altında bulunur. Atmosfer basıncına eşit veya daha yüksek bir basınçla sınırlandırılır, içinden hareket ettiği ve depolandığı gözenekli ortamı doyurur. Su, tanecikler arasındaki boşluklardan kırıklar, çatlaklar, eklemler gibi litolojik birimlerin süreksizliklerinden yüzeye ulaşabilir. Yeraltı suyunun hareket etmesi ve depolanması fiziksel kabiliyetine, ortamın geçirgenliğine yer kabuğunu oluşturan kayaçların kalınlık, doku ve yapısına bağlıdır. Ayrıca, yerçekimi ve basınç farklılıkları gibi değişik kuvvetlerin etkileşiminin neden olduğu dengesizlik, suyun sürekli hareket hâlinde kalmasını sağlayarak, kuyu ve pınarları besleyerek kuraklık dönemlerinde bazı akarsuların akışını korur.
Akiferler; yağmur, dolu, kar sonucunda toprak, kum, çakıl ve çatlaklı kayaçlar arasında dağılan suyla beslenir. Bu nedenle su, sıvıyı tutan veya geçmesine izin veren geçirgen kayalardan oluşan bir veya daha fazla jeolojik oluşumda depolanır. Yeraltı suyu hemen hemen her yerde bulunur, ancak uygun ve belirli yeraltı akiferlerinde sıkışıp kaldığında ve bol miktarda biriktiğinde işletim için önemli hâle gelir. Su, yer kabuğunun üzerinde ve içinde hareket ederken, toprakla ve kayaçlarla reaksiyona girer ve mineralleri bünyesine alır. Yüzey suyu ve yeraltı suyundaki ana çözünmüş bileşenler; sodyum karbonat, klorür, sülfat, potasyum, kalsiyum ve magnezyumdur.
Kuzey Kutbu’nda yağmur olarak düşen ya da kar ve buzdan eriyen su, okyanusa ulaşmadan önce farklı yollardan akar.3 Yüzey akışı rejimi ve hidrolojik süreçler döngüyü şekillendirir ve buzulların dinamiklerini etkiler. Buzullar karmaşık drenaj sistemlerine sahiptir. Eriyik su, buzul yüzeyinde (supraglacially), tünellerde, buzul içinden (englacially) buzul tabanına ve yatak boyunca buzul altında akabilir.3 Buzul akışının büyük günlük değişimleri vardır ve maksimum değeri yaz aylarında gerçekleşir. Kuzey Kutbu’ndaki nehirlerde su akışı mevsimsel bir karaktere sahiptir. Sonbaharın sonlarında, kışın ve ilkbaharın başlarında, buzul olmayan havzalarda nehirler donar.3 Erimenin olduğu mevsimde tipik olarak büyük bir su akışı varyasyonu vardır ve yazın bu akış azalır. Sürekli donmuş arazide yeraltı suyu hareketi sınırlıdır, çünkü donmuş toprak pratik olarak geçirimsizdir. Donmuş toprağın (permafrost) üzerinde, kışın donan ancak yazın çözünerek sızmaya olanak sağlayan ve yeraltı suyunun yeniden beslenmesine izin veren aktif bir katman bulunur.3
Su döngüsü, güneşten gelen enerjiden güç alır ve okyanus, atmosfer ve kara arasında sürekli bir nem değişimi olarak devam eder.
Su, dünyada iklimi ve ekosistemi derinden etkiler. Ayrıca büyük miktarlarda ısıyı depolama ve bu ısıyı okyanus akıntıları yoluyla çok uzak mesafelere taşıma kapasitesine sahiptir. Suyun katı fazı olan buz, sıvı sudan daha az yoğundur ve bu nedenle sıvı su üzerinde yüzerek altındaki suyu izole eder.3 Bu durum ister küçük bir gölet ister Arktik Okyanusu olsun, su kütlelerinin tamamen donmasını önler. Buzun yalıtkan etkisi, alttaki suyun en sert kışlar boyunca yaşamı sürdürmesini sağlar.3
Araştırmalar, okyanusların, denizlerin ve kara kökenli su kütlelerinin atmosferdeki nemin yaklaşık %90’ını sağladığını göstermektedir. Bitkiler kalan %10’u serbest bırakır (evapotranspitasyon). Ayrıca, su buharının çok küçük bir kısmı süblimasyon yoluyla atmosfere girer ve bu süreçte su doğrudan katıdan (buz veya kardan) gaza dönüşür.3 Su buharının yoğunlaşarak bulutları oluşturabilmesi için ortamda mevcut neme ve küçük atmosferik parçacıklara (aerosoller) ihtiyacı vardır. Oluşan bu bulutlardan bazıları, su döngüsünü sürdürerek, yağış olarak yeryüzüne geri düşecek kadar büyük yağmur damlaları veya buz kristalleri üretir.
Kuzey Yarımküre’de Dünya yüzeyinin %16’sını kaplayan buz ve kar kış boyunca Güneş’in ışıyan enerjisinin çoğunu uzaya geri yansıtarak iklimi derinden etkiler. Dünyada mevsimsel kar birikiminin mevsimsel erimeden (ablasyon) daha fazla olduğu yerler vardır. Kalıcı kar örtüsünün alt topografik sınırına kar çizgisi veya denge çizgisi denir ve bu çizginin üstünde buzullar ve buz tabakaları oluşabilir. Buzul, sürekli olarak yukarıdan aşağıya doğru hareket eden bir buz kütlesidir.3
Buz tabakaları ve buzullar, tatlı su için önemli rezervuarlardır. Dünyadaki tatlı suyun yaklaşık %75’i buzda, geri kalanı ise yeraltında veya göllerde, nehirlerde ve akarsularda depolanmaktadır. Buzdaki suların %75’inin yaklaşık % 91’i Antarktika buz tabakasında, % 8’i Grönland buz tabakasında ve kalan % 1’i Avustralya hariç her kıtada bulunan dağ buzullarında tutulmaktadır.3
Buzullar karmaşık drenaj sistemlerine sahiptir. Yağmur olarak düşen ya da kardan ve buzdan eriyen bir buzulun yüzeyindeki su; (i) birikim alanında karın içinden süzülerek buz tabakasına kadar, (ii) buzulun ucuna kadar yüzeyde, (iii) buzul kazanı yoluyla yatağa ve (iv) buzul altındaki tortularda oluşan tüneller boyunca yatak oluşturarak ince bir su tabakası şeklinde farklı yollarla okyanusa ulaşabilir.3 Buzul öncesi nehir (Proglacial), bir buzulun kenarından akan bir nehirdir. Bu nehirler, buzuldan gelen mevsimlik su kaynağından ve buzulun ucuna gelen büyük tortu fazlalığından güçlü bir şekilde etkilenir.3
Son yıllarda Kuzey Kutbu, hidrologlardan ve diğer disiplinlerde çalışan bilim adamlarından büyük ilgi görmeye başlamıştır. Günümüzde çoğu iklim modellerinde, iyi bilinen gelişmiş sera etkisine bağlı en büyük ısınmanın, özellikle kışın kuzeydeki yüksek enlemlerde meydana geleceği ileri sürülmektedir.4
Atmosferdeki daha yüksek su buharı konsantrasyonları, özellikle kuzey orta ve yüksek enlemlerde yağışlarda bir artışa neden olacağını öngörmektedir.5, 6 Bununla birlikte, yüksek enlem bölgelerinin hidrolojik sistemindeki değişiklikler yalnızca tüm Kuzey Kutbu ekosistemi için önemli sonuçlar doğurmayabilir, aynı zamanda bölgesel ve hatta küresel iklime geri besleme potansiyeline de sahip olabilir.4 Karda yansıyan güneş radyasyonunun oranını kontrol eden çok yüksek bir albedo (beyazlık) olduğundan, Kuzey Yarımküre’deki kar örtüsü kapsamındaki bir değişiklik küresel radyasyon bütçesini etkileyecektir.7 Dünyanın en büyük nehirlerinden bazıları Arktik Okyanusu’na akarken, Kuzey Kutbu nehirlerinin boşalım rejimindeki bir değişiklik, deniz buzu oluşumunu ve Kuzey Atlantik’e taze su girdisini etkileyebilir ve bu da termohalin sirkülasyonunda rol oynar.8 Kuzey Kutbu’nun küresel iklim ve hidrolojik sistemdeki bu kilit rolü nedeniyle, kuzey ortamlarındaki ilgili hidrolojik süreçleri anlamak önemlidir.
Kuzey Kutbu bölgesinden hidrolojik veriler elde etmek için ilk düzenli izleme istasyonu 1989 yılında kurulmuştur. Günümüzde bölgede sürekli kayıt yapan 5 adet istasyon bulunmaktadır. Güvenilir ve doğru hidrolojik verilere duyulan ihtiyaç, çevre ve su kaynaklarının yönetimi için önemlidir. İklim koşullarından dolayı bu tür veriler Kuzey Kutbu bölgesinde son derece azdır.
Kuzey Kutup Dairesi, yeraltı suyu akışı yönünden benzersizdir. Dairenin karasal alanlarının altında genellikle sürekli permafrost (kalıcı olarak donmuş zemin) bulunur. Permafrost, yeraltı suyu akışına bir engel görevi görebilir veya sıcak aylarda permafrostun üzerindeki aktif tabakadaki (mevsimsel olarak çözülen en üst tabaka) yeraltı suyu akışını sınırlayabilir. Permafrost ayrıca bir su kaynağı olarak hareket edebilir ve Arktik iklimi ısındıkça aktif tabakadaki yeraltı suyuna çözünür (Şekil 2).9
Kuzey Kutbu’nda karasal tatlı sularda ve deniz sularında hidrojeolojik olarak sınırlı sayıda çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalardan bazıları yeraltı suyu boşalımının varlığını belirlemeye bazıları da metan, inorganik besinler ve metaller gibi maddelerin sularda çözünerek taşınmasına yöneliktir.
Kuzey Kutbu’nda yeraltı suyu boşalımı ile ilgili en çok çalışılan karasal sistem, Toolik Gölü’dür.10, 11, 12 Kuzey Kutbu gölüne yeraltı suyu boşalımı ile ilgili başka bir çalışma, Kanada Arktik Bölgesi’ndeki Melville Adası’ndaki Shellabear Gölü’nde gerçekleştirilmiştir.13
Kuzey Kutbu’nda karasal sistemlerden bir diğeri olan nehirlerde yeraltı suyu boşalımına yönelik yapılan büyük ölçekteki çalışmalardan biri Yukon Nehri’nin tüm havzasını kapsamaktadır.14 Bu çalışmada araştırmacılar yeraltı sularından kaynaklanan havza içindeki nehirlerdeki su yüzdesini hesaplamak için su bütçesi hesaplamışlardır.14
Yeraltı suyunun boşalımının ölçüldüğü son karasal ortam buzul ortamlarıdır. Kuzey Kutup bölgesinde detaylı olarak Werenskiold Buzulu çalışılmıştır.15 Bu çalışmada buzulun ucundaki boşalma bölgelerini ve buzul altı eriyik sularının yollarını tanımlamak için ortamda elektriksel iletkenlik ve radon ölçümleri yapılmıştır.15
Sonuç olarak buzul çalışmaları, yeraltı suyu akışının buzulların altında dağınık sistem akışı şeklinde gerçekleştiğini ve çıkışta önemli miktarda suya katkıda bulunabileceğini göstermektedir. Ayrıca çalışmalar, buzulun altındaki suyun su-kayaç etkileşimi ile, çıkıştaki jeokimyasal içeriğinin (özellikle radon, su izotopları ve iletkenliği) etkilediğini ve erime mevsimi boyunca değiştiğini göstermiştir.16
Deniz sahalarındaki çalışmaların bazıları, donmuş toprak üzerindeki aktif tabakadan yeraltı suyunun boşalımına, bazıları da donmuş toprak altındaki donmamış akiferden (subpermafrost) yeraltı suyu boşalımına yöneliktir.11, 17, 18 Denizel çalışmalara göre, Arktik Okyanusu’nda yeraltı suyu boşalımı çeşitli yollar boyunca gelişebilir. Akışın, kaynaklarda nokta kaynak olarak ve buz oluşum bölgelerinde tuzlu su olarak aktif tabakadan boşaldığı gözlenmiştir.
Arktik Okyanusu’nda denizaltında yeraltı suyu boşalımı yoluyla havza ölçeğindeki çözünen akıların kısıtlanması gerekiyorsa, tüm bu tür boşalımların ve bunlarla ilişkili çözünen akının anlaşılması gelecekte önemli olacaktır.9
Antarktika buz tabakası Güney Kutbu’nda kıtasal kara kütlesi üzerinde yer alır ve 13, 9x106 km² alana ve 26,
9x106 km³ hacime sahiptir.19 Buz tabakası kıtanın iç kısmında 4 700 m’den fazla bir kalınlığa ve 4 000 m’den fazla bir yüksekliğe ulaşır.20 Antarktika’nın büyük bir kısmı bir kutup çölüdür ancak bu durum orada su olmadığı anlamına gelmez.21 Antarktika’da birçok su kütlesi (göl, akarsu, buzul buz ve kar) bulunur. Antarktika buz tabakasının kapladığı alanların en az yarısının, diğer kıtalardaki göllere ve sulak alanlara benzeyen sucul sistemlere sahip olduğu ve buzul altı suyunun yaygın olduğu bilinmektedir. Bununla birlikte, Antarktika’nın buzsuz bölgelerindeki yeraltı suyu ve bu suların kıyı kenarlarına bağlantısı hakkında çok az şey bilinmektedir. Bölgeye yağış şeklinde sadece kar düşer. Bu durum, toprağın çok kuru olduğu ve içindeki suyun büyük bir kısmının donmuş olduğu anlamına gelir. Topraktaki donmuş su tabakasına permafrost denir. Antarktika’daki akarsular ve göller, dünyanın diğer yerlerinde olduğu gibi yağışlarla oluşmaz. Antarktika çok soğuk olduğu için geçmişten günümüze yağan karın çoğu bugün buzullar ve buz tabakaları olarak karşımıza çıkar. Yeni kar yağışı, zemini kaplayan kalın buzullar ve buz tabakaları oluşana kadar önceki yıllardaki yağmış olan karları sıkıştırır.20 Antarktika’da su, çoğu zaman donmuş durumda olduğundan su döngüsü burada biraz farklı olup çok yavaş oluşur. Havanın donma noktasının sadece biraz üzerinde olduğu yaz aylarında buzullar ve buz tabakaları biraz eriyerek akarsular, dereler nehirler ve göllere akar. Antarktika’da göller kalın bir buz tabakasıyla kaplı olsa da buzun altında bol miktarda sıvı su bulunur. Buz tabanındaki suyun varlığı, son beş yılda 379 buzul altı gölün gözlemlenmesiyle kanıtlanmıştır.20
Antarktika buzul altı gölleri, Doğu ve Batı Antarktika Buz Levhalarının tabanında buz ve ana kaya arasında oluşan ayrı su kütleleridir.20 Antarktika buz tabakasının çok düşük yüzey sıcaklığına rağmen, buz tabakası tabanı basıncın etkisi, yalıtkan buz örtüsünün birleşik etkisi, gerinim ısıtması ve jeotermal ısı akışının birleşik etkisi ile aktif olarak erir. Erimiş su daha sonra yerçekimi kuvvetleri ve aşırı buz basıncı altında akar ve buzul altı gölleri oluşturan buzul altı topografik oyuklarda birikir. Buzul altı gölleri, Antarktika Buz Levhasının altındaki yaygın hidrolik sistemin önemli bir bileşenidir.20 Yüzey ve yeraltı sularının hidrokimyasal ve hidrodinamik çalışmaları Antarktika’da yalnızca sınırlı ölçüde yürütülmüştür.21
Şekil 1. Hidrolojik çevrim2
Şekil 2. Kuzey Kutbu’ndaki hidrolik gradyanlar, gelgit / dalga pompalama ve kaldırma kuvveti farklılıklarıyla yönlendirilebilen kavramsal bir yeraltı suyu akış modeli. 9
