TOPRAK KİRLİLİĞİ VE
KONTROLÜ
Yrd. Doç. Dr. Serpil SAVCI
TOPRAK KİRLİLİĞİ VE
KONTROLÜ
Toprak Orijini ve Doğası
Toprak oluşumu
Rüzgar, akarsular, sıcaklık
değişimleri ve canlı
organizmalar gibi fiziksel ve
biyolojik etmenler yer
kabuğunu üst yüzeylerini
daha çok atmosfer, hidrosfer
ve biyosfere uyumlu ürünlere
dönüştürmek suretiyle
aralıksız olarak modifiye eder.
TOPRAK KİRLİLİĞİ VE
KONTROLÜ
Yer bilimciler bu oluşumların yer almış olduğu tüm
değişimleri kollektif bir terim olan ayrışma adı altında
toplamışlardır.
Mekanik ayrışmanın dominant olarak akarsuların ve
nehirlerin aşındırma eyleminden veya aşırı sıcaklık
değişimlerinden, biyolojik ayrışmanın ise direk veya
indirek olarak canlı organizmalardan kaynaklandığı ifade
edilebilir.
Bunlara oyuklar açan hayvanların eylemleri, bitki
köklerinin derinlere inme gücü, yosunların, bakterilerin,
likenlerin asit üreten asalak toplumların veya basitçe çok
çeşitli aktiviteleriyle yer kabuğuna sürekli olarak zarar
veren insanların tahrip güçleri gibi çok sayıda örnekler
verilebilir.
TOPRAK KİRLİLİĞİ VE
KONTROLÜ
Esas olarak toprak yer kabuğunun değişimine
ilişkin olup, hidrolojik çevrim ile de yakından
ilişkili olan bu karmaşık oluşumlar süresince katı
materyal çevrimi tarafından üretilen mineral ve
organik bileşiklerin doğal bir yapısıdır.
Bu üzerinde daha sonraki değişimler ve
gelişimler için bir bütün olarak global yer
sistemindeki gelişmelere ayak uydurabilmek
üzere materyal ortamı yaratmak üzere yer
kabuğundaki tüm güçlerin yer aldığı bir ortamdır.
TOPRAK KİRLİLİĞİ VE
KONTROLÜ
Dört temel geosphere (atmosphere,
lithosphere, hydrosphere ve biosphere)
arasındaki materyal akışını içeren
üniversal çevrimdeki rolünü de son derece
başarıyla gerçekleştirirken sayısız
organizma için bir barınak ve yaşam
ortamı sağladığı gibi bitkiler için de üreme
ve yaşama ortamı oluşturur.
TOPRAK KİRLİLİĞİ VE
KONTROLÜ
Bu nedenle bazı yazarlar toprağı ayrı bir
geosphere olarak ifade ederler ve
pedosphere diye adlandırırlar.
Pedosphere ayrıştırıcı güçler tarafından
oluşmakta ve sürekli olarak da değişime
uğramaktadır. Bu karmaşık doğalarına ve
yapısal oluşumlarına rağmen birkaç temel
türde olmaktadır:
Fiziksel ve Kimyasal Ayrışma
İri kayaların daha küçük partiküllere dönüştüğü
kimyasal ve minerolojik kompozisyonda önemli
bir kimyasal değişimin olmadığı parçalanma
olayları fiziksel ayrışma işlemi olarak bilinir.
Bu tür değişimler çöllerde ve arctic bölgelerdeki
gibi ekstrem iklimsel koşullarda yaygındır.Ayrıca
bu değişimler dağlık arazilerde de baskındır.
Fiziksel ayrışmanın en önde gelen örnekleri
• A) Derinlere yerleşik kayaların yüzeye
çıkışındaki boşalımın neden olduğu diferansiyel
stres
• B) Ekstrem iklimsel koşullar altındaki diferansiyel
termal genişleme
• C) Kristal bağlantıların kopmasına yol açan
çatlaklar arasındaki su hacminin donma
nedeniyle artması
• Diğer mekanik etmenler, mekanik ayrışmanın
etkilerini artırır. Bunlar; yerçekimi, buzlar
tarafından aşınmalar veya rüzgarla savrulan
partiküller gibi işlemler olabilmektedir.
KİMYASAL AYRIŞMA
Kimyasal ayrışma esas olarak suyun varlığına
bağlıdır. Çoğunlukla fiziksel ayrışmanın
sonrasında başlar. Çünkü katı maddelerin
parçalanması katı fazın aktive olmasına ve
bunun sonucunda da ileri aşamadaki kimyasal
değişimler için daha elverişli enerjik koşullara yol
açar.
Kimyasal ayrışmanın etkisi dramatik değişimlerin
ana kayayı tamamen değiştirebildiği ve büyük
jeomorfolojik değişimlerin yer aldığı jeolojik
çevrim içerisinde çok daha belirgindir.
KİMYASAL AYRIŞMA
Bu normalde aşağıdaki kimyasal
reaksiyonlardan birisi ile oluşur:
Oksidasyon: Toprak oluşumuna yol açan
pek çok işlemin yer aldığı vadose (havalı)
bölgede oksijenin, suyun ve çözünmüş
gazların varlığı, ortaya çıkan ürünlerinin
karakteristik renkleri ile şekillenmiş toprak
horizonlarına damgasını vuran oksidasyon
reaksiyonlarının dominant unsurlarıdır.
KİMYASAL AYRIŞMA
Bazı ılıman iklimlerdeki bölgelere ait toprakların
tipik sarı, kahverengi veya kırmızı renklerinin
oluşumuna proxene, amphibole mineralleri ve
olivin içindeki ferrous demirin ferric demire
oksidasyonu yol açar. Fe+2’den başka Mn+2 ve
S+2 de oksidasyondan çok yaygın olarak
etkilenen elementlerdir.
Ayrışma sırasındaki oksidasyonlara güzel bir
örnek, kayalar için hayli etkili olan sülfirik asit
oluşturmak üzere pyrite’nin oksidasyonudur.
KİMYASAL AYRIŞMA
Oksidasyon fonksiyonları vadose bölgede çok
etkilidir. Ancak bazı yerlerde oksidasyon sıvıları,
oksidasyon güçlerinin kullanımından önce taban
suyunun altına inebilmektedir.
KİMYASAL AYRIŞMA
Hydration ve Hydrolysis: Ayrışma ile toprak
oluşumunda karşılaşılan en önemli işlemlerdir.
Hydrolysis’de bir proton (H+) veya bir elektron
(OH-) üretmek veya tüketmek üzere su ile
mineral madde arasında uygun bir kimyasal
reaksiyon gerçekleşirken hydration’da su kristal
yapıyı içerisinde entegre olduğu bir madde olan
bir hydrate oluşturmak üzere katyonlar etrafında
bir zarf meydana getirir.Hydration’a tipik bir
örnek ise anhydrite’in jips’e dönüşümüdür.
KİMYASAL AYRIŞMA
Organik maddeler ve diğer kolloidal
materyal ile birlikte toprağın karakteristik
doğasını veren killer alüminyum veya
demir silikatların kil minerallerine veya
demir oksitlere dönüşümünü yönlendiren
hydrolys işleminin tipik ürünleridir. Buna bir
örnek albite mineralinin ayrışım sürecinde
kil, silika ve sodyum iyonları üretmek
üzere zayıf asitlerle reaksiyonudur.
KİMYASAL AYRIŞMA
Bu reaksiyondaki protonlar karbonik asit
veya bol miktardaki hümik asit gibi doğal
olarak oluşan asitlerden
sağlanabilmektedir.
Açığa çıkan Na-katyonları, kolloidal
partiküllerin yüzeylerinde absorbe
edilecekler veya eriyiğe aktarılacaklardır.
SiO2 ise kollodal silika veya kuartz olarak
çökelir.
BİYOLOJİK ETMENLERLE
AYRIŞMA
Biyolojik etki, ayrışım işleminde hiçbir toprak
oluşumu sırasında asla eksik olmayan bir
faktördür.
Baskın işlem ister mekanik ister kimyasal olsun
toprağın ilk ortaya çıkışında ve evriminde her
zaman mevcuttur.
Mekanik güç olarak köklerin zorla girişinin
yanında, yüzeye yakın katmanlarda kayaların
parçalanması ve karıştırılmasında sürüngenlerin
ve kemirgenlerin inanılmaz çabalarının toprağın
oluşumunda ve sonraki evriminde ne denli
önemli yeri olduğunun düşünülmesi gerekir.
BİYOLOJİK ETMENLERLE
AYRIŞMA
Bir örnek olarak demir veya sülfür’ün
oksidasyonunu verebiliriz.
Toprak Oluşumunu Kontrol Altında
Tutan Faktörler
İklim
Genelde ayrışma, özelde ise toprak
oluşumu işlemi büyük ölçüde iklimsel
faktörlere bağlıdır. Bunlar sadece ana
işlemleri ve materyal akışına ilişkin esas
çevrimdeki yönleri kontrol altında tutmakla
kalmaz ayrıca organik eklentileri, kristal
yapının bozulmasıyla oluşan mineral
değişiminin derecesini de etkilerler.
Toprak Oluşumunu Kontrol Altında
Tutan Faktörler
İklim
Bu tür değişimlerde kimyasal reaksiyonun
derecesinin her 10 0C’lik sıcaklık artışında ikiye
katlandığını ve maksimum organik madde
çürümesinin ise 25-35 0C’de gerçekleştiğini
bulmuştur. Ayrıca mineral değişiminin ve organik
madde çürümesinin derecesinin, yükseltinin
azalmasıyla artmakta olduğu da global olarak
gözlemlenebilir.
Toprak Oluşumunu Kontrol Altında
Tutan Faktörler
Canlılar
Aslında organizmaların rolü iklimsel kontrol
etkilerinden ayrı düşünülemez. Çünkü genellikle
bunlar biyo coğrafik koşullarla ilişkilidir.
Kemirgenler ve oyuklar açan hayvanlar
tarafından yapılan mekanik işlemlerden ayrı
olarak bakteriler ve bitki kökleri tarafından
tetiklenen kimyasal reaksiyonlar da daha
önceden de belirtilmiş olduğu üzere toprak
oluşumu işleminde çok önemli bir rol oynar.
Toprak Oluşumunu Kontrol Altında
Tutan Faktörler
Ana Materyal
Toprağın temel kaynağının daha önceki
kayalar veya ana materyal olmasından
dolayı toprak oluşumunun esas kontrolü,
direk olarak bu materyalin ayrışma
işlemlerine olan duyarlılığı ve bu işlemlere
eşlik eden kimyasal, fiziksel değişimler ile
ilişkilidir.
Toprak Oluşumunu Kontrol Altında
Tutan Faktörler
Ana Materyal
Sertlik, çatlama, yarılma, porozite ve dane
büyüklüğü gibi fiziksel özellikler parçalanarak,
suyun kaya katmanlarına süzülebilirliğine ilişkin
ana faktörleri oluşturur.
Oluşan toprağın farklı bir mineorolojik yapıya
özelliklere ve karakteristiklere dönüşümü de
direk olarak ana materyal ile ilişkilidir. Ana
materyal üzerinde oluşan ve ayrışmaya karşı
hayli dirençli olan topraklar daha az
kalınlıktadırlar. Ayrıca bunlar daha çok taşlı
materyal içerirler.
Toprağın Morfolojisi
Toprağın karakteristik özelliklerinden birisi
de günümüzdeki durumunu oluşturmak
üzere bileşenlerinin katmanlar arasındaki
organizasyonudur. Renkleri veya
tekstürleri sayesinde arazide kolaylıkla
tanımlanabilen bu katmanların her birisi
kimyasal özellikler ve
kompozisyonlarındaki farklılıkları yansıtır.
Toprağın Morfolojisi
Bunların en önemlileri ise pH, organik
madde içeriği, mineral bağıntısı özellikle
Fe ve Mn olmak üzere metal
konsantrasyonudur.
Toprak katmanları normal olarak
kalınlıkları birkaç santimetreden bir
metreye kadar hatta daha da fazla olabilen
horizonlar olarak ifade edilmektedir.
Toprağın Morfolojisi
En iyi gelişmiş topraklarda ideal profil
olarak üç ana horizon izlenir. Bunlar 0
horizonu ile ana materyalden oluşan ve R
horizonu olarak adlandırılan profilin altı
arasında bir geçiş bölgesi oluşturur. Bu,
basit kaya, taşınmış alüviyal buzul veya
rüzgarla taşınmış hatta önceki bir pedolojik
çevrime ait toprak olabilmektir.
Toprağın Morfolojisi
0 horizonu bitki ve hayvansal atıklardan elde
edilen %20-30 civarında organik madde içerir.
Organik artıkların tamamen toprak organik
maddesine dönüşümünden ibaret olan ve
humifikasyon olarak bilinen toprak oluşumu
işlemi bu bölgede gerçekleşir. Ortaya çıkan ve
organik maddelerin karışımından ibaret olup
koyu rengi ve bir anlamda asitsel doğalarıyla
bilinen materyal esas olarak mikroorganizmalar
arasındaki tüketici ve ayrıştırıcılar tarafından
üretilir.
Toprağın Morfolojisi
Ortadaki üç horizon A,B,C harfleriyle
gösterilir. Bunlar kum, silt, kil ve diğer
ayrışmış yan ürünlerden oluşur.
C horizonunun tamamen ayrışmasından
ortaya çıkan ve gerçek toprağı temsil eden
A ve B horizonları birlikte görülürler.
Bunlar solum adı altında toplanırlar.
Toprağın Morfolojisi
Genellikle koyu renkli organik maddece
zengin A horizonu bazı durumlarda A1,A2
ve A3 diye tanımlanan belirgin biçimdeki
alt bölümlere ayrılan yapıya sahip
olabilmektedir. Yıkanma işleminden
kaynaklanan renk farklılıkları bu alt
bölümlerin arazide tanımlanmasını
olanaklı kılmaktadır.
Toprağın Morfolojisi
Aslında A horizonunun humus ile mineral
daneler içeren koyu renkli üst katman olan
A1’e ve bunun altındaki daha az organik
madde içeren açık renkli horizona
dönüşmesinin nedeni A horizonunun üst
kısımlarında mevcut zengin organik
maddeler arasından suyun aşağılara
doğru süzülmesinden kaynaklanan
yıkanma işlemidir.
Toprağın Morfolojisi
A horizonunda çözünmüş materyal bazen
doymuş bölge olan yer altı suyuna ulaşır.
Ancak bunların çok büyük bir bölümü normal
olarak alt katmanlarda birikerek B horizonunu
oluşturur. Kolloidal materyal ve alüminyum
oksit yönünden B horizonunda birikirler ve bu
horizonun katmanlarının kil ve alüminyum
oksit yönünden zenginleşmesine neden
olurlar. Eğer varsa Fe oksitler horizona sarıkahverengi veya kırmızı renk verir.
Toprak Öğeleri
Genel olarak ifade etmek gerekirse toprak, her birisi bir dizi
karmaşık reaksiyonlardaki rolleriyle toprak oluşumunu sağlayan
katı,sıvı ve gazlardan oluşan üçlü bir boyutsal sistemdir.
Toprak Öğeleri
Mineraller
Topraktaki katı maddeler büyük ölçüde ana
kayanın doğasına ve kompozisyonuna bağlıdır.
Toprak mineralleri çok değişik şekillerde ve
kompozisyonlarda oluşurlarsa da belirli sayıdaki
temel gruplarda ifade edilebilir. Bunlar arasında
silikatler, yeryüzü kabuğunun ¾’ünün silikon ve
oksijenden ibaret olması nedeniyle en önemli
grubu oluşturur.
Toprak Öğeleri
Net ve artık yüklerine dayalı tetrahedra,
birleşik yapıların çok şekilli bir bileşiğinde
veya üç boyutlu bileşimlerinde kombine
eder ve buna göre de aşağıda sıralanan
farklı sınıflara ayrılır:
Toprak Öğeleri
1. Orthosilikat’ler
2. Zincir Silikat’ler
3. Tabaka Silikat’ler
4. Çerçeve Silikat’ler
Kil Minerallerinin Sınıflandırılması
Kil minerallerinin yapılarını tanımlayan üç
temel eleman mevcuttur.
Bunlar tabakalar, katmanlar ve kümelerdir.
Tabakalar yapısal olarak iki türdür.
Tabakaların kombinasyonu iki ayrı türden
ibaret olan katmanları oluşturur.
Kil Minerallerinin Sınıflandırılması
•
1.
2.
3.
4.
5.
Kil mineralleri katman yapılarına, bireysel
katmanlar arasındaki açıklığa ve
katmanlar arasındaki bileşenlere veya
çeşitlerine göre sınıflandırılırlar:
Kaolinite Grubu
Montmorillonite Grubu
İllite Grubu
Chrolite Grubu
Karmaşık Katmanlı Killer
Kaolinite Grubu
• Bu grup kümelerden oluşur. Grubun ana
üyesi mineral kaolinite’dir. Grubun diğer bir
üyesi hemen hemen aynı kompozisyona
sahip olmakla beraber küme içerisinde su
moleküllerinden oluşan iki katman
bulunduran halloysite’dır.
Montmorillonit Grubu
Bu grup dikey doğrultuda gruplanmış
tripletlerden meydana gelmektedir. Bu grupta
katmanlar arasındaki açıklık sadece nötrleşen
iyonlara değil aynı zamanda organik materyale
ve bunun yanında değişik sayıdaki su
moleküllerini barındırmak üzere genişleyen
kafes yapısıyla değişik sayıdaki su moleküllerine
de yataklık yapar.
Katmanlar arasındaki iyonların yerine bu
aralıklara eriyiklerin girmesi durumunda diğer
çözülmüş iyonlar geçebilmektedir.
İllite Grubu
Kümelenmiş tripletlerden oluşan bir yapıya
sahiptir.
Her katmanda yaklaşık -2 net bir katman yükü
bırakmak suretiyle Silisyum yerine Aluminyum
yer alır. Bu geriye kalan yük katmanlar
arasındaki boşluktaki K iyonunun katkılarıyla
dengelenir.
Bu suretle katmanlar arasındaki bağlantı
montmorillonite’deki zayıf iyonsal bağlantılardan
çok daha sağlam olmaktadır.
Chrolite Grubu
• Chrolite grubu yapısal olarak birbirini izleyen her
iki montmorillonite katmanının arasına bir brucite
Mg(OH)6 tabakasının yerleştirilmesi suretiyle
montmorillonite’den elde edilmiş olarak
görülebilir.
• Tek bir tabakanın kendi kendine bir tabaka gibi
fonksiyona sahip olduğu bu durum
montmorillonite’in Mg yönünden zengin olduğu
için bruce tabakalarının oluşumu için gerekli olan
Mg iyonlarını sağlayabilen deniz suyunda
chlorite dönüşümünün gözlemlenmesi ile
doğrulanır.
Karmaşık Katmanlı Killer
Bu grup temel kil minerallerinin düşey
doğrultuda düzenli veya rastgele olarak
yığılımları sonucunda oluşan bir yapıya
sahiptir.
Bu doubletlerin kümesi ile tripletlerin
kümesi arasında değişim olabilmektedir.
Değişimler sabit bir ritm izleyerek düzenli
veya bazı minör toprak bileşenlerinde
olduğu gibi düzensiz olabilmektedir.
Kil Minerallerinin Oluşumunu ve Değişimini
Kontrol altında Tutan Faktörler
Kil minerallerinin oluşumunu ve değişimini
kontrol altında tutan faktörler ana materyalin
kimyasal kompozisyonu ve içerisinde fiziksel
işlemin yer aldığı fizikokimyasal ortamdır.
Örneğin katyon olarak sadece Al ve Si içeren
kaoline, bazların sürekli olarak eriyikten bertaraf
edilmek suretiyle yüksek derecede bir Al/Si
oranının ortaya çıktığı ortamda oluşacaktır.
Kil Minerallerinin Oluşumunu ve Değişimini
Kontrol altında Tutan Faktörler
Böyle bir ortam burada tanımlandığı üzere
asitsel olmalı ve de bazların etkin bir biçimde
bertaraf edilmelerini sağlamak üzere son derece
etkin bir biçimde akışkanların derinlere
süzülebilme olgusuna sahip olmalıdır.
Bu nedenden dolayıdır ki, kaoline çok daha
yaygın olarak serbest drenajın ve suların
derinlere sızmasının artmış olduğu koşulların
olduğu hümid iklimlerde oluşmaktadır.
Kil Minerallerinin Oluşumunu ve Değişimini
Kontrol altında Tutan Faktörler
Kaolinite’nin aksine olarak montmorillonite grubu
mensuplarının düşük bir Al/Si oranına sahip oluşu ve
yüksek düzeydeki Fe,Mn,Na,Ca,Mg,K içeriği bazların
tutulmasını sağlar. Bu engellenmiş drenaj veya yüksek
evaporasyon derecelerine sahip nötr veya çok az alkali
ortamlarda olabilir. Buna göre montmorillonite, su
altındaki arazilerdeki veya yarı kurak iklimlerdeki
ayrışmaların tipik bir ürünü olarak kabul edilir. Toprakları
kötü drenaj koşullarına sahip olan arazilerde
montmorillonite’nin oluşumu onun genişleyebilir su
moleküllerini sağlaması ve barındırmasından
kaynaklanır.
Çerçeve Sillikate’ler veya Tektosillikat’ler
Toprakların çoğunda yaygın olarak bulunan
quartz ve feldspars gibi mineraller bu
strüktürdedir. Quartz Oksijen iyonlarına
bağlanmış Si-O altıgeninden oluşmuştur. Quartz
adı aslında yaklaşık 30 kadar çeşitliliğe sahip bir
mineral türü anlamındadır.
Kaya bileşikleri gibi feldspar’larda diğer herhangi
bir mineral grubundan çok daha önemlidir.
Aslında feldspar’lar volkanik kayalar içerisinde
tüm diğer bileşik gruplarla kıyaslanabilirler.
Çerçeve Sillikate’ler veya Tektosillikat’ler
Çünkü feldspar kayaların % 60’ını
oluştururlar ve onların sınıflandırılmasının
esası olarak görev yaparlar. Ayrıca silikat
minerallerinin temel özelliklerinden biri
olan isomorphic yer değişimine uğrarlar.
Bu oluşumda silikat kafesinde kristalin
elektrik yükünde bir dengesizliğe neden
olmak suretiyle bir iyon başka bir iyonun
yerine geçebilmektedir.
Download

TOPRAK KİRLİLİĞİ VE KONTROLÜ