Zonguldak havzası karbonifer istifindeki gazların miktar ve bileşimi

Abstract

İstanbul Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Jeoloji Mühendisliği Anabilim Dalı, Uygulamalı Jeoloji programında yüksek lisans tezi olarak hazırlanan bu araştırmanın amacı; Zonguldak Havzası Karbonifer isitifindeki gazların miktar ve bileşiminin incelenmesidir. Araştırma alanı, Batı Karadeniz bölgesinde, Zonguldak Taşkömürü Havzası ve Zonguldak ili sınırlanrı içinde yer almaktadır. Bu alanın içinde, Kozlu 20/K inceleme kuyusu Zonguldak ilinin batısında Kozlu Kömür İşletmesi sınırları içindedir. Diğer inceleme alanı olan Gelik 40/G kuyusu ve çevresi Zonguldak ilinin güneydoğusunda bulunmaktadır. Zonguldak bölgesinde litoloji ve kısmen tektonizmaya bağlı olarak engebeli bir topografya gözlenmektedir. Bölgede Karadeniz iklim koşullan hakimdir. İncelemenin yapıldığı Kozlu 20/K ve Gelik 40/G kuyuları ve yöresinde Paleozoyik ve Mesozoyik yaşlı birimler yüzeylenmektedir. Çalışma alanında sondajlar ile kesilebilen en yaşlı birim Namuriyen yaşlı Alacaağazı formasyonudur. Alacaağzı formasyonu denizel ortam ile karasal ortamın geçişini teşkil eden delta ortamında çökelmiştir. Bu formasyon kumtaşı, silttaşı, kiltaşı, kireçtaşı ve kömür ardalanmasından oluşmaktadır. Alacaağzı formasyonu uyumlu olarak denizel çökellerden oluşan Yılanlı formasyonu üstüne çökelmiştir. İçindeki yer yer karbonatlı seviyelerin denizin muhtelif zamanlarda yükselmesi sonucunda oluşmuştur. Alacaağzı formasyonunun tavanında Westfaliyen A yaşlı Kozlu formasyonu uyumlu olarak yer almaktadır. Benzer özellikteki bu iki birim kılavuz seviye olarak tanımlanan (0,5-4) metre kalınlığındaki bir kuvarsit seviyesiyle ayırtlanır. Birim örgülü akarsu çökellerinden oluşmaktadır. Kozlu formasyonunun devamı olarak kabul edilen Karadon formasyonu kozlu formasyonu üzerine uyumlu olarak gelir. Westfaliyen B,C yaşh Karadon formasyonu örgülü akarsu çökellerinden oluşmaktadır. Karbonifer yaşlı bu birimler genellikle çakıltaşı, kumtaşı, çamurtaşı ve kömür ardalanmasından oluşmaktadır. Kretase'de başlayan transgresyon sonucu çökelen Zonguldak formasyonuna ait birimler Karbonifer'e ait istifi uyumsuz olarak örtmüşlerdir. Zonguldak formasyonun tabanında Paleozoyik birimlerine ait olan 50-150 metre kalınlığında taban konglomerası bulunmaktadır. Bu seviyenin üstünde kireçtaşı, kumlu kireçtaşı, dolomitik kireçtaşı, gelmektedir. Formasyon, Öküşne kireçtaşı üyesi, İncüvez kırıntılı üyesi ve Kapuz kireçtaşı üyesi olarak üç üyeye ayrılmıştır. İncüvez üyesi gri, kızılkahverenkli, konglomera, kaba taneli kumtaşı, silttaşı, kiltaşı ve killi kireçtaşı ardalanmasından oluşmaktadır. -79-Zonguldak Havzası geçmişte yoğun tektonizmanının etkisi altında kalmıştır. Paleozoyik birimleri üzerinde etkili olan birinci tektonik aktivite Hersiniyen orojenezidir. ikinci aktivite ise Alpin orojenezidir. Mesozoyik çökelleri sadece Alpin orojenezinden etkilendiği için Paleozoyik çökellerine göre daha az deformasyon geçirmişlerdir. Zonguldak Havzasında iki büyük orojenik haraketin sonucunda havzada büyük ölçekli doğu-batı yönlü uzanıma sahip olan normal faylar gelişmiştir. Bu faylar ikincil olarak gelişen kuzey-güney yönlü faylar tarafından kesilmiştir. Gelik 40/G kuyusunun doğusunda doğu - batı yönlü uzanıma sahip olan Gelik antiklinali kuzey - güney yönlü sıkıştırma kuvvetleri etkisinde gelişmiştir. Yoğun tektonizmanın etkisiyle kömür damarları faylarla bloklara ayrılmıştır. Kozlu 20/K ve Gelik 40/G kuyularından alman örneklerde, direkt yöntemin bir türü olan headspace gaz kromatografisi yöntemi kullanılmıştır. Kozlu 20/K ve Gelik 40/G kuyuları açımı şurasında sistendi olarak toplam 41 adet örnek alınmıştır. Genelde her kömür damarından ve yan kayaçlarından birer örnek alınmaya çalışılmıştır. Örnekler sızdırmaz özellikteki headspace kaplarında korunmuştur. Gaz kromatografisi analizi için numune kaplarına septum ilave edilmiştir. Gaz miktarı hesaplaması için gerekli olan basınç değeri minimum hacme sahip bir manometre ile yapılmıştır. Headspace ölçümleri Fractovap 4160 Carlo Erba Strumentazione marka kromatograf ile yapılmıştır. Laboratuvar şartlarında yapılan ölçümler bilgisayar ortamma aktarılarak değerlendirilmiştir. Headspace ölçümlerinden sonra headspace hacmi ve kuru numune ağırlığı saptanmıştır. Gaz miktarının hesaplanması için Schafer (1984) tarafından geliştirilen analitik yöntem modifiye edilerek kullanılmıştır. Standart metan gazına göre yapılan kalibrasyon sonucu gaz bileşimleri ve miktarları hesaplanmıştır. Gaz miktarlarını normalizasyonu numunenin ağırlığı ve toplam organik madde miktarına göre yapılmıştır. Bu sebeple tüm örneklerde toplam organik karbon miktarı da (TOC) ölçülmüştür. Bu analizler için LECO -IR-22 cihazı kullanılmıştır. Kömür örneklerinin olgunluğunun saptanması amacıyla Rock-Eval piroliz analizi yapılmıştır. Bu ölçümler olgunluk değerinin derinlik ile olan değişimi ve kömürlerin sınıflanması için kullanılmıştır. Farklı basınç ve sıcaklık değerlerine göre suda çözünen gaz miktarı değişmektedir. Bunun belirlenmesi amacıyla değişik derinlikler için sıcaklık ve basınç değerleri saptanarak suda erimiş gaz miktarları hesaplanmıştır. Kozlu 20/K kuyusunda en fazla headspace gaz miktarı 822.00 - 1141.50 metrelerdeki kömür örneklerinde belirlenmiştir. Gelik 40/G kuyusunda ise en fazla gaz miktarı 723 -80-metredeki kömürde 10017,24 (Jİ/g) olarak bulunmuştur. Assosiye gaz ölçümlerinde en fazla gaz miktarı Kozlu 20/K 822.15 metredeki kömür örneğinde 1122,96 (pl/g), Gelik 40/G kuyusunda ise 723 metredeki kömür örneğinde 1046,871 (fil/g) ölçülmüştür. Headspace ve assosiye gazların miktarlarının toplamını derinliğe karşı incelediğimizde gaz miktarının derinliğe bağlı olarak değişmediği saptanmıştır. Headspace ve assosiye gaz bileşimlerinde metan'dan pentan'a kadar olan gazlar incelenmiştir. Bu gazların bileşimlerinin de derinliğe bağlı değişmediği görülmüştür. Kayaçlardaki gaz miktarı ve bileşimine etki eden faktörlerin en önemlisi litoloji olarak belirlenmiştir. En fazla gaz miktarı sırasıyla, kömür, silttaşı, kumtaşı, kireçtaşında ölçülmüştür. Organik madde yüzeylerinde adsorbe edilen gaz, organik madde miktarının artmasıyla gaz miktarının artmasına neden olmaktadır. Sedimenter kayaçlarda gaz miktarı ve organik madde miktarı arasında lineer bir artış belirlenmiştir. Kömür örnekleri depolama kapasitesinin altında gaz içerdikleri için organik madde miktarı ile gaz miktarı arasında belirgin bir ilişki bulunamamıştır. Kömürlerdeki olgunluk değerinin artmasıyla gaz miktarı artmaktadır. Oksijen ve hidrojen indekslerinin dağılımına göre Kozlu 20/K ve Gelik 40/G kömürleri m. tip kerojen ve hümik kömür çizgisi üzerinde yer almaktadırlar. Ayrıca vitrinit yansıması ve Tmax değerleri arasındaki fonksiyonel ilişkiye göre kömürlerin yüksek uçuculı bitümlü kömürler olduğu saptanmıştır. Dane boyutunun küçülmesi ile doğru orantılı olarak, kayaçlardaki assosiye gaz miktarı azalmaktadır. Kim (1977) tararından hazırlanan ve adsorbsiyon eğrisine göre hesaplanan gaz miktarları headspace yöntemiyle bulduğumuz gaz miktarından daha fâzladır. Bunun havzada 32 milyon yıl önce sona eren gaz oluşumu ve örneklerin alınması sırasındaki gaz kayıplarından kaynaklandığı düşünülmektedir. -81-

6. SUMMARY The aim of this study which has been prepared as an M.Sc. thesis for the Applied Geology Program at the Graduate School of Science of Istanbul University is to investigate the amount of gases and and its composition in the Carboniferous sequence of the Zonguldak Basin. The study area is located within the Zonguldak Coal Basin in the western Black Sea region. The Kozlu 20/K well is the Kozlu Coal Exploration Field and the Gelik 40/G well is located 15 km southeast of the Zonguldak town. In the Zonguldak area, there is rough topography owing to the lithology and tectonism. Climate is typical of the Black Sea region. In the study area, Paleozoic and Mesozoic age units outcrop. Within the study area the oldest unit transected by the wells is the Namurian age Alacaağzı formation. This formation was deposited in a deltaic environment constituting transition from a marine to a non-marine environment The Alacaağzı formation conformably overlies the Yılanlı formation which is composed of marine carbonates some limestones beds in the Alacagazi formation indicate a transgression of the sea. The Kozlu formation of Westafphalian A age lies conformably on the Alacaağzı formation. These two units are distinguished by a marker of 0.5-4 meter thick quartzite. The Kozlu formation is comprised of fluvial deposits. The Karadon formation of Westfalien B, C age consists of fluvial deposits. These Carboniferous units are in general composed of pebblestone, sandstone, mudstone and coal bed intercalations. As a result of a transgression beginning in Cretaceous, the Zonguldak formation was deposited on the Carboniferous formations. This formation begins by a 50-150 meter thick basal conglomerate derived from Paleozoic age units. Above this there is a unit consisting of limestone, sandy limestone and dolomitle limestone. This unit is separated into the Ökuşne limestone member, the İncüvez clastic member and the Kapuz limestone member. The İncüvez member is comprised of intercalations of gray, red-brown coloured conglomerate, coarse sandstone, siltstone, claystone and clayey limestone. -82-The Zonguldak area has been affected by intense tectonism. The Hercynian orogeny was the first tectonic activity affected the Paleozoic aged units. The second tectonic activity was the of Alpine origin. The Mesozoic age sediments are less deformed because of the fact that they were not affected by the Alpine orogeny. As the result of the orogenic activity, east-west trending faults were formed. These faults were transected by another set of north-south trending faults. The east-west trending Gelik anticline was formed by a north-south directed compression. As the result of intense tectonism, the coal seams were divided into blocks by faults. Samples taken from the Kozlu 20/K and Gelik 40/G wells, are analysed using the headspace gas chromatography method. Fourty-one samples were systematically collected. In general sampling was made from each coal seam and from underlying and overlying beds. The samples were preserved in sealed headspace cans. The pressure of the headspace is determined by a sensitive manometer. The headspace measurements were carried out by Fractovap 4160 Carlo Erba Strumentazione gas chromatograph. These measurements were evaluated respective by computer programs. The headspace volume and the dry sample weight were also determined. To compute the amount of gas, the analytical method developed by Schafer (1984) was used. The composition was determined by calibrating with the standart methane gas. The normalization of the amount of the gas was made according to the sample weight and total organic carbon content. For this reason, the total organic carbon content was measured, with LECO-IR-22 instrument. To determine the maturity of coal samples Rock-Eval pyrorysis was employed. The results were used for maturity determination and coal classification. The largest amount of headspace gas in the Kozlu 20/K well was determined at depths between 822.00-1141.50 meters. In the Gelik 40/G well, the largest amaount of gas was found at 723 meter. It was 10017.24 (ul/g). When investigated as a function of depth, the total of headspace and associated gas did not change with this parameter. Gases ranging from pentane to the methane were sought in headspace and associated gases. The lithology was found to be the most important factor for the amount of gas and its composition. The largest gas volumes were found in coal, siltstone, sandstone and limestone repectrvety. With decrease in grain size, the amount of associated gas also decreases. As the adsorption at organic matter surfaces is the main storage mechanism in sedimentary rocks, there is a linear relationship between the organic matter content and the amount of gas. Coal -83-samples however, do not show any obvious relationship between organic matter content and the gas amount as they are undersatured. With increasing maturity, the amount of gas also increases. According to the oxygen and hydrogen indicies, coals in the Kozhı 20/K and Gelik 40/G wells fall onto fields of type m kerogen and humic coal. According to the vitrinite reflection and Tmax values, they are high volatile bituminous coals. The amount of gas computed by Kim (1977) by adsorption curves, is more than the gas amounts determined by the headspace method. This deficit is considered to be caused by losses during sampling procedure. Another probable factor is the termination of gas generation in the basin about 32 million years before present. -84-