FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
SMOKY (DUMANLI) KUVARS TAŞININ GEMOLOJİK ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI
Yasemin KANTARÇEKEN
Danışman
Prof. Dr. Zeki ÇİZMECİOĞLU
YÜKSEK LİSANS TEZİ
MÜCEVHERAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ISTANBUL - 2021
KABUL VE ONAY SAYFASI
Yasemin KANTARÇEKEN tarafından hazırlanan “Smoky (Dumanlı) Kuvars Taşının Gemolojik Özelliklerinin Araştırılması” adlı tez çalışması …/…/….
Tarihinde aşağıdaki jüri üyeleri önünde başarı ile savunularak, İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Mücevherat Mühendisliği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Danışman Prof. Dr. Zeki ÇİZMECİOĞLU İstanbul Ticaret Üniversitesi
Jüri Üyesi Dr. Öğr. Üyesi Muhammet CEYLAN İstanbul Ticaret Üniversitesi
Jüri Üyesi Prof. Dr. H. Haluk SELİM İstanbul Gelişim Üniversitesi
Onay Tarihi: 27.09.2021
İstanbul Ticaret Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsünün 27.09.2021 tarih ve 2021/322 numaralı Yönetim Kurulu Kararının 1. maddesi gereğince, ders yüklerini ve tez yükümlülüğünü yerine getirdiği belirlenen “Yasemin KANTARÇEKEN” adlı öğrencinin mezun olmasına oy birliği ile karar verilmiştir.
Prof. Dr. Necip ŞİMŞEK Enstitü Müdürü
AKADEMİK VE ETİK KURALLARA UYGUNLUK BEYANI
İstanbul Ticaret Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında,
tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,
görsel, işitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,
başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu,
atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi,
kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı,
ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversitede veya başka bir üniversitede başka bir tez çalışması olarak sunmadığımı
beyan ederim.
27.09.2021
Yasemin KANTARÇEKEN
i
İÇİNDEKİLER
Sayfa
İÇİNDEKİLER ... i
ÖZET ... iii
ABSTRACT ... iiv
TEŞEKKÜR ... v
ŞEKİLLER ... vi
ÇİZELGELER ... vii
SİMGELER VE KISALTMALAR ... ix
1. GİRİŞ ... 1
2. LİTERATÜR ÖZETİ ... 4
2.1. Saha Mineralojisi ... 4
2.1.1. Kayaçlar ... 4
2.1.1.1. Kayaçların sınıflandırılması ... 5
2.2. Mineraller ... 8
2.2.1. Minerallerin tanımlanması ve sınıflandırılması ... 8
2.2.2. Mohs sertlik ölçümü ... 9
2.2.3. Çizgi ... 11
2.2.4. Dilinim ve kırılma ... 11
2.2.5. Renk ve parlaklık ... 12
2.2.6. Pleokroism ... 12
2.2.7. Kristal sınıfları, alışkanlık ve sistem ... 13
2.3. Kristaller ... 14
2.3.1. Kristal oluşumu ... 15
2.4. Kuvarsın Özellikleri ve Çeşitleri ... 17
2.4.1. Kimlik ... 18
2.4.1.1. Temel özellikler ... 20
2.4.1.2. Kuvarsın alfa ve beta formları ... 21
2.4.1.3. Kuvars çeşitleri ... 22
2.4.2. Renk ... 23
2.4.2.1. Yerine geçiş alanları ... 24
2.4.2.2. Bant teorisi ... 26
2.4.2.3. Yük transferi ... 28
2.4.2.4. Kristal alan teorisi ... 29
2.4.2.5. Renk merkezleri ... 30
2.4.2.6. Ametist ... 31
2.4.2.7. Süt ve gül kuvars ... 33
2.5. Dumanlı Kuvars ... 35
2.5.1. Dumanlı kuvars özellikleri ... 36
2.5.2. Türkiye'de dumanlı kuvars alanları ... 37
2.5.3. Türkiye’de dumanlı kuvars kullanım ve üretim alanları ... 39
2.6. Dumanlı kuvarsın mücevhere dönüştürülmesi ... 41
3. MATERYAL VE YÖNTEM ... 44
3.1. Numunelerin Xrf Analiz Sonuçları ... 44
3.2. Dumanlı Kuvars Örneklerinin Icp-Ms Analiz Sonuçları ... 47
3.3. Xrd (X-Işınları Difraksiyonu) Analizleri ... 47
3.3.1. X-Ray Diffraction (XRD) analiz raporu ... 47
4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA ... 56
ii
5. SONUÇ VE ÖNERİLER ... 58 KAYNAKLAR ... 60 ÖZGEÇMİŞ……… 65
iii
ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
SMOKY (DUMANLI) KUVARS TAŞININ GEMOLOJİK ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI
Yasemin KANTARÇEKEN İstanbul Ticaret Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Mücevherat Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Zeki ÇİZMECİOĞLU
2021, 65 Sayfa
Bu tez çalışmasında, Aydın ili Koçarlı ilçesi Mersinbelen Köyü’nde gerçekleştirilen saha çalışması sırasında bulunan smoky (dumanlı) kuvars örnekleri incelenmiş, bölgede bulunan lokalitelerdeki dumanlı kuvars örnekleri XRF, ICP-MS, XRD analizleri yapılmak üzere hazırlanarak analiz edilmiştir.
Dünyanın pek çok yerinde bulunan dumanlı veya smoky kuvars, en fazla İsviçre, ABD, Brezilya ve Madagaskar’da çıkarılmaktadır. Ülkemizde ise Aydın ili, Koçarlı İlçesi Mersinbelen Köyü’nde bulunan bazı lokalitelerde dumanlı kuvars çıkarılarak ekonomiye kazandırılmaktadır. Kuvars, yapısal olarak kristalli yapıya sahiptir.
Kuvars taşları manevi anlamda etkisi olduğu düşünüldüğü için uzun yıllar boyunca insanlar tarafından kullanılmış ve kullanılmaya da devam etmektedir. Bu kullanıma bir örnek vermek gerekirse kuvars taşlarının pozitif enerji varlığına inanılmasıdır.
Ayrıca, sanayide (cam, optik, porselen, iskelet) ve tıbbi aletlerin üretimlerinde ham madde olarak bilinir. Kuvarsın sertliği ve sıcaklık değişimlerine karşı olan yüksek direnci sanayide tercih edilme sebeplerindendir. Dumanlı kuvars bir kuvars çeşididir ve griye veya kahverengiye yakın renkte, şeffaf ve kristal yapıdadır. Yarı kıymetli Süs taşı ya da mücevher taşı olarak bilinen dumanlı kuvars, özellikle aksesuarlarda veya süs objelerinde tercih edilmektedir. Bu tez çalışmasının temel amacı; Smoky (dumanlı) kuvars mineralinin gemolojik özelliklerini, ülkemizde çıkarılan yerlerinin özelliklerini ve ülkemizdeki dumanlı kuvars işletmeciliğinin incelenmesidir. Bunun sonucunda dumanlı kuvarsın oluşumu, çıktığı yerler, fiziksel ve kimyasal özellikleri incelenmiştir. Dumanlı kuvarsın yüksek dayanıklılığı nedeniyle sanayide kullanım alanları da araştırılmış ve analiz edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Aydın, dumanlı kuvars, kuvars, gemolojik özellikler.
iv
ABSTRACT
M.Sc. Thesis
INVESTIGATION OF GEMOLOGICAL PROPERTIES OF SMOKY QUARTZ STONE
Yasemin KANTARÇEKEN Istanbul Commerce University
Graduate School of Applied and Natural Sciences Department of Jewelry Engineering
Supervisor: Prof. Dr. Zeki ÇİZMECİOĞLU 2021, 65 pages
In this thesis study, smoky (smoky) quartz samples found during the field study in Mersinbelen Village of Koçarlı district of Aydın province were examined, and smoky quartz samples from the localities in the region were prepared and analyzed for XRF, ICP-MS, XRD analysis.
Smoky or smoky quartz, found in many parts of the world, is most mined in Switzerland, the USA, Brazil and Madagascar. In our country, smoky quartz is extracted and brought to the economy in some localities in Aydın province, Koçarlı District Mersinbelen Village. Quartz has a structurally crystalline structure. Since quartz stones are thought to have a spiritual effect, they have been used by people for many years and continue to be used. To give an example of this use is the belief that quartz stones have positive energy. It is also known as a raw material in industry (glass, optics, porcelain, skeleton) and in the manufacture of medical instruments. The hardness of quartz and its high resistance to temperature changes are the reasons why it is preferred in the industry. Smoky quartz is a variety of quartz and is gray or brown in color, transparent and crystalline. Smoky quartz, known as semi-precious gemstone or jewelry stone, is especially preferred in accessories or ornamental objects. The main purpose of this thesis study; The aim of this study is to examine the gemological properties of smoky (smoky) quartz mineral, the characteristics of the places it is mined in our country and the smoky quartz management in our country. As a result, the formation of smoky quartz, its origins, physical and chemical properties were investigated. Due to the high durability of smoky quartz, its use in industry has also been investigated and analyzed.
Keywords: Aydın, smoky quartz, quartz, gemological properties.
v
TEŞEKKÜR
“Smoky (Dumanlı) Kuvars Taşının Gemolojik Özelliklerinin Araştırılması” konulu tez çalışmamda yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren değerli önerileriyle yol gösteren danışmanım Prof. Dr. Zeki ÇİZMECİOĞLU’na; araştırma ve proje çalışmalarım sırasında bilgisinden ve tecrübesinden çok şey öğrendiğim, tez çalışmamın başından sonuna kadar sabır ve destekleriyle yanımda olan çok değerli hocam Prof. Dr. H. HALUK SELİM’ e teşekkürü bir borç bilirim.
Projemin yürütülmesinde ve laboratuvar çalışmalarımda yardımcı olan değerli hocam Doç. Dr. Mustafa KUMRAL’a, Arş. Gör. Ali TUĞCAN ÜNLÜER’e ve İstanbul Teknik Üniversitesi İTÜ-JAL Laboratuvar personeline; tezimin imalat aşamasındaki desteklerinden dolayı SİMORO KUYUMCULUK MİST JEWELS’a;
Çalışmalarım boyunca manevi desteği ve vizyonuyla yanımda olan çok sevgili hocam Dr. Öğr. Üyesi SIDIKA RODOP’ a, hedeflerime inanarak her zaman destek olan Altınbaş Holding Yönetim Kurulu Başkanımız Sayın İmam ALTINBAŞ’a teşekkür ederim.
Eğitim hayatım boyunca verdiğim her kararda yanımda olan en büyük destekçilerim annem Nimet KANTARÇEKEN ile babam Ümit KANTARÇEKEN’e, büyükbabam İdris PAÇACI’ya sonsuz sevgi ve saygılarımı sunarım.
Yasemin KANTARÇEKEN
İstanbul, 2021
vi
ŞEKİLLER
Sayfa
Şekil 1.1. Karacasu (Aydın) bölgesinin basitleştirilmiş jeolojik haritası ... 2
Şekil 2.1. Kayaç çeşitleri ... 5
Şekil 2.2. Magmatik kayaç çeşitleri (plütonik ve volkanik kayaçlar) . ... 6
Şekil 2.3. Sedimanter kayaç çeşitleri (kimyasal (kireçtaşi) ve organik (taşkömürü) .. 7
Şekil 2.4. Metamorfik kayaçlar ... 8
Şekil 2.5. Altı kristal sistemini tanımlama için Kullanılan Referans Ekseni ... 14
Şekil 2.6. Kristalleşme süreci ... 15
Şekil 2.7. Kuvars örneği ve moleküler dizilimi. ... 19
Şekil 2.8. Alfa kuvars ve Beta kuvars moleküler şekilleri....……….21
Şekil 2.9. Saf ametist ve sitrin kuvars örnekleri ... 23
Şekil 2.10. Kuvars temel yapısal özellikleri ... 25
Şekil 2.11. Bant teorisinde lüminesans enerji diyagram ... 27
Şekil 2.12. Süt kuvars örnekleri ... 33
Şekil 2.13. Gül kuvars örnekleri ... 34
Şekil 2.14. Dumanlı kuvars örneği ... 35
Şekil 2.15. Dumanlı kuvarstan yapılan mücevher modellemesi ... 42
Şekil 2.16. Dumanlı kuvarstan yapılan mücevher çalışması ... 43
Şekil 3.1. Smk-1 numune resmi ... 48
Şekil 3.2. Smk-2 numune resmi ... 50
Şekil 3.3. Smk-3 numune resmi ... 52
Şekil 3.4. Smk-4 numune resmi ... 53
vii
ÇİZELGELER
Sayfa
Çizelge 2.1. Minerallerin kimyasal özellikleri ... 9
Çizelge 2.2. Minerallerin mohs sertlik seviyeleri ... 10
Çizelge 2.3. Altı kristal ailesi ... 13
Çizelge 2.4. Kuvars minerallerinin fiziksel özellikleri …..………20
Çizelge 2.5. Dünya ametist üretim miktarları (ton) ... 32
Çizelge 2.6. Dumanlı kuvars süs taşlarının fiziksel özellikleri ……….………..36
Çizelge 2.7. Aydın’ın Çine, Koçarlı ve Karacasu ilçelerindeki kuvars niteliği ve fiyatları ... 38
Çizelge 3.1. Elde edilen numunelerin XRF kimyasal analiz sonuçları ... 46
Çizelge 3.2. X-Ray Diffraction (XRD) raporu ... 47
Çizelge 3.3. Numune adı: SMK 1 ... 48
Çizelge 3.4. SMK-1 Numune grafiği ... 49
Çizelge 3.5. SMK-1 Pik ve Pattern listesi ... 49
Çizelge 3.6. Numune adı: SMK 1 ... 50
Çizelge 3.7. SMK-2 Numune grafiği ... 50
Çizelge 3.8. SMK-2 Pik ve Pattern listesi ... 51
Çizelge 3.9. Numune adı: SMK 3 ... 51
Çizelge 3.10. SMK-3 Numune grafiği ... 52
Çizelge 3.11. SMK-3 Pik ve Pattern listesi ... 52
Çizelge 3.12. Numune adı: SMK 4 ... 53
Çizelge 3.13. SMK-4 Numune grafiği ... 54
Çizelge 3.14. SMK-4 Pik ve Pattern listesi ... 54
viii
SİMGELER VE KISALTMALAR
D-B : Doğu-Batı Fe : Demir
KAT : Kristal Alan Teorisi m : Metre
Mg : Magnezyum MÖ. : Milattan önce
MTA : Maden Teknik Arama SiO4 : Silisyum Tetra Oksit USD : Amerikan doları Vb. : Ve benzeri α : Alfa
β : Beta0C : Santigrat derece
1
1. GİRİŞ
Aydın ili ‘Karya bölgesi’ olarak isimlendirilen yöre, Güney Ege bölgesinde Dalaman Çayı ve Büyük Menderes Nehri arasındaki alanda yer almaktadır (Çoban, 2013:31).
Bu alan, Muğla ve Denizli şehirlerinin bazı kısımlarını kapsamaktadır. Karya Uygarlığı bu bölgede yaklaşık olarak MÖ 1.000 ile 500 yılları arasında hüküm sürmüştür (Çoban, 2013:32).
Koçarlı ve Karacasu, Aydın iline bağlı iki ilçedir. Koçarlı, Aydın il merkezine yakın ve güneybatısında yer alırken; Karacasu ise ilin doğusunda, Denizli sınırına yakın bir bölgede yer almaktadır. Aydın, özellikle renksiz ve dumanlı kuvars kristallerinin ülkemizdeki en önemli yataklarının bulunduğu bölgeleri içermektedir (Hatipoğlu vd.
2010:12).
Karacasu bölgesi ile ilgili yapılan jeolojik araştırmalarda bölgedeki jeolojik oluşumların Paleozoik, Neojen ve Kuaterner dönemlere ait stratigrafik sıralama gösterdiği belirlenmiştir (Akarsu, 1969:1). Ayrıca şistler üzerinde yapılan mikroskobik incelemeler, kristalin kuvars ve benzeri maddeler içerdiğini göstermiştir.
Kumtaşı elemanlarının çoğunda benzer şekilde kuvars taneleri ve mika pullarının mevcut olduğu belirlenmiştir.
D-B gidişli Büyük Menderes Grabeni’nin güney bloğunda bulunan Karacasu ve Koçarlı bölgelerinin dağlık kesimlerinde gri, siyah ve kahverengi renklerde bulunan kuvars kristalleri, Anadolu’daki en zengin kuvars madenlerini oluşturmaktadır (Hatipoğlu vd. 2010:15).
Aydın bölgesinde bulunan iki adet kuvars lokasyonu vardır. Bunlar, kuzey-güney ve doğu-batı doğrultularında uzanmaktadır. Ancak kuzey-güney damarları çok yaşlı olmasından dolayı Süs taşı kalitesinde kuvars kristalleri üretemezler.
Bölgede bulunan dumanlı kuvars çeşitleri Menderes Masifi’nin şist, leptit ve gnays gibi ana kayaların içlerindeki boşluklarda kristalleşerek oluşmuşlardır. Kuvars kristalleri bu kayaların içerisinde ince ve paralel şekilde uzun damarlar ile çeperlere
2
tutunarak oluşurlar. Kuvars damarları yaklaşık 0,2 ile 0,8 metre genişlikte, 1-7 metre uzunlukta ve 10-30 metre derinliğe sahiptirler. Elde edilen lenslerin boyutları 0,5-2 m, 3-10 m ve 3-6 m olarak ölçülmüştür. Aydın bölgesinde bulunan toplam kuvars rezervi yaklaşık 600.000 ton olarak hesaplanmıştır. Bu rezervin piyasa değeri yaklaşık 3 milyar USD olarak tahmin edilmektedir.
Şekil 1.1.Karacasu (Aydın) bölgesinin basitleştirilmiş jeolojik haritası (Kurt,2019;
9)
3
Kuvars materyalleri sahip olduğu fiziko-mekanik özelliklerden dolayı yapay mermerde kullanılmaktadır (Yücetürk, 2010). Kuvarslar genellikle direnci güçlü ve aşındırıcı kayaçlardan oluşmaktadır. Öğütülmesi ve işlenmesi çok zordur (Yücetürk, 2010). Bu sebepten dolayı kuvars kumtaşı ile benzer kimyasal bileşik olan kuvarsit üretiminde daha saf kuvars tercih edilmektedir. Şekil 1.1’de görüldüğü üzere bu yapılar CaCO3 yapısına sahip çeşitli mineraller parlaklıkta ve renksiz şeffaf uçucu mineral kristallerdir (Kurt, 2019). Yapay mermerlerdeki ham madde için kullanılan kuvars ve kalsit mineralleri bu kapsamda çok önemlidir. Kuvars minerallerinden elde edilen yapı malzemeleri, fiziko-mekanik özellikler nedeniyle kalsit mineralinden daha iyi elde edilmektedir (Yücetürk, 2010).
4
2. LİTERATÜR ÖZETİ
Bu tez çalışmasında Aydın ilinin Koçarlı ve Karacasu ilçelerinde elde edilen Dumanlı (Smoky) kuvars mineralinin gemolojik özellikleri ülkemizdeki dumanlı kuvars işletmeciliği açısından incelenmiştir. Bu kapsamda bu bölümde saha mineralojisi, mineraller, kristaller, kuvars özellikleri ve çeşitleri ile dumanlı kuvars hakkında yapılan ulusal ve uluslararası alanda gerçekleştirilen çalışmalar literatür taraması neticesinde elde edilmiştir.
2.1. Saha Mineralojisi
Mineraloji, minerallerin tanımını, kristalografisini, fiziksel, kimyasal ve çevresel özelliklerini kapsamlı bir şekilde sistematik olarak inceleyen bilim dalıdır (Haldar ve Tišljar, 2014). Mineraloji, bazı bilimsel alanları kapsamaktadır. Bunlar kristalografi, fiziksel mineraloji, kimyasal mineraloji ve betimsel mineralojidir.
Kristalografi, temel olarak kristalleşmiş minerallerin kristal yapılarını ve kristal yapıdaki atomların, iyonların veya iyonik grupların iç yapılarını, ilişkilerini ve dağılımını inceleyen bilim dalıdır (Toka ve Selim, 2020). Fiziksel mineraloji, minerallerin kohezyon ve radyoaktiviteleri gibi yapılarının fiziksel özelliklerini inceler. Kimyasal mineraloji, minerallerin kimyasal formülleri ve kimyasal özelliklerini inceleyen bilim dalıdır. Son olarak betimsel mineraloji ise minerallerin ortak özelliklerini genellikle kimyasal ve fiziksel yapıları temelinde sınıflandırmayı amaçlamaktadır.
2.1.1. Kayaçlar
Kayaçlar yapısal, kimyasal ve mühendislik özelliklerinin tanımlanması, kaya yapılarının sanayide ve diğer alanlarda kullanılması açısından çok büyük önem taşımaktadır (Karakuş, 2006). Bu konuda en önemli faktörler litolojisi (kaya türü) ve jeolojik yapılarıdır. Kayaçlar ile ilgili çalışmalar genellikle yer altında, yer üstünde ve madencilik alanlarında gerçekleştirilir.
5
Jeolojik anlamda kayaçlar bir veya birden fazla mineralin doğal olarak oluşan ve tutarlı olan kümesi olarak tanımlanır (Biritannica, 2020; Karakuş, 2006). Bu çeşit oluşumlar dünyamızda karaları oluşturan temel birimlerdir.
2.1.1.1. Kayaçların sınıflandırılması
Kayaçlar oluşumları, orijinleri, şekil, doku ve yapıları ile ilgili farklılıklardan dolayı üç farklı sınıfa ayrılmaktadır: Magmatik kayaçlar, Sedimanter kayaçlar ve Metamorfik kayaçlar (Şekil 2.1).
Şekil 2.1. Kayaç Çeşitleri
Magmatik kayaçlar, magma ismi verilen ergimiş halde bulunan maddenin katılaşması sonucu oluşturduğu kaya yapılarıdır. Bunlar genelde akışkan magmanın soğumasıyla oluşmaktadır. Magmanın orijinine ve soğuduğu yere göre farklı şekilde sınıflandırılabilirler. Soğuma süresine göre farklı şekilde kristal haline gelirler.
Magmatik kayaçlar, mineralojik içeriklerine, dokularına ve bulunma şekillerine göre farklı isimlerde sınıflandırılmaktadır.
Peacock (1931), geçen yüzyılda magmatik kayaçların alkalik ve yarı-alkalik olarak sınıflandırılmasının yeterli olmadığını belirtmiştir. İki farklı magmatik kayaçların sınıflandırılmasının yeterli olmadığı için sınıflandırmanın daha fazla sayıda olması gerektiğini öne sürmüştür. Günümüzde magmatik kayaçlar üç ana çeşitte sınıflandırılır:
1. Plütonik Kayaçlar (Derinlik Kayaçları) 2. Volkanik Kayaçlar (Yüzey Kayaçları) 3. Damar Kayaçlar (Yarı Derinlik Kayaçları)
6
Şekil 2.2. Magmatik kayaç çeşitleri (Plütonik ve Volkanik kayaçlar) (MTA, 2020).
Şekil 2.2.’de magmatik kayaç çeşitleri gösterilmiştir. Bunlardan ilki olan plütonik kayaçlar, magmanın yeryüzüne çıkmadan derinlerde soğuması, katılaşması ve sonrasında yeryüzüne çıkması ile oluşmaktadır. Bir diğer ismi de derinlik kayaçlardır.
Granit, bu çeşit kayaçlara örnek olarak verilebilir. Şekil 2.2.’de Maden Teknik Arama (MTA) tarafından yayımlanan web sayfasında yer almaktadır. Sol resimde Plütonik kayaç örneği ve sağdakinde ise volkanik kayaç örneği gösterilmiştir.
İkinci çeşit magmatik kayaçlar yüzey kayaçlardır. Bu kayaçlar magmanın sıvı olarak yeryüzüne çıkması ve sonrasında soğuyarak katılaşması ile beraber oluşan yüzey veya volkanik kayaçlardır. Bazalt, yüzey kayaçlarına örnek olarak verilebilir. Son magmatik kayaç çeşidi ise damar veya yarı derinlik kayaçlardır. Bu çeşit kayaçlar sıvı durumdaki magmanın yüzeye doğru ilerlerken yeryüzüne yakın bölümlerinde soğumasıyla oluşan kayaçlardır. Örneğin, diyabaz bu tür bir kayaçtır.
Sedimanter kayaçlar, önceden var olan kayaçlardan oluşan fragmanlardan veya çözeltilerden oluşmaktadır. Önceden oluşmuş olan kayaçlar su, rüzgâr, yağmur ve diğer coğrafi etkilerden dolayı aşınması ve daha küçük parçalara bölünmesi ile beraber oluşmaktadır. Magmatik kayaçlara göre çok katlı veya tabakalı yapıdadırlar.
7
Sedimanter kayaçlar “Fiziksel ayrışma, Organik, Kimyasal” sedimenter olarak sınıflandırılır.
Sedimanter kayaçlar veya tortul kayaçlar daha önce oluşmuş kayaçların parçalanmasından ya da daha önce yaşamış organizmaların kayaçlar ile birleşmesinden oluşan kayaçlardır (MTA, 2020). Özelliklerine göre Kırıntılı, Kimyasal ve Organik (Biyokimyasal) olmak üzere üç farklı çeşidi bulunmaktadır (Şekil 2.3).
Şekil 2.3 Sedimanter kayaç çeşitleri (kimyasal (Kireçtaşı) ve organik (Taşkömürü) (MTA, 2020)
Metamorfik (başkalaşım) kayaçlar, mineralojik bileşim, doku ve iç yapıda değişikliklere neden olan koşullar altında magmatik veya tortul kayaçlardan oluşur (MTA, 2020). Daha önceden var olan Sedimanter ve magmatik kayaçların metamorfizmaya (değişime) uğraması ile beraber ortaya çıkarlar. Metamorfizm, sıcaklık ve basınç altında farklı ve ani değişime uğrama süreci olarak tanımlanmaktadır. Bu değişim sırasında kayaçların yapısı, dokusu ve karakteri bozulur ancak kristal olarak farklı kayaçlara dönüşmesine rağmen kimyasal özelliklerini kaybetmezler. Şekil 2.4’te sunulduğu gibi metamorfizm derecesi arttığında kayacın tane boyutu artar.
8
Şekil 2.4. Metamorfik kayaçlar (MTA, 2020)
2.2. Mineraller
Mineraller doğada doğal yollarla oluşan inorganik süreçlerin sonucunda ortaya çıkan, kayaçların yapıtaşlarını oluşturan katı ve homojen yapılardır (Putnis, 1992). Doğada ortaya çıkmış mineraller çoğu zaman düzgün kristal şekillere sahiptir. Mineral, tek bir kristal molekülüne verilen isimdir.
Granit gibi kayaçlar birden fazla mineralden oluşmaktadır. Kireçtaşı, buzul ve kaya tuzu gibi kayaçlar ise tek çeşit mineralden oluşmaktadır. Minerallerin her bölgesi aynı yapıya sahip homojen maddelerdir. Minerali oluşturan atomlar organize molekülleri oluşturur.
2.2.1. Minerallerin tanımlanması ve sınıflandırılması
Mineraller, fiziksel özelliklerinde ifade edilen kimyasal bileşimlerine ve özelliklerine göre sınıflandırılır. Mineraller kayaçların yapı taşlarıdır (Abbott, 2000). Mineraller kayaların kimyasal bileşiminin doğal şeklidir ve bu nedenle Dünya kabuğunun ve mantonun çoğunun kimyasal bileşiminin doğal ifadesidir. Mineraller genel olarak aşağıdaki çeşitlere sahiptir:
Doğal olarak ortaya çıkan,
İnorganik,
Kristal.
9
Kristal, özellik açısından mineralin belirli bir kimyasal bileşime veya sınırlı kimyasal aralığına sahip olmasını gerektirmektedir. Bir mineralin bileşimi, mineraldeki farklı elementlerin ve element gruplarının oranlarını veren bir kimyasal formül ile ifade edilebilir. Element grupları sınırlı bir bileşim aralığına sahip olan mineraller için geçerlidir. Kuvars, belirli bir kimyasal özelliğe (SiO2) sahip minerallere örnek verilebilir.
Öte yandan, bir mineralin bileşimi çevrenin kimyası hakkında bazı özellikler sunmaktadır. Örneğin, magmada bulunan Mg (Magnezyum) ve Fe (Demir). Bazı minerallerle ilgili bunun gibi benzer kimyasal özellikler mineralin oluştuğu ortamın basıncı ve sıcaklığı hakkında bilgiler vermektedir.
Mineraller için oluşturulmuş sınıflandırma şemaları kimyasal yapısı ve kristalin yapısı olmak üzere iki ana kritere göre yapılandırılmıştır. Kimyasal özelliklerine göre mineraller tablo 2.1’de belirtildiği gibi sınıflandırılabilir.
Çizelge 2.1. Minerallerin kimyasal özellikleri (Abbott, 2000) Kimyasal Grup Anyonik Türler Örnek
Okside mineraller Oksijen Hematit, Manyetit
Sülfit mineraller Sülfür Pirit
Karbonat mineraller Karbonat Kalsit
Silikat mineraller Silikat Olivin, Granat
2.2.2. Mohs sertlik ölçümü
İnal (2012), yayımladığı araştırma raporunda kayaçların sertlik ölçümlerini mikro- sertlik bağlamında incelemiştir. Genel olarak kayaçlarda sertlik ölçümü iki şekilde yapılabilir: Vickers sertlik testi ve Knoop sertlik testi. Bu testlerde kayaçlar ile ilgili mikro-sertlik değeri, incelenen kayaç üzerinde oluşan çentiğe göre belirlenir ve sertliğin değeri kgf/mm2 (milimetrekareye düşen kg kuvvet) birimi ile ifade edilir (İnal, 2012) . Kütlesi 1 kg olan bir cismin yerçekimi altında uyguladığı kuvvet kgf olarak ifade edilir.
10
Mohs sertlik ölçümü artan sertlik düzeninde düzenlenmiş toplam 10 mineralden oluşmaktadır (Tabor, 1954). Her mineral, ölçekteki ilgili yere yerleştirilir ancak üzerindeki değer çizilmez. Minerallerin genellikle kırılgan olduğu düşünülse de deneyler lokal girinti altında ve kayma sırasında minerallerin plastik özellikleri tarafından belirlenmiştir. Bu durum, Mohs sertliği ile minerallerin girinti sertliği arasında ilişki olması gerektiğini göstermektedir.
Mohs sertliği, pürüzsüz bir yüzeyin çizilme veya aşınmaya karşı direncinin kaba ölçüsü olarak Friedrich Mohs tarafından 1812 yılında oluşturulan bir ölçektir. Bir mineralin Mohs sertliği, yüzeyinin bilinen veya tanımlanmış sertlikteki bir madde tarafından çizilip çizilmediği gözlemleyerek belirlenir.
Mohs sertlik ölçeği 1 ile 10 derece arasında değişen seviyelerde belirlenir. Derece arttıkça mineralin sertliği artmaktadır. Tablo 2.2’de bazı minerallerin Mohs sertlik ölçeği seviyeleri gösterilmiştir.
Çizelge 2.2. Minerallerin mohs sertlik seviyeleri Mohs sertlik derecesi Mineral Görüntü
2 Alçıtaşı
3 Kalsit
7 Kuvars
8 Topaz
11
9 Korindon
10 Elmas
2.2.3. Çizgi
Çizgi veya şerit (tabakalar), bir mineralin Mohs sertliğini ölçerken tabakaların üzerinin mineral parçası tarafından çizilmesi işleminde kullanılır (Schumann, 2008).
Yüzey boyunca çizilmesi ile tabaka üzerinde belirli bir kesik meydana getirilir. Çizgi, genellikle kare şeklindeki tabakalardan meydana gelir.
Çizginin büyüklüğü, mineral parçasının büyüklüğü ve mineralin orijinal rengi ile farklı boyutlarda ve renklerde olabilir (Schumann, 2008). Çizgi levha çoğunlukla porselenden yapılır. Levhanın olmaması durumunda ise porselen parçaları kullanılabilir. Çizgi levhada mineralin bıraktığı çizgi derinliği ve rengi daha sonra mikroskop altında detaylıca incelenir.
2.2.4. Dilinim ve kırılma
Herhangi bir maddeye yerçekimi veya basınç benzeri kuvvet uygulandığında maddede dilinim veya kırılmaya sebebiyet verebilir. Kristal maddelerde dilinim veya kırılmanın oluşabilmesi kristal moleküllerin içindeki bağların çeşitlerine ve gücüne bağlı olarak gerçekleşebilir (Yeniyol, 2009). Kristalin içinde iyonik, kovalent ya da metal bağı olması dilinim veya kırılma için en önemli faktörlerdir.
Dilinim, bilimsel olarak minerallerin atomik boyuttaki düzenlerinin dışsal kuvvetlere karşı ortaya çıkan düz yüzeyli şekillere ayrılması olarak tanımlanır (Yeniyol, 2009).
Bu süreç her ne kadar atomik olarak gerçekleşse de fiziksel olarak minerallerin özelliklerini değiştirir.
12
Dilinim, minerallerin özelliklerine göre tek yönde, iki yönde veya üç yönde olabilmektedir. Kuvars gibi bazı farklı özelliklere sahip minerallerde dilinim yoktur.
Dilinim çeşitleri mineral ve özelliklerine bağlı olarak mükemmel, iyi ve zayıf gibi terimler ile dilinim kaliteleri ifade edilir.
Bazı mineral molekülleri arasındaki bağlar mineralin her noktasında aynı güce sahip olabilir. Bu durumda mineralde dilinim gerçekleşmez ve yüzeyler boyunca ayrılma durumunda kırılım gerçekleşir (Yeniyol, 2009). Kırılım farklı şekillerde olabilir:
Konkoidal (midye kabuğu olarak), Kıymıklı (ve lifsel), Pürüzlü, Çengelli yapıda.
Hangi çeşit kırılma olacağı mineralin özelliğine bağlıdır.
Konkoidal kırılma yüzey kısmında midye benzeri şekiller oluşturmaktadır. Düz ve kavisli şekilde olmaktadır. Bu çeşit kırılmalar cam ve kuvarslarda görülür. Lifsel kırılma, lifli minerallerde görülen kırılma çeşididir. Çengelli kırılma, keskin ve dişli kenarlı kırık yüzeylerin oluşmasını sağlar. Pürüzlü veya pürüzsüz kırılma ise benzer şekilde pürüzlü veya pürüzsüz yüzeye sahip minerallerde oluşmaktadır.
2.2.5. Renk ve parlaklık
Renk ve parlaklık minerallerin diğer fiziksel özellikleridir. Bu iki özellikle mikroskobik olarak en kolay tanımlanan özellikler arasındadır (Yeniyol, 2009).
Minerallerin renkleri kimyasal özelliklerine bağlıdır ve karakteristik özellik olarak mineralin tanımlanmasını sağlar. Bazen mineralin renginde değişiklik olabilir.
Mineraldeki renk, mor ötesi ile kızıl ötesi renkler arasında enerji seviyelerine göre değişiklik gösterebilir. Bir mineralin farklı renkte görünmesi için oluşması gereken sebepler arasında minerale mekanik olarak karıştırılabilen saf maddelerdir.
2.2.6. Pleokroism
Pleokroism, bir maddenin farklı açılardan özellikle de polarize ışıkla görüntülendiğinde farklı renklere sahip olduğunu gösteren optik bir olaydır (Bloss, 1961). Ayrıca çok renklilik kavramı olarak da bilinir.
13
Bunun sebebi, bazı mineraller farklı renk ve açılarda üzerine düşen ışığı farklı şekilde absorbe ederler. Bu sebepten dolayı farklı kristalografi teknikleri ile çeşitli renklerde görülebilirler.
Bazı mineraller birbirlerine dik olarak görülebilen renklerde oluşabilir. Bu şekilde iki ayrı renkte iki ayrı yönde gösterilir. Bu olaya ‘dikroizm’ olarak tanımlanır. Örneğin Beril, benzer şekilde işleme tabii tutulduğunda mavi ve yeşil renkte görülmektedir.
Bazı mineral grupları ise birbirine dik olacak şekilde üç farklı renkte görülebilirler.
2.2.7. Kristal sınıfları, alışkanlık ve sistem
Kristalografi’de kristal sistemi, kristal ailesi ve kafes sistemi kavramlarının her biri birkaç uzay grubu, kafes, nokta grubu veya kristal sınıfı olarak isimlendirilir (Bloss, 1961). Benzer simetrilere sahip olmaları durumunda iki kristal aynı kristal sistemidir, ancak bazı durumlarda istisnalar bulunmaktadır. Kristal ailesi, kristal sistemi ve eksenel özellikler aşağıdaki tabloda sunulmuştur (Tilley, 2020).
Çizelge 2.3. Altı kristal ailesi (Tilley, 2020)
Kristal Ailesi Kristal Sistem Eksenel Özellikler
İzometrik Kübik a= b = c, α = β = γ = 900
Dörtgen Dörtgen (Tetragonal) a= b ≠ c, α = β = γ = 900 Ortorombik Ortorombik a≠ b ≠ c, α = β = γ = 900 Monoklinik Monoklinik a≠ b ≠ c, α = γ = 900, β= 900 Anortik Triklinik a≠ b ≠ c, α≠ 900 β ≠ 900 γ ≠ 900
Altıgen Altıgen
Üçgen Romboedrik
a= b ≠ c, α = β = 900 , γ = 1200 a= b ≠ c, α = β = γ = 900
a’= b’ ≠ c’, α’=β’= 900, γ’=1200
Tablo 2.3’te görüldüğü gibi 6 adet kristal ailesi bulunmaktadır. Bunlar kübik (izometrik), tetragonal (dörtgen), ortorombik, monoklinik, triklinik, üçgen (rombohedral) ve hekzagonal (altıgen)’dir. Her bir kristal ailesinde yer alan kristal sistemlerin isimleri orta sütunda belirtilmiştir. Her bir kristal ailesi ve kristal sistemin eksenel özellikleri son sütunda gösterilmiştir.
14
Şekil 2.5. Altı kristal sistemini tanımlama için kullanılan referans ekseni
Şekil 2.5’te kristal sistemlerini gösteren referans ekseni bulunmaktadır. Yedi kristal sistemi a, b, c eksenler ve eksenler arasındaki açıların büyüklüğüne ve ilişkilerine göre isimlendirilir. Kristal sınıflarının en simetrik olanı, üç eksenin birbirine 90 derecelik açılar ile düzenlendiği, eksenel uzunlukların aynı olduğu kübik ve izometrik sistemlerdir.
2.3. Kristaller
Kuvars, silikon ve oksijen atomlarından oluşan sert ve kristalimsi bir mineraldir.
Atomlar, SiO4 silikon-oksijen tetrahedra bileşimlerinde sürekli bir çerçeveye bağlanır, her oksijen iki tetrahedra arasında paylaşılır ve genel bir SiO2 kimyasal formülü verir (Helmenstine, 2020).
Kristaller diğer maddelere göre çok uzun yapıya sahip katılardır (Tilley, 2020).
Kristalin herhangi bir noktasındaki atomların düzeni, kristalin oluşum sırasında ortaya çıkan bazı hatalar veya kusurlar hariç olmak üzere kristalin diğer herhangi bir uzak kısmıyla aynıdır.
Kristalografi, kristali ortaya çıkaran atomların kristal halinde düzenlenme biçimlerini ve uzun şekildeki düzenlerinin nasıl elde edildiğini açıklayan bilim dalıdır. Birçok kimyasal, biyokimyasal ve fiziksel özellik kristal yapısına bağlıdır. Ayrıca malzemelerin özelliklerinin anlaşılması için kristalografi bilgisi gereklidir.
15 2.3.1. Kristal oluşumu
Kristal oluşumu ya da kristalleşme (kristalizasyon), atomlar veya moleküllerin kristal olarak bilinen bir yapıda yüksek oranda organize edildiği doğal veya yapay katı formların işlemi olarak tanımlanır (Mersmann, 2001). Şekil 2.6’da kristalleşme süreçleri ile ilgili aşamalar gösterilmiştir. Kristalleşme yollarından bazıları bir çözeltiden çökelmekte, donmakta veya daha nadiren doğrudan bir gazdan ortaya çıkması seklinde oluşmaktadır. Kristalleşme çok fazla, çok bileşenli bir sistemde gerçekleşir. Boyut ve boyut dağılımları zamanla değişken partikül katılarla ilişkilidir.
Şekil 2.6. Kristalleşme süreci (Mersmann, 2001)
Şekil 2.6’da çekirdekten son duruma kadar kristalleşme süreci şematik olarak göstermiştir. İlk basamakta (a) sıvıdaki çeşitli noktalarda çekirdeklerin anlık görünüşleri verilmiştir. Çekirdek büyümesi ile ilk kristalleşme başlamıştır. Sonrasında dentritiklere karşı oluşan tıkanıklıklar ve son basamakta ise mikroskobik olarak görülen taneler ve tanelerin sınırları görülmektedir (Şekil 2.6 b).
Kristalizasyon, atomların veya moleküllerin kristal adı verilen oldukça yapılandırılmış bir şekilde katılaştırılmasıdır. Bu süreç genellikle bir maddenin çözeltisinden, kristallerin yavaşça çökelmesi ile gerçekleşir. Kristalizasyon ayrıca sıvı çözeltiden saf katı kristale kütle transferinin meydana geldiği katı-sıvı maddeleri ayırma ve saflaştırma tekniğini ile de gerçekleşebilir (Jones, 2002). Her ne kadar çökelme sırasında kristalleşme meydana gelse de iki kavram birbirinin yerine kullanılmaz. Bir çökelti şekilsiz veya kristalli olabilir.
Kristalleşmenin meydana gelmesi için iki durum oluşmalıdır. İlk olarak atomlar veya moleküller ‘çekirdeklenme’ ismi verilen bir işlemden mikroskobik ölçekte
16
birbirlerine yaklaşarak kümelenir. Sonrasında ise atom veya molekül kümeleri kararlı ve yeterince büyük olursa kristalin hacimsel olarak büyümesi gerçekleşir.
Bir araya gelen atomlar veya moleküller genellikle ‘polimorfizm’ olarak bilinen birden fazla kristal yapı oluşturabilir. Kristal parçalarının düzenlenmesi kristalleşmenin çekirdekleşme sürecinde belirlenir. Bu süreç sıcaklık, partikül konsantrasyonu, basınç ve malzemenin saflığı gibi birçok faktörden etkilenir.
Kristalin hacimsel olarak büyüme süreçlerinde ise çözeltide çözünen partiküllerin çözeltiye dağılması ve katılaşarak çökelmesi ile dengelenir. Çözelti eğer fazla doymuş olursa bu durum sürekli çözünmeyi destekleyemeyeceği için kristalleşmeyi tetikler.
Çekirdekleşme ve büyümeye başlamak için bir tohum kristali veya pürüzlü bir yüzey sağlamak gerekli olabilir.
Bir maddeyi kristalize etmekte kullanılan birçok yöntem bulunmaktadır. Hangi tekniğin kullanılacağı, maddenin iyonik, kovalent veya metal bağlara sahip olmasına bağlıdır. Mersmann (2001), kristal oluşum veya kristalleşme sürecinde kristalleri büyütmek için aşağıdaki tekniklerin kullanıldığını belirtmiştir:
Çözeltiyi veya eriyiği soğutma,
Çözücünün buharlaştırılması,
Çözünen maddenin çözünürlüğünü azaltmak için ikinci bir çözücü ekleme,
Süblimleştirme,
Solvent tabakası oluşturma,
Katyon veya anyon ekleme.
SiO2 (kuvars) gibi belirli bir bileşik, farklı kristal formlar olarak ortaya çıkabilir. İki formun kristal yapıları farklıysa bunların polimorflar olduğu bilinmektedir. SiO2
yapısı ile mineral kuvars olarak veya yüksek sıcaklıklarda kuvars tridimit ve sonra kristobalit dönüşürken meydana gelebilir. Kuvars içeren bir kaya manto içine daldırılırsa kuvars önce yaklaşık 100 km derinlikte kozaite, sonra yaklaşık 250 km derinlikte stişovitine dönüşür. Bu minerallerin kuvars polimorflarıdır. Grafit ve elmas, karbonun polimorflarıdır.
17
Dumanlı kuvars, dünyamızda çok yoğun olarak bulunan silisyum dioksit minerallerinden oluşmuştur. Dumanlı kuvars birbirlerine dik şekildeki 3 eksenli kristal yapılarda bulunmaktadır (Jones, 2002). Kristalleşme süreçlerinde radyasyon değerlerine göre opak, şeffaf veya yarı şeffaf olarak bulunmaktadır. Yukarıda anlatıldığı şekilde dumanlı kuvars diğer kuvars çeşitleri gibi ergimiş magmadan kristalleşirken sıcak hidrotermal damarlardan kimyasal olarak çöker.
2.4. Kuvarsın Özellikleri Ve Çeşitleri
Kuvarslar, mineraller kristalleşme olayının akışı içinde birbirini takip eden kristalleşme işlemi kuvarsın oluşumu ile ortaya çıkar (Gümüş, 1969). Bu tanımlamanın alt yapısını Volfram, Altın, Kalay ve Molibden gibi maddelerin ortaya çıkması oluşturur.
Kuvars; kimya, elektrik, mekanik ve termal özellikleri açısından çok önemli ve nadir kaynaklardan biridir (Cerda, 2014). Özelliklerinden dolayı frekans sabitliğinin gerekli olduğu uygulamalarda frekans kontrol elemanı olarak kullanılmaktadır. Kuvars kristallerinin özellikle 1950’li yıllardan sonra gerçekleşen elektronik devrimine olan katkısı çok büyüktür.
Bu katkıya, kablosuz iletişim ağlarının ortaya çıkması için kuvars kristallerine ihtiyaç duyulması örnek verilebilir.
Kuvars kristallerinin ne kadar önemli olduğu II. Dünya Savaşı sırasında ortaya çıkmıştır. Radyo ve telefon iletişim alanlarında gerekli, önemli ve değerli olduğu ortaya çıkmıştır. Savaştan önce kuvars kristalleri osilatörler sadece çok az sayıda yapılmasına karşın savaş süresince üretim katlanarak devam etmiştir.
Bir piezoelektrik malzeme, bir elektrik potansiyeli gradyanına gerilme yoluyla tepki verirken, stres malzemede bir elektrik potansiyeli gradyanına neden olur (Kurt, 2019).
Elektrik potansiyeli gradyanı ve gerinim arasındaki bu bağlantı, malzemenin piezoelektrik özelliğidir. Piezoelektrik malzeme ayrıca bir dielektrik özelliğe ve malzeme potansiyel bir eğime sahip olduğunda bir elektrik ortaya çıkmaktadır.
18
Piezoelektrik etkisi ilk olarak 1880'de Pierre ve Jacques Curie kardeşler tarafından bilimsel olarak açıklanmıştır. Curie kardeşler piezoelektrik bilgilerini kristal yapılar ve davranış anlayışlarıyla birleştirerek turmalin, kuvars, topaz, şeker kamışı ve Rochelle tuzu kristallerini kullanarak ilk piezoelektrik etkiyi gösterdiler. Piezoelektrik Etki, belirli malzemelerin uygulanan mekanik strese tepki olarak bir elektrik yükü oluşturma yeteneğidir. Piezoelektrik kelimesi, Yunanca bastırmak anlamına gelen piezein ile Yunanca “itmek” anlamına gelen piezo kelimelerinden türetilmiştir.
Piezoelektrik etki, ses üretimi ve tespiti, yüksek voltaj üretimi, elektronik frekans üretimi, mikro teraziler ve optik düzeneklerin ultra ince odaklanmasını içeren birçok uygulamada çok faydalıdır. Aynı zamanda, taramalı prob mikroskopları (STM, AFM, vb.) gibi atomik çözünürlüğe sahip bir dizi bilimsel enstrümantal tekniğin temelidir.
Piezoelektrik etkisi, çakmaklar için ateşleme kaynağı olarak hareket etmek gibi daha sıradan uygulamalarda da kullanılmaktadır.
Kuvars kumu, yalıtımlı ve hafif malzeme mineralleri sınıfında yer almaktadır (Karaman, 2006). Granit, kayaçların ayrıştırılması sonucunda 2mm’den daha küçük tanecikler olarak elde edilir. Tuğla endüstrisinde (Karaman, 2006), döküm sanayisinde ve genellikle cam üretim sektörlerinde kullanılmaktadır. Kuvarsların kullanım alanları fiziksel ve kimyasal özelliklerine bağlıdır.
Ülkemizde kuvars alanlarında toplam 730 milyon ton rezerv olduğu tahmin edilmektedir. Bu kapsamda ülkemiz oldukça zengin kuvars yataklarına sahiptir.
Başlıca kuvars bölgeleri İstanbul, Tekirdağ, Zonguldak ve Sinop’tur (Koç vd., 2014).
Ülkemizde kuvars işlenmesi ve ihracatı her yıl artarak devam etmektedir. Ancak ülkemizdeki en büyük sorunlardan birisi kuvars mineralinin işlenmesi için gerekli makinelerin ve işgücünün yeterli olmamasıdır.
2.4.1. Kimlik
Kuvars (Quartz) kelimesi Almanca “quaz” kelimesinden türetilmiştir (Cerda, 2014).
Kuvarsın ergime noktası yaklaşık 1700 0C’nin üzerindedir. Kuvars, doğal olarak yer altında oluşur.
19
Dünyadaki kuvars kaynaklarının (ametist) çoğu Brezilya’da bulunmaktadır (Akbudak vd., 2018). Bununla beraber en fazla kuvars kaynağının (amorf, kripto kristal) olduğu ülkeler Arjantin, Avusturya ve İspanya olarak sıralanabilir (MTA, 2020). Dünyadaki bütün rezerv miktarı net olarak bilinmemektedir.
Şekil 2.6’da sol resimde bir kuvars örneği ve sağ resimde ise mikroskobik boyutta moleküllerinin dizilimleri gösterilmiştir. Sağdaki şekilde görüldüğü gibi moleküller zoraki olarak sıkışmış hale gelerek kuvars kristali oluştururlar.
Şekil 2.7. Kuvars örneği ve moleküler dizilimi (MTA, 2020).
(Kuvarslar genellikle kimya endüstrisinde silikon metal ve kroze üretiminde kullanılmaktadır. Ayrıca saf kuvarslar optik, elektronik ve elektrik endüstrisinde çok yaygın şekilde tüketilmektedir.)
Ancak çok hızlı şekilde ve fazla miktarda üretimde kullanılmasından dolayı dünya kuvars kaynakları hızlı bir şekilde tükenmektedir. Bu sebepten dolayı ülkemizde dâhil olmak üzere bütün dünyada sentetik kuvars üretimi hızla artmaktadır. Sentetik kuvars üretimi, kuvars ana maddesi SiO2‘nin alkali su çözeltisi içerisinde yaklaşık 400 oC’
de belirli basınç altında çözündürülmesi ile gerçekleştirilir.
20 2.4.1.1. Temel özellikler
Kuvars minerallerinin en önemli özellikleri piezoelektrik, sıcaklık ve basınca dayanıklı, sert, altıgen yapıda, saydam veya yarı saydam renklerde bulunmasıdır.
Bunların yanında doğal çevrede amorf (biçimsiz) veya kristal yapıda bulunmaktadır (Kurşun ve İpekoğlu, 1995). Piezoelektrik etkinin özelliklerinden biri tersine çevrilebilir olmasıdır. Doğrudan piezoelektrik etki (stres uygulandığında elektrik üretimi) sergileyen malzemeler aynı zamanda ters piezoelektrik etki de (bir elektrik alanı uygulandığında gerilim üretimi) üretmektedir (Kurt, 2019). Piezoelektrik malzeme mekanik stres altında yerleştirildiğinde, malzemedeki pozitif ve negatif yük merkezlerinde bir kayma meydana gelir ve bu da daha sonra harici bir elektrik alanı ile sonuçlanır. Tersine çevrildiğinde, bir dış elektrik alanı piezoelektrik malzemeyi ya gerer ya da sıkıştırır.
Kuvarslar özelliklerine göre mor (ametist), pembe, beyaz, duman rengi ve füme gibi çeşitli renklere sahiptir. Kuvars, dünya yüzeyinde bulunan en bol ve en yaygın dağılmış olan minerallerden birisidir. Magmatik, metamorfik ve tortul kayaçlarda bol miktarda bulunur. Mekanik ve kimyasal hava koşullarına oldukça dayanıklıdır. Bu sebepten dolayı plaj, nehir ve çöl kumu ana bileşenlerinden birisidir.
Kuvarsın sanayide kullanılmasının en önemli sebeplerinden birisi piezoelektriksel olmasıdır. Basınca veya gerilime maruz kaldığında şekillerinin özelliklerinden dolayı alternatif prizma kenarlarından pozitif ve negatif yükler geliştirir. Bunlar, yüksek basınçtaki değişiklikler ile orantılıdır. Bu özelliği nedeniyle kuvars plakalar derinlik sondaj cihazlarında olduğu gibi farklı şekillerde basınç ölçümlerinde kullanılır (Batman, 2015). Kuvarsların fiziksel özellikleri renk, çizgi, parlaklık, şeffaflık, dilinim, Mohs değeri, özgül ağırlık, teşhis özellikleri, kimyasal bileşimleri, kristal sistem ve kullanım alanlarına göre tablo 2.4’te sunulmuştur.
Çizelge 2.4. Kuvars minerallerinin fiziksel özellikleri Kimyasal sınıflandırma Silikat
Renk Hemen hemen her renkte olabilir. Açık, beyaz, gri, mor, sarı, kahverengi, siyah, pembe, yeşil, kırmızı.
Çizgi Renksiz ve çizgi plakasından daha sert.
Parlaklık Cam gibi
21
Şeffaflık Saydamlığa karşı saydam
Dilinim Yok – Konkoidal kırık ile kırılır
Mohs sertlik 7
Özgül ağırlık 2,6 – 2,7
Teşhis özellikleri Konkoidal kırık, camsı parlaklık, sertlik Kimyasal bileşimi SiO2
Kristal sistem Altıgen
Kullanım alanları Cam yapımı, döküm tozu, değerli taşlar ve hidrolik kırılma propant.
2.4.1.2. Kuvarsın alfa ve beta formları
Kuvars mineralleri iki formda bulunur: Alfa ve Beta. Alfa formları daha düşük sıcaklıkta oluştuğu için düşük, beta formları ise daha yüksek sıcaklıkta oluştuğu için yüksek olarak da adlandırılır.
SiO2 molekülünün 573 oC’nin altındaki sıcaklıklarda oluşan kristal çeşidi ‘alfa’ kuvars formu olarak tanımlanır (Cerda, 2014). Öte yandan eğer mineral 573 oC’nin üstündeki sıcaklıklarda oluşursa kuvarsın “beta” formu olarak isimlendirilir. Kuvars sıcaklıkları
‘Curie’ sıcaklığı olarak bilinir.
Şekil 2.8. Alfa kuvars ve beta kuvars moleküler şekilleri (Crystalmaker, 2020) Şekil 2.8’de alfa ve beta kuvarsları moleküllerinin mikroskobik seviyede nasıl göründükleri gösterilmiştir. Sol tarafta (alfa) yer alan kuvarsın sağ tarafta (beta) yer alan kuvars ile birim hücreleri açısından karşılaştırıldığında a, b, c parametreleri daha düşüktür.
22
Alfa kuvarslarının elektrik iletim özellikleri beta kuvarslara göre daha yüksektir.
Alfa’dan beta kuvarsa dönüştürülen minerallerin elektrik geçirgenliği azalır. Alfa kuvarsın yapısı sağ ve sol simetri grubu ile trigonaldir. Beta kuvarslar altıgendir, sağ ve sol simetri grubu kristallerde eşit olarak doldurur.
Alfa kuvars silika minerallerinin en yaygın olan polimorfudur. Diğer polimorflar arasında kısa menzilli, sıralı bir yapıya sahip olan beta-kuvars tridimit, kristobalit ve silika cam seklinde bulunmaktadır (Levien vd., 1980).
2.4.1.3. Kuvars çeşitleri
Doğada bulunan veya inorganik olarak elde edilen pek çok kuvars bulunmaktadır.
Kuvars kristalleri temel olarak “İri (Makro) kristalli ve Kriptokristalen (Mikrokristal)” olarak iki temel şekilde sınıflandırılır. Kuvars kristallerinin büyüklüğüne göre yapılan bu temel sınıflandırma ile kuvarslar iki gruptan birisine dâhil edilir.
Makro-kristalli kuvars; Ametist, Aventurin, kaya kristali, mavi kuvars, sitrin, şahin gözü, prasiolit, kuvars kedigözü, dumanlı kuvars, gül kuvars ve kaplan gözü gibi kuvars kristallerini içerir. İri kristallerin çıplak gözle tanınabilir ve fark edilebilir değişik şekillere sahip kristalleri vardır (Nassau ve Prescott, 1977).
Öte yandan mikro kristalin veya kripto kristalin kuvars makro kristalinden çok daha küçük kristal yapıya sahip olduğu için çıplak gözle kristal yüzeyleri görülemez (Nassau, 1978). Sadece mikroskop kullanılarak kristal özellikleri fiziksel olarak gözlemlenebilir. Kripto kristalin kuvarslar, Akik ve jasp, krisopras, çökmetaşı, karnelian, oniks, agat, sard tripoli, flint ve çört kuvarsları içeren kalsedon grubunda yer alır.
Kuvarslar, görünümleri ve renkleri açısından her ne kadar çok büyük farklılıklar gösterse de temel gemolojik özellikleri açısından bazı istisnalar dışında ait oldukları bütün aile veya küme boyunca tutarlıdır ve benzer özellikler gösterir (Şekil 2.8).
23
Şekil 2.9. Saf ametist ve sitrin kuvars örnekleri (MTA, 2020)
Saf kuvars, kaya kristali olarak da bilinir ve renksizdir (Ravokan vd., 1995).
Kuvarsların sahip olduğu geniş renk yelpazesinde saflık değerleri hakkında bilgi verir.
Bunun dışında en bilinen kuvars çeşitleri aşağıda kısaca açıklanacaktır.
Ametist, mor çeşitli kuvarstır ve dünya üzerinde en popüler ve değerli bir kuvarstır (Nassau ve Prescott, 1977). Ametist kuvarsın rengi açık ile koyu mor arasında değişmektedir. Sitrin kuvars sarı, turuncu veya kırmızımsı kahverengi renkte olan kuvarstır. Genellikle ametist ve dumanlı kuvarsların ısıl işlemiyle renklendirilir.
Limon kuvars olarak bilinen sitrin kuvars, açık sarı veya limon sarısı renge sahip olup mücevher ticaretinde kullanılır.
En fazla kullanılan yukarıda sıraladığımız bu üç kuvars dışında mücevher ve sanayide önemli şekilde kullanılan diğer kuvars çeşitleri de bulunmaktadır (Lehmann ve Bambauer, 1973). Bunların en başında tez çalışmamızın ana konusu olarak incelediğimiz dumanlı kuvars gelir. Genelde rengi kahverengi ile siyah arasında olan bu kuvars çeşidi nadiren opak olarak tanımlanır.
Diğer kuvars çeşidi olan Gül kuvarsı ise açık pembe ile koyu pembe arasında değişen pembe renkte bir kuvarstır. Gül kuvarsları genellikle sütlü veya pusludur ve fazla şeffaf değildir.
2.4.2. Renk
Kuvars kristalleri çok çeşitli renklere sahip olabilmektedir. Gökkuşağında bulunan renklerin hemen hemen hepsine ait renklerde kuvars bulunmaktadır. Kuvarsların renkleri, atomların dizilmesindeki yaklaşık %0,1 değerindeki düzensizlik veya saf olmamasından kaynaklanmaktadır (Lehmann ve Bambauer, 1973). Ayrıca yabancı fazların ince çözeltileri de gözlemlenebilir ve kuvarsın rengine etki edebilir.
24
Kuvarstaki saf olmayan atomlar, molekül kafesi içindeki silikon atomlarının bulunduğu bölgelerde veya kuvars yapısının c eksenine paralel kanallardaki geçiş bölgelerinde bulunur (Lehmann ve Bambauer, 1973).
Kuvarslarda geçiş metal iyonlarının içsel renklerine ek olarak iyonlaştırıcı radyasyon tarafından üretilen renk merkezleri de bulunmaktadır. Kristallerin büyümesi ile ilişkili bazı faktörlerin sonuçları olarak saf olmayan atomların ve renklerinin düzeyli dağılımları elde edilebilir. Kuvars renklerinin çoğu doğada bulunan organize ve doğal kuvarslardan elde edilmemiştir. Renklendirme genelde inorganik olarak elde edilmektedir.
Renkli kuvarsların renklerinin nedenleri, yeni renkli kuvarsların belirlenmesi veya sentezlenmesi hakkındaki bilgi durumuna bağlı olarak çeşitli şekillerde sınıflandırılabilir. Bu sebepten dolayı kuvarsların doğal renkleri ile ayırt edilmemektedir. Bunun yerine rengi veren elementler sınıflandırılmaktadır. Çünkü pek çok kuvars sentetik olarak üretilen renklere sahiptir.
Kuvarslara renk vermesi açısından kullanılan elementler demir, kobalt, titanyum ve alüminyumdur. Demir elementi menekşe renginin kaynağıdır. Yapılan incelemelerde demir elementinin içeriği ve renk derinliği arasında farklı korelasyonlar olduğu tespit edilmiştir. Demir elementi ametist kuvarsına mor, sitrin kuvarsına sarı-kahverengi, diğerlerine ise yeşil rengi vermektedir.
2.4.2.1. Yerine geçiş alanları
Kuvars kristalinin yapısı 1925’te Bragg ve Gibbs tarafından incelenerek açıklanmıştır (Heaney ve Veblen, 1991). Daha sonraki yıllarda ise kuvarsın yapısı ve simetri özellikleri incelenmiştir. Şekil 2.9’da görüldüğü gibi temel yapı taşında dört oksijen atomunun bir tetrahedron oluşturmak için merkezî bir silikon atomunun çevrelediği SiO4 grubundandır.
25
Şekil 2.10. Kuvars temel yapısal özellikleri
SiO4 tetrahedra üç boyutlu bir ağ oluşturur ve bir ağ silikat veya tektosilikat olarak sınıflandırılır. SiO4 tetrahedra, sarmal düzeyinden dolayı atomik kafese sahip kuvars sarmal özelliklere sahiptir. Kuvars kristal yapı ve morfolojisi birbirinin ayna görüntüsü olan sol ve sağ el kristallerinden oluşmaktadır.
Bilindiği gibi trigonal simetriye sahip olan kuvars formu 575 0C’lik bir sıcaklıkta altıgen simetriye sahip başka bir forma tersine çevrilebilen şekilde değişir (Raman ve Nedungadi, 1940). Belirli bir sıcaklık aralığından (200 °C -575 °C) önce kuvarsın fiziksel özelliklerinde aşamalı bir değişiklik olur ve yüksek seviyeye geçişte daha fazla ani değişikliğe sebep olur. Örneğin, termal genleşme katsayıları bu sıcaklık aralığında kademeli olarak artar, geçiş noktasında pratik olarak sonsuz hale gelir ve sonra aniden küçük negatif değerlere düşer (Carpenter vd., 1998). Aynı sıcaklık aralığındaki modülü geçiş noktasında oldukça düşük değerlere düşer, ardından keskin bir şekilde yüksek rakamlara yükselir ve piezoelektrik aktivitesi de önemli değişikliklere uğrar.
α-β (Alfa-beta) kuvars geçişi geleneksel olarak basit, ikinci dereceden bir faz geçişi olarak da görülse de son yıllarda gerçekleştirilen çalışmada bu dönüşümün çok karmaşık bir doğası olduğu gösterilmiştir (Heaney, 1993; Heaney ve Veblen, 1991).
Alfa (α) kuvars 1,3 0C’lik bir aralıkta stabil olan orantısız bir şekilde modüle edilmiş bir faza birinci dereceden geçişe maruz kalır.
26
Tersine, benzer kimyasal özelliklere sahip kimyasal elementler, belirli bir kristal yapıda birbirinin yerine geçebilir, böylece aynı yapı farklı bileşimlerle meydana gelebilir. Bu sürece izomorfizm denir. Albit (NaAlSi3O8) ve ortoklaz (KAlSi3O8) feldspatlardır. Feldspat, kristal yapıya sahip olan Na (sodyum) ve K (potasyum) alkalilerdir ve birbirlerinin yerine serbestçe yer değiştirebilir böylece albit ve ortoklaz arasındaki tüm bileşimler mevcut olabilir.
Diğer minerallerde olduğu gibi kuvarstaki izomorfik yerine geçişler birçok faktör tarafından kontrol edilir; sıcaklık, mineral oluşum hızı, basınç, asitlik-mineral oluşturan çözeltinin alkalinitesi (Rakov, 2006). Bu faktörlerin her birinin izomorfik ikame kapsamı üzerindeki etkisinin rolü ve derecesi sadece doğal safsızlıkların kuvars yapıya dâhil edilmesinden sorumlu mekanizmaların tanımlanmasından sonra tahmin edilebilir.
İzomorfik kelime olarak "aynı şekil" anlamına gelmektedir. Kristalin yapısını (şeklini, morfolojisini) değiştirmeden bir iyonik katı içinde benzer boyutta (aynı veya farklı yük) başka bir iyonun oluşumu sırasında ikame edilmesi ‘izomorfik geçiş’ olarak tanımlanmaktadır (Thurman ve Mills, 1998). Bunlar genellikle kristalleşme süreçlerinde gerçekleşmektedir. Yerine geçişler, iyonlar arasındaki mesafenin kristalinin yarıçapının yaklaşık %10-15’lik oranında gerçekleşir. Küçük iyonlar genellikle büyük iyonların yerini almaktadır. Örneğin, Al elementi Si elementinin veya Mg, Fe gibi elementlerin yerini alır. Eğer yerine geçiş sırasında iki iyon arasında yükler farklı ise yük fazlası veya eksiği açığa çıkabilir. Toprak gibi maddelerde ise yerine geçişler genellikle negatif yüklerin ortaya çıkmasına sebebiyet verir ve toprağın katyon değiştirme kapasitesini artırır.
2.4.2.2. Bant Teorisi
Bant teorisi, kuvars vb. katılarda bulunan elektronların davranışıdır. Bütün maddeleri
‘bant’ olarak isimlendirilen elektronik enerji seviyeleri matematiksel bir fonksiyon olarak tanımlanır (Birinci, 2015). Maddelerden ortaya çıkarılan ve üretilen materyaller, ilgili bantlar arasında bulunan enerji boşlukları bağlamında sınıflandırılmaktadır.
27
Şekil 2.11. Bant teorisinde lüminesans enerji diyagramı
Şekil 2.11’da görüldüğü gibi materyaller içerisinde bulunan elektronlar az sayıda da olsa maddenin kristal yapısında bulunan yerlere bağlanırlar (Akkaya, 2011).
Bağlanma sürecinde elektronların çoğunluğu kazandığı enerjiyi kısa süre içinde vererek tekrar önceki düşük enerji düzeylerine iner. Bu şekildeki elektronlar, radyasyon kaynağından aldıkları enerjinin çoğunu geri vermedikleri için madde enerji depolar.
Bant teorisi metalik minerallerin renklerini açıklar; galena, proustite, greenockite, elmas gibi minerallerde siyah, kırmızı, turuncu, sarı ve renksiz renk yelpazesinin yanı sıra elmastaki safsızlıktan kaynaklanan sarı ve mavi renkler. Son olarak dispersiyon, saçılma, parazit ve kırınımı içeren fiziksel optiklerle açıklanan, iyi bilinen sözde renkli renkler vardır.
Enerji bant teorisi veya diğer ismi ile bant teorisi, kuvars gibi kristallerde ve katılardaki elektron hareketlerini açıklayan kuantum fiziği teorisinin dallarından katı hal fiziğinin temelini oluşturmaktadır (Birinci, 2015). Buna göre kuvarsta bulunan enerji spektrumu süreklidir ve elektron spektrumundan farklıdır. Bant teorisi temel
28
olarak üç farklı varsayıma dayanır; ilki, kristallerin sahip oldukları potansiyellerin periyodik olması, ikincisi serbest halde gezen elektronlar arasındaki etkileşim potansiyellerinin sınırlı olması, sonuncusu ise fotonlar arasındaki etkileşimlerin seviyelerinin düşük olmasıdır.
2.4.2.3. Yük transferi
Kuvars, elektriksel bir reaksiyon oluşturabilir. Bu yeteneğe sahip mineraller piezoelektrik olarak bilinir (Smith ve Rose, 1994). Elektrik, bir yük, fiziksel stres veya ısı uygulanarak oluşturulabilir. Kuvars ayrıca tribolüminesans veya basınç altında ışık yaratma yeteneği olan bir mücevher olarak da bilinmektedir. Bu gizemli ışık, bildiğimiz biçimdeki elektrik değildir, ancak çoğu zaman bu şekilde yayılmaktadır.
Kuvars kristalleri elektrik üretmesine rağmen elmaslar yalıtkandır ve elektrik iletmez.
Piezoelektrik olayını açıklayan ilk bilimsel yayın Pierre ve Jacques Curie tarafından 1880 yılında yayınlanmıştır. Yaptıkları deneylerde mekanik olarak zorlandıklarında yüzey yükleri gösteren turmalin, kuvars, topaz, şeker kamışı ve Rochelle tuzu gibi bir dizi kristali kullanmışlardır.
Piezoelektrik katsayısı k, bir piezoelektrik malzemesinin elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürme yeteneğini temsil etmektedir. Mekanik ve elektriksel alanlar arasındaki enerji dönüşümü, piezoelektrik malzemelerden yapılan hem sensörlerde hem de aktüatörlerde kullanılır. Kuvars için k = 0,1’dir.
Piezoelektrik kristal, iki metal plaka arasına yerleştirilir. Daha sonra malzemeye metal plakalar tarafından mekanik basınç uygulanır ve bu da kristal içindeki elektrik yüklerini dengeden çıkarır. Kristal yüzün zıt taraflarında aşırı negatif ve pozitif yükler ortaya çıkar (Smith ve Rose, 1994).
Piezoelektrik özelliğe sahip malzemeler, enerjinin mekanik alandan elektrik alanına ve tersi yönde dönüştürülmesine izin verir. Piezoelektrik sahibi materyaller çeşitli sensörler veya aktüatörler oluşturmak için kullanılabilir.
Ayrıca uygulanan periyodik elektrik sinyali, görüntüleme amaçlı (ultrasonik) dalgaların üretilmesi için kullanılabilir. Triboelektrik etki (Triboelektrik şarj), temas
29
halinde oldukları farklı bir malzemeden ayrıldıktan sonra belirli malzemelerin elektriksel olarak yüklendiği bir tür dokunma ile elektriklenme olayıdır (Deakin ve Buttry, 1989). İki malzemenin birbiriyle sürtünmesi, yüzeyleri arasındaki teması ve dolayısıyla triboelektrik etkiyi artırır. Örneğin, camı kürkle ovalayarak veya saça plastik bir tarak sürerek triboelektrik oluşturabilir. Günlük statik elektriğin çoğu triboelektriktir. Üretilen yüklerin polaritesi ve mukavemeti malzemelere, yüzey pürüzlülüğüne, sıcaklığa, gerilime ve diğer özelliklere göre farklılık göstermektedir.
Kuvarsın iki kristal yüzünün birbiriyle hafif temasından yüksek seviyede yükler elde edilebilir. Kuvars çeşitlerinde meydana gelen yük transferi piezoelektrik değildir (Harper, 1955). Vitröz silika kullanılarak elde edilen yükler, kristalizasyonun yeni başlamasından kaynaklanmaktadır.
2.4.2.4. Kristal alan teorisi
İç bileşenlerin, safsızlıkların, kusurların ve belirli yapıların renk olarak belirlediğimiz görsel efektleri ürettiği süreçlerde tam kapsam için dört farklı fiziksel teori (formalizm) gereklidir (Nassau, 1978). Bu teorilerden ilki olan Bant Teorisi önceki bölümlerde anlatılmıştır. Kristal Alan Teorisi ise kuvarslardaki renk oluşumlarını açıklayan bir diğer teoridir.
Kristal Alan Teorisi (KAT), manyetizma, soğutma spektrumları, oksidasyon durumları ve koordinasyon gibi kompleks maddelerin önemli özelliklerini tanımlamak için geliştirilmiştir (Chan ve Lam, 1974). Teorinin temelinde merkezi atomun p-orbitallerinin nokta yükleri olarak kabul edilen ligandlarla etkileşime girmesi etkilidir.
Kimyagerlerin koordinasyon kompleksleri için değerlik-bağ modelini geliştirirken aynı zamanda Hans Bethe, John Van Vleck ve Leslie Orgel gibi fizikçiler kristal alan teorisi olarak bilinen bir alternatif teori ortaya atmışlardır. Bu teori, komşu iyonların elektrik alanının, bir kristaldeki iyonun değerlik orbitallerinin enerjileri üzerindeki etkisini açıklamaya çalışmaktadır. KAT, iki bileşik dikkate alınarak geliştirilmiştir (manganez (II) oksit, MnO ve bakır (I) klorür, CuCl).
30
Kristal alan teorisi, azurit ve yakut gibi geçiş metali içeren minerallerdeki rengin yanı sıra floresanı da açıklamaktadır. Ayrıca elektron ve delik, renk merkezlerinin ışık veya ısıyla ağartmaya göre değişen kararlılığını ve termolüminesans gibi olayları açıklar.
Moleküler yörünge formalizmi, metal içeren mavi safir ve krokoit gibi yük transfer minerallerinin renginin yanı sıra lazurit, grafit ve organik olarak renklendirilmiş minerallerdeki ametal içermeyen renkleri açıklamak için kullanılır.
2.4.2.5. Renk merkezleri
Renk merkezi, kristal yapıdaki kuvarslarda bulunan bir kusurdur (Akkaya, 2011). Bu kusurlar genellikle aşırı ısı uyarıcı ve elektronları serbest bırakma doğal veya insan yapımı radyasyon bombardımanı ile ortaya çıkar. Renk merkezleri iki kategoriye ayrılır; elektron renk merkezleri ve delik renk merkezleri. Her iki durumda da renk merkezi yalnızca ışık dalga boylarına karşılık gelen belirli enerjileri absorbe edebilir ve gördüğümüz renk, bunun tamamlayıcı rengi veya emilen renktir.
Renk merkezleri farklı kuvarslarda farklı şekillerde bulunabilir (Kibar, 2007). Florit, değişen kalsiyum iyonları (Ca2 +) ve flor iyonları (F-) ile oluşturulur. Her pozitif kalsiyum iyonu, negatif flor iyonlarıyla çevrilidir ancak bunun tersi de geçerlidir (Cohen ve Makar, 1982). Pozitif ve negatif yükler arasındaki elektriksel çekim, kristalde güçlü bağlar oluşturur. Saf haliyle florit şeffaftır, ancak floritin ayırt edici özelliği mor renk merkezi olarak bilinen kristaldeki bir kusurdan kaynaklanır. Florit, çok çeşitli renklerde oluşur ve aynı zamanda floresandır.
Dumanlı kuvarslarda ‘delik’ (kusur) renk merkezleri bulunur. Saf kuvarsın ışınlanması, bazı oksijen atomlarından elektronların atılmasına neden olmaktadır.
Ancak bu elektronlar hemen yerlerine geri döner ve kristal renksizdir (Nassau, 1978).
Al'ın SiO2 yapısına eklenmesi (her 10000 Si atomu için yaklaşık 1 Al atomu) kristalde renk değişikliğine neden olur. Kristalin elektriksel nötrlüğünü korumak için Al3 +, SiO2 çerçevesindeki Si4 + iyonunun yerini alırsa bir proton (H+) ortaya çıkar.
Işınlama, alüminyum iyonunun yakınındaki bir oksijen atomundan bir elektron çıkarırsa elektron proton tarafından yakalanabilir. Bütün (AlO4)5-, (AlO4)4-'e dönüştürülen bir "delik" renk merkezi oluşturur. Hidrojen atomu, ışığı absorbe etmez.
