İvrindi (Balıkesir KB Türkiye) bölgesindeki Pb-Zn cevherleşmelerinin jeolojik ve jeokimyasal özelliklerinin incelenmesi
Geological and geochemical charecteristics of Pb-Zn mineralizations in the Ivrindi (Balikesi̇r NW Turki̇ye)
Yazar: RABİA ECEM
Danışman: DOÇ. DR. DEMET KIRAN YILDIRIM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Bu tez, Türkiye'nin Kuzeybatısında yer alan Balıkesir'in İvrindi bölgesindeki Pb-Zn mineralizasyonunun jeolojik özelliklerini değerlendirmektedir. Yüzeye çıkan kayaların petrografik özellikleri, mineralizasyonun oluşumu, ana kaya ile ilişkisi, mineralojik ve kimyasal bileşimi ile yapısal ve dokusal özellikler üzerinde durulmaktadır. 
Çalışma alanı, çoğunlukla Alt Triyas Karakaya Kompleksi kayaları, Alt Miyosen Şapçı Formasyonu, Yürekli Dasiti ve Soma Formasyonu'ndan oluşmaktadır. Bölgedeki Karakaya Kompleksi, metakonglomera, metakumtaşı, metakiltaşı, kumlu kireçtaşı, kumtaşı, aglomera, metavolkanikler ve farklı boyutlardaki Permiyen kireçtaşı bloklarından oluşmaktadır. Bu birimler, Alt Miyosen Şapçı Formasyonu ve Yürekli Dasiti tarafından örtülmüştür. Şapçı Formasyonu, andezitler ve bunların tüf ve piroklastik kayalarından oluşurken, Yürekli Dasiti, asidik bileşimli lav ve piroklastiklerden oluşmaktadır. Alt Miyosen Soma Formasyonu, tüm bu kaya birimlerini uyumsuz olarak örter ve marn, silttaşı, kumtaşı ve kireçtaşı ile ardalanmalarından oluşmaktadır..
Tez, Pb-Zn mineralizasyonunun Şapçı Formasyonu'ndaki tüfler ve altere andezitlerde bulunduğunu ortaya koymuştur. Bu mineralizasyonlar, demir zenginleştirilmiş alterasyonla boyanmış iki ana alterasyon zonu ile ilişkilidir: silisleşme-argilik ve fillik-kloritik zonlar. Mineralizasyon zonları, N30°–80°E yönünde ve 65°GB eğiminde olan birçok kırık ve faydan etkilenmiştir.
Araştırma amacıyla toplam 43 kayaç ve 12 karot örneği alınmış ve daha ileri petrografik analizler yapılmıştır. 23 parlak kesit, cevher mikroskopisi incelemelerine tabi tutulmuştur. Mineralizasyonla ilişkili farklı alterasyon zonlarının mineral bileşimini belirlemek için toplam 18 altere örnek X-ışını difraksiyonu (XRD) analizine tabi tutulmuştur. XRD incelemeleri, Şapçı Formasyonu'nun altere andezitlerinde ve tüflerinde iki ana alterasyon zonunun varlığını ortaya koymuştur: yüksek silisleşmiş-arjilik zon ve daha küçük fillik-kloritik zon. Tüm bu alanlarda yüksek demir seviyeleri gözlenmiştir. Silisleşmiş-arjilik alterasyon zonu, çoğunlukla kuvars, kaolinit, albit, illit, anglesit, ortoklaz, pirit ve alunitten oluşur. Ayrıca, küçük miktarlarda serisit, arsenopirit, jadeit-diopsit, barit, hematit, serüsit, sfalerit, rutil,  manyetit, braunit, magnezit, kalsit, hidroksiapatit ve çinkit bulunabilir. Fillik-kloritik zon, alunit, albit, klinoklor, muskovit, manyetit, flogopit, klinokrizotil ve anortitten oluşur.
Cevher minerolojisi, pirit, galen ve sfalerit ile birlikte küçük miktarlarda arsenopirit ve kalkopirit içerir. Cevher minerallerinin parajenetik sıralaması, birincil, ikincil ve süperjen aşamalardan oluşur. İlk aşamada, belirgin bir şekilde pirit, galen ve sfalerit ile birlikte küçük miktarlarda arsenopirit ve kalkopirit bulunur. Bu mineraller, kuvars, kaolinit, serisit ve illit içeren silisleşmiş-arjilik zonlardan oluşan altere zon içinde bulunur. İkinci aşama, Fe oksitlerinden oluşan bir hidrotermal mineralizasyon sistemi ile ilişkilidir. Markazit, kuprit ve hematit ile birlikte anglesit, serüsit ve zinkit gibi mineralleri içerir. Bu mineraller, oksitlenmiş koşullarda daha önce gelişmiş cevher minerallerinin yerini almıştır. Süperjen faz, götit mineralinin varlığı ile karakterizedir.
Cevher içeren tüfler ve volkanik kayaların jeokimyasal özelliklerini değerlendirmek, cevher içeriğini belirlemek, kayaların sınıflandırılması ve alterasyon jeokimyası için toplam 38 örnek XRF majör-iz element analizi, ICP-MS element analizi ve mineralizasyonla ilişkili kuvars damarlarında sıvı kapanımı çalışmaları ile analiz edilmiştir. Analiz sonuçları, Şapçı Formasyonu'nun çoğunlukla andezit, piroklastik ve metatüf içerdiğini göstermektedir. Şapçı Formasyonu örneklerde K/Rb oranları 235.2 ile 315.8 arasında değişmekte olup, ortalama 261.07'dir. Bu oranlar, formasyonun asidik/orta karakterde olduğunu ve metavolkanik tüf, metagreyvak ve arkozik kumlardan oluştuğunu göstermektedir. Bu kayaların üst kıta kabuğunda oluştuğu belirlenmiştir. Çalışma alanındaki Yürekli Dasitlerine ait alınan kaya örnekleri, jeokimyasal sınıflandırma (TAS) diyagramına göre sabalkali dasit olarak sınıflandırılmıştır. Altere kayalardaki iz element analizleri, Zn (7471 ppm'ye kadar), Pb (1310 ppm'ye kadar) ve Cu (193 ppm'ye kadar) yüksek konsantrasyonlar göstermektedir.
Kuvars minerallerinde yapılanbirincil sıvı kapanım çalışmalarınadayanarak elde edilen verilerde ötektik sıcaklık (Te) değerleri -17.8 ile -16.2 °C arasında değişmekte olup, H₂O-NaCl sisteminin varlığını işaret etmektedir. Birincil sıvı kapanımlarının nihai erime sıcaklıkları (Tm) -8.0 ile -4.8 °C arasında değişmekte olup, ortalama -6.0 °C'dir. Homojenizasyon sıcaklıkları (Th) 212.7 ile 298.2 °C arasında değişmekte olup, ortalama 246.1 °C'dir. Tuzluluk, %7.6 ile %11.7 NaCl arasında değişmekte olup, ortalama %9.2 NaCl eşdeğeridir. Birincil kapanımların yoğunlukları 0.80 ile 0.94 g/cm³ arasında değişmekte olup, ortalama yoğunluk 0.88 g/cm³'dir.
Bu araştırma kapsamında yapılan saha, jeokimya, mineraloji-petrografi, cevher mineralojisi ve sıvı kapanımı incelemeleri sonucunda, Pb-Zn cevherleşmesinin Şapçı Volkanitleri ile ilişkili olduğu ve ortaç sülfidasyon epitermal tipte bir cevherleşme olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
This thesis focuses on the geological and geochemical characteristics of Pb-Zn mineralizations in the İvrindi region of Balıkesir, located in northwestern Turkey. The aim of the study is to investigate the mode of occurrence of these mineralizations, their relationship with host rocks, their mineralogical and chemical composition, and their structural and textural features in detail. Additionally, alteration processes and fluid inclusion properties have been examined to determine the formation temperatures and chemical composition of the mineralization. In this context, the geochemical characteristics and formation mechanisms of the mineralization in the İvrindi region have been elucidated.
The study area is located in the northeast of the İvrindi district of Balıkesir province, and it mainly consists of Lower Triassic Karakaya Complex rocks, Lower Miocene Şapçı Volcanics, Yürekli Dacites, and Soma Formation. The Karakaya Complex in the region is composed of metaconglomerates, metasandstones, metashales, sandy limestones, sandstones, agglomerates, metavolcanics, and Permian limestone blocks of various sizes. These units are overlain by the Lower Miocene Şapçı Volcanics and Yürekli Dacites. The Şapçı Volcanics consist of andesites and their tuff and pyroclastic rocks, while the Yürekli Dacites consist of acidic lavas and pyroclastics. The Lower Miocene Soma Formation unconformably overlies all these rock units and consists of marl, siltstone, sandstone, and limestone alternations.
Geochemical investigations have been used to understand the mineralization processes in the region and to reveal the chemical composition of the rocks. X-ray Fluorescence Spectrometry (XRF), Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS), and fluid inclusion analyses were employed in this study. Petrographic examinations were conducted on samples collected to determine the mineralogical-textural properties of the volcanic rocks, quartz veins, and complex rocks exposed in the study area. In thin section analyses, alteration traces and epitermal textures in quartz veins, as well as rock-forming minerals, were examined. Especially the alterations and mineral formations associated with mineralizations were evaluated in detail under an optical microscope. The results indicate that the mineralizations in the study area developed within andesites and pyroclastics (tuffs) with porphyritic texture.
The thesis revealed that Pb-Zn mineralization is found within tuffs and altered andesites belonging to the Şapçı Volcanics. These mineralizations are associated with two main alteration zones stained by iron-enriched alteration: silicified-argillic and phyllic-chloritic zones. The mineralization zones are affected by numerous fractures and faults oriented N30°–80°E with a dip of 65°SW.
To determine the mineral composition of the alteration zones associated with mineralization in the study area, a total of 18 altered samples were subjected to X-ray diffraction (XRD) analysis. These analyses revealed the presence of two main alteration zones in the altered andesites and tuffs of the Şapçı Volcanics: a highly silicified-argillic zone and a smaller phyllic-chloritic zone. High iron levels were observed in all these areas. The silicified-argillic alteration zone mainly consists of quartz, kaolinite, albite, illite, anglesite, orthoclase, pyrite, and alunite. Additionally, small amounts of sericite, arsenopyrite, jadeite-diopside, barite, hematite, cerussite, sphalerite, rutile, pyrolusite, magnetite, braunite, magnesite, calcite, hydroxyapatite, and zincite may be found. The phyllic-chloritic zone consists of alunite, albite, clinochlore, muscovite, magnetite, phlogopite, clinochrysotile, and anorthite.
In order to determine the geochemical characteristics of the volcanic rocks hosting the mineralization and their ore content, 43 rock samples and 12 core samples were collected, and a total of 38 samples were subjected to XRF major-trace element analyses and ICP-MS elemental analyses. In these analyses, all the rocks were examined for major, trace, and rare earth elements. The obtained analysis results were evaluated within the framework of geochemical classification tables prepared considering the origin of the rocks and the geological environments and stages they have undergone, and they were comprehensively analyzed using the Grapher V.12 program.
The samples used in the study were selected from low-alteration samples, with LOI values ranging from 1.73 to 3.85. The major oxide, trace element, and rare earth element analyses of the selected representative rocks of the Şapçı Volcanics and Yürekli Dacites were performed to determine their chemical composition. The SiO₂ contents of the Şapçı Volcanics range from 60.44% to 65.24%, while the SiO₂ contents of the Yürekli Dacites range from 63.97% to 69.1%. The quartz veins were also examined, and these veins are thought to be the main system carrying the mineralization. The Yürekli Dacites and Şapçı Volcanics were classified as dacite and andesite, respectively, according to chemical classification diagrams. Moreover, both units fall within the calc-alkaline series, suggesting that the volcanic units likely formed in subduction zones or continental arc settings.
The changes in major oxides and trace elements against SiO₂ were examined on Harker diagrams. The relationships of major oxides such as Al₂O₃, MgO, CaO, Na₂O, K₂O, Fe₂O₃, TiO₂, and P₂O₅ and trace elements such as Zr, Sr, Ba, Rb, Th, Nb, Y, La, and Ni with SiO₂ were evaluated. These analyses revealed the magmatic evolution processes of the rocks and the mineral enrichments formed by fractional crystallization.
Epitermal systems were observed in the tectonic zones developed within the Lower Miocene Şapçı Volcanics, and intensely silicified, vuggy, brecciated, limonitic, and hematitic zones were identified in the upper sections of these systems. A total of eight boreholes were drilled at five different locations in the northwest part of the study area, with a total drilling depth of 2201.70 meters. One of these boreholes, 10BES-22/1A, was drilled at coordinates X:543174, Y:4390019, with an azimuth/dip of 35/75 and a depth of 156.90 meters. The analyses revealed the presence of 140 ppb Au, 7.7 ppm Ag, 1238 ppm As, 42 ppm Sb, 190 ppm Cu, 2311 ppm Pb, 6206 ppm Zn, and Mo values up to 14 ppm. The high levels of trace elements such as Sb, As, Bi, Se, Tl, Mn, and Mo in the ore chemistry indicate the epitermal nature of the mineralization.
The region exhibits two widely observed alteration types: silicified argillic zones containing minerals like quartz, alunite, kaolinite, smectite, calcite, and pyrite, and phyllic-chloritic zones containing quartz, kaolinite, alunite, pyrite, and sericite. These alterations occur due to the influence of acidic groundwater at low temperatures and under high temperature and moderately acidic conditions. Mineralogical data confirm these alterations, which are also stained with Fe-oxide.
The ore mineralogy primarily includes pyrite, galena, and sphalerite, with smaller amounts of arsenopyrite and chalcopyrite. The paragenetic sequence of these minerals occurs in three stages: primary, secondary, and supergene. In the primary stage, pyrite, galena, and sphalerite dominate within silicified-argillic zones. The secondary stage involves hydrothermal mineralization with Fe oxides, including minerals like marcasite, cuprite, and hematite, which replace earlier minerals under oxidized conditions. The supergene phase is characterized by the presence of goethite.
Fluid inclusions found in quartz minerals were analyzed to study the pressure, temperature, and compositional evolution of hydrothermal fluids. Primary fluid inclusions are divided into two phases: liquid H₂O (L) and vapor H₂O (V), and they are identified as liquid-rich. Comprehensive analyses were conducted on 20 primary fluid inclusions identified in quartz grains from nine samples. The eutectic temperatures (Te) of quartz crystals range from -17.8 to -16.2 °C, indicating the presence of an H₂O-NaCl system. The final melting temperatures (Tm) of the primary fluid inclusions range from -8.0 to -4.8 °C, with an average of -6.0 °C. The homogenization temperatures (Th) range from 212.7 to 298.2 °C, with an average of 246.1 °C. The salinity ranges from 7.6% to 11.7% NaCl, with an average of 9.2% NaCl equivalent. The densities of the primary inclusions range from 0.80 to 0.94 g/cm³, with an average density of 0.88 g/cm³. The fluid inclusion studies highlight the relationship between homogenization temperature, salinity, and the sources of the fluids.
Fluid inclusion studies provided valuable information on the origin and evolution of ore-forming fluids by examining the relationship between homogenization temperature and salinity. The fluid inclusion measurements in quartz veins suggest that the formations observed in the İvrindi region may be associated with intermediate sulfidation epithermal-type mineralization.
Based on the fieldwork, geochemistry, mineralogy-petrography, ore mineralogy, and fluid inclusion studies conducted within this study, it has been concluded that the Pb-Zn mineralization in the study area is associated with the Şapçı Volcanics and represents an intermediate sulfidation epithermal-type mineralization.