Aladağ Volkanı ve dolayının (Akkoz, Kötek ve Hamamlı; Kars İli) volkanostratigrafisi, jeokimyası ve petrolojisi
Volcanostratigraphy, geochemistry and petrology of aladağ volcano and around (Akkoz, Kötek and Hamamli; Kars Province)
Yazar: OLGUN DURU
Danışman: PROF. DR. MEHMET KESKİN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Çalışma alanı, Kars ili sınırları içerisinde, Sarıkamış'ın doğusunda yer alan ve Denizgölü, Kötek, Akkoz ve Hamamlı köylerini kapsamakta olup, Erzurum-Kars Volkanik Platosu (EKVP) olarak bilinen Senozoik yaşlı büyük bir volkanik platonun güneyinin bir bölümünü kapsar. Söz konusu volkanik plato, Arap ve Avrasya kıtalarının ~15 milyon yıl önce çarpışmalarına bağlı jeodinamik değişimlerin bir sonucu olarak yaygınca gelişmiş bir volkanizmanın ürünüdür.
Deniz seviyesinden ortalama 2000 m yüksekte yer alan Erzurum-Kars Volkanik Platosu, yaklaşık Batıdan Doğuya akan Aras nehri tarafından 1 km'ye yakın derinlikte bir vadi şeklinde yarılmıştır. Bu vadinin yamaçlarında Doğu Anadolu'nun en iyi volkano-stratigrafik kesitlerinden biri yüzeylenmektedir. Vadinin tabanında Doğu Anadolu Yığışım Karmaşığı adlı melanj yer almakta, onun üzerine sırasıyla Üst Kretase, Eosen ve Oligo-Miyosen yaşlı sedimenter birimler uyumsuz olarak gelmektedir. Aras Nehri vadisinde yüzeylenen EKVP, başlıca andezitik-dasitik bileşimli afirik lavlar ve asitik karakterde ignimbirit ve tüflerin ardalanmasından oluşur ve SiO2'nin artmasıyla perlit ve obsidiyen düzeyleri de içerir. Ayrıca piroklastik yağış ve surge ürünü pomza düzeylerine de rastlanır. Platoyu oluşturan ortaç lavlar, volkanik cam bir hamur içinde plajioklas ve orto/klino piroksen fenokristallerinden oluşur. EKVP'de batıdan doğuya doğru yaygınca bulunan bu birim Akkoz taban tüf düzeyi olarak adlandırılmıştır. Çalışma alanının kuzeybatısında, Hamamlı köyü civarında bulunan 19 x 13 km yayılımlı, bu bölgede platonun oluşumu ile muhtemel eş yaşlı aşınmış bir stratovolkan bulunmakta olup Hamamlı volkanik kompleksi olarak isimlendirilmiştir. Bu volkan, bantlı riyolitik lav, tüf, ignimbirit ve perlit-obsidyen ardalanmalarından oluşmakta ve kalın istifler oluşturmaktadır. Lavlarında hakim doku vitrofirik ve hiyalopilitik olup, başlıca plajioklas, K-feldispat, kuvars ve az olarak piroksen, amfibol mineralleri içermektedir. 
EKVP'nin Şehitemin ve Karaboncuk köyleri arasındaki bölümü üzerinde yataya yakın bir dokanakla uyumsuz olarak Aladağ volkanik sistemine ait birimler oturmaktadır. 3000 m yüksekliğe kadar ulaşan, kuzeye açık at nalı şeklinde bir krater içeren ve ~230 km2'lik yaklaşık dairesel bir taban alanına sahip olan kısmen aşınmış Aladağ volkanik sisteminin en büyük volkanı olan Büyük Aladağ stratovolkanının büyük bölümü ortaç lavlar ile temsil edilir. Büyük Aladağ volkanının yamaçlarında daha küçük çıkış konisi ve domlar bulunmaktadır. Bunlardan en büyüğü, kuzeybatısındaki ~9 x 5 km'lik eliptik ve yayvan bir koni olan Küçük Aladağ volkanıdır. Aladağ lavları, stratigrafik, mineralojik, dokusal ve coğrafi ilişkilerine göre dört alt gruba ayrılmaktadır: (1) Büyük Aladağ'ın EKVP'nin hemen üzerine gelen andezitten ve dasitten oluşan en yaşlı lavları, Aladağ taban lav düzeyi, porfirik, vitrofirik dokular gösterirler, başlıca kısa-küt, yarı özşekilli prizmatik plajioklas, orto piroksen ve klinopiroksen fenokristallerinden oluşurlar. Bu lavlar "tipik Aladağ lavları" olarak tanımlanmaktadır. Kimi lav düzeyleri amfibol ksenokristalleri içermektedir. (2) İkinci ve daha genç lav türü, andezitik-dasitik nitelikte, bazıları amfibol ksenokristalleri içeren, çoğunlukla plajioklas, piroksenlerden oluşan ve porfirik vitrofirik doku gösteren geniş alan kaplayan lavlardır (Sırataş andeziti, Çengilliçayırıtepe volkaniti, Zazantepe dasiti, Zariftepe trakiandeziti, Gümüştepedüzü volkaniti). (3) Büyük Aladağ volkanının kuzeybatısında yer alan Küçük Aladağ'ın lavları, afirik ve bazaltik andezit bileşimlidirler. Bunlar mikrolitik doku sergiler ve plajioklas-klinopiroksen minerallerini içerirler. Bunlar Büyük Aladağ'a ait lavları geniş alanlarda örtmektedirler. (4) Büyük Aladağ'ın güney etekleri ve doğusunda onu kesen vitrofirik dokulu, K-feldispat ve plajiyoklas fenokristalleri içeren Odalar riyoliti olarak adlandırılan riyolitik domlar mevcuttur. Kuzeyde, Paslı beldesi dolayında yüzeylenen Kars platosunun güney kenarını oluşturan Üst Pliyosen yaşlı Kars volkanitine ait genç bazik lavlar, arazideki en genç volkanik birimlerdir. Bunlar bazaltik bileşimlidirler, porfirik doku sunarlar, başlıca plajioklas ve yaygınca klinopiroksen ve yer yer olivin fenokristalleri içerirler.
Ana elemet oksitleri ve iz elementler açısından değerlendirildiklerinde çalışma alanındaki bütün volkanik birimler, belirgin bir dalma-batma bileşeni içerirler ve kalk-alkali karakter sunarlar. Petrografik çalışmalarımızda, lavların çoğunda magma karışımı işlemini belgeleyen mineral dokularına rastlanmıştır. Petrolojik model çalışmalarımız, Aladağ volkanik sistemine ait lavların geldikleri magma odasındaki magmanın kendi primitif bazaltik magması tarafından periyodik olarak tazelendiğine işaret etmektedir. Fraksiyonel kristallenme prosesi sırasında plajioklas tüm magma serilerinde kristallenmiştir ancak amfibol küçük bir lav serisi ile sınırlı kalmıştır. K-feldispat kristallenmesi ise evrimleşmiş lavların magma odası evrimi süreci ile sınırlı kalmıştır. DePaolo (1981) ve Aitcheson ve Forrest (1994)' ün eşitlikleri kullanılarak yapılan asimilasyon modellemelerinde, çalışma alanının evrimleşmiş lavlarında fraksiyonel kristallenmeye kabuk asimilasyonunun da eşlik ettiği (AFC) ve bunun önemli bir proses olduğu anlaşılmıştır. Daha bazik bileşimli diğer volkanik birimler (Kars volkaniti) için çok daha yüksek değerler de elde edilmiştir. EC-EFC modellemesinde Kars volkaniti örnekleri kabuksal katkıyı daha fazla içermekte olup (>  %2), Akkoz Taban tüf düzeyi ve Aladağ taban lav düzeyi örnekleri ise daha düşük oranda kabuksal katkı (< %2) içermektedirler. Petrolojik modellemelere göre fraksiyonel kristallenme ve magma karışımı-tazelenme süreçleri hakim süreçler olarak görülmektedir.

Mineral kimyası sınıflamalarına göre Akkoz taban tüf düzeyine ait amfiboller pargasit, Aladağ taban lav düzeyi ve Kars volkanitine ait klinopiroksenler Mg-ojit ve klinoenstatit, Akkoz taban tüf düzeyi, Aladağ taban lav düzeyi ve Kars volkaniti ait lavların plajiyoklasları ise sırasıyla andezin, labrodorit-andezin ve labrodorit türde oldukları ortaya konmuştur.
Manto kaynak alanı için yapılan modellemelerde manto kaynak alanının yitim bileşenince ve global okyanusal yitim sedimentlerince zenginleştiğini göstermektedir. Yapılan kısmi ergime modellemelerinde bazik uç üye niteliğine sahip lavlarda kısmi ergime dereceleri % 0.7 ile % 2 arasında değişmektedir. Modellerde kayaların spinel peridotititik ve flogopit spinel peridotitik arası bir kaynaktan türedikleri işaret edilmektedir.
Sıcaklık-basınç hesaplamalarına göre amfibollü Akkoz taban tüf düzeyi lavlarının magma odaları 5,63 - 6,45 kbar basınç ve 1026 ile 949°C arasında yer almaktadır. Klinopiroksenler üzerinde yapılan hesaplamalarda ise 0,8 – 4,8 kbar basınç ve 1025,2 ile 1077,9  °C arasında sıcaklarda magma odalarında yer aldıklarını. Kars volkaniti için ise 8,8 kbar ve 1178,9 °C koşullarında magma odalarında yer alıp kristallendiklerini göstermektedirler. Aladağ taban lav düzeyine ait lavlardaki ortopiroksenlerde yapılan analizlerde ise 1075 – 1160 °C arasında sıcaklıklar elede edilmiştir. 
Erzurum-Kars Volkanik Platosu'nun altındaki magma üretimi, Avrasya-Arap kıtalarının çarpışması neticesinde kalınlaşan Pontid kıtası ve Kuzeybatı İran Fragmanın litosferik mantolarının bir bölümünün bölgesel olarak soyulup ayrılması (delaminasyon) ile sıcak astenosferin yukarı yükselerek, daha önceden yitim bileşenince metasomatize edilmiş litosferik mantoları ergitmesiyle gerçekleşmiştir.

Abstract:
The area including the villages Denizgölü, Kötek, Akkoz and Hamamlı is located on the southern edge of the Erzurum-Kars Volcanic Plateau (EKVP). This volcanic plateau is known to have formed by the collision between the Eurasia and Arabian continents almost 15 Ma ago.
The EKVP lies over 2000 m above the sea level and is cut by the Aras river valley that flows approximately from the west to the east. On the walls of the valley, one of the best volcano-stratigraphic transects of Eastern Anatolia is exposed. The basement of this valley and plateau consists of the Eastern Anatolia Accretionary Complex which is unconformably overlain by the Upper Cretaceous, Eocene and Oligo-Miocene sedimentary sequences. The EKVP, exposed in Aras Valley, is composed mainly of aphyric andesitic-dacitic lavas, acidic ignimbrites and tuff, called the Akkoz basal tuff layer. With the increase of SiO2, perlite and obsidian accompany the pyroclastics. Pumice layers and lenses related to pyroclastic fall and surge processes are also widespread in the plateau sequence. The intermediate plateau forming lavas consist mainly of plagioclase and ortho/clino pyroxene phenocrysts set in volcanic glass.  In the northwest of the study area, an eroded stratovolcano probably coeval with the plateau, with a NNE-SSW extending ellipsoidal shape (19 x13 km) is present around the Hamamlı village. The aforementioned volcano consists of a thick sequence of rhyolitic lavas, tuffs, ignimbrites and perlite-obsidian. Vitrophyric and hyalopilitic textures are dominant in these volcanites, which are made up mainly of plagioclase, K-feldspar, quartz with minor amounts of pyroxene and amphibole crystals.
The Aladağ volcanic system unconformably overlies the plateau sequence with a subhorizontal contact between the villages of Şehitemin and Karaboncuk. The largest volcanic edifice of the Aladağ volcanic system, namely the Greater Aladağ stratovolcano reaches up to 3000 m height and includes a horseshoe-shaped crater open to the North. It is partially eroded with a circular footprint area of 230 km2. The Aladağ volcanic system is composed basically of intermediate lavas. Small volcanic cones and domes sit on the flanks of the Greater Aladağ volcano. The largest of them is Lesser Aladağ volcano with an elliptical and shield cone of 9x5 km, which is located in the northwest of the Greater Aladağ. The Aladağ lavas are divided into four sub-groups on the basis of their stratigraphic positions, mineral assemblages, textural properties and geographical positions. (1) The oldest lavas of the Greater Aladağ stratovolcano, Aladağ basal lava layer, which are composed of andesitic-dacitic composition, overlie the EKVP. They display porphric, vitrophyric, hyalopilitic textures and contain short, prismatic, subhedral plagioclase and orthopyroxene and lesser amounts of clinopyroxene phenocrysts. Some of these comprise amphibole xenocrysts. These lavas are described as "the typical Aladağ lavas". (2) The second and younger lavas are andesitic to dacitic in composition. They consist of plagioclase and pyroxene phenocrysts with occasional amphibole xenocrysts. They show porphyric vitrophyric texture and cover large areas (Sırataş andesite, Çengilliçayırıtepe volcanics, Zazantepe dacite, Zariftepe trachyandesite, Gümüştepedüzü volcanics). (3) The lavas of the Lesser Aladağ, located in the northwest of the Greater Aladağ volcano, are aphyric in texture and basaltic andesitic in composition. They exhibit microlithic textures and include plagioclase and clinopyroxene phenocrysts. They cover the lavas of the Greater Aladağ on a large area. (4) On the southern and eastern slopes of the Greater Aladağ volcano rhyolitic lava domes called the Odalar rhyolite are present. These domes show vitrophyric texture and contain K-feldispar and plagioclase phenocryts. They display very similar homogenous textures and compositions. In the northeast around the town of Paslı, Upper Pliocene lavas exposed on the southern edge of the Kars plateau are the youngest volcanic units in the study area.  They are basaltic in composition displaying porphyritic textures. They are composed of plagioclase and clinopyroxene phenocrysts.
All the volcanic products in the study area are calc-alkaline in character with a clear subduction signature. In our petrographic studies, most of the lavas show mineral textures characteristic of magma mixing processes. Results of our petrological modelling studies indicate that the magmas that fed the Aladağ magmatic system were evolved in a chamber which was periodically replenished by fresh and almost primitive basaltic magma. During the fractionation process, plagioclase crystallized throughout the magmatic evolution in all magma series, but amphibole was limited to a subset of lavas. K-feldspar crystallized only from the evolved magmas. Our assimilation models using DePaolo (1981) and Aitcheson and Forrest (1994) equations indicate that assimilation accompanied with fractional crystallization (AFC) process was less important than the fracrtional crystallisiation process in magma chamber evolution of the evolved lavas in the study area. Some of the basic units display higher degrees of crustal assimilation rates in magma chamber evolution. The EC-AFC model results in this study indicate that the Kars volcanics's samples contained more crustal contamination (> %2), whilst Akkoz basal tuff layer and Aladağ basal lava layer included lesser amounts of crustal contributions to the magma genesis (< %2). On the basis of our petrologic models, we argue that FC and magma-mixing/replenisment processes were the dominant processes in magma chamber evolution of the volcanic units comprising the Aladağ volcanic system .
Our mineral chemistry results indicate that, amphiboles of the Akkoz basal tuff layer are pargasitic in composition, while clinopyroxenes of this unit and the Aladağ basal lava layer are Mg-augite and clinoenstatitic in composition. On the other hand, plagioclases of Akkoz basal tuff layer, the Aladağ basal lava layer ve the Kars volcanics are andesine, labradorite-andesine and labradorite in composition, respectively.
Petrological models which are designed to examine the composition and mineralogy of the mantle source region indicete that the mantle region from which the magmas of the Aladağ volcanic system derived were enriched by a clear subduction component and possibly global oceanic subduction sediments. Moreover, partial melting models indicate that the mantle source region was represented by spinel and phologopite bearing peridotites. On the other hand,  degree of melting varied between 0.7 % and 2 %.  
Our the temprature-pressure calculations, based on crystal chemisty revealed that  tne magma chambers of amphibole bearing lavas of the Akkoz basal tuff layer experienced pressures between 5,63 and 6,45 kbar and between 1026 and 949°C. Based on clinopyroxenes thermobarometry of the Aladağ units crystallisation pressures varied between 0,8 and 4,8 kbar while temperatures spanned a range from 1025,2 to 1077,9  °C during the magma chamber evolution of these units. Magma chambers of the Kars volcanics, were evolved under pressures around 8.8 kbar and temperatures ~1178.9 °C. Some orthopyroxenes of Aladağ basal lava layer display crystallisation tempatures varying between 1075 and 1160 °C.
This study supports a geodynamic model in which magma generation beneath the Erzurum-Kars Volcanic Plateau was related to delamination of thickened lithosferic mantles of the Pontide continent and the Nortwest Iranian Fragment which can be linked to the collision between the Arabian and the Eurasian continents. The hot asthenosphere seem to have contributed to melting by upwelling to the shallow depths. This asthenospheric upwelling was the main factor in melting of a previously metasomatized lithospheric mantle by previous subduction events.