Orta ve Batı Anadolu'da jeomanyetik alan şiddetinin neojen-kuvaterner boyunca değişimi
The variation of geomagnetic field intensity in Central and Western Anatolia during neogene-quaternary
Yazar: NURCAN KAYA
Danışman: PROF. DR. ZİHNİ MÜMTAZ HİSARLI
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering
Dizin: Jeomanyetik alan = Geomagnetic field

Özet:
Yermanyetik alanı Dünya'yı güneşten gelen parçacıklara karşı koruyan bir kalkan görevi görmektedir. Bu nedenle, yermanyetik alanında meydana gelebilecek değişimlerin belirlenmesi oldukça önemlidir. Gelecekte meydana gelebilecek değişimleri tahmin edebilmek için geçmiş kayıtların detaylı ve yüksek çözünürlükte elde edilmesi gerekmektedir. Ayrıca, yermanyetik alanının kaynağı, dinamiği ve davranışları hakkında bilgi sağlamak için de manyetik alanın geçmişte nasıl davrandığını belirlemek önemlidir. Vektörel bir büyüklük olan yermanyetik alanının geçmiş dönemlerdeki yönü ve doğrultusu paleomanyetizma,  şiddeti ise paleoşiddet yöntemleri ile belirlenebilmektedir. 
Bu tez çalışmasında, Orta ve Batı Anadolu'da Neojen-Kuvaterner dönemine ait yermanyetik alanın paleoşiddet değişimlerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, çalışma bölgesindeki yaşları 0.0009 My ve 16 My arasında değişen Neojen-Kuaterner yaşlı volkanik alanlarda bulunan 34 adet mevkiden toplam 233 adet örneğin paleoşiddet ölçümleri yapılmıştır. Tüm örneklere Geliştirilmiş Thellier yöntemi uygulanarak paleoşiddet değerleri elde edilmiştir. Kısmi ısıl mıknatıslanma kazandırma işlemleri (pTRM), örneklerin adım adım ısıtılması ve sabit 35µT bir alanda soğutulması ile gerçekleştirilmiştir. Verilerin güvenilirliğini test etmek için gerçekleştirilen kaya manyetizması çalışmaları ile örneklerin mıknatıslanmadan sorumlu mineralin cinsleri, alterasyon miktarları ve domen yapıları belirlenmiştir.
Paleomanyetik analizler sonucunda, Neojen-Kuvaterner yaşlı 29 mevkiye ait ortalama deklinasyon açısı 178.9⁰, inklinasyon açısı  -52.3⁰, α95 6.9 ve k 16.1 olarak bulunmuştur. Günümüze ait aynı enlemdeki deklinasyon ve inklinasyon açısı ile karşılaştırıldığında, Miyosen'den bugüne bölgede tektonik bir hareket olmadığı saptanmıştır. Ayrıca yapılan terslenme testi ile de mıknatıslanmanın yaşının orijinal olduğu tespit edilmiştir.
Paleomanyetizma ve paleoşiddet analizleri ile her bir mevki için Görünür Dipol Moment (VDM) ve paleoşiddet değerleri hesaplanmış ve elde edilen sonuçlar Holosen, Pleyistosen, Pliyosen ve Miyosen olmak üzere dört farklı jeolojik dönem altında yorumlanmıştır. Tüm sonuçlar aynı zaman aralıklarında veri tabanındaki (Borokpint) tüm verilerle ve aynı enlemde çalışılmış verilerle ile karşılaştırılmıştır.  
Holosen'de, 900 ile 2600 yıl yaş aralığında çalışılan 6 mevkiye ait örneklerden elde edilen  ortalama paleoşiddet değerleri 47.22 μT ile 71.98 μT arasında ve ortalama VDM değerleri 7.5x1022 Am2 ile 12x1022 Am2 arasında bulunmuştur. Genel olarak elde edilen bu paleoşiddet ve VDM değerlerinin bazıları günümüze yakın (günümüz VDM değeri 8x1022 Am2, paleoşiddet değeri ise 47 μT) ve bazılarının da  yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca Borokpint veri tabanında aynı yaş aralığındaki verilerle birlikte değerlendirdiğimizde 3000 yıl önce manyetik alan şiddetinden sapmaların olmadığı ve manyetik alan şiddetinin günümüze yakın olduğu tespit edilmiştir.
Pleyistosen dönemi, Üst Pleyistosen, Orta-Kalabriyen Pleyistosen, Gelasiyen Pleyistosen olarak 3 dönemde incelenmiştir. 13.1 By yaşındaki Üst Pleyistosen dönemindeki örneklerden 24.18 μT gibi  günümüze göre düşük paleoşiddet  ve 4.13x1022 Am2 gibi günümüze göre düşük  VDM değeri, elde edilmiştir. Bu düşük değerler Hilina Pali (14-22 By) ya da İberian Margin (13 By) manyetik alan sapmaları ile örtüşmektedir.  Ayrıca, 11.7 By önce meydana gelen son buzul çağı (LGM) ve Younger Drays döneminin geçişi ile ilişkili olduğu da düşünülmektedir. Kesin sonuca varabilmek için veri sayısının arttırılması gerekliliği ortaya konmuştur. Orta-Kalabriyen Pleyistosen döneminde, 670 By yaşlı örneklerden günümüze göre daha düşük paleoşiddet (12.25 μT), düşük VDM (2.49x1022 Am2) ve ters polarite değerleri (I= -45.1) elde edilmiştir. 710 By yaşındaki örneklerden ise 670 By yaşındaki örneklere göre daha yüksek paleoşiddet (51.34 μT), daha yüksek VDM (10.19 x1022 Am2) ve normal polarite değerleri (I= 47.7) elde edilmiştir. Elde edilen verilerle, bu zaman aralığında manyetik alan şiddetinden sapmaların varlığı tespit edilmiştir. Litaratürde bu yaşa karşılık gelen terslenme Delta sapması olarak isimlendirilmiştir. Bu tez çalışmadan elde edilen sonuçlarla bir kez daha Delta sapması doğrulanmıştır. Aynı jeolojik dönemde, 1.1 My yaşlı örneklerden elde edilen paleoşiddet (32.8 μT) ve VDM değerinin (6.94x1022 Am2) Borokpint veri tabanı ile uyumlu olduğu bulunmuştur. Bu örnekten elde edilen -41.4⁰ inklinasyon açısı manyetostratigrafide Matuyama ters polaritedeki dönemin genel kararteriyle de uyumludur. Orta-Kalabriyen Pleyistosen'de Brunhes dönemine ait 200 By dan küçük ve 710 By yaşındaki örneklerden sırasıyla 352.1⁰ ve 351.7⁰ denklinasyon açıları elde edilmiştir. Veri tabanında bu yaş grubu için sapma açısı ise günümüzdeki değerine yakın 355⁰ olarak verilmiştir. Yine Orta-Kalabriyen Pleyistosen içinde Matuyama dönemine ait 1.1 My ve 1.48 My yaşlı örneklerden elde edilen deklinasyon açılarının sırasıyla 170.2⁰ ve 213.8⁰ olması ve veri tabanından elde edilen deklinasyon açılarının 180⁰ civarlarında sıralanmış olması polarite değişikliğini göstermektedir. Gelasiyen Pleyistosen'e ait 1.84 My yaşlı mevkiye ait örneklerden günümüzden düşük paleoşiddet (24.97 μT) ve VDM değeri (4.6x1022 Am2) saptanmıştır. 2.15  ve 2.57 My yaşlı mevkiye ait örneklerden ise günümüzden yüksek paleoşiddet (65.51 μT, 79.61 μT) ve VDM değeri (14.86x1022 Am2, 14.54x1022 Am2) saptanmıştır. Bu dönemden elde edilen sonuçların, az sayıda bulunan önceki çalışmalarla uyumlu olduğu gözlemlenmiştir.
Pliyosen dönemindeki 4.7 My yaşlı mevkiye ait örneklerden elde edilen düşük VDM, düşük paleoşidet (VDM: 4.38x1022 Am2, paleoşiddet: 20.98 μT) ve normal polorite değeri (I=42.9⁰), ters polariteli Gilbert dönemi içindeki bir manyetik alandan sapmaya işaret ettği sonucuna varılmıştır. Bu da manyetostratigrafide C3n.2n kronuna denk gelen Nunivak terslenmesini desteklemektedir. Aynı dönem içerisinde 4.43 My yaşlı bir başka mevkiye ait örneklerden elde edilen benzer sonuçlar (VDM: 4.61x10 Am2, paleoşiddet: 25.18 μT) yine Nunivak terslenmesinin bu zaman aralığında da devam ettiğini düşündürmektedir. Ancak bu verinin mutlak yaş standart hatasının yüksek olması bu sonucu tartışmaya açık bırakmıştır.
5.98 My ve 14.3 My yaşlı Miyosen dönemine ait iki mevkiden sırasıyla günümüzden yüksek olan 10.17x1022 Am2 ve 9.68x1022 Am2 VDM değerleri ve 8.37 My, 16.42 My, 16.48 My yaşlı üç mevkiden ise sırasıyla günümüzden düşük olan ~3.30x1022, 4.0x1022, 3.70x1022 Am2 VDM değerleri hesaplanmıştır. 8.37 My, 16.42 My yaşlarındaki mevkilere ait örneklerden elde edilen negatif inklinasyon açıları bu dönemde meydana gelen manyetik alandan sapmalar ile uyumludur. Ancak 5.98 My yaşındaki mevkiye ait örneklerden elde edilen negatif inklinasyon açısı (I: -42.6) Gilbert ters polarite dönemi ile ilişkilendirilmiş ve manyetik alanda bir sapmanın olmadığı sonucuna varılmıştır. 14.3 My yaşlı mevkiye ait örneklerden elde edilen pozitif inklinasyon açısı (I: 33.5) normal poloriteli C5ADn kronuna karşılık geldiği saptanmıştır. 16.44 My ve 16.48 My yaşlı mevkilere ait örneklerden elde edilen pozitif inklinasyon açısı (22.9⁰, 27.2⁰) ve düşük paleoşiddet değeri (34.34 μT, 15.59 μT) ters poloritede olan dönem içinde meydana gelen manyetik alandan sapmayla açıklanmıştır. 5.98-16.48 My arasında elde edilen güvenilir paleoşiddet sonuçları ile, veri sayısının çok az olduğu Miyosen dönemi veri tabanına önemli bir katkı koyulmuştur. Elde edilen sonuçlar az sayıda olan diğer verilerle de uyumlu bulunmuştur. 
Bu tez çalışması ile ilk defa Orta-Batı Anadolu'da bulunan Neojen-Kuvaterner dönemine ait paleoşiddet verileri yüksek hassasiyet ve güvenilirlikte ortaya konmuştur. Dünyadaki veriler incelendiğinde, özellikle, 14-26 My aralığında bir veri boşluğu göze çarpmaktadır. Bu çalışma kapsamında elde edilen yeni ve güvenilir veriler ile bu zaman aralığındaki veri boşluğu  doldurulmuştur. Tez çalışması ile elde edilen mutlak yaş verilerine sahip güvenilir paleoşiddet verilerinin, literatüre oldukça önemli katkılar sunacağı ve gelecekte Türkiye'deki paleoşiddet çalışmalarına, öncül bir çalışma olarak, hız vereceği açıktır.

Abstract:
Earth's magnetic field acts as a shield that protects the Earth against particles that arrives from the sun. Therefore, it is very important to determine the variations in the geomagnetic field. To estimate these variations, which may occur in the future, high resolutional records in the past should be obtained in detail. Further, to provide information about the origin, dynamics, and behavior of the geomagnetic field, it is also important to observe how it behaves in the past. The observations related to the polarity and direction of the geomagnetic field, can be determined by paleomagnetism and its intensity by paleointensity studies.
In this thesis, it is aimed to determine the paleointensity variations of the geomagnetic field during the Neogene-Quaternary period in Central and Western Anatolia. For this purpose, a total of 233 samples were taken from 34 sites in the Neogene-Quaternary volcanic areas, of which age ranges between 0.0009 Ma and 16 Ma. Paleointensity values were obtained by applying the (Enhanced Thellier method) on all samples. Partial thermal remanent magnetization processes (pTRM) were carried out by heating the samples step by step and cooling them in a bias 35µT field.  By rock magnetism studies, which are carried out to test the reliability of the data, magnetic minerals responsible for magnetization, alteration amounts and magnetic domain structures were determined. 
As a result of paleomagnetic analysis, the mean declination of the Neogene-Quaternary aged 29 locations is found as 178.9⁰ and  the inclination as -52.3⁰,  α95 6.9 and k 16.1. Compared to the inclination and declination expected from a geocentric axial dipole (GAD) for the study area, it has been determined that there is no tectonic movement in the region since Miocene. In addition, with the reversal test, the age of the magnetization was found as to be original.
Virtual Dipol Moment (VDM) and paleointensity values were calculated for each site by paleomagnetism and paleointensity analysis and the results were interpreted under four different geological periods as Holocene, Pliocene, Pleistocene and Miocene. All results were compared with global database (Borokpint) at the same time intervals and latitude.
During Holocene, the average paleointensity and mean VDM values obtained from the samples from 6 sites between 900 and 2600 years were found between 47.22 μT and 71.98 μT and  between 7.5x1022 Am2 and 12x1022 Am2, respectively. Some of these paleointensity and VDM values are close to present paleointensity values with  47 μT and axial dipol moment with 8x1022 Am2and some of them are higher. In addition, when we evaluate the data in the Borokpint database with the same age range, it was determined that there were no excursions.  in the geomagnetic field intensity 3000 years ago and the magnetic field intensity was close to the value of present day.
Pleistocene period was studied in three periods as Upper Pleistocene, Middle-Calabrian Pleistocene and Gelacian Pleistocene. It was obtained low paleointensity value of 24.18 μT and low VDM values of 4.13x1022 Am2 for the upper Pleistocene period, which are lower than today values.  These low values coincide with Hilina Pali (~14-22 Ka) or Iberian Margin (~13 Ka) geomagnetic field excursions. It is also thought to be related to the Llast ice age (LGM) that occurred 11.7 Ka ago and the transition of the Younger Drays period. In order to reach a definitive conclusion, more amount of data is needed. In the Middle-Calabrian Pleistocene period, low paleo intensity (12.25 μT), low VDM (2.49x1022 Am2) and inverse polarity values (-45.1⁰) were obtained from the samples with the age of 670 Ka. Compared to the samples of 770 ka , higher paleointensity (51.34 μT), higher VDM (10.19 x1022 Am2) and normal polarity values (47.7⁰) were obtained from 710 ka age samples. With the data obtained, the presence of excursions in the geomagnetic field intensity in this time interval was determined. In literature, the excursion corresponding to this age is called Delta excursion. Delta excursion was confirmed once again with the results obtained from this thesis study. In the same geological period, paleointensity (32.8 μT) and VDM value (6.94x1022 Am2) obtained from 1.1 Ma aged samples were found to be compatible with the Borokpint database. The angle of -41.4⁰ inclination obtained from this sample is also compatible with the general characteristics of the period in reverse polarity Matuyama in magnetostratigraphy.  352.1⁰ and 351.7⁰ denclination angles were obtained in the Middle-Calabrian Pleistocene samples less than 200 ka and 710 ka years respectively, belonging to the Brunhes period. The declinaton angle for this age group in the database is given as 355⁰ close to its current value. Also, in the Middle-Calabrian Pleistocene, the declination angles obtained from the Matuyama period of 1.1 Ma and 1.48 Ma samples are 170.2⁰ and 213.8⁰ respectively, and the declination obtained from the database are listed around 180⁰ indicate the polarity reversal. From the samples of 1.84 Ma in Gelacian Pleistocene, lower paleointenstiy (24.97 μT) and VDM value (4.6x1022 Am2) has been determined. From the samples taken from the sites with the age of  2.15 and 2.57 Ma , high intensity  (65.51 μT, 79.61 μT) and VDM value (14.86x1022 Am2, 14.54x1022 Am2) has been determined. It is observed that the results obtained from this period are in good agreement with previous studies.
Low VDM, low paleointensity (VDM: 4.38x1022 Am2, paleointensity: 20.98 μT) and normal polority value (I = 42.9⁰) obtained from the samples taken from the site of  4.7 Ma aged in the Pliocene period indicate the reversals from a geomagnetic field within the Gilbert period with reverse polarity. This supports Nunivak reversal, which corresponds to the C3n.2n chron in magnetostratigraphy. Similar results obtained from samples from another site of 4.43 Ma age in the same period (VDM: 4.61x1022 Am2, paleointensity: 25.18 μT) also suggest that the Nunivak reversal continues in this time interval. However, the high absolute age standard error of this data left this result open to discussion. 
10.17x1022 Am2 and 9.68x1022 Am2 VDM values (higher than present value) were calculated for the two locations of 5.98 Ma and 14.3 Ma for the Miocene period and 3.30x1022, 4.0x1022, 3.70x1022 Am2 VDM values (lower than present value), were calculated for the ages of 8.37 Ma, 16.42 Ma, 16.48 Ma of three locations. Negative inclination directions obtained from samples with the age of 8.37 Ma, 16.42 Ma  are compatible with the reversals from the geomagnetic field in this period. However, the negative inclination  (-42.6⁰) obtained from the samples of the 5.98 Ma  was associated with the Gilbert reverse polarity period and it was concluded that there was no reversal in the geomagnetic field.  Positive inclination  (33.5⁰) obtained from 14.3 Ma old samples was found to correspond to the C5ADn chron with normal polarite. The positive inclinations (22.9⁰, 27.2⁰) and low paleointensity values (34.34 μT, 15.59 μT) obtained from the samples of 16.44 Ma and 16.48 Ma age were explained by the deviation in the geomagnetic field occurring during the period of reverse polarity. With the reliable paleointenisty results obtained between 5.98-16.48 Ma, a significant contribution was made to the Miocene period database, where the number of data is scarcity. The results obtained were also compatible with data in the literature, which are few.
 In this thesis, for the first time, paleointensity data over the Neogene-Quaternary period in Central-Western Anatolia were revealed with high sensitivity and reliability. When the data in the literature are examined, data gap in the 14-26 Ma range is especially noticeable. With the new and reliable data obtained within the scope of this study, the data gap in this time frame has been filled. The results obtained in this thesis  to be expecting to  provide a very important contribution to the literature and would shed light as a preliminary study for thre future paleointensity studies.