Orta Sakarya bölgesinde Sakarya kıta kabuğunun erken mesozoyik öncesi tektonik gelişimi
Pre-early mesozoic tectonic development of  Sakarya  continental crust in the central Sakarya region
Yazar: OKŞAN GÖKÇEN UĞURCAN
Danışman: PROF. DR. TİMUR USTAÖMER
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Paleozoyik = Paleozoic ; Sakarya = Sakarya ; Tektonik evrim = Tectonic evolution ; Yer kabuğu = Earth crust

Özet:
Bu çalışma, Orta Sakarya Bölgesindeki kıta kabuğu kökenli Liyas öncesi yaşlı metamorfik temelin tektono-stratigrafisini ve Paleozoyik evrimini ortaya koymayı amaçlamaktadır. Bu doğrultuda, Orta Sakarya Bölgesi'nin en fazla birim çeşitliliğine sahip olan kesimi çalışma alanı olarak seçilerek (İnhisar-Sarıcakaya arası) 1/25.000 ölçeğinde haritalanmış ve tektono-stratigrafinin farklı düzeylerinden petroloji, jeokimya ve jeokronoloji çalışmaları yapılmıştır.  Haritalama çalışmaları, çalışma alanındaki metamorfik temelin güneye verjanslı fay zonları ile ayrılmış üç tektonik dilimden oluştuğunu göstermektedir. Bu tektonik dilimler tabandan tavana doğru 'Tarpak Dilimi', 'Orta Sakarya Gnays Dilimi' ve 'Orta Sakarya Fillat ve Kontak Şist Dilimi' olarak adlandırılmıştır. Tarpak Dilimi yeşilşist fasiyesinde metamorfizmaya uğramış meta-kırıntılı, meta-karbonat ve meta-volkanoklastik birimlerden oluşmaktadır. İstif taban seviyelerinde yer yer foliasyonlu felsik dayklar ile kesilmektedir. Meta-kırıntılılar ile geçişli olan mafik volkanoklastiklerden yapılan tüm kaya jeokimya analizleri, bu kayaların yitim zonu gerisinde püskürdüğünü ve N-MORB tipi kayalarınkine benzer şekilde 'tüketilmiş üst manto' tipi bir kaynak alanla ilişkili olduklarını göstermektedir. İstifi kesen açık renk meta-magmatiklerin jeokimyası yitim ilişkili bir süreçten etkilenmiş dioritik bir magmadan kökenlendiklerini göstermiştir. Meta-kırıntılı seviyelerdeki kuvarsofeldispatik şistlerden yapılan detrital zirkon analizinde ise Karbonifer, Devoniyen, Ordovisyen, Ediakaran, Kriyojeniyen ve Paleoproterozoyik yaşlı zirkonlar saptanmıştır. Bu şistlerdeki en genç detrital zirkon 328 My (Serpukoviyen/Karbonifer) yaşlıdır. Aynı birimin biyotitlerinden yapılan Ar-Ar yaş tayini 280.9 My (Cisuralian/Permiyen) soğuma yaşı vermiştir. Stratigrafik ve analitik veriler ışığında Tarpak Dilimi'nin 328-280 My aralığındaki bir dönemde çökelmiş olabileceği düşünülmektedir. 

Tarpak Dilimi'nin üzerine tektonik olarak Orta Sakarya Gnays Dilimi gelmektedir. Çalışma alanının doğusunda Tarpak Dilimi'nin kamalanarak son bulduğu kesimlerde, Orta Sakarya Gnays Dilimi'nin Paleosen-Eosen yaşlı Kızılçay Formasyonu üzerine itilmiş olduğu gözlenir. Orta Sakarya Gnays Dilimi tabanda Çayköy Ortognaysları ve bunları üzerleyen Sarıcakaya Paragnaysları'ndan oluşmaktadır. Çayköy Ortognaysları amfibolit fasiyesinde bölgesel metamorfizma geçirmiş granitik ve siyenitik gnayslar ile bunlar arasındaki bantlı amfibolit sillerinden oluşmaktadır. Peralumin ve kalk-alkalen magmatizmadan kökenlenen granitik gnayslardan 503±12 My (Orta-Geç Kambriyen), 500±11My ve 488±5.1 My (Geç Furongiyen-Alt Tremadosiyen) U-Pb zirkon kristalleşme yaşları elde edilmiştir. Anorojenik A-Tipi magmatizmadan kökenlenmiş olan siyenitik ortognayslar ise 473.9±5.7 My (Floian) U-Pb zirkon kristalleşme yaşı vermiştir. Bantlı amfibolit sillerinin büyük bir kısmının iz element karakteristikleri, bileşimi E-MORB ila OIB aralığında olan geçiş serisi magmalara, daha az sayıda sil örneğinin iz element kimyası ise sub-alkali magmatizmaya işaret etmektedir. Sub alkalin örneklerin iz element jeokimyaları yitim ilişkili bir proses ile modifiye olmuş tüketilmiş litosferik mantodan ergidiklerini göstermektedir. Daha alkalin karakterdeki geçiş serisi magmaların NTE ve HFSE kimyaları (Dy/Yb, La/Yb, Nb içeriği gibi) ise olasılıkla sığ astenosferik manto ya da litosferik-astenosferik manto geçişinde olan nispeten zenginleşmiş bir kaynak alandan ergidiklerine işaret etmektedir. Alkalin indeksi (Nb/Y) en fazla olan  bantlı amfibolit örneğinden 473.25±4 My (Floian) zirkon U-Pb kristalleşme yaşı elde edilmiştir. Bu çalışmada Çayköy Ortognaysları'nın Alt Paleozoyik döneminde Gondvana kuzey kenarını etkileyen riftleşme sonucu oluştuğu önerilmektedir. Gondvana kuzey kenarının Geç Kambriyen-Alt Ordovisyen döneminde yoğun olarak astenosferik yükselme, litosferik incelme, blok faylanma, aşınma ve erozyona maruz kaldığı bilinmektedir. Çalışma alanındaki Floian yaşlı siyenitik ve bazik magmanın kıtasal kabuğa sokulum yaptığı dönem, muhtemelen bu proseslerin bölgede en şiddetli olduğu evreye karşılık gelmektedir. Orta-Geç Kambriyen/Alt Ordovisyen yaşlı peralumin granitler ise muhtemelen astenosfer yükselmesine bağlı jeotermal gradyan artışının kabukta yarattığı kısmi ergime sonucu oluşan ergiyiklerin üst kabuğa yerleşerek kristalleşmesi sonucu oluşmuşlardır. Granitik gnaysların kalk-alkalen kimyası, olasılıkla kabuksal kaynak alanlarındaki iz element karakteristiklerinin bir sonucu olmalıdır. Nitekim, granitik ortognayslar içinde bolca bulunan kalık mineral fazları (inherited zircon) bu olasılığı doğrulamaktadır. Çayköy Ortognaysları'ndan yapılan U-Pb analizleri, bazı örneklerde Devoniyen (384-401 My) ve Karbonifer (330 ve 315 My) yaşlı metamorfik zirkonların kristalleştiğini ortaya koymuştur. Gelişen bu metamorfik zirkonlar çoğunlukla kristallerin kenar zonlarından itibaren ya da özşekilsiz izole parlak (zonsuz yapıda) kristaller şeklinde gözlenir (Th/U<0). Devoniyen yaşlı metamorfik zirkonlar olasılıkla Reyik Okyanusu'nun yitimine bağlı olarak gelişmiştir. Bölgedeki Karbonifer yaşlı bölgesel metamorfizma Devoniyen metamorfizma/deformasyon izlerini silmiştir. Jeotermobarometre çalışmaları, bantlı amfibolitlerin 634-750ºC'de ve 5-6.2 kbar basınç altında metamorfizma geçirdiğini göstermektedir. 

En tabanda gnaysik foliasyon kazanmış meta-konglomera düzeyleri ile başlayan Sarıcakaya Paragnaysları ise kuvarsit, kuvars-şist, ve iki mikalı psammitik/konglomeratik paragnays litolojilerinin ardalanmasından oluşmaktadır. Sarıcakaya Paragnayslar'ındaki çakılların jeokimyası ve çakıllı kuvarsitlerden yapılan detrital zirkon yaş analizleri, paragnaysların metamorfizma öncesinde ortognaysların protolit kayaçlarından malzeme aldığını göstermektedir. Bir kuvarsit örneğinden ayıklanan zirkon kristalleri üzerinde yapılan U-Pb izotop analizlerinde en genç zirkonun 444 My yaşlı (% 99 konkordan) olduğu saptanmıştır. Gerek detrital zirkon popülasyonunda, gerekse granitik ortognayslarda kalık mineral fazı olarak sıkça gözlenen Kriyojeniyen (~678-720 My) ve Toniyen (744-999 My) yaşlı zirkon popülasyonları Orta Sakarya Gnays Dilimi'nin Gondvana kuzeydoğusundan kökenlenen bloklardan biri olduğunu göstermekedir. Alt Paleozoyik döneminde Gondvana kuzeydoğusundan türeyen bloklar farklı araştırmacılar tarafından Minoan Blokları (Zulauf ve diğ., 2012) ya da Karpat Tipi Bloklar (Balintoni ve diğ., 2011) olarak adlandırılmıştır. Sarıcakaya Paragnaysları'ndaki biyotit ve muskovitlerden 336 My (Visean) Ar-Ar plato yaşı elde edilmiş ve metamorfizma yaşı olarak yorumlanmıştır. Ortognayslar ve paragnaysların protolit kayaları arasındaki aşınma yüzeyi olasılıkla, Gondvana kuzeydoğusundaki bloklarda Alt Ordovisyen sonu ila Orta Ordovisyen dönemlerinde süregelen ve 1- yay magmatizması, 2- Orta Ordovisyen deformasyonları/yükselimi ve bunu takiben gelişen Geç Ordovisyen uyumsuzluğu şeklinde kendini gösteren bir sürecin ürünü olmalıdır. Metamorfik mineral parajenezleri göz önüne alındığında migmatitik paragnaysların Vizeen döneminde yüksek sıcaklık-düşük basınç mertamorfizmasından etkilendiği söylenebilir. Paragnays istifinin içinde yer yer amfibolit budinleri gözlenmektedir. Amfibolit budinlerinden alınan örneklerin birçoğu hem N-MORB hem de yay türü magmaların iz element karakteristiklerini yansıtmaktadır. Yitim bileşeni içermeyen daha az sayıda örneğin jeokimyasal özellikleri E-MORB ve N-MORB magmalar ile oldukça benzeşmektedir. Orta Sakarya Gnays Dilimi'n deki makro ve mikro yapılar sağ yönlü doğrultu atımlı sünek deformasyonun oldukça etkin olduğunu göstermektedir. Gnays dilimi doğrultu atımlı makaslama zonları boyunca batıya doğru hareket etmiş olmalıdır.  

Orta Sakarya Gnays Dilimi üzerine gelen 'Orta Sakarya Fillat ve Kontak Şist Dilimi' litostratigrafik olarak iki farklı birime ayrılmıştır. Bu tektonik dilim içindeki benekli şist, hornfels ve milonitik kontak şist topluluğu Akkum Şistleri, bunların protolit kayaçları olan fillat ve mika şistler ise Geyikoynağı Metamorfitleri olarak adlandırılmıştır. Orta Sakarya Gnays Dilimi ile  Orta Sakarya Fillat ve Kontak Şist Dilimini ayıran D-B gidişli tektonik hat boyunca doğrultu atım tektoniği ile ilişkili olduğu düşünülen pek çok sünek deformasyon belirteci (S ve δ-tipi porfiroklastlar, C' tipi makaslama bantları, mineral uzama lineasyonları) gözlenmiştir. Yapılan jeotermobarometre hesaplamaları bantlı hornfelslerin 561-621ºC sıcaklık aralığı ve 2.4-3.8 kbar basınç altında, milonitik kontak şistlerin ise 549-596ºC sıcaklık ve 3.5-3.9 kbar basınç altında metamorfizma geçirdiğine işaret etmektedir.  

Orta Sakarya Gnays Dilimi ve Orta Sakarya Fillat ve Kontak Şist Dilimi, Sarıcakaya Plutonu tarafından kesilmektedir. Plutonun dioritik kesimlerinden yaşlandırılan zirkonlar 318 My (Başkiriyen/Karbonifer) kristalleşme yaşı vermiştir. Amfibol ve amfibol-plajiyoklas çiftine dayalı yapılan termobarometre çalışmaları 3.7 kbar-4.7 kbar yerleşim derinliği ve 672-736ºC magma sıcaklığına işaret etmektedir.

Abstract:
This study aims to shed light on the tectono-stratigraphy and Paleozoic evolution of a continent-derived metamorphic basement in the Central Sakarya Region. Accordingly, mapping studies at the scale of 1/25000 were completed in an area that has the most diverse rock units, and petrological, geochemical and geochronological studies were carried on. Mapping studies reveal that the metamorphic basement consists of three tectonic slices separated by south vergent fault zones. These tectonic slices are named, from bottom to top, the Tarpak Slice, the Central Sakarya Gneiss Slice, the Central Sakarya Phyllite, and the Contact Schist Slice. The Tarpak Slice consists of greenschist grade meta-clastics, meta-carbonate, and mafic meta-volcanoclastic units. The bottom level of the sequence is cut by metamorphosed felsic dykes and sills. Whole rock geochemical analysis of mafic volcanoclastics which is intercalated with meta-clastics show that these rocks erupted behind a subduction zone and are associated with a depleted mantle source similar to N-MORB magmas. Geochemistry of light-colored sill and dykes indicates that they originated from subduction influenced dioritic magma. Detrital zircons separated from quartzofeldispathic schists yield U-Pb ages of Carboniferous, Devonian, Ordovician, Ediacaran, Cryogenian, and Paleoproterozoic. The youngest detrital zircon age is at 328 Ma (Serpukhovian). The Ar-Ar analysis from the biotite of the same unit gave a metamorphism age of 280.9 Ma (Cisuralian/Permian). In consideration of the whole data, the Tarpak Slice must have been deposited in a shelf environment behind an arc, in a time interval between 328 Ma to 280 Ma.  

The Central Sakarya Gneiss Slice tectonically overlays the Tarpak Slice. In the area where the Tarpak Slice ends up by wedging, the Central Sakarya Gneiss Slice thrust over the Paleocene-Eocene Kızılçay Formation. The gneiss slice consists of basement Çayköy Orthogneiss and overlying cover  Sarıcakaya Paragneiss. Çayköy Orthogneisses compose of amphibolite-grade granitic and syenitic gneisses and banded amphibolites. The Peralumine and calc-alkaline magma-derived granitic orthogneisses gave 503±12 Ma (Middle-Late Cambrian), 500±11 Ma and 488±5.1 Ma (Late Furongian-Lower Tremadocian) zircon U-Pb crystallization ages. Syenitic orthogneisses, which originated from an anorogenic A type magmatism, gave 473.9±5.7 Ma (Floian) U-Pb zircon crystallization age. Trace element characteristics of most banded amphibolite sills indicate a transitional magma which has a compositional range between E-MORB and OIB magmas, and those of a few sill samples indicate sub-alkaline magmatism. The chemistry of sub-alkaline samples shows that they melted from a depleted lithospheric mantle which is modified by a subduction associated process. The REE and HFSE chemistry of transitional series reveals that they melted from a relatively enriched source which is possibly located at the depth of a shallow asthenospheric mantle or lithospheric-asthenospheric mantle transition. We obtained a U-Pb zircon crystallization age of 473.25±4 Ma (Floian) from the banded amphibolite sample which has the highest alkalinity index. This study suggests that Çayköy Orthogneisses were formed in consequence of the rifting which affected the northern margin of Gondwana during the Lower Paleozoic. It has been long suggested that the northern edge of Gondwana was subjected to intense asthenospheric uplift, lithospheric thinning, block faulting, and erosion during the Late Cambrian-Early Ordovician. The period in which the Floian aged syenitic and basic magma intruded into the Central Sakarya Basement probably corresponds to the most intense phase of these processes in the study area. Late Furongian-Tremadocian peraluminous granites probably crystallised as a result of partial melting in the crust which was triggered by the increase of the geothermal gradient due to uplifting asthenosphere. The calc-alkaline feature of Late Furongian-Tremadocian granitic gneisses has trace element characteristics characteristic of a crustal source area. Abundant inherited restitic zircons in the orthogneisses, which can be evaluated as mineral-scale crustal components, confirms this notion. U-Pb zircon dating of samples from Çayköy Orthogneisses reveal metamorphic zircon crystallisation during the Devonian (381-401 Ma) and Carboniferous (330-315 Ma). Devonian metamorphic zircons were probably developed during the subduction of the Rheic Ocean. Carboniferous regional metamorphism in the region obliterated the earlier deformation phases. Geothermobarometry studies show that banded amphibolites underwent regional metamorphism under the temperature of 634-750ºC and the pressure of 5-6.2 kbar. 
Sarıcakaya Paragneisses comprise intercalated quartzite, quartz-schists, two mica psammitic and conglomeratic gneisses. The bottom of the sequence started with a foliated meta-conglomerate. The geochemistry of granitoid pebbles from the meta-conglomerates and detrital zircon age spectrum from the pebbly quartzite horizon indicate that original sediments of the paragneiss sequence obtained pebbles from the underlying granitoid before the metamorphism. The detrital zircon dating analysis shows that the youngest zircon is 444 Ma old. Cryogenian and Tonian zircon age populations, which are frequently observed both in detrital zircon populations and as restitic phases in orthogneiss, show that the Central Sakarya Gneiss Slice can be considered as a block that originated from northeast of Gondwana. The blocks that originated from NE of Gondwana during the Lower Paleozoic have been named Minoan blocks (Zulauf et al., 2012) or Carpathian type blocks (Balintoni ve diğ., 2009). Ar-Ar analysis of biotite and muscovite yielded 336 Ma (Visean) age of metamorphism. Devonian metamorphic zircon phases from the gneiss slice constraint the deposition age of 444-401 Ma. The discordance plane between the two units is likely a product of the Middle-Late Ordovician tectonism/deformations manifesting 1- arc magmatism, 2- Middle Ordovician deformation/uplift, and a subsequent Late Ordovician unconformity, which prevailed in northeast Gondwana. Apparently, the Laurassian zircon population is not encountered in the Central Sakarya Gneiss Slice. The metamorphic mineral paragenesis indicates that (migmatitic) paragneisses were affected by the Visean high temperature-low pressure metamorphism. Amphibolite boudines are observed sporadically within the metaclastic sequence. Many of samples from amphibolite boudines reflect the trace element characteristics of both N-MORB and arc type magmas. Fewer samples that do not contain subduction components are quite similar to those of E-MORB and N-MORB magmas. Macro and micro-scale structures in Central Sakarya Gneiss Slice indicate that the right lateral strike-slip ductile deformation affected the gneissic units. 

The Central Sakarya Phyllite and Contact Schist Slice, which tectonically overlie the gneiss slice, is lithostratigraphically divided into two different units. In this tectonic slice, spotted schist, hornfels and mylonitic contact schist assemblages are named Akkum Schists, their protolith rock assemblage, mica-schists and phyllites, are named Geyikoynağı Metamorphics. Along the east-west trending tectonic zone, which is separating the gneiss sice and Central Sakarya Phyllite and Contact Schists Slice, various ductile deformation indicators which can be interpreted to be associated with strike slip tectonics are observed. Geothermobarometric calculations show that metamorphic conditions of banded hornfels and mylonitic schists are 561-621ºC/2.4-3.8 kbar and 549-596ºC/3.5-3.9 kbar, respectively. 

The Sarıcakaya Pluton intruded into the Central Sakarya Gneiss Slice, the Central Sakarya Phyllite, and the Contact Schist Slice. Zircons from the dioritic samples yielded a crystallisation age of 318 Ma. Thermobarometric calculations based on the amphibole and amphibole-plagioclase pair indicate a 3.7-4.7 kbar emplacement depth and 672-736ºC magma temperature