Yıldızeli (Sivas) ve Almus (Tokat) ilçeleri arasında yer alan senozoyik yaşlı magmatik birimlerin petrojenezi ve bölgenin jeotektonik evriminin araştırılması
Petrogenetic and geotectonic evolution of the cenozoic magmatism in between Yildizeli (Sivas) and Almus (Tokat) regions
Yazar: GÖNENÇ GÖÇMENGİL
Danışman: PROF. DR. ZEKİYE KARACIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mineraloji Petrografi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Türkiye'nin paleo-tektonik gelişimi birbirlerini üzerleyen dalma-batma, çarpışma ve magmatizma süreçleri ile şekillenmiş olup, bu süreçlerinin birbiri ile olan ilişkileri, hangi jeolojik birliğin hangi süreçle oluştuğu ve bu süreçler sonucunda oluşan magmatik kuşakların gelişim aşamaları halen iyi bir şekilde anlaşılmamıştır.

Anadolu Bloku'nun kütlesinin büyük bir kısmın oluşturan Pontidler ile Anatolid Torid ve Orta Anadolu Kristalen Kompleksi'nin (OAKK) birbirine yaklaştığı Kretase döneminden Erken Senozoyik dönemine geçişte dalma-batma, mikro-kıtasal blokların çarpışması ve bu blokların çarpışmasından sonra gelişen yaygın bir magmatik evrenin var olduğu bilinmektedir. Bununla beraber bu magmatik evrenin zaman ve mekân içindeki gelişimi tartışma konusudur.

Bu sorunu incelemek adına literatürde iyi bilinmeyen Almus (Tokat), Yıldızeli (Sivas) ve Yıldızdağ (Sivas) bölgelerinde yer alan ve İzmir-Ankara-Erzincan sütur zonunun (IAESZ) hem kuzeyinde, hem güneyinde ve hem de üzerine yer alan çarpışma sonrası magmatik topluluklar bu tez kapsamında incelenmiştir. 

Almus, Yıldızeli ve Yıldızdağ bölgelerindeki magmatik birlikler, lav grupları ve gabroik plütonik kayalarla temsil edilir. Almus bölgesinde yer alan lav grupları Tokat Masifi metamorfitleri ve Mesozoyik ofiyolitik birimlerini uyumsuz olarak örtmektedir. Yıldızeli bölgesinde yer alan lav grupları ise OAKK ve Hıdırnalı Grubu ve IAESZ'nunda yer alan ofiyolitik birimlerin üzerine uyumsuzlukla gelmektedir. Yıldızdağ bölgesinde yer alan gabroik kayalar ise Hıdırnalı Grubu kayalarını sıcak dokanakla kesmektedir. Lav grupları Almus ve Yıldızeli bölgesinde volkano-sedimanter toplulukların içerisinde yer almaktadır. Volkano sedimanter topluluklar her iki bölgede benzer stratigrafik gelişim göstermekte olup, arazi çalışmaları ve stratigrafik kesitler yardımıyla incelenmiştir. İncelenen sekiz kesitte taban çakıltaşı, fliş benzer sedimanter birimler, sığ denizel kumtaşı ve kireçtaşı birimleri, lav akıntıları, breşik lav akıntıları, volkanoklastik akma breşleri, epiklastik kayalar ve piroklastik kaya birimleri ayrıtlanmıştır. Her iki alanda istiflerin alt kesimlerinde sığ denizel sedimanter birimler hâkimdir. İstiflerde alttan üste doğru üç seviyede lav grubu (V1-V2-V3) ve bunların alt serileri (V1a, V1b, V2a, V2b) ayırtlanmıştır. V1 grubu sulu mineraller içeren lavlardan meydana gelmekte olup, alt kesimlerinde traki bazalt, havaiit türü lavlar (V1a), üstte ise (V1b) bazaltik andezit, andezit ve dasitten oluşur. V2a grubu kayaları başlıca piroksenli bazaltik andezitlerden oluşmaktadır. En üstte ise olivinli bazatlardan oluşan V2b serisi lavları yer almaktadır. Bütün bu lav serileri trakit ve trakiandezitlerinden oluşan V3 grubu dayk, stok ve tıkaçları tarafından kesilmektedir. 

Yıldızdağ ana gabroik sokulumu içerisinde piroksence zengin ve fakir olivinli gabro, kenar zonunu oluşturan olivinsiz gabrol ile dayk kümesi serileri ayırtlanmıştır. 

Ar-Ar radyometrik yaş tayinleri ile V1a-V2b arasındaki volkanik sistem için 44.4-44.8 milyon, V3 lavları için ise 40-41 milyon yıllık kristallenme yaşları vermektedir. Yıldızdağ bölgesinde bir adet kenar zonu gabrosundan ise 42.9 milyon yıllık bir yaş elde edilmiştir. 

İzotopik veriler bakımından volkanik gruplar ve plütonik kayalar benzer alanlarda kümelenmektedir. Bütün lav serileri Erken ve Orta Eosen yaşlı Orta ve Doğu Pontid magmatik topluluklarla benzer Sr-Nd izotopik alanlarına izdüşmekte olup, OAKK ve Pontidler'deki Mesozoyik yaşlı magmatik birliklerle de benzer Sr-Nd izotopik özelliklere sahiplerdir. Bunun yanı sıra çalışılan magmatik birimler, Doğu Avrupa ve Arabistan altında yer alan litosferik mantodan türeyen OIB benzeri lavlarla da benzer Sr-Nd izotopik alanlarına izdüşmektedir. 

Jeokimyasal olarak bütün lav grupları ve intrüzif birimler dalma batma izini temsil eden zenginleşmiş hafif nadir toprak element (Cs, Ba, Rb; LILE), negatif yüksek alan şiddetli elementler (Hf-Zr, Nb-Ta; HFSE) ve zenginleşmiş hafif nadir toprak elementi (La, Ce; LREE) desenlerine sahiptir. Bu durum söz konusu kayaların dalma-batma süreçleri ile modifiye olmuş bir kaynak alandan türediğini göstermektedir. 

V1a grubu kayaları alkalin ve nefelin normatif ve yüksek Mg#'na sahip (70'e kadar çıkan) jeokimyasal özellikler gösterir. Buna karşın V1b grubu kayaları toleyitik-kalk alkalin türde, hipersten normatif ve daha düşük Mg#'na sahip lavlardan oluşmaktadır. Ayrıca V2a grubu kayaları hem toleyitik hem de alkali özellikler göstermekte olup, geniş bir Mg# aralığı sergilemektedir (33-54). Susuz magmatik evrenin son ürünleri V2b volkanikleri ise alkalin, nefelin normatif ve yüksek Mg#'na sahip (44-62) kayalardan oluşmaktadır. V1a serisi içerisinde nadir olarak klinopirosken-hornblendit lavları yer almakta olup, bu kayalarda kümülat dokulu poligonal sınırlara sahip mineraller bulunmaktadır. 

Yıldızdağ gabrosunun ana kütlesini oluşturan olivinli gabrolar kümülat, ortokümülat ve adkümülat dokular sergilemekte olup, olivin+piroksen+ plajioklas + magnetitten oluşan ana mineral grubu üzerine amfibol, biotit ve ilmenitten oluşan solidus-altı koşullarda ara ergiyikten çökelmiş minerallerce zengindir. Kenar zonu gabrosunda olivin minerali gözlenmekte olup, diğer mineral bileşimleri benzer özellikler gösterir. Dayk kümesi kayaları da piroksen + amfibol + plajioklastan meydana gelen porfirik ve granüler dokulara sahiptir. Dayk kümesi kayaları V1a ve V2b serilerine benzer alkalin, nefelin normatif ve yüksek Mg# gösteren jeokimyasal özellikler sunmaktadır. 

Magmatizmayı oluşturan kaynak alanın spinel lerzolit-granat peridotit geçiş alanında yer alan 1.7-2.4 gigapaskallık (Gpa) basınç aralığında bir bölgeden türemiş olduğu alkali kayalardan geri fraksiyonlaşma hesaplamaları sonucunda tespit edilmiştir. Söz konusu kaynak alanı temsil edebilecek klinopiroksen hornblendit ksenolitleri de, peridotitik manto içerisinde gelişmiş amfibollü kümülat damarları ile benzer kimyasal özelliklere sahiptir. Bu durum söz konusu kaynak alanın metasomatik kökenli sulu damar ve dayklarca zengin olduğu ve bu alanın kısmi ergimesi ile alkali, nefelin normatif kayaların gelişmesine sebep olduğunu göstermektedir. Toleyitik karakterli magmatizma sulu damarların kısmi ergimesinin ilerleyen aşamalarında peridotitik mantonun ergimesi ile de gelişmiş olabilir. 

Metasomatizmayı oluşturan etken olasılıkla Mesozoyik boyunca Pontid kuşağının güney kesiminin birbirini üzerleyen dalma-batma, çarpışma ve magmatizma süreçleri ile manto kaynak alanının modifiye olmasıdır. Metasomatizma olayını oluşturan baskın etkenin dalan levhada yer alan sedimanter ergiyiklerce kontrol edildiği, bununla beraber az oranda altere okyanus kabuğu katkısının da etkin olduğu tespit edilmiştir. Klinopiroksen-hornblendit ksenolitlerininin %5-10'luk kısmi ergimesi ile magmatik seride yer alan V1a, V2b ve dayk kümesi kayalarının jeokimyasal özelliklerine benzer ergiyiklerin oluşabileceği gözlenmiştir. 

V1a, V1b ve V2b serileri genel olarak fraksiyonal kristallenme süreçleri ile şekillenmiş olup mineral kimyası ve jeokimyasal modellemeler bu durumla uyumlu gidişat göstermektedir. Buna karşın V1b serisi lavlarında enerjisi sınırlandırılmış asimilasyon-fraksiyonlaşma modellemesi kapsamında yapılan hesaplamalarda, %14'e kadar varan asimilasyonla şekillendiği saptanmıştır. V2a serisinde belirgin magma karışımı dokuları petrografik olarak görülmekte olup, MELTS modellesi ve sayısal modeller ile V1b ve V2b benzeri kayaların karışımı ile V2a kayaları üretilebilmiştir. Bunun yanı sıra hatlar boyunca yapılan mineral kimyası ölçümlerinde düşük Mg#'na sahip klinopiroksen makrofenokristal çekirdekleri ve yüksek Mg#'na sahip manto zonu/kenar ve mikrofenokristaller tespit edilmiştir. Bu durum V2a'yı oluşturan ergiyiğin magma karışımı ile yeniden beslenip, yeni yüksek Mg#'na sahip bir magmatik ergiyik oluşturduğunu göstermektedir. 

Klionopiroksen mineral kimyası özelliklerine dayanarak olivinli gabroların V1a ve V1b serisi ile benzer magma alanlarından geliştiği, V2a serisi lavları ile dayk kümesi kayalarının ise birbirleriyle ilişkili olduğu gösterilmektedir. V3 grubu lavları bu evre oluşan magma ergiyik zonunun fraksiyonel kristallenmesi ve asimilasyonu ile oluşmuştur.

Magmatizmayı tetikleyen tekno-magmatik olayın olasılıkla (i) kıta altı litosferin dalan levhanın dalma-batma zonunun altında Orta Eosen'de kopması ile kısmi ergimeyi tetiklemesi veya (ii) Erken-Orta Paleosen'de kalınlaşan levhanın, Rayleigh Taylor süreksizlikleri oluşturması sonucu soyularak, kıta altı litosferinde kısmi ergimenin başlaması ile açıklanabilir. 
Bu çalışma TÜBİTAK 2214-A yurt dışı doktora sırası araştırma bursu ve 112Y120 numaralı TÜBİTAK ÇAYDAG projesi tarafından desteklenmiştir.

Abstract:
Paleo-tectonic development of Turkey shaped by overlapping subduction, collision and magmatic processes which were still enigmatic due to poor knowledge of interrelationships of geological entities, evolution of magmatic realms and general lack of data. 
It is known that, Cretaceous to Early Cenozoic transition period shaped by accretion of micro-crustal blocks of Pontides, Anatolide-Tauride and Central Anatolian Crystalline Complex (CACC) which constitutes the main bulk of the Anatolian Block. After the collisional event, post-collisional magmatic units cover both Pontides, İzmir-Ankara Erzincan suture zone (IAESZ) and CACC basement units which temporal and spatial evolution which is still ambiguous. 

In order to investigate this problem, post-collisional magmatic assemblages located in the areas of Almus (Tokat), Yıldızeli (Sivas) and Yıldızdağ (Sivas), which are not well known in the literature and both on the north and south of IAESZ have been examined in this thesis.

The magmatic units dispesed in the areas of Almus, Yıldızeli and Yıldızdağ are represented by lava groups and gabbroic plutonic rocks. Lava groups in Almus region unconformably overlie the Tokat Massif metamorphics and Mesozoic ophiolitic units. Besides, lava groups in Yıldızeli region unconformably overlie CACC, Hıdırnalı Group and ophiolitic units in IAESZ. Gabbroic units in Yıldızdağ region cut the Hıdırnalı Group units with hot contacts. The lava groups are located within the volcano-sedimentary assemblages in Almus and Yıldızeli regions. Volcano sedimentry succsesions show similar stratigraphic evolution in both regions and have been studied with field studies and measured stratigraphic sections. To understand the predominant chemical-stratigraphic development of the volcano-sedimantary susccesions, eight stratigraphic log have been measured. In this sections, basement conglomerates, flysch-like sedimentary units, shallow marine sandstone and limestone units, lava flows, brecciated lava flows, volcaniclastic flow breccias, epiclastic rocks and pyroclastic rock units have been distinguished. It has been determined that shallow marine sediment units are dominant in the lower sections of the successions of both areas. Three main lava groups (V1-V2-V3) and their sub-series (V1a, V1b, V2a, V2b) were identifie. The V1 group is composed of water rich minerals (amphibole and biotite) and consists of the trachybasalt, the hawaiite lavas (V1a) and through upper part of the V1 group, basaltic andesite, andesite and dacite lavas crops out (V1b). At the mid and upper part of the succesions; V2a series lavas became dominant which are composed mainly of pyroxene basaltic andesites. At the upper part of the sections V2b series which comprises, olivine basalts. All these lava series are cut by V3 dykes, stocks and plugs which are made up of trachyte and trachyandesite.

The olivine gabbro series (pyroxene rich, pyroxene poor), marginal zone gabbro (devoid of any olivine) and dyke swarm series were distinguished in Yıldızdağ main gabbroic intrusion along the Yıldızdağ area. 

Ar-Ar method has been applied to understand the crystallization of the different magmatic series. V1a-V2b series developed between 44.4-44.8 million years. Besides, V3 group lavas display 40-41 million years of crystallization ages. On the other hand, one sample from marginal zone of the gabbroic intrusion 42.9 million year ages which is possibly represent the cooling ages of the gabbroic intrusion. 

In terms of isotopic data, volcanic groups and plutonic rocks are clustered in similar areas. All magmatic series have similar Sr-Nd isotopic areas which is similar to Early and Middle Eocene magmatic units along the Pontides range. Besides, they also share similar isotopic ratios with magmatic basement units from Pontides and CACC. At the same time, the studied magmatic units are also show similar isotopic ratios of OIB-like lavas derived from the lithospheric mantle under Eastern Europe, Arabia.

In terms of bulk geochemical data, all magmatic units show subduction related signatures which are represented by enriched large ion lithophile elements (Cs, Ba, Rb, LILE), negative high field strenght elements (Hf-Zr, Nb-Ta; HFSE) and enriched light rare earth elements (La, Ce;LREE). These data interpreted as derivation from a subduction modified mantle source areas. 

V1 lavas have alkaline, nepheline normative and high Mg# (up to 70) geochemical character. On the other hand, V1b lavas display thoellitic, calc-alkaline chemistry, hyperstene normative character with lower Mg#. Subsequent lava flow V2a contain both thoellitic and alkaline lavas with large range of Mg# (33-54). Last products of the V2 group called V2b series have also alkaline, nepheline normative and high Mg# character. Scarce clinopyroxene hornblendite xenoliths which is detected in V1a lavas display poligonal texture. 

Olivine gabbros which are constitue the main bulk of the Yıldızdağ gabbro display cumulate, orthocumulate and adcumulate textures with the presence of the olivine, pyroxene, plagioclase,  magnetite minerals with secondary amphibole, biotite and ilmenite which were developed during the sub-solidus conditions by precipitating during from the interstatial melt.

Marginal zone gabbro have similar mineralogical association with the general lack of olivine minerals. Besides, dyke swarm units contain pyroxene, amphibole and plagioclase with common porphyritic and granular textures. Dyke swarm units have alkaline and nepheline normative character with high Mg# which are similar to V1a and V2b series. 

The source area of the magmatism was determined as the result of back fractionation calculations from alkaline rocks and the partial melting derived from 1.7-2.4 GPa pressure which is corresponding to the spinel lherzolite-garnet peridotite transition area. The clinopyroxene hornblende xenoliths, which can represent the source area, have similar chemical properties to the amphibole cumulate veins developed within the peridotitic mantle observed around worldwide. This suggests that the source area is rich in hydrous metasomatic veins and dykes, and that the partial melting of this area causes the development of alkaline, nephelin normative rocks. Progressive increasing of the partial melting of the hydrous cumulates veins leads to exhaustion of the veinlets within the peridotitic mantle and leads to melting of the peridotitic mantle itself. Thus, the generation of the tholeeiitic character can be explained by this phenomenon. 
  
Generation of the metasomatism in the source areas is likely to be the derived from overlapping subduction, collision and magmatic stages during the whole Mesozoic period.  Geochemical character of the metasomatic source area controlled mainly by sedimanter melts together with minor contribution of the altered oceanic crust. Numerical modelling implies that %5-%10 partial melting of the metasomatic source region can developed the alkalinity detected in magmatic series. 

In V1a, V1b and V2b series, generally shaped by fractional crystallization processes which are shown by combined approaches of mineral chemistry and geochemical modeling. On the other hand, energy-constrained assimilation and fractional crystallization (EC-AFC) modellling also show that assimilation up to %14 can be developed in V1b series. Hence, V2a series are generally shaped magma mixing related processes which is documented by petrographic studies, MELTS modelling and mineral chemistry. Mixing of intermediate V1b lavas with the basic V2b lavas can create the major oxide chemistry of the V2a series. On the other hand, profiles measured along the different mineral populations of clinopyroxene show low Mg# macrophenocryst cores and high Mg# mantle/rim zones together with high Mg# microphenocrysts which are developed simultaneously with the mantle/rim zones. These data are supportive for magma mixing with replenishment with high Mg# magmatic melt. 

Based on the properties of clinopyroxene mineral chemistry, it is shown that olivine gabbros are developed from similar magma areas with V1a and V1b series, and V2a series lavas and dyke swarm units are posibly derived from similar magmatic sources. The V3 group lavas are formed by the fractional crystallization and assimilation of the magma mush zone developed within the first magmatic episode.

Triggering of the magmatism possibly governed by (i) slab-break off beneath the collision zone during the Middle Eocene time interval and leads the generation of magmatism or (ii) thickening of the lithospheric mantle during the Early-Middle Paleocene, development of the Rayleigh Taylor instabilities and subsequent generation of magmatism by denudation of the lithospheric mantle. 


This project is funded by TUBITAK 2214A overseas doctoral research scholarship and TUBITAK CAYDAG project number 112Y120.