Yıldızeli (Sivas) batısında yer alan eosen yaşlı volkanik kayaların jeokimyasal özellikleri ve petrojenezi
Geochemical features and petrogenesis of the eocene volcanic units in the west of Yıldızeli (Sivas) region
Yazar: CANSU DOĞA TOPBAY
Danışman: PROF. DR. ŞENGÜL CAN GENÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Jeokimya = Geochemistry

Özet:
Yıldızeli (Sivas) batısındaki inceleme alanı, kuzeyde Sakarya kıtası, ortada İzmir- Ankara-Erzincan sütur zonu (İAESZ) ve güneyde Kırşehir masifi ile sınırlı yaklaşık 900 km2'lik bir alanı kapsayan kritik bir bölgedir. Neotetis Okyanusunun kuzey kolunun yitimine bağlı olarak, Erken Senozoyik döneminde Kırşehir Masifi ve Pontidler'in çarpışması gerçekleşmiştir. Bu çarpışmaya rağmen giderek sığlaşan kalıntı bir okyanusal/derin denizel havza Erken Eosen sonlarına değin varlığını sürdürmüş ve tüm farklı tektonik birliklerin üzerinde Orta Eosen döneminde yaygın bir volkano-sedimanter birim gelişmiştir. 
Yıldızeli volkano-sedimanter topluluğu çalışmanın asıl konusunu oluşturmaktadır. Orta Eosen yaşlı olan bu topluluk bazalt, bazaltik andezit ve andezit bileşimli lavlarve bunlarla ara katkılı epiklastik ve piroklastik birimler ile sığ denizel çökel kayalarından oluşmaktadır. Bu istif, güney alanlarda Kırşehir Masifi metamorfikleri (Mesozoyik?), ofiyolitik melanj (Üst Kretase) ve fliş benzeri (Üst Kretase-Paleosen) birimlerin üzerinde gelişmiştir. Daha kuzeyde de Tokat masifi açısal uyumsuzlukla yer almaktadır.
Volkanik topluluğun ana litolojisini oluşturan kayalar mineralojik özelliklerine göre "susuz" ve "sulu" seri olmak üzere iki gruba ayrılmışlardır: (1) Susuz seriye ait lavlar "olivin ve piroksen içerenler (YV1-a)" ile "piroksen içerenler (YV-1b)" , (2) sulu seriye ait lavlar ise "amfibol, piroksen ve biyotit içeren (YV-2)" lavlardır.
Jeokimyasal veriler lavların bazalttan traki-andezite kadar değişen geniş bir spektrumu içerdiğini ve bunların, kısmen alkalen, çoğunlukla kalk-alkalen karakterde ve orta potasyumlu olduğunu göstermektedir. Yıldızeli grubu lavlarının N-MORB ve kondrite göre normalize edilmiş diyagramlardaki paternler büyük iyon çaplı elementler (Sr,K,Rb,Ba,Th) ve hafif nadir toprak elementler (La,Ce,Nd) bakımından zenginleşme, güçlü yükler taşıyan küçük iyon çaplı (HFS) elementler (Ta,Nb,Hf,Zr, Ti) ve ağır nadir toprak (HRE) elementler (Tb, Y,Yb) bakımından da tüketilme olduğunu ortaya koymaktadır. Bu paternler Yıldızeli volkaniklerini oluşturan magmanın daha önceki bir yitimin imzasını taşıdığı ve magma gelişiminde kabuksal kirlenmenin de önemli rolü olduğuna işaret etmektedir. Tektono-magmatik ayrım diyagramlarından da bunu destekler şekilde sonuçlar elde edilmiştir. 

Yıldızeli volkaniklerine ait örneklerin izotop değerleri 87Sr/86Sr (0,704389-0,706291), 143Nd/144Nd (0,512620-0,512775), (87Sr/86Sr)i oranları 0,704242 ile 0,705512, (143Nd/144Nd)i oranı ise 0,512586 ile 0,512744 arasında, εNdi değerleri ise -0,4 ile +2,7 aralığında değişmektedir. Bu değerlere göre tüm örnekler manto alanına ait yakın bir bölgeden başlar ve BE (Bulk Earth) bileşimine doğru zenginleşme gösterir.
Çalışma konusu olan orta Eosen yaşlı volkanik birimlerden elde edilen petrografik ve jeokimyasal veriler, arazi gözlemleri ile birlikte değerlendirilip yorumlandığında bu volkanitlerin çarpışma sonrası ortamda, önceki bir yitim ile zenginleşmiş bir kıta altı manto kaynağının (SCLM) kısmi ergimesiyle türemiş ve ayrıca kıtasal kabuk gereci ile de kirletilmiş olabilecekleri sonucuna varılmaktadır.

Abstract:
Study area to the west of Yıldızeli (Sivas) region, situated in a critical area which comprises the Sakarya continent in the north, İzmir- Ankara-Erzincan suture zone (İAESZ) in the centre and Kırşehir Massif in the south. After the northern branch of the Neotethyan Ocean was northerly consumed, a continent-continent collision has occurred between Kırşehir Massif and Pontides in Early Cenozoic time whilst a remnant oceanic/deep marine basin is still survived until the end of Early Eocene. During the Middle Eocene, an east-west trending widespread volcano-sedimentary units were developed on these different tectonic units. The Middle Eocene aged volcanics of Yıldızeli (Sivas) area in the central zone of the Pontides were divided, on the basis of the volcanic facieses; as basaltic, basaltic andesitic lava flows, flow breccias and associated epiclastics and pyroclastic rocks. 

With in the scope of this study, on the basis of field observations, stratigraphical, minerological, petrographical and geochemical data, assess to the petrological evolution of the Middle Eocene aged volcanic rocks in the region. Thin sections of the samples are determined under the polarized microscope to determine petrographic properties of Yıldızeli lavas. For geochemical analysis 23 lavas were selected and crushed with a hydraulic press and jaw crusher and then grinded in an agate ball mill in order to prepare powders to send to Canada Acme Lab. 

In the previous studies different models are suggested for the Eocene volcanic succession such as post-collisional, delamination and slab-breakoff models as well as the arc model for its westernmost parts. We will present our field and geochemical data obtained from the Yıldızeli and its surroundings for its petrogenesis, and will discuss the tectonic model(s) on the basis of their geochemical/petrological aspects.

Stratigraphy of the area is represented by, from bottom to top, Pre-Mesozoic crustal meta-sedimentary group of Kırsehir Massif composed of marble schist and quartzite ,ophiolitic mélange (Tekelidağ Melange) and Cretaceous-Paleocene flysch-like sequences (Hıdırnalı Group). Basement rocks of Kırşehir Massif are uncomformbly overlain by Middle Eocene Tokuş Formation and Yıldızeli volcanic sequences. In the northern part of Yıldızeli region, north vergent thrust fault trending E-W seperates the ophiolitic mélange complex from the Upper Cretaceous-Paleocene and Tertiary formations. Miocene aged İncesu Formation covers large areas in the study area and represented by fluvial environment and overlies all older units with an angular unconformity. 

Volcano-sedimentary units, Eocene in age, of the Yıldızeli (Sivas-Turkey) which are intercalated with sedimentary deposits related to the collision and a simultaneous volcanic activity (i.e. the Yıldızeli volcanics), exposed throughout a wide zone along E-W orientation. All the Yıldızeli Group rocks are interlayered with each other. Middle Eocene volcano-sedimentary unit consist of basaltic, basaltic-andesitic and andesitic lavas which are intercalated with epiclastic units (sandstone,siltstone) and pyroclastic units together with shallow marine, Nummulites bearing sedimentary rocks. In western part of the region (around Şeyhhalil and Belçik) columnar jointing is commonly observed in basaltic-andesites. 

Rocks forming the main lithology of Yıldızeli volcanics are divided into two main groups according to their mineralogical features; anhydrous lava series and hydrous lava series. (YV-1) Anhydrous lava series are composed of basaltic and basaltic-andesitic rocks which are consisting phenocrysts of plagioclase + clinopyroxene ± olivine ± orthopyroxene + opaque minerals. This is also divided into two sub-series; (YV1-a): olivin+pyroxene bearing rocks and (YV1-b): pyroxene bearing rocks (YV-2).

Hydrous lava series are represented by andesitic and trachy-andesitic rocks which are made up of plagioclase + hornblend ± clinopyroxene ± biotite + opaque minerals and exhibit porphyritic, microlitic textures. Petrograraphically, in all lava series show evidences of disequilibrium crystallization. Sieve texture, corrosion and oscillatory zonning is very common in plagioclase phenocrysts. Also pyroxene phenocrysts show strong zonning, thin sections include reaction rims around pyroxene and plagioclase phenocrysts. From these textures, there is an evidence for magma mixing.

Radiometric ages obtained from this study varies between 46.59 ± 0.37 and 40.526 ± 0.085 Ma. Radiometric ages of Yıldızeli volcanics are compatible with the field observations indicating the volcanic activity was active during the Lutetian-Bartonian (Middle Eocene) time in the region.

Geochemical data shows that Yıldızeli lavas ranging in composition from basalt to trachy-andesite  displaying the calc-alkaline affinity with medium-K and shoshonitic character. Major, trace and rare earth element trends in Harker diagrams show that anhydrous (YV-1) lavas indicate pyroxene and olivin fractionational crsytallization whereas hydrous (YV-2) lava series are influenced by amphibole crystallization processes. Major oxide and trace element versus SiO2 variation diagrams suggest fractionation of common mineral phases such as plagioclase+clinopyroxene ± olivine±orhopyroxene+opaque minerals for YV-1 suite; and plagioclase+hornblende+clinopyroxene ± biotite +opaque minerals for YV-2 suite.

Samples with lower than 60 wt.% SiO2 content have been plotted on spider diagrams because fractional crystallization and assimilation may have a significant effect on N-type MORB-normalized patterns. Patterns in N-MORB and chondrite normalized diagrams show that generally all intermediate and basic volcanic rocks of Yıldızeli Group exhibit enrichment in LILE (Sr, K, Rb, Ba,Th) and LREE (La, Ce, Nd), depletion in HFSE (Ta, Nb, Hf, Zr, Ti) and HREE (Tb, Y, Yb). The chondrite-normalized REE patterns show trends with moderately enriched LREE patterns relative to HREE's (LaN/YbN = 4,3-12,1)  and MREE's (LaN/SmN 2,55-6,10) for calc-alkaline Yıldızeli volcanics. 

Furthermore, in lavas of anhydrous series Ta and Nb negative anomalies relative to less incompatible HFSE (Hf, Zr, Ti and Y) trends may indicate that these lavas might have been influenced by a more enriched mantle source. These patterns can be interpretted as the magmatism that generated Yıldızeli volcanics indicate a previous subduction signatures and may have been contaminated by crustal components. Tectono-magmatic discrimination diagrams give also support these results.

Eocene volcanic rocks of the Yıldızeli region are compatible with geochronologic data and characterized by the following range of Sr and Nd initial isotope ratios: (87Sr/86Sr)i = 0,704242 to 0,705512 and (143Nd/144Nd)i = 0,512586 to 0,512744, εNdi values change between -0,4 to +2,7. 

Considering the petrographical and geochemical data together with the field observations, Middle Eocene volcanic rocks of Yıldızeli region, which is the main subject of this study, can be regarded as generated in a post-collisional geodynamic setting, formed as a result of a partial melting of a sub- continental lithospheric mantle source (SCML) which is enriched by a previous subduction event and also they may have been contaminated by continental crust.