Uludağ (Bursa) çevresindeki eosen granitoyidleri ile ilişkili altın-tungsten-bakır-molibden (Au-W-Cu-Mo) cevherleşmelerinin jenezi ve tektono-metalojenik evrimi
Genesis and tectono-metallogenic evolution of gold-tungsten-copper-molybdenum (Au-W-Cu-Mo) mineralizations associated with eocene granitoids around uludağ (Bursa)
Yazar: HÜSEYİN KOCATÜRK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KUMRAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeokimya ve Maden Yatakları Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Tavşanlı Zonu, Batı Anadolu'da yer alan, Eosen dönemine ait intrüzyonlarla ilişkili porfiri, skarn ve hidrotermal cevherleşmelerin gözlemlendiği önemli bir metalojenik kuşaktır. Tepeldağ Plütonu'ndan doğuya doğru, yerel litolojik ve yapısal kontrollere bağlı olarak Cu-Mo porfiri cevherleşmeleri ve Cu, Pb, Zn ve Fe cevherleşmeleri izlenirken, batıya doğru W-Mo-Au cevherleşmeleri açısından önemli bir potansiyel sunmaktadır. Bu tez çalışması, Tavşanlı Zonu'nun batısında, Uludağ çevresinde yer alan Eosen dönemine ait intrüzyonlarla ilişkili porfiri, skarn ve hidrotermal cevherleşmeleri inceleyerek, bölgenin tektono-magmatik ve metalojenik evrimini ortaya koymayı amaçlamaktadır.
Araştırma, özellikle Uludağ'ın güney ve güneydoğusundaki Topuk ve Tepeldağ Plütonları çevresinde gelişen Kirazgedik porfiri Cu-Mo, Güneybudaklar porfiri-skarn hidrotermal Mo-W-Au, Kozbudaklar Mo-zengin W skarn ve Delice W-Fe-Cu skarn cevherleşmelerine odaklanmaktadır. Bu cevherleşmelerin incelenmesi, saha çalışmalarının yanı sıra petrografik analizler, sıvı kapanım çalışmaları, Sr-Nd izotop analizleri, zirkon U-Pb jeokronolojisi, molibdenit Re-Os jeokronolojisi ve amfibol elektron mikroprob analizleri gibi çeşitli jeokimyasal analizlerle gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular, bu cevherleşmelerin kökeni ve gelişiminin, Kuzeybatı Anadolu'nun jeodinamik evrimiyle ilişkili olduğunu göstermekte; Eosen dönemine ait metalojenik süreçleri açıklayan tektono-metalojenik bir model önerilmektedir.
Kuzeybatı Anadolu'nun Senozoyik jeodinamik evriminin anlaşılmasında, Geç Paleosen'den Orta Eosen'e kadar süren magmatizma kritik öneme sahiptir. Bu kapsamda, Uludağ Plütonları'ndan (Topuk ve Tepeldağ) elde edilen petrografik fasiyesler haritalanmış, zirkon U-Pb jeokronolojisi, Sr-Nd izotop verileri ve kapsamlı jeokimyasal analizler gerçekleştirilmiştir. İncelenen birimler arasında, Topuk Plütonu'ndan Delice tonalit-granodiyoriti (D4) ve Delice alkali-feldispat graniti (D8) ile Tepeldağ Plütonu'ndan Güney Tepeldağ kuvars-monzodiyoriti (ST1) bulunmaktadır. U-Pb zirkon yaş tayinleri ST1 için 54.56±0.21 My, D4 için 47.35±0.21 MY ve D8 için 45.90±0.29 MY olarak ölçülmüştür. Başlangıç 87Sr/86Sr ve 144Nd/143Nd izotop değerleri sırasıyla ST1 için 0,706693 ve 0,512428, D4 için 0,707309 ve 0,512452, D8 için 0,705896 ve 0,512448 olarak hesaplanmıştır. 
Bu zirkon U-Pb yaşları, Kuzeybatı Anadolu'daki diğer granitoidlerle karşılaştırıldığında, Geç Paleosen ile Orta Eosen arasında (58–45 Ma) süren magmatizmayla ilişkilendirilebilir. Magmanın yenilenmesiyle ilgili olarak, erken evrede plajiyoklaz birikimi ve sonraki evrede amfibol fraksiyonel kristalleşmesinin baskın olması, magmanın akışkan açısından zengin kaynaklarla ilişkili olduğunu ve geri çekilen levhanın ergimesiyle yeni akışkanlarla beslendiğini göstermektedir. Magmanın doğasındaki bu değişimler, hem levha geri çekilmesi hem de levha kopması süreçleriyle uyumlu olabilir. Ancak Geç Paleosen ile Orta Eosen granitoidlerinin Kuzeybatı Anadolu'nun genelinde yapılan karşılaştırmalı analizi, bölgenin Eosen'de süren yitim etkisi altında levha geri çekilmesi dinamiklerine maruz kaldığını ortaya koymaktadır. Moho derinliğindeki azalma ve yükselen astenosferin jeokimyasal süreçlere etkileri de bu yaklaşımı desteklemektedir. Magmanın karakterindeki sistematik değişimler, ani levha kopmasından ziyade, süregelen levha geri çekilmesi süreçleriyle daha iyi açıklanabilir. Sonuç olarak, bu model, Eosen döneminde, Tavşanlı Zonu'nun batısında sığ bir yitim ve levha geri çekilmesi rejiminin uzun süre etkili olduğunu; doğusunda ise daha istikrarlı bir levha dikleşmesi rejiminin hakim olduğunu öne sürmektedir. Bu süreçlerin, bölgenin tektono-magmatik evrimini şekillendirdiği vurgulanmaktadır.
Cevherleşmelerin jenezine dair saha çalışmaları ve petrografik incelemelerin yanı sıra yapılan sıvı kapanım çalışmaları, farklı cevher sistemlerinin karakterine dair önemli bilgiler sağlamaktadır. Güneybudaklar'daki porfiri-skarn geçişli sistem, Kozbudaklar Mo-W skarn cevherleşmesiyle karşılaştırıldığında, her iki sistemde de yüksek tuzluluklu kapanımlar ve buhar fazının kaybolmasıyla homojenleşen kapanımlar gözlenmiştir. Ancak Kozbudaklar cevherleşmesinde, daha karmaşık bir sıvı kaynama ve kararsızlık süreci yaşandığı anlaşılmaktadır. Güneybudaklar'daki basınç ve derinlik değerleri, Kirazgedik porfiri Cu-Mo cevherleşmesine ait sıvı kapanım verileriyle karşılaştırıldığında, Güneybudaklar sisteminin daha derin ve yüksek sıcaklık koşullarında geliştiği görülmektedir. Kirazgedik cevherleşmesinde, genellikle daha düşük tuzluluk ve daha düşük homojenleşme sıcaklıklarına sahip kapanımlar gözlemlenmiştir. Güneybudaklar ve Delice çevresindeki damar tipi ±W±Au cevherleşmelerine ait örnekler incelendiğinde, farklı karakterde iki ayrı cevher taşıyıcı sistem tanımlanmıştır. Güneybudaklar'a ait mezotermal/hipojenik karakterdeki sıvı kapanımlar, orta derecede tuzluluk (%7-11 NaCl) ve homojenleşme sıcaklıkları (243-346°C) ile karakterize edilmiştir. Bu veriler, cevherleşmenin daha derin ve yüksek sıcaklıkta bir magmatik-hidrotermal sistemle ilişkili olduğunu göstermektedir. Delice'deki mezo/epitermal karakterdeki sıvı kapanımlar ise Güneybudaklar'a kıyasla daha düşük tuzluluk (%5-10 NaCl) ve homojenleşme sıcaklıkları (201-302°C) ile temsil edilmektedir. Bu bulgular, Delice cevherleşmesinin Güneybudaklar'a kıyasla daha yüzeye yakın ve daha düşük sıcaklıkta oluştuğunu göstermektedir.
Zirkon U-Pb yaş tayinlerine ek olarak, Güneybudaklar porfiri-skarn Mo-W-Au cevherleşmesine yönelik yapılan molibdenit Re-Os yaş tayini ve amfibol elektron mikroprob analizleri, her bir cevherleşmeyle magmatizma arasındaki ilişkiyi belirlemek için kullanılmıştır. Bu sayede, cevherleşmelerle ilişkili magmatik fazların metal üretkenliği; hesaplanan basınç, sıcaklık, oksijen fugasitesi, su ve uçucu içeriği dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Kirazgedik, Güneybudaklar, Kozbudaklar ve Delice cevherleşmelerine ait amfibol verileri, bölgedeki magmatizmanın başlangıçta indirgen bir karakterde olduğunu, ancak kabuk içerisinde yükseldikçe ve soğudukça oksijen fugasitesinin arttığını ortaya koymaktadır.
Amfibol kimyası kullanılarak yapılan hesaplamalar, Kirazgedik porfiri Cu-Mo±Au cevherleşmesi ile ilişkili olarak, sıcaklığın 930°C'den 770°C'ye ve basıncın 2,7 kbar'dan 0,5 kbar'a düştüğünü göstermektedir. Bu sırada oksijen fugasitesi, FMQ denge koşullarına göre yaklaşık +3 ile +0,5 arasında artan logaritmik birimlerle ifade edilmekte, H₂O içeriği %6,5'ten %2,5'e kadar azalmaktadır. Kirazgedik cevherleşmesi, yüksek klor (uçucu) içeriği ile diğer cevherleşmelerden ayrılmaktadır. Güneybudaklar periferik porfiri-skarn Mo±W±Au cevherleşmesine ilişkin hesaplamalar ise sıcaklığın 880°C'den 690°C'ye düşerken, basıncın 1,8 kbar'dan 0,5 kbar'a indiğini göstermektedir. Oksijen fugasitesi, FMQ denge koşullarına göre +2 ile +0,5 arasında düşen logaritmik birimlerle ifade edilmekte, H₂O içeriği %6,5'ten %2,5'e kadar azalmaktadır.
Kozbudaklar W±Mo skarn cevherleşmesi ile ilişkili hesaplamalar, sıcaklığın 820°C'den 730°C'ye ve basıncın 1,6 kbar'dan 0,7 kbar'a düştüğünü göstermekte olup, bu değerler tipik W skarn sistemlerine işaret etmektedir. Oksijen fugasitesi, FMQ denge koşullarına göre +1,5 ile 0 arasında değişmekte, su içeriği ise %5,5 ile %7 arasında gözlenmektedir. Delice W±Fe±Cu skarn cevherleşmesi ile ilgili hesaplamalar ise sıcaklığın 900°C'den 750°C'ye ve basıncın 2,5 kbar'dan 0,5 kbar'a kadar değiştiğini göstermektedir. Oksijen fugasitesi FMQ denge koşullarına göre +2 ile 0 arasında değişmekte, H₂O içeriği ise %5 ile %8,5 arasında daha yüksek seviyede gözlenmektedir.
Bu veriler, levha geri çekilmesi sırasında değişen tektonik koşulların, manto-kabuk ve magma-yan kayaç etkileşimlerine bağlı olarak jeokimyasal koşulları nasıl şekillendirdiğine dair önemli ipuçları sunmaktadır. Kirazgedik porfiri Cu-Mo cevherleşmesi ile ilişkili Tepeldağ Plütonu'na ait veriler, başlangıçta indirgen magmalardan okside magmalara doğru bir evrim olduğunu göstermektedir. Buna karşın, ilerleyen aşamalarda dekompresyonun etkisiyle mantonun yükselmesi sonucu ergimenin daha düşük sıcaklıklarda devam ettiği ve karbonatlı yan kayaçlarla artan etkileşim sonucu magmanın denge koşullarına döndüğü görülmektedir.
Bu evrim, Kirazgedik porfiri Cu-Mo cevherleşmesinden sonra başlayan Güneybudaklar'daki periferik porfiri-skarn geçişli hidrotermal süreçlerle (Mo±W±Au cevherleşmeleri) ve Mo-W skarn cevherleşmeleriyle devam etmektedir. Daha geniş oksijen fugasitesi ve basınç koşulları aralığında gelişen W-Fe-Cu skarn cevherleşmeleri ise her iki fazın bir arada izlendiği bir cevherleşme süreci olarak izlenmektedir. Levha geri çekilmesinin ana etken olduğu bu süreç, bölgedeki mineral üretkenliğinin zamanla nasıl değiştiğini ve yan kayaçlarla etkileşimin mineralizasyon süreçlerine etkisini ortaya koymaktadır.
Sonuç olarak, levha geri çekilmesinin farklı aşamalarında manto-kabuk etkileşimi ve tektonik süreçler, magmanın ergime koşullarını, basıncını, oksidasyon durumunu ve su ile uçucu içeriklerini şekillendirmiştir. Bu durum, farklı cevherleşme tiplerinin levha tektoniğinin baskın etkisi doğrultusunda şekillendiğini göstermekte, bölgedeki mineral üretkenliğinin zamanla nasıl değiştiğine dair önemli bulgular sağlamaktadır. Tepeldağ Plütonu'ndan doğuya doğru gelişen Cu-Mo porfiri cevherleşmelerinin, batıya doğru W-Mo-Au açısından zenginleşmiş cevherleşmelerle yer değiştirdiği gözlenmekte; bu süreçlerin, bölgedeki tektonik ve magmatik evrimle nasıl ilişkili olduğu ortaya konmaktadır.

Abstract:
The Tavşanlı Zone is an important metallogenic belt in western Anatolia where porphyry, skarn and hydrothermal mineralizations associated with Eocene intrusions are observed. While Cu-Mo porphyry mineralization and Cu, Pb, Zn and Fe mineralization are observed eastward from the Tepeldağ Pluton depending on local lithological and structural controls, it offers a significant potential for W-Mo-Au mineralization towards the west. This thesis aims to reveal the tectono-magmatic and metallogenic evolution of the region by examining the porphyry, skarn and hydrothermal mineralizations associated with Eocene intrusions around Uludağ, west of the Tavşanlı Zone.
This research focuses on Kirazgedik porphyry Cu-Mo, Güneybudaklar porphyry-skarn hydrothermal Mo-W-Au, Kozbudaklar Mo-rich W skarn and Delice W-Fe-Cu skarn mineralizations that developed around the Topuk and Tepeldağ Plutons in the south and southeast of Uludağ. The study of these mineralizations was carried out through field studies as well as various geochemical analyses such as petrographic analyses, fluid inclusion studies, Sr-Nd isotope analyses, zircon U-Pb geochronology, molybdenite Re-Os geochronology and amphibole electron microprobe analyses. The findings show that the origin and development of these mineralizations are related to the geodynamic evolution of NW Anatolia and a tectono-metallogenic model is proposed to explain the metallogenic processes of the Eocene.
Magmatism from the Late Paleocene to the Middle Eocene is of critical importance in understanding the Cenozoic geodynamic evolution of Northwest Anatolia. In this context, new petrographic facies from the Uludağ Plutons (Topuk and Tepeldağ) were mapped, zircon U-Pb geochronology, Sr-Nd isotope data and extensive geochemical analyses were performed. The lithofacies studied include the Delice tonalite-granodiorite (D4) and Delice alkali-feldspar granite (D8) from the Topuk Pluton and the South Tepeldağ quartz-monzodiorite (ST1) from the Tepeldağ Pluton. U-Pb zircon age determinations were 54.56±0.21 MY for ST1, 47.35±0.21 MY for D4 and 45.90±0.29 MY for D8. 
Initial 87Sr/86Sr and 144Nd/143Nd isotope values were calculated as 0.706693 and 0.512428 for ST1, 0.707309 and 0.512452 for D4, 0.705896 and 0.512448 for D8, respectively. These zircon U-Pb ages, when compared to other granitoids in NW Anatolia, can be associated with magmatism that lasted between the Late Paleocene and Middle Eocene (58-45 Ma). Regarding magma replenishment, the predominance of plagioclase accumulation in the early phase and amphibole fractional crystallization in the later phase suggests that the magma was associated with fluid-rich sources and fed with new fluids by melting of the roll-backing slab. These changes in the nature of the magma may be consistent with both slab roll-back and slab break-off processes. However, a comparative analysis of Late Paleocene and Middle Eocene granitoids across NW Anatolia reveals that the region was subjected to slab roll-back dynamics under subduction during the Eocene. 
The decrease in Moho depth and the effects of the upwelling asthenosphere on geochemical processes also support this approach. Systematic changes in the character of magma can be better explained by ongoing slab roll-back processes rather than abrupt slab break-off. In conclusion, this model suggests that during the Eocene, an initial shallow subduction and later slab roll-back regime was in effect for a long time in the west of the Tavşanlı Zone, while a more stable slab steepening regime prevailed in the east. It is emphasized that these processes shaped the tectono-magmatic evolution of the region.
In addition to field studies and petrographic studies on the genesis of mineralizations, fluid inclusion studies provide important information on the character of different ore systems. When the porphyry-skarn transitional system at Güneybudaklar is compared with the Kozbudaklar Mo-W skarn mineralization, high salinity inclusions and inclusions homogenized by the disappearance of the vapor phase are observed in both systems. However, Kozbudaklar mineralization appears to have experienced a more complex fluid boiling and instability process. When the pressure and depth values at Güneybudaklar are compared with the fluid inclusion data of Kirazgedik porphyry Cu-Mo mineralization, it is seen that the Güneybudaklar system developed in deeper and higher temperature conditions. In Kirazgedik mineralization, inclusions with generally lower salinity and lower homogenization temperatures were observed.
When the samples of vein-type ±W±Au mineralization around Güneybudaklar and Delice were examined, two different ore-bearing systems with different characters were identified. The mesothermal/hypogenic fluid inclusions of Güneybudaklar are characterized by moderate salinity (7-11% NaCl) and homogenization temperatures (243-346°C). These data suggest that the mineralization is associated with a deeper and higher temperature magmatic-hydrothermal system. The meso/epithermal fluid inclusions at Delice are characterized by lower salinity (5-10% NaCl) and homogenization temperatures (201-302°C) compared to Güneybudaklar. These findings indicate that Delice mineralization was formed closer to the surface and at lower temperatures than Güneybudaklar.
In addition to zircon U-Pb age determinations, molybdenite Re-Os age determinations and amphibole electron microprobe analyses for the Güneybudaklar porphyry-skarn Mo-W-Au mineralization were used to determine the relationship between each mineralization and magmatism. In this way, the metal fertility of the magmatic phases associated with the mineralizations was evaluated by taking into account the calculated pressure, temperature, oxygen fugacity, water and volatile content.
Amphibole data from Kirazgedik, Güneybudaklar, Kozbudaklar and Delice mineralizations reveal that magmatism in the region was initially reduced, but oxygen fugacity increased as a result of ascending in crust and cooling. Calculations using amphibole chemistry show that in association with the Kirazgedik porphyry Cu-Mo±Au mineralization, the temperature decreased from 930°C to 770°C and the pressure from 2.7 kbar to 0.5 kbar. Meanwhile, oxygen fugacity is expressed in logarithmic units increasing from about +3 to +0.5 relative to FMQ equilibrium conditions, with H₂O content decreasing from 6.5% to 2.5%. Kirazgedik mineralization differs from other mineralizations with its high chlorine (volatile) content. Calculations for Güneybudaklar peripheral porphyry-skarn Mo±W±Au mineralization show that the temperature decreases from 880°C to 690°C while the pressure decreases from 1.8 kbar to 0.5 kbar. Oxygen fugacity is expressed in logarithmic units decreasing from +2 to +0.5 according to FMQ equilibrium conditions, with H₂O content decreasing from 6.5% to 2.5%.
Calculations associated with the Kozbudaklar W±Mo skarn mineralization show a decrease in temperature from 820°C to 730°C and pressure from 1.6 kbar to 0.7 kbar, indicating typical W skarn systems. Oxygen fugacity varies between +1.5 and 0 according to FMQ equilibrium conditions and water content is observed between 5.5% and 7%. Calculations for Delice W±Fe±Cu skarn mineralization indicate that the temperature ranges from 900°C to 750°C and the pressure from 2.5 kbar to 0.5 kbar. Oxygen fugacity varies between +2 and 0 according to FMQ equilibrium conditions, while H₂O content is observed at higher levels between 5% and 8.5%.
These data provide important clues on how the changing tectonic conditions during slab roll-back shaped the geochemical conditions due to mantle-crust and magma-wallrock interactions. Data from the Tepeldag Pluton associated with the Kirazgedik porphyry Cu-Mo mineralization show an initial evolution from reducing magmas to oxidized magmas. However, it is seen that melting continues at lower temperatures as a result of mantle uplift due to decompression in the later stages and the magma returns to equilibrium conditions as a result of increased interaction with carbonated wallrocks. 
This evolution continues with peripheral porphyry-skarn transition hydrothermal processes (Mo±W±Au mineralizations) and Mo-W skarn mineralizations in Güneybudaklar, which started after Kirazgedik porphyry Cu-Mo mineralization. Delice W-Fe-Cu skarn mineralization, which developed in a wider range of oxygen fugacity and pressure conditions, is a combination of both phases. This process, in which slab roll-back is the main factor, reveals how the mineral fertility in the region has changed over time and the effect of interaction with wallrocks on mineralization processes.
Consequently, at different stages of slab roll-back, mantle-crust interaction and tectonic processes shaped the magma melting conditions, pressure, oxidation state and water and volatile contents. This shows that different mineralization types were shaped in line with the dominant effect of plate tectonics and provides important findings on how mineral fertility in the region has changed over time. It is observed that Cu-Mo porphyry mineralizations developed eastward from the Tepeldağ Pluton are replaced by W-Mo-Au enriched mineralizations towards the west and it is revealed how these processes are related to the tectono-metallogenic evolution in the region.