Orta pontidlerdeki kırıntılı kretase istiflerinin kaynak alanları
Provenance analysis of the cretaceous clastic sequences of the central pontides
Yazar: REMZİYE AKDOĞAN
Danışman: PROF. ARAL OKAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Kretase = Cretaceous

Özet:
Orta Pontidler'de yaklaşık 400x90 km'lik bir alanda yüzeyleme veren Alt Kretase sedimanları, şelf çökelleri ve denizaltı yelpaze çökelleri ile temsil edilmektedir. 2000 metreden fazla kalınlığa sahip olan Alt Kretase çökellerine ait paleoakıntı izleri ölçülmüş, derlenen örneklere ait kırıntı zirkonlar üzerinde U-Pb yaş ve nadir toprak element analizleri ve kırıntı rutillerin jeokimyasal analizleri yapılarak Erken Kretase sedimanlarının kaynak alanları belirlenmeye çalışılmıştır. 
Erken Kretase Havzasının doğusuna ait paleoakıntı izi analizleri belirgin şekilde kuzeydeki bir kaynağa işaret etmektedir. Havzanın batısına ait paleoakıntı izi analizlerinden ise değişik yönlere ait paleoakıntı yönleri elde edilmiş olsa da, bu ölçümler Erken Kretase yaşlı çökellerinin genel olarak kuzeydeki bir kaynaktan beslendiğine işaret etmektedir.
Alt Kretase şelf çökellerinden iki tane, türbiditik kısımdan on bir tane olmak üzere toplam on üç kumtaşı örneğine ait kırıntı zirkonlar üzerinde LA-ICP-MS kullanılarak 1348 U-Pb yaş analizi yapılmıştır. Kırıntı zirkon yaş dağılımları Permiyen-Karbonifer (%26), Paleoproterozoik (%17; 1700-2200 Ma) ve Arkeen (%15; 2750-3000 Ma) zamanlarında olacak şekilde üç ana pik; Kambriyen-geç Neoproterozoik (%9; 525-650 Ma), Triyas (%6), erken Neoproterozoik-geç Mezoproterozoik (%4; 875-1100 Ma) ve Silüriyen (%2) olacak şekilde daha az belirgin olan pikler oluşturmaktadır. 
Bu örneklerden dört tanesi (iki tanesi şelf çökellerinden) havzanın batısını, dört tanesi havzanın orta kesimini ve diğer beş tanesi ise havzanın doğu kesimini temsil edecek şekilde oldukça farklı kırıntı zirkon yaş dağılımları sergilemişlerdir. Havzanın doğu kesimine ait kırıntı zirkon yaşları Mezoarkeen, Paleoproterozoik, Permiyen zamanlarında en baskın popülasyonları; Triyas zamanında daha az baskın bir popülasyon oluşturacak şekilde saçılmışlardır. Havzanın orta kesiminde ise Paleoproterozoik, erken Neoproterozoik-geç Mezoproterozoik, Triyas, Permiyen, Karbonifer ve Silüriyen yaşlı zirkonlar en baskın popülasyonları oluşturmaktadır. Kırıntı zirkon yaşları Erken Kretase havzasının doğu ve orta kesimi için en önemli kaynak alanın, bu yaşlarda temel kayalara sahip olan Doğu Avrupa Platformu olduğunu göstermektedir. Paleoakıntı izleri, kırıntı zirkonlara ait nadir toprak element bollukları ve kırıntı rutil jeokimyalarından elde edilen veriler de, havzanın doğu ve orta kesimi için Doğu Avrupa Platformu'na ait temel kayaların en önemli kaynak kayalar olduklarını doğrulamaktadır. Erken Kretase havzasının Doğu Avrupa Platformu'ndan malzeme alabilecek konumda olması, Karadeniz'in bu dönemde henüz açık olmadığını göstermektedir. Buna karşılık Karbonifer ve Kambriyen-geç Neoproterozoik yaşlı kırıntı zirkonların baskın olduğu havzanın batı kesimi ise İstanbul Zonu ve Moesya Platformu'na ait temel kayalardan lokal olarak beslenmiş olmalıdır. 
Erken Kretase havzasının orta ve doğu kesimin Doğu Avrupa Platformu'na ait granitik temel kayalardan beslenmiş olması, bu kayaların petrol jeolojisi açısından iyi kalitede rezervuar kaya durumunda olabileceğine işaret etmektedir. 
Erken Kretase türbiditleri Tetis'in kuzeye yitilmesi sırasında, aktif kıta kenarındaki yay önü pozisyonunda çökelmesine rağmen, sedimantasyon ile eş yaşlı magmatizmaya ait kırıntı zirkonların %1'den az oluşu ve volkanik kayaç parçaları içermemesi ile normal yay önü havzalarından ayrılmaktadır. Erken Kretase dönemine ait kırıntı zirkon bolluklarının bu denli az olması, normal yay önü havzalarında olması gereken yitim ile ilişkili, sedimantasyonla eş yaşlı aktif bir magmatizmanın olmadığını göstergesidir. Bu durum düşük açılı yitim ile ilişkilendirilebilir. Erken Kretase döneminde Tetis'in düşük açılı yitilmesi, volkanizmada duraksama, bölgesel yükselim ve yükselime bağlı olarak da Erken Kretase havzasına yoğun malzeme sağlaması ile sonuçlanmıştır.
Orta Pontidler'in doğu kesiminde yüzeyleme veren Geç Kretase yaşlı (Kampaniyen-Maastrihtiyen) Gürsökü Formasyonu Karadeniz'in açılmasından sonra çökelen ilk türbiditik istiftir. 2000 m kalınlığa sahip olan bu istifin kaynak alanını belirlemek ve Karadeniz'in açılması ile değişen tektonik ortamın kaynak alan üzerindeki etkisini tespit etmek üzere paleoakıntılar ölçülmüş ve U-Pb kırıntı zirkon yaş analizi amaçlı örnekler derlenmiştir. 
Gürsökü Formasyonundan derlenen yedi kumtaşı örneğinden 519 tane U-Pb kırıntı zirkon yaşı elde edilmiştir. Tüm kırıntı zirkonların %46'sının (240 tane) Mesozoik, %37'sinin (191 tane) Paleozoik, %11'inin (56 tane) Neoproterozoik, %1'inin (5 tane) Mezoproterozoik, %4'ünün (20 tane) Paleoproterozoik ve %1'inin ise (yedi tane) Arkeen zamanlarında toplandığı görülmüştür. Analiz edilen yedi örnekten üç tanesi Geç Kretase (Kampaniyen, ca. 78 Ma) zamanında, bir örnek ise Orta Jura zamanında (ca.165 Ma) çok belirgin olan pikler verecek şekilde saçılmışlardır. Diğer üç örnek ise Karbonifer ve Permiyen'de en baskın pikleri, Triyas ve Silüriyen'de ise çok az belirgin olan pikler oluşturacak şekilde Paleozoik zamanına saçılmıştır. 
Gürsökü Formasyonu'na ait kırıntı zirkon dağılımları, Pontidler'e ait temel kayalar ve Karadeniz'in açılması ile ilişkilendirilen Geç Kretase yay magmatizmasının en önemli kaynak alanlar olduğunu göstermiştir. Tüm kırıntı zirkon yaşlarının sadece %5'ini temsil eden Arkeen ve Paleoproterozoik yaşlı kırıntı zirkonlar önemli bir pik oluşturmayacak şekilde saçılmıştır. Bu durum bu zirkonların Pontidler'e ait daha yaşlı kayalardan yeniden döngülenme ile yolu ile havzaya taşınmış olabileceğini göstermektedir. 
Erken Kretase çökellerine ait kırıntı zirkon dağılımlarının aksine Geç Kretase yaşlı Gürsökü Formasyonu'na ait türbiditlerden elde edilen Arkeen ve Paleoproterozoik yaşlı zirkonların önemsemeyecek kadar az oluşu Doğu Avrupa Platformu'nun Geç Kretase döneminde kaynak alan durumunda olmadığı göstermektedir. Bu durum Karadeniz'in açılması ile değişen tektonik ortamın en önemli yansımasıdır.
Orta Pontidler'in batı kesiminin termal evrimini ortaya çıkarmak üzere Zonguldak'ın Ereğli ilçesi ile Kastamonu ilinin Cide ilçesi arasında kalan kesimden derlenen ve sedimantasyon yaşları Karbonifer ile Eosen arasında değişen 18 örnek derlenmiştir. 14 örnek üzerinde apatit fizyon iz ve bu örneklerin 11 tanesi üzerinde ise apatit (U-Th)/He yöntemleri kullanılarak düşük sıcaklık termokronoloji yaş analizleri yapılmıştır. 
Bu örneklerden 46 Ma ile 220 Ma arasında değişen apatit fizyon iz yaşları elde edilmiş ve bölgenin Geç Triyas-Erken Jura, Albiyen ve Paleosen-Orta Eosen zamanlarında kademeli olarak yükselmiş olduğu ortaya konulmuştur. Bu durum bu bölgede hala Karakaya Orojenezi ve Albiyen'deki yitim olaylarına ait kalıntı yükselim yaşlarının korunduğunu göstermiştir. Kısa mesafelerde oldukça farklı zamanlara ait yükselim olayına işaret eden bu yaşlar horst graben yapısı ile açıklanabilir. 
Aynı örnekler üzerinde yapılan apatit (U-Th)/He yaşlandırması ile genç apatit fizyon iz yaşları ise bölgenin daha düşük sıcaklıklardaki evrimine ışık tutacak nitelikte olup, Paleosen'den sonra bölgenin hızlı bir şekilde yükseldiğini ve özellikle bu yükselimlerin Paleosen-Orta Eosen ve Oligosen-Erken Miyosen zamanlarında kümelenmiş olduğunu göstermektedir. Bu yükselimler Pontidler ile Torid-Anatolid Platformunun İzmir-Ankara-Erzincan Kenedi boyunca çarpışması ile ilişkili olmalıdır.

Abstract:
Lower Cretaceous sediments crop out over a large area of about 400 km by 200 km in the Central Pontides. They are represented by shelf sediments and deep marine turbiditic fan deposits. Lower Cretaceous sediments have more than 2000 m thickness. 
The provenance of Lower Cretaceous sediments were studied through paleocurrent measurements, U-Pb detrital zircon dating and geochemical analysis of detrital rutile.
Paleocurrent measurements clearly show that in the eastern part of the basin, the source area was in the north. Although, it is scattered in the west of the basin, the main paleoflow directions also show northerly sources.
1348 detrital zircons from eleven samples from the turbiditic sandstones and two samples from the shelf sandstones were analyzed using LA-ICP-MS. Detrital zircon age distributions show three main peaks at Permian-Carboniferous (26%), Paleoproterozoic (17%; 1700-2200 Ma) and Archean (15%; 2750-3000 Ma); and subsidiary peaks at late-Neoproterozoic-Cambrian (9%; 525-650 Ma), Triassic (6%), late Mesoproterozoic-early Neoproterozoic (4%; 875-1100 Ma) and Silurian (2%).
Four samples are from the western part (two samples from shelf sediments), four samples from the central part and five samples from the eastern part of the Lower Cretaceous basin. The age distribution of detrital zircons from Lower Cretaceous deposits show different pattern in the western, central and eastern parts. 
Mesoarchean, Paleoproterozoic, Permian and less prominently Triassic zircons are dominant in the eastern part. In central part Paleoproterozoic, early Neoproterozoic-late Mesoproterozoic, Triassic, Permian, Carboniferous, and Silurian zircons constitute the main populations. Archean and Paleoproterozoic rocks are unknown from the Pontides, whereas such rocks crop out widely in the Ukrainian Shield. The detrital zircon results indicate that the major source of the turbidites in the eastern and central parts of the basin was the East European Platform, which has Paleoproterozoic-Archean basement. Rare earth element abundances of detrital zircons, detrital rutile geochemistry and paleocurrent directions are consistent with the detrital zircon ages and imply a source area to the north of the Black Sea for the central and eastern part of the basin. This demonstrates that the Black Sea was not opened during the Early Cretaceous. 
In contrast to the eastern and the central parts of the basin, Carboniferous and Cambrian-Late Neoproterozoic zircons constitute the main population in the western part, suggesting derivation from local sources from the Istanbul Zone and the Moesian Platform.
Derivation mainly from the granitic basement of East European Platform indicates that the eastern and central part of the Lower Cretaceous basin might have better reservoir potential due to petroleum geology.
Although, Early Cretaceous turbidites were deposited in a fore-arc position above the active subduction zone, yet unlike typical fore-arc basin strata, the Lower Cretaceous sandstones has less than 1% of syn-depositional detrital zircons and is devoid of volcanic rock fragments.
Such minor amounts of syn-depositional detrital zircons indicates that the syn-sedimentary magmatic arc, which is characteristic component of normal forearc system, is missing. This may relate to flat subduction, which may have caused this volcanic gap and produced regional uplift. The regional uplift would have resulted in intense sediment supply to the Lower Cretaceous basin.
Late Cretaceous (Campanian-Maastrichtian) Gürsökü Formation, which crops out in the eastern part of the Central Pontides, is the first turbiditic sequence deposited after the opening of the Black Sea. It has a thickness about 2000 m. To deduce the provenance of this turbiditic sequence and to reveal the effects of the new tectonic setting on the provenance, we measured paleocurrents from Late Cretaceous sediments and sampled sandstones for U-Pb detrital zircon dating. 
We obtained 519 U-Pb detrital zircon ages from seven sandstone samples of Gürsökü Formation. 46% of the all detrital zircons is Mesozoic, 37% is Paleozoic, 11% is Neoproterozoic, 1% is Mesoproterozoic, 4% is Paleoproterozoic, and 1% is Archean. Within seven samples three samples yielded dominant peaks at Late Cretaceous (ca. 79 Ma) and a sample yielded prominent peak at Middle Jurassic (ca. 165 Ma). The detrital zircon ages of other three samples are scattered in the Paleozoic times giving prominent peaks at Carboniferous, Permian and less prominent peaks at Triassic and Silurian.
Detrital zircon age distribution of Gürsökü Formation indicates that the basement rocks of the Pontides and Late Cretaceous arc volcanics, which was formed by the opening of the Black Sea, were the main sources for the Late Cretaceous basin. Archean and Paleoproterozoic zircons only represents the 5% of the all detrital zircons and scatter without an important peak. They may be recycled from older rocks.
The negligible Archean and Paleoproterozoic detrital zircons in the Gürsökü Formation in contrast to the Lower Cretaceous turbidites show that East European Platform was not in a source position during Late Cretaceous. This is a reflection of the difference of tectonic setting triggered by the opening of the Black Sea. 
To reveal the thermal evolution of the western part of the Central Pontides, 18 samples from different units with sedimentation ages between Carboniferous to Eocene were collected from the area between Zonguldak and Cide.
We performed apatite fission track analysis on 14 samples; and apatite (U-Th)/He method on 11 samples. Apatite fission track analysis of 14 samples yielded ages ranging between 46 Ma to 220 Ma and indicate that this region was uplifted gradually by the Late-Triassic-Early Jurassic, Albian and Paleocene-Middle Eocene times. This shows that this region still preserves thermochronological evidence of older orogenies, including the Karakaya Orogeny and Albian subduction events. Big differences of apatite fission track (AFT) ages in short distance points out that horst-graben structure shaped the region. 
(U-Th)/He dating on the apatites from samples, which are also used for AFT analysis, show evolutional history of the region in lower temperatures. Younger AFT ages with apatite (U-Th)/He ages indicate that the region was rapidly uplifted after Paleocene and two clusters have been distinguished as; Paleocene-Middle Eocene and Oligocene-Early Miocene which could be related to collision of the Pontides with the Anatolide-Tauride Block along the İzmir-Ankara-Erzincan Suture Zone.