Felahiye - Özvatan (Kayseri) bölgesi alkali kayaçları ile ilişkili kompleks cevherleşmelerin (NTE-Th-U) mineralojik ve jeokimyasal yönden incelenmesi
Mineralogical and geochemical investigation of the complex mineralizations (REE-Th-U) associated with alkaline rocks of the Felahiye - Özvatan (Kayseri) region
Yazar: ALİ TUĞCAN ÜNLÜER
Danışman: PROF. DR. MURAT BUDAKOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Bu çalışmanın amacı, Kayseri ili Özvatan ilçesi güneyinde yer alan alkalen karakterli Özvatan nefelin siyenit-karbonatit kompleksinin petrojenetik özelliklerini ve Nadir Toprak Element (NTE), Toryum (Th) ve Uranyum (U) cevherleşme karakteristiklerini ortaya koymaktır. Son yıllarda gelişen bilgi teknolojileri ve farklı endüstrilerdeki yaygın kullanımı ile hızla artan NTE ihtiyacı yüksek oranda alkali kayaçlar ve karbonatitik komplekslerden sağlanan üretim ile karşılanmaktadır. Özellikle hafif nadir toprak elementleri (HNTE) açısısından zengin karbonatitik kompleksler bu elementlerin yanı sıra yüksek oranda fosfat (P), demir (Fe), niyobyum (Nb), toryum (Th), ve uranyum (U), baryum (Ba), stronsiyum (Sr) gibi elementleri içerebilmektedir. Alkalen-karbonatitik kompleksler ve ilişkili metasomatik zonlar (fenitler) yüksek tenörlü NTE cevherleşmelerine ev sahipliği yapmaları nedeniyle son yıllarda geniş bir bilimsel merak uyandırmışlardır. Çoğu karbonatitik kompleks kıtasal rift vadilerindeki ekstansiyonel rejim ve ilişkili ultra-alkali magmatizma ile ilişkilidir. Bununla birlikte çarpışma sonrası gelişen ortamlardaki alkali magmatizma ile ilişkili karbonatitik intrüzyonlara da rastlanılabilir. Bu bağlamda Orta Anadolu Kristalen Kompleksi (OAKK) içerisinde bulunan ve çarpışma sonrası gelişen Üst-Kretase-Paleosen yaşlı alkalen magmatizma NTE açısından zengin karbonatit kompleksler veya alkali pegmatitlerin gelişimi için uygun koşullara sahip olduğu düşünülebilir.
 Bu çalışma kapsamında ele alınan Özvatan nefelin siyenit-karbonatit kompleksi OAKK'nın alt masiflerinden olan Akdağ masifinin meta-karbonat türü kayaçlarının içerisine yerleşmiş ve genellikle silika açısından fakir bir ultra alkali-potasik magmatik kayaçlardan oluşan bir kütledir. Kompleksin silikatik kayaçları nefelin siyenitler ile temsil edilirken, bu kayaçların içerisine dayk ve damar benzeri şekilde yerleşen ve genellikle kalsit minerallerinden oluşan karbonatitik kayaçlar tanımlanmıştır. Kompleksin karbonatitik kayaçları mineralojik ve jeokimyasal bileşimleri itibarıyla kalsit-karbonatitler ve siliko-karbonatitler şeklinde iki ana başlık altında incelenebilir. Kalsit-karbonatitler genellikle iri taneli kalsit mineralleri açısından baskın olup bir miktar florit ve sülfid grubu (pirit, kalkopirit, molibdenit veya sfalerit) mineral de gözlenmektedir. Siliko-karbonatit intrüzyonları ise yaklaşık eşit oranda silikat ve karbonat grubu minerallerden oluşmaktadır. 
Özvatan kompleksinde bulunan karbonatitik kayaçlar silikatik magmanın alkali elementler ile bilirkte gerçekleşen bir desilisifikasyon sürecinde oluşmuştur. Bu elementlerin azalması ile orantılı olarak lantan (La), seryum (Ce), neodimyum (Nd) gibi NTE'lerin yanı sıra, Th ve U gibi radyoaktif elemenler ile Ba, Sr ve Rb gibi büyük iyon yarı çaplı elementlerin de zenginleştiği gözlemlenmiştir.
Özvatan karbonatitleri C ve O izotopik bileşimleri, ilksel magmatik köken ve sonrasında gerçekleşen fraksiyonlaşma ve hidrotermal süreçlerin etkilerini göstermektedir. Kalsit-karbonatit türü kayaçlar daha hafif C ve O izotop bileşimlerine sahipken siliko-karbonatitler hidrotermal süreçlerin de etkisi ile O izotopları açısından daha ağır değerlere sahiptir. Bu durum Özvatan karbonatitlerinin, ilsel magmasının karbonat açısından zenginleşmiş bir alkali silikat magması olduğunu ve magma evrimi sırasında fraksiyonlaşma ve fenitleşme süreçleri ile karbonatitik kayaçların geliştiğine işaret etmektedir.
 Sr ve Nd izotopları ise Özvatan karbonatitlerini oluituran magmanın kıtasal kabuk ile yoğun bir etkileşime girdiğini ve sonrasında yoğun bir magmatik fraksiyonlaşma geçirdiğini göstermektedir. Tüm bu izotopik çalışmalar sonucunda Özvatan karbonatitlerindeki NTE, Th ve U zenginleşmelerinin bu fraksiyonel süreçler sırasında artık magmada kalan uyumsuz element fazlarının karbonatitlerin kristallenmesi ile bu kayaçlarda zenginleştiğine işaret etmektedir.
Karbonatitlerdeki sıvı kapanım çalışmalarında ise ilksel karbonat fazlarının yüksek homojenleşme sıcaklıkları ile birlikte yüksek tuzluluk içeren kapanımlar içerdiği gözlemlenmiştir. Floritlerin gelişminde ise meterik çözeltilerin de ilksel magmatik çözeltiler ile karışımı gözlemlenmiştir.
Özvatan kompleksindeki karbonatit kayaçlarının etrafındaki metasomatik zonlar ise mineralojik ve jeokimyasal özellikleri dolayısıyla fenit olarak tanımlanmıştır. Bu zonlarda genellikle sodik fenitleşmeyi gösteren ojit-ejirin dönüşümleri ile potasik fenitleşmeye işaret eden yarı özşekilli ikincil K-feldispatlar izlenmektedir. Bununlar birlikte en yüksek dereceli fenitleşmeyi gösteren breşik potasik fenitlerde kompleksteki en yüksek NTE bileşimlerinin yanı sıra Nb açısından da zenginleşme görülmektedir. 
Bu çalışmanın sonucunda Özvatan kompleksinin NTE, Th, U gibi elementler açısından önemli zenginleşmeler içerdiği, karbonatitlerde bulunan sülfid fazları ile fenit zonlarında gözlemlenen yüksek Pb değerlerinin önemli olabileceği kanısına varılmıştır. Ayrıca tektonik olarak benzer kuşakta bulunan diğer alkalen magmatik kütlelerde de benzer karbonatitik kayaçların ve ilişkili fenit zonlarının bulunması konusunda literatüre bir katkı sunulması amaçlanmıştır.

Abstract:
The objective of this study is to reveal the petrogenetic characteristics of the Özvatan nepheline syenite-carbonatite complex and the mineralization features of the  Rare Earth Elements (REE), Thorium (Th), and Uranium (U) enrichments within the complex. The rapidly increasing demand for REE caused by their widespread use  in various industries, particularly for the  information technologies, clean energy production and distribuiton methods, is met by the production from highly alkaline rocks and carbonatitic complexes. Alkaline-carbonatitic complexes, which tend to host high grades and bulk tonnages of Light Rare Earth Elements (LREE), may also contain high concentrations of phosphorus (P), iron (Fe), niobium (Nb), thorium (Th), uranium (U), barium (Ba), strontium (Sr) as well. The REE enriched carbonatite intrusions in these complexes and associated metasomatic zones (mainly referred as fenites), have attracted a significant scientific interest in recent years. There are three main hypothesis about the formation of carbonatitic magma gained support among the scientific community in recent years; (1) carbonatitic magma can be directly derived from initial mantle melts, (2) the formation of immiscible portions of carbonate and silicate melts, (3) extreme magmatic fractionation of a carbonated alkaline silicate melt can be responsible for the formation of carbonatitic magma. 
The REE mineralizations in these magmatic and post-magmatic products can be observed in two sub-groups; the main carbonatite bodies contain REE-bearing minerals such as floro-carbonates (e.g bastnasite, parisite), phosphates (apatite, monazite) or pyrochlore group minerals. The metasomatic halo (fenites) around these carbonatites can also host economic grades of REE, Nb, Th and U as well. Most of the alkaline-carbonatite complexes are associated with extensional regimes and associated ultra-alkaline intrusive products (ijolites, phoscorites and nepheline syenites) in continental rift valleys in cratonic environments (e.g East African Rift carbonatites, Bayan Obo, Kola peninsula carbonatites). However, some carbonatitic intrusions can also be encountered in post-collisional settings and linked alkaline magmatism that took place in such environments. In central Turkey, the Central Anatolian Crystalline Complex (CACC) can be considered as a thick crustal enviroment with numerous calk-alkaline and alkaline intrusive rocks. In this context, it can be considered that the post-collisional Upper Cretaceous-Paleocene alkaline magmatism within the CACC provides suitable conditions for the emplacement of REE-rich carbonatite complexes or alkaline pegmatites. 
The studied Özvatan nepheline syenite-carbonatite complex emplaced into the meta-carbonate rocks of the Akdağ massif, which considered as a sub-massif of CACC. The Akdağ massif is mainly composed of highly metamorphosed pile of carbonate and silicate-carbonate rocks such as marbles, calc-schists, and calc silicate gneisses. While the silicate rocks of the complex are mainly represented by nepheline syenites and olivine foidolites, carbonatitic rocks mostly composed of calcite minerals, intrude into these rocks in the form of dikes, veins and veinlets. The nepheline syenites are mostly comprised by nepheline, micro-perthite, and phlogopite. Some nepheline syenites also contain significant amounts of garnet (andradite) minerals. The carbonatitic rocks of the complex can be classified into two main categories based on their mineralogical and geochemical compositions: calcite carbonatites and silico-carbonatites. Calcite carbonatites are predominantly characterized by coarse-grained calcite accompanied by  fluorite and minor amounts of sulfide group minerals (pyrite, chalcopyrite, molybdenite, or sphalerite) are also observed. Silico-carbonatite intrusions consist of approximately equal proportions of silicate and carbonate group minerals. 
The fenitization in Özvatan complex is quite common in nepheline syenites. The prior sodic fenitization can be observed around thin carbonatite veinlets and transformation of augite to aegirine. The partial and complate transformation of augite to aegirine is an evidence of sodic fenitization. However, the later and more intense potassic fenitization overprint the earlier sodic fenites and, led to the formation of secondary K-feldspars along carbonatite veins. The high pressure of fenitizing fluids caused an intense brecciation in upper parts of the complex and formed a progressive potassic fenite zone.
The Electron Micro-probe Analysis (EPMA) studies revealed that the calcites are mostly pure with minor amounts of Sr and Mn. Fluorites are also pure with trace amounts of Na, Al, and P. A variety of sulphide mineralizations (galena, sphalerite and pyrite) are also observed.The SEM-WDS studies  in fluorite bearing carbonatite samples revealed that the main REE-bearing mineral in Özvatan carbonatites are bastnasite minerals with equal portions of La and Ce. 
Carbonatites of the Özvatan complex have formed through a desilisifacition process and loss of alkaline elements of the intial silicate magma followed by a magmatic fractionation of a carbonate silicate melt. The loss of alkalis probably related to the progressive fenitization reactions around the carbonatitic rocks. 
The fenitization reactions and magmatic fractionation led to a series of incremental effects that caused high concentrations of incompatible elements including both LREE (up to 0.27 %) and LILE (up to 2.12 %). During the evolution of the carbonatites, the La, Ce, and Nd mostly retain in carbonate melts, therefore the Özvatan carbonatites are mosty enriched in terms of these LREE. Also, in silica-undersaturated alkaline magmas, such as Özvatan initial magma, U and Th generally behave highly incompatible. This behaviour may also continue in the formation of carbonatitic melts via fenitization and fractionation processes. In addition, carbonatites of the Özvatan complex have high high Ba and Sr values. The potassic fenites tend to have much higher incompatible element enrichments than sodic fenites. These potassic fenites of the complex  display significant enrichments in terms of  both LREE (up to 0.36%) and LILE (up to 0.77%). The brecciated potassic fenites also have high Nb anomalies that also support high pressure fluid activity in that particular zone. 
The C and O (stable) isotopic compositions of Özvatan carbonatites indicate the effects of primary magmatic origin and subsequent fractional crystallization and hydrothermal processes. Calcite-carbonatite rocks of the complex have lighter C and O isotopic compositions, while silico-carbonatites have heavier values in terms of O isotopes, influenced by hydrothermal processes (fenitization). These isotopic trends in carbonatites point out, that the Özvatan carbonatites may derived from a carbonated silicate melt that probably induced by the decompressional melting of an enriched mantle source. The Nd and Sr (radiogenic) isotopes also support the conclusion of being derived from an enriched mantle melt with interference of crustal material and fractionation during carbonatite evolution. 
Fluid inclusion studies carried out in carbonatites shaw that primary carbonate phases exhibit high homogenization temperatures along with high salinity. These values indicate that primary fluids have a carbonatitic origin and can be considered as an important factor for the enrichments in both carbonatites and fenitized rocks. On the other hand, the formation of fluorites involves the mixing of meteroric solutions  with primary magmatic fluids.
As a result of this study, it is concluded that the Özvatan complex contains significant enrichments in NTE, Th, and U elements, and the high Pb values observed in sulfide phases in carbonatites and fenite zones could be important. Additionally, the aim of contributing to the literature by identifying similar carbonatitic rocks and associated fenite zones in other alkaline magmatic masses located in tectonically similar belts is emphasized.