A multi-proxy study of the Kızılırmak river terraces andits delta, northern turkey: Implications for tectonics,sedimentation, sea level and environmental changes

Abstract

Şu anda, bu topraklar tarım alanlarının yanı sıra büyük insan nüfusuna da yervermektedir. Bunun yanı sıra, tehdit altında ve nadir olan birçok tür, deltanın sulakalanlarında yaşar ve uluslararası öneme sahip değerli ekosistemler yaratır. Bununlabirlikte, delta ovaları nehirdeki sediman akısındaki değişikliklere, dalga, gelgitlere vemevcut aktiviteye hızla tepki veren oldukça değişken ortamlardır. Bir nehrin deltayasediman taşınımı, iç ve dış çevresel faktörlere bağlıdır. Bu sedimanlar, geçmişiklimin, deniz seviyesinin ve yerelden bölgesel ve küresel ölçekte jeodinamikleringelişimi hakkında veri içermektedir. Öte yandan, dünyadaki bazı nehir deltaları,deltaların aşağı havasında bulunan sediman taşınımını azaltan barajlar gibi insanfaaliyetlerinden açıkça etkilenir. Bu etkiler, morfolojilerinde, yani kıyı şeridiçekilmelerinde yapay olarak meydana gelen değişikliklere yol açmaktadır.Bunun yanı sıra, ostrakod gurupları, kapakçıklarının sediman içinde yüksekkorunabilme potansiyeli nedeniyle, limnik palaeo-çevre rekonstrüksiyonları için iyibir proksi konumundadırlar. Geniş dağılımları ve bollukları nedeniyle, ortamıetkileyen faktörleri tanımlamak için ostrakondlar istatistiksel analizler için çokuygundurlar. Cyprideis torosa (Jones), marjinal ortamlarda yaşayan bir acı suostrakodu olup çevresel değişikliklere hızla uyum sağlayabilir. Son çalışmalarpalaeo-çevresel değişiklikleri, yani tuzluluk düzeyini belirlemek ve transferfonksiyonları oluşturmak için bu morfolojik varyasyonları kullanmaya başlamıştır.Bu tezin amacı, Orta Anadolu Platosu'nun kuzey kenarında yer alan jeodinamiközellikleri belirleyen Kızılırmak deltası etrafındaki nehir terasları aracılığıylaKızılırmak Nehri'nin Kuvaterner gelişimine ışık tutmaktır. Bunun yanı sıra, deltanınHolosen paleo-çevresel evrimi, Anadolu iklimi ve Karadeniz deniz seviyesi ileostrakod faunasındaki değişimler gözönüne alınarak ortaya konmaya çalışılmıştır.Ayrıca bu bölge, Cyprideis torosa'nın (Jones) boyutu ve kabuk kalınlığı değişimini,marjinal deniz palaeo-ortamlarının gelişmiş bir karakterizasyonu için fenotipikmorfolojik vekiller olarak test etme imkanı sunmaktadır.Tezin birinci bölümünde, kuzeydeki kıyıların yükselmesi, Karadeniz'in denizseviyesi değişimi ve Kızılırmak Nehri'nin kesilmesi arasındaki etkileşimincelenmiştir. Bu işlemler, Pontid orojenik kamaların devam eden evrimini ve OrtaAnadolu Platosu'nun kuzey sınırının büyümesini değerlendirmek için mükemmelzorlanma belirteçleri olarak hizmet veren çoklu kogenetik fluvial ve deniz terasıdizileri yaratmıştır. Yeni elde edilen yüksek çözünürlüklü topografik veriler vegeçmiş deniz seviyelerinde yayımlanan bilgilerle birlikte verilen OSL yaşları, buterasların mekânsal-zamansal evrimini analiz etmek için kullanılmıştır; kuzeye doğruilerleyen orojenik kama Pontidler için bölgesel bir yükselme modeli, Pontidlerin yanları boyunca da yanal değişken yükselme oranları kavramını desteklemektedir.En uygun yükseltme modeli, son 545 ka için sabit ve uzun vadeli bir yükselme oranıolan 0,28 ± 0,07 m / ka'ya denk gelmektedir. Bu model, teras dizisinin aktif tektoniksüreçler ve iklim kontrollü deniz seviyesindeki değişim döngüleri ışığındaki evriminiaçıklar. Bu yeni veriler, Orta Pontidlerin iç sektörleriyle karşılaştırılabilir bölgeselgelişme özelliklerini ortaya koymaktadır; buna bağlı olarak, yükselme oranı, KuzeyAnadolu Fay Zonu Bölgesi'nin (NAFZ) kısıtlayıcı bükülmesinin ana şeridindenuzaklaştıkça azalmaktadır. NAFZ'nin kısıtlayıcı bükülmesinin bölgesel etkisi ilePontid kamasının yükseltilmesi arasındaki bu mekansal ilişki, NAFZ'nun aktivitesi,Pontid orojenik kamadaki deformasyon ve yükselme ile Orta Anadolu'nun sürekliyanal büyümesi arasında güçlü bir bağlantı olduğunu ortaya koymaktadır.Tezin ikinci bölümünde, doğu delta sulak alanlarına 14,5 m uzunluğunda bir karotincelenmiştir. Delta ovası üzerindeki paleo-çevresel etki, ostrakod Cyprideis torosa(Jones) üzerindeki elek gözenek şekli değişikliklerine dayanan palaeo-tuzlulukrekonstrüksiyonları eşliğinde palaeoekolojik ostrakod toplulukları kullanılarak analizedilmiştir. Bu çalışma, mezohalin, sığ lagün ve deltaik göller oluşturan karasal vedeniz ortamlarının etkileşimini ca. 7,9 ka cal BP'dan günümüze ortaya koymaktadır.α-mesohalin ile polihalin tuzluluklarına ve β-mesohalin ve oligohalin göl ortamlarıtespit edilmiştir. Yeniden yapılandırılmış paleo-deniz seviyesi tahminleri dikkatedeğer bir çevresel değişkenlik göstermektedir. Cyprideis torosa'da lagün habitatları7,9 ila 7,0 ve 5,3 ila 4 ka'lık BP'lerde baskındır. Deniz etkisi, Loxoconcha spp. veTyrhenocythere amnicola gibi ostarkod gruplerının özellikle 7,9 ila 7,0 ka cal BParasında gelişimine olanak vermiştir. Aynı dönemde oluşan nehir etkisi (özellikleyaklaşık 7.7 ka cal BP'de), nedeniyle Amnicythere spp., Cyprideis torosa ve Candonaneglecta baskın hale gelmiş ve mesohaline deltaik göl yaklaşık 7,7 ve 7,0 ka calBP'de ve ayrıca 4 ka cal BP arasında oluşmuştur. Bir sonraki tuzluluk azalmasıyla, C.neglecta ve (daha sonra) Pseudocandona marchica, `megakuraklık` ile ilişkiliolabilecek kısa vadeli bir lagün evresinin kesilmesiyle baskın hale gelmiştir.Tezin son bölümünde, yetişkin ontogenetik bireylerin kapak boyutu ve Cyprideistorosa'nın kabuk kalınlığı palaeo-ortam koşullarındaki değişikliklerle ilişkili olarakölçülmüştür. Dişi kapakçıkların büyüklüğü ile hakim tuzluluk arasında iyi bir pozitifkorelasyon (korelasyon katsayısı: 0,56) bildirilirken, böyle bir korelasyonontogenetik evre A-1 için eksiktir. Büyük bireylerin yokluğunun Karadenizfaunasının yerel bir etkisi olduğu belirtilmektedir. Tuzluluk derecesi boyuncakapakçıkların yükseklik / uzunluk oranında herhangi bir değişiklik tespitedilmemiştir. Kabuklar nispeten kararlı, daha yüksek tuzlu su koşulları altındabelirgin şekilde daha kalındır, ancak oldukça değişken ve düşük tuzlu deltaikgölleride ise daha incedir. Bu nedenle, morfolojik özellikler, C. torosa'nın büyüklüğüve kabuk kalınlığı, özellikle C. torosa'nın hakim olduğu, düşük çeşitliliğe sahipmarjinal deniz ortamlarında paleo-çevre bilgisi vermek için potansiyel araçlardır.Genel olarak, çalışma, Kuzey Anadolu Fayı'nın etkisinin Orta Anadolu Platosu'nunkuzey sınırını, en az 545 ka'dan bu yana orta Pontid Dağları aralığında Karadenizkıyılarına kadar deforme ettiğini göstermektedir. Bu şekilde, Kızılırmak Deltası'nıngüneyi, hızı artan bir oranda yükselmektedir. Buna ek olarak, Kızılırmak Deltası,Anadoludaki iklim ile Karadeniz deniz seviyelerinde meydana gelen değişikliklere,doğu kesimindeki lagün ve deltaik göl ortamlarının Orta-Holosen'den günümüzeardalanması ile hızlı bir tepki vermektedir. Deniz seviyesi değişimleri, erken OrtaHolosen'de ortamları ağırlıklı olarak değiştirirken, iklim değişikliği Geç Holosendöneminde çok daha yüksek bir etkiye sahiptir. Buna karşılık, tuzluluk değişimlerinin eşlik ettiği bu çevresel değişiklikler, ostrakod Cyprideis torosa'nın(Jones) morfolojisindeki fenotipik değişikliklerle deneştirilebilmektedir

River deltas as one end feature of a river are affected by a number of factorsdetermining their shape, presence and longevity. At present, those landforms givespace for large human populations as well as agricultural farmland. Aside, plenty ofspecies, including several threatened and rare ones, inhabit the delta's wetlandscreating valuable ecosystems of international importance. Nevertheless, delta plainsare highly variable environments reacting quickly to changes in sediment influx fromthe river as well as wave, tides and current activity. The sediment transport of a riverto the delta is highly depending on external and internal environmental factors. Thesesediments contain data about the evolution of past climate, sea level andgeodynamics on local over regional to global scales. On the other hand, several riverdeltas worldwide are distinctly affected by human activities such as river dams whichreduce the sediment transportation downstream to the delta. Those impacts lead toartificially-induced changes in their morphology, i.e., shoreline retreats.The lower stream of the Kızılırmak River in northern Anatolia comprises ofecologically rich wetlands on the present delta plain as well as elevated fluvial anddelta terraces. The Kızılırmak River delta is located at the border between the CentralAnatolian Plateau and the Black Sea. The Central Anatolian Plateau is a majorfeature of the Alpidic orogeny in Anatolia and uplifted slowly during Quaternary.The North Anatolian Fault Zone, forming a broad restraining bend in the centralsection of the Pontide Mountains, tectonically impacts the northern margin of theplateau. This northward progressing deformation is suggested to accelerate the upliftof the northern margin of the Central Anatolian Plateau until the southern coast ofthe Black Sea. The dating of fluvial and marine terraces has now been established totemporally constrain and reconstruct active tectonics impacting this delta duringQuaternary.On the other hand, the Black Sea is the largest semi-enclosed sea with a globallyunique fauna due to its repeated disconnection from the world ocean. It wasdisconnected during the Last Glacial Maximum (ca. 20 ka) until it becamereconnected to the Mediterranean Sea in early Holocene. Ostracod faunalassemblages are well established proxies for marine, as well as limnic,palaeoenvironmental reconstructions due to the high preservation potential of theirvalves in sediments. Those characteristics create the opportunity to apply quantifiedstatistical analyses of their faunal assemblages to identify principal influencingfactors. Cyprideis torosa (Jones) is a brackish water ostracod that lives mainly inmarginal environments, but can withstand a wide variety of conditions. This speciesforms phenotypic adaptations of its carapace to cope with environmental changes with up to severe hypersaline conditions. Recent studies started to use thosemorphological variations to create transfer functions determiningpalaeoenvironmental variables, i.e. salinity.The aim of this thesis is the reconstruction of the Quaternary evolution of the lowerstream and delta of the Kızılırmak River. This goal will be achieved by identifyingthe geodynamics at the northern margin of the Central Anatolian Plateau combinedwith the influence of the North Anatolian Fault Zone, which creates several fluvialterrace levels along the lower course of the Kızılırmak River; and unraveling theHolocene palaeoenvironmental evolution of the delta with its dependencies to theAnatolian climate and Black Sea sea level changes, based on ostracod faunalassemblages. In addition, we analyse how the environmental conditions modify inturn the size and shell thickness variation of Cyprideis torosa (Jones) as phenotypicmorphological adaptations for a future improved characterization of marginal marinepalaeoenvironments.In the first part of the thesis, the interplay between coastal uplift, sea level change inthe Black Sea, and incision of the Kızılırmak River in northern Turkey is analysed.These processes have created multiple co-genetic fluvial and marine terracesequences that serve as excellent strain markers to assess the ongoing evolution ofthe Pontide orogenic wedge and the growth of the northern margin of the CentralAnatolian Plateau. Newly acquired high-resolution topographic data and OSL agesaccompanied by published information on past sea levels were used to analyse thespatiotemporal evolution of these terraces; a regional uplift model for the northwardadvancingorogenic wedge Pontides was derived that supports the notion of laterallyvariable uplift rates along the flanks of the Pontides. The best-fit uplift model definesa constant long-term uplift rate of 0.28 ± 0.07 m/ka for the last 545 ka. This modelexplains the evolution of the terrace sequence in light of active tectonic processesand superposed cycles of climate-controlled sea-level change. Those new data revealregional uplift characteristics that are comparable to the inner sectors of the CentralPontides; accordingly, the rate of uplift diminishes with increasing distance from themain strand of the restraining bend of the North Anatolian Fault Zone (NAFZ). Thisspatial relationship between the regional impact of the restraining bend of the NAFZand uplift of the Pontide wedge thus suggests a strong link between the activity of theNAFZ, deformation and uplift in the Pontide orogenic wedge, and the sustainedlateral growth of the Central Anatolian Plateau flank.In the second part of the thesis, the analysis of a 14.5-m-long sediment core, drilledinto the eastern delta wetlands, is presented. The palaeoenvironmental impact on thedelta plain was analysed using palaeoecological ostracod assemblages accompaniedby a palaeo-salinity reconstruction based on sieve pore shape variations on theostracod Cyprideis torosa (Jones). This study depicts the interplay of terrestrial andmarine settings forming mesohaline, shallow lagoons and deltaic lakes since ca. 7.9ka cal BP. Lagoons with α-mesohaline to polyhaline salinities and β-mesohaline tooligohaline lake environments were identified. Reconstructed palaeo-sea levelestimations depict a remarkable environmental variability. The lagoon habitats at 7.9to 7.0 and 5.3 to 4 ka cal BP were dominated by Cyprideis torosa. Marine influenceled to ostracod associations with Loxoconcha spp. and Tyrrhenocythere amnicolaespecially between 7.9 and 7.0 ka cal BP. Riverine influence in the same period, butespecially at about 7.7 ka cal BP, caused dominating Amnicythere spp. Assemblagesdominated by Cyprideis torosa and Candona neglecta characterise short phases of amesohaline deltaic lake environments at about 7.7 and 7.0 ka cal BP as well as after 4 ka cal BP. With a subsequent salinity decrease, C. neglecta and (later on)Pseudocandona marchica became dominant with an interruption by another shorttermlagoonal phase that might be associated with a 'megadrought' between 3.7 and3.0 ka cal BP.In the final part of the thesis, the valve size of adult and penultimate ontogeneticindividuals and shell thickness of Cyprideis torosa was measured in relation to thechanges in palaeoenvironmental conditions. A good positive correlation between thesize of female valves and the prevailing salinity (correlation coefficient: 0.56) can bereported, while such a correlation is lacking for ontogenetic stage A-1. The absenceof large individuals is indicated to be a local effect of the Black Sea fauna. Nochanges of the height/length ratio of the valves were recognizable along the salinitygradient. Shells are significantly thicker under relatively stable, higher salineconditions, but thinner in highly variable and low saline deltaic lakes. Bothmorphological features, size and shell thickness of C. torosa, are thus potential toolsto give palaeoenvironmental information, especially in C. torosa-dominated, lowdiversity marginal marine environments.In overall, the study shows that the impact of the North Anatolian Fault deforms thenorthern margin of the Central Anatolian Plateau until the Black Sea coast in therange of the central Pontide Mountains since at least 545 ka. Hence, the southern partof the Kızılırmak Delta becomes uplifted at an accelerated rate. In addition, theKızılırmak Delta reacts rapidly on changes in Anatolian climate and Black Sea sealevels forming an alternation of lagoonal and deltaic lake environments in its easternpart since Mid-Holocene. While sea level changes predominantly modify theenvironments during the early Mid-Holocene, the climate changes have a muchhigher impact during Late Holocene. In turn, those environmental changes leading tosalinity variations correlate to phenotypic changes in the morphology of the ostracodCyprideis torosa (Jones).