Geodynamic modeling the styles of lithospheric delamination with application to the Eastern Anatolia

Abstract

Doğu Anadolu Yüksek Platosu, Alp- Himalaya orojenez kuşağının bir parçası olup, günümüzde hala genç ve aktif olan kıtasal bir çarpışma bölgesidir. Güneyde Arap plakası kuzeyde Avrasya plakasının birbirleri ile çarpışması (13 Ma) sonucu yükselmiştir ve bugün deniz seviyesinden 2 km yükseklikte durmaktadır. Daha önce yapılan çalışmalar, Doğu Anadolu Yüksek Platosu' nun altında bulunan litosferin, çarpışmanın sonucu olarak kısaldığı ve kalınlaştığını, Plato' nun yüksek topoğrafyasının bu kalın litosfer tabakası ile izoztatik denge halinde olduğunu öne sürmekteydi. Ancak yapılan derin jeofizik gözlemler Doğu Anadolu Yüksek Platosu' nun altında bir manto litosferinin olmadığını göstermiş, bunun üzerinede bölge topoğrafyasının Doğu Anadolu' nun altından kopan manto litosferi parçasının yerine yükselen, sıcak ve konvektif olan astenosfer ile dinamik olarak dengede olduğu yorumu getirilmiştir. Petrolojik çalışmalar da 13 My. Önce, Erzurum-Kars platosu' nda başlayan volkanizmanın astenosfer kökenli olduğunu göstermektedir. Jeofizik ve jeolojik bulgular yardımı ile platonun yükselme mekanizması dalan levhanın dikleşmesi ve ardından kopması hipotezi ile açıklanmaktadır. Bu hipoteze gore; güneyde Arap ve Avrasya kıtaları arasında bulunan Neo-Tetis okyanusu' nun güney kolunun kapanması sırasında Bitlis-Pötürge Massifi' ne ait okyanusal litosfer, kendisini üzerlemekte olan yığışım prizmasından dikleşerek kopmuştur. Bu hipotez, 1979' da Peter Bird tarafından Kolorado Platosu' nun yükselmesi için önerilmiş olan 'delaminasyon' hipotezi ile benzer şekilde tezahür etmektedir. Bu çalışmada; iki boyutlu sayısal modelleme yardımı ile yeriçi reolojik, fiziksel ve mekanik parametreleri değiştirilip litosfer delaminasyonu ve kopması modelleri Doğu Anadolu Platosu' nun jeodinamik evriminin daha iyi anlaşılması amacı ile test edilmiştir. Ayrıca alt kabuk reolojisi, manto litosferi plastik yenilme değeri, manto litosferi yoğunluğu, levha hızı, ve kabuk kalınlığı gibi parametrelerin litosfer delaminasyonunun evrimi üzerindeki etkileri ortaya konumuştur. Model sonuçları, delaminasyon evriminin felsik granulit reolojide alt kabuk kullanığında optimum olduğunu göstermektedir. Levha kopması ise manto litosferi plastik yenilme değerine ve levha hızına bağlı olarak gerçekleşmektedir. Manto litosferi plastik yenilme değeri düşük tutulduğunda (<75 MPa) levhanın kopması yüksek plastisite değeri kullanılan modellere göre daha erken tezahür etmektedir. Artan levha hızı ise dalan levhanın kopması üzerinde negatif bir etki yaratırken >2cm/yıl dan büyük hızlarda levha kopması gözlenmemiştir, topoğrafya ve kabuk kalığınlığının artamasında önemli bir role sahiptir. Modellerden elde sonuçları ile Doğu Anadolu' nun gözlenebilir verilerinin karşılaştırılması sayesinde, platonun jeodinamik evrimini en uygun karışılayan modeller seçilip önerilen hipotezin bölge jeodinamiğini açıklama kabiliyeti tartışılmıştır.

The East Anatolia High Plateau is a young and active collision zone and also known as a part of Alp-Himalaya orogenesis belt. The east Anatolian High Plateau has been rised by the continental collision of the Arabian plate to the south towards Eurasian plate to the north. by continental collision (13 ma). Former studies suggest that during the convergence motion of Arabian plate; the lithosphere shortened and thickened beneath the East Anatolia and regional topography isostatically compensated by its thick lithosphere. However; recent deep geophysical studies show that regional topography being compensated by hot and convective asthenosphere instead of thick lithosphere and the most of plateau devoid of its mantle lithosphere. Petrological studies address that the first volcanic products in Erzurum-Kars plateau (13ma) characterized by an asthenospheric origin. Corroborating geophysical and geophysical findings, the geodynamic evolution of the plateau accounted by hypothesis of slab steepening and following break-off. According to this hypothesis; being subducted Neotethys's oceanic mantle lithosphere benath the Eastern Pontides has been decoupled from overlying accreted prism and afterward its broke-off. This hypothesis occurs similar to delamination theory which is introduced by Peter Bird (1979) for uplift of Colorado Plateau. In this work, by using 2D numerical modeling method, we test lithospheric delamination model by changing rheological, physical and mechanical parameters. Also, we investigated the effects of lower crustal rheology, mantle lithosphere plastic yield stress, mantle lithosphere density, plate convergence rate and crustal thickness on delamination processes. Model results show that the evolution of lithospheric delamination is optimum when the lower crustal rheology selected as felsic granulite. On the other hand, break-off event occurs dependent on mantle lithosphere plastic yield stress and plate convergence rate. The break-off events occurs earlier when the mantle lithosphere plastic yield stress value kept low (<75 MPa) compare to models in which used higher mantle lithosphere plastic yield stress. Furthermore, increasing plate convergence rates has a big role on rising of topography and thickening of crust, however; it has a negative effect on slab break-off. We were not observed break-off event at higher plate convergence rates (>2 cm/yr). The model results reconciled against observations in the eastern Anatolia and by selecting the most viable models we argued that conformity of the proposed model for regional geodynamic evolution.