Dynamic modelling of back-arc extension is the Aegean sea and Western Anatolia

Abstract

Ege ve Batı Anadolu bölgesinin Helenik yitim zonunun etkisiyle genişlemekte olduğu uzun zamandır bilinmektedir. Bölge iyi çalışılmış olup, geniş alanlarda görülen magmatizma, sismik anomaliler, horst-grabenler, sıyrılma fayları ve içerdiği metamorfik kompleksler nedeniyle bir çok araştırmacının dikkatini çekmiştir. Hellenik yitim zonunun bölgedeki genişlemeden sorumlu olduğu genel olarak bilim insanları tarafından kabul edilmiş olsa da, hala devam eden bir tartışmadır. Bu probleme hem Ege Denizi hem de Batı Anadolu'nun jeodinamiğini anlamak amacıyla yapılmış sayısal modeller den elde edinlen sonuçlarla yaklaşılacaktır.Batı Anadolu, Paleosen'e kadar Sakarya kıtası ve Menderes – Torid blokunun çarpışmasının etkisindedir. Neotetis'in kuzey kolunun tamamen kapanmasıyla bölge sıkışmaya başlamıştır, bu nedenle kabuk ve litosferin de kalınlaşmış olduğu düşünülmektedir. Sıkışmanın kesilmesi ile birlikte bölgede bir genişleme evresi başlamıştır. Bu genişleme, bölgedeki horst-grabenlere, sıyrılma faylarına ve metamorfik komplekslere bakılarak görülebilir. Kazdağ ve Menderes masiflerinde yapılan çalışmalara göre Batı Anadolu geç Oligosen' den beri genişlemektedir. Bu genişleme 3 farklı fazda gelişmiştir. İlk faz, D-B yönünde olup, Erken – Geç Miyosen boyunca sürmüştür. İkinci Geç Miyosen'de başlamış, Erken Pliyosene kadar K-G yönünde etkimeye devam etmiştir. Bir süre durakladıktan sonra 1Bölgede Helenik yitim zonunun yay volkanizması Rodop masifinde başlamıştır. Bu magmatizmanın yaşı, güneybatıya doğru gençleşmektir ve günümüzde Ege'nin güneyinde yer alan Santorini adasında bulunmaktadır. Bu gençleşmeye bakılarak yitim zonunun güneybatıya doğru hareket ettiğini ve bu hareketin yay ardında genişlemeye sebep olabileceği ortaya koyulmuştur. Bu bölgedeki asıl problem, eğer Ege ve Batı Anadolu genişlerken neden Ege'nin Batı Anadolu'dan daha fazla genişleyip deniz oluşturduğudur. Yapılan sismik tomografi görüntülerinden Ege Denizi'nin altında dalan levhanın tek parça olduğu, doğuda Rodos adasının altında ise kopmuş şekilde görülmektedir. Yani Batı Anadolu'nun altında dalan levhanın yırtıldığı ve yırtığın Batı Anadolu'daki genişlemeyi etkilediği düşünülmektedir.Modelleme çalışmaları için viskoplastik malzemeler için krip hesaplamaları yapan `SOPALE` isimli kod kullanılmıştır. Bir başlangıç model oluşturulmuş ve çeşitli parametreler değiştirerek herbir parametrenin yitim zonunda meydana getirdiği etkiler gözlemlenmiştir. Bu etkiler yay ardı topoğrafyadaki değişim, göç miktarı, kabuk ve litosfer kalınlıkları olarak sıralanabilir. Başlangıç modelinde bölgenin bir çarpışma zonunda bulunması sebebiyle kalın bir kıtasal litosfer kullanılmıştır. Ortaya çıkan modelde kıtasal litosfer kalınlığı 150 km (40 km kabuk, 110 km manto litosferi), okyanusal litosfer ise 100 km olarak seçilmiştir. Okyanus malzemesi 1 cm/yıl hızla itilip yitim sağlanmıştır. Yapılan deney sonuçlarına göre yitim hendeği25 milyon yılda geriye doğru 230 km göç etmiştir, Kabuk ise 28 km'ye incelmiştir. Yay ardı topoğrafyasının 1.5 km çöktüğü hesaplanmıştır.Yitim göçü ve levha kırılması etkilerini görebilmek açısından Ege Denizi için kırılmamış levha, Batı Anadolu için kırılacak olan levha kullanılmıştır. Yitim göçü modellerinde okyanusal levhanın kalınlığı, yoğunluğu, yay ardının moho sıcaklığını ve kıtasal levhanın kalınlığı değiştirilmiştir. Değişik okyanusal litosfer kalınlıkları kullanılarak yapılan modeller göstermiştir ki, daha kalın okyanusal litosfer, yay ardında daha fazla genişlemeye sebep olmaktadır. Litosferin kalınlığı 70 km seçildiğinde yitim zonu 180 km göç etmekte, kabuk kalınlığı ise 32 km'ye incelmektedir. Ancak 110 km seçilirse, göç miktarı 260 km'ye çıkmakta, kabuk kalınlığı ise 26.5 km'ye düşmektedir. Bunu sebebi, kalınlıkla birlikte levhanın ağırlığı da artmaktadır. Levhanın ağırlığı, aşağıya doğru olan kuvveti arttırdığından, genişlemeyi ilk elden etkilemektedir. Benzer şekilde okyanusal litosfer yoğunlukları ile ilgili modeller, okyanus yoğunluğu arttıkça, yay ardındaki genişlemenin arttığını göstermiştir. Okyanusal malzeme yoğunluğu 3290 kg/m3 seçildiğinde, hendek ancak 30 km göç edebilmiş, yay ardındaki kabuk kalınlığı ise 37 km'ye incelebilmiştir. Buna karşın eğer malzemenin yoğunluğu 3340 kg/m3 seçilirse, yitim göçü 200 km'ye çıkmaktadır, kabuk ise 30 km'ye incelmektedir. Bunun sebebi, astenosfer ile litosfer arasındaki yoğunluk farkıdır. Astenosferin yoğunluğu 3280 kg/m3 seçilmiştir. Aradaki yoğunluk farkı ne kadar büyükse, aşağı doğru olan yerçekim kuvveti o denli büyük olmakta ve yay ardında daha fazla genişlemeye sebep olmaktadır.Bir diğer önemli faktör, yay ardındaki litosfer kalınlığıdır. Yapılan testler göstermiştir ki, eğer 90 km kalınlığında kıtasal litosfer seçilirse (40 km kabuk, 50 km manto litosferi), yitim 350 km göç etmekte, kabuk ise 24 km'ye incelmektedir. Ancak 130 km kıtasal litosfer seçilirse, yitim göçü 280 km'ye düşmekte, kabuk ise 27 km'ye incelmektedir. Bunu sebebi ince kıtasal litosferin daha kolay deforme olabilmesi ve yitim göçünü desteklemesidir. Bölgede daha önce yapılan çalışmalar, litosferin bir miktarının kaybolmuş olabileceğini göstermektedir.Ege'den farklı olarak Batı Anadolu için levha kırılması modelleri yapılmıştır. Levha yırtılması üç boyutlu bir olay iken SOPALE kodu iki boyutta çalışmaktadır. Bu nedenle tomografi görüntüleri baz alınarak yırtılma, kırılma gibi modellenmiştir. Bunun için levha ucu daha yoğun ve deforme olarak seçilmiştir. Sismik tomografi görüntülerinde kopmuş olan levha halen GB Anadolu'da görüldüğüne göre, olayın daha yakın bir geçmişte gerçekleşmiş olması gerektiği söylenebilir. Bu nedenle modeller 7.5 milyon yıl sürdürülmüştür. Bu süre içerisinde levha 140 km göç etmiştir, kabuk kalınlığı 35 km'ye düşmüştür. Başlangıç model sonucuna göre levha göçü yaklaşık 110 km hesaplanmıştır. Sonuç olarak levha kırılmasının genişlemeye önemli bir etkisi olmadığı söylenebilir. Buradan levhanın yırtılması yada kırılmasının ortamdaki başka bir etkinin sonucu olduğu düşünülmüştür.Litosfer kalınlığının bölgenin jeodinamiğini anlamak açısından daha önemli olduğu görülmüştür. Eğer bölgede Paleosen'deki sıkışma Batı Anadolu'nun litosferini Ege'ye oranla daha fazla sıkıştırdıysa, Batı Anadolu'nun litosferinin Ege'den kalın olduğu söylenebilir. Yapılan modellere göre kalın litosferin, ince litosfere oranla genişlemeye daha dirençli olduğu ve yitim göçünü daha az desteklediği görülmüştür. Bu nedenle okyanusal levha içerisinde bir makaslama zonu oluşmuş olabilir. Levhadaki yırtığın saat yönünün tersine yönündeki bu makaslama zonu içerisinde oluştuğu düşünülmüştür. Levha kırılması ya da yırtılması, bölgedeki genişlemenin bir sonucu olarak oluşmuştur. Yırtılmanın oluştuğu düşünülen yerde bulunan Isparta volkanikleri, yapılan çalışmalara göre 6-4 milyon yıl yaş vermiştir. Tıpkı tomografi görüntülerindeki gibi yapılan levha kırılması modellerinde de kopmuş levha 7.5 miyon yılda astenosferin içine gömülüyor halde görülmektedir.

The Aegean Sea/Western Anatolia back-arc has predominantly been extending due to the southward retreat of the Hellenic subduction zone. This extension has been inferrred by the widespread magmatism, detachment faulting and the exhumation of metamorphic core complexes. While there is an agreement that the active slab retreat has been producing the extension in this back-arc (since the late Oligoce-early Miocene), the real nature of this extension may also be due to the other geodynamic mechanisms (e.g post-orogenic thinning). The major objective of this thesis is to test the geodynamic evolution of the back-arc extension by using numerical modelling and reconcile the model results with the observations from the Aegean Sea and Western Anatolia.Aegean Sea and Western Anatolia were under influence of collision between Sakarya continent and Menderes Taurides until Paleocene. The terminal closure of Northern branch of Neotethys compressed the area and it is thought that crust and lithosphere should have thickened. When the compression is worn of, the whole Aegean region started to extend. The large scale extension has been inferred by the exhumation of metamorphic core complexes (e.g., Kazdağ and Menderes massifs) and detachment faulting since late Oligocene.Interpretations of petrological data from the volcanic units show that the first arc volcanism, associated with the Hellenic subduction zone begun at Rhodope massif during the late Oligocene, and migrated towards SW. The problem is, while the Aegean Sea has possibly extended more than western Anatolia and lowered the topography < 0, the Western Anatolia has an average 1 km elevation above sea level It is possible that the various geodynamic reconfigurations may have been effective in differing the geological evolution of these two regions. For instance, it has been suggested that the slab tear/break-off affect the Western Anatolia inferred by the seismic tomography images.For modelling work, a geodynamic code named `SOPALE` that solves creeping flow for viscoplastic environment was used. A starting model was determined and some parameters were changed in order to understand their effects. Starting model was a simple subduction model with a thick continental lithosphere (40 km crust, 110 km mantle lithsophere) and a thinner oceanic lithosphere (100 km). The oceanic lithosphere was pushed with 1cm/year velocity in order to create a subduction. According to model results, trench was migrated 220 km to the south and crust was thinned down to 28 km. The back-arc topography was subsided 1.5 km.In order to understand the effects of both trench retreat and breakoff, tests for continous slab retreat for Aegean Sea, and discontinous subducting slab or `tear` for Western Anatolia has been conducted. For continous slab retreat; the oceanic lithosphere thickness, density, continental lithosphere thickness and moho temperatures of the back-arc have been changed. Models with different oceanic lithosphere thickness revealed that thicker oceanic lithosphere produced more extension at the back-arc. While 70 km thick oceanic lithosphere is used, slab was retreated 180 km and crust was thinned down to 32 km. But if the lithosphere thickness is increased to 110 km, the total amount of retreat was calculated 260 km and crust was thinned down to 26.5 km. Thicker lithosphere is heavier and produces more slab pull force that required for slab retreat. Likewise models with different oceanic lithosphere densities shown that denser material increases extension at back- arc. If density of oceanic material is selected 3290 kg/m3, the slab migrates 30 km and crustal thickness was calculated 37 km. In spite of that, if the material density is selected 3340 kg/m3, slab retreated 200 km and crustal thickness is decreased to 30 km. The important thing here is the density difference between lithosphere and asthenosphere. Asthenosphere density was selected as 3280 kg/m3. Bigger density difference produces more slab pull force and accordingly more extension.One other important factor is the thickness of the back-arc lithsophere. According to models, thinner continental lithosphere supports back-arc extension. If 90 km thick continent (40 crust, 50 mantle lithosphere) is selected, slab retreat increased to 350 km and crust of the back-arc thinned down to 24 km. On the other hand, model with 130 km back-arc lithosphere (40 km crust, 90 km mantle lithosphere) indicate that amount of slab retreat decreased to 280 km and crustal thickness to 27 km. That means that the thinner back-arc lithosphere may deform easily and contributes slab retreat related extension. Previous studies indicate that lithosphere of the region may have thinned down via convective removal or delamination.Different from Aegean Sea, experiments with discontious slabs or `tears` were conducted for Western Anatolia. To demonstrate the slab break-off, weak and dense material was used for the edge of the slab. According to tomography images, the slab is still under SW Anatolia, so break-off event has to be recent. Our models show that slab break-off is not so significant in terms of extension.Continental lithosphere thickness seems more important to understand the geodynamic properties of the region. If Paleocene compression affected the lithosphere of Western Anatolia more than than the lithsophere of Aegean Sea, there should be an thickness difference between these two. Continental lithsophere thickness models indicate that thicker overriding plate is less likely to extend, so there should be a shear zone within the subducting slab. The tear within the slab evolved at this counterclockwise shear zone. According to this interpretation, slab tear is not a cause, its an effect. Volcanism data also show that Isparta volcanics (where the tear is found) has age of 6-4 million yeas, corresponds to tear event. Slab break-off models show the remnant of the slab still sinking beneath asthenosphere just like the tomography images.