Pre-collisional accretion and exhumation along the Southern Laurasian active margin, Central Pontides, Turkey

Abstract

Orta Pontidler Alp-Himalaya orojenik kuşağı içindeki çarpışma öncesi tektonik kıtasal büyüme ile karakterize olan eklemlenmeli-tipteki bir orojenik alanı temsil eder. Bölge, Lavrasya aktif kıta kenarı ile Gondwana kökenli Kırşehir bloğu arasına sıkıştırılmış Mesozoik yaşlı dalma-batma ve eklemlenme karmaşıkları ile okyanus-içi bir yayı içerir. Dalma-batma ve eklemlenlenme karmaşıkları temel olarak Lavrasya aktif kıta kenarını temsil eden Albiyen-Turoniyen eklemlenme kamasından oluşur. Kuzey kesimlerde, bu kama Lavrasya aktif kıta kenarında çökelmiş ve takiben eklenerek başkalaşıma uğramış Alt Kretase yaşlı geniş bir denizaltı türbidit yelpazesinin ıraksak kesimlerini temsil eden sleyt/fillat ve metakumtaşı ardalanması ile rekristallize kireçtaşı, sodik amfibolllü metabazit (PT= 7–12 kbar and 400 ± 70 ºC) ve serpantinit tektonik dilimlerini içerir. Bu istife ait metapelitik kayaçların organik malzeme Raman spektrumları (RSCM), istifin farklı metamorfik sıcaklıklara sahip metamorfik paketler içerdiğini göstermektedir. Metapelitik kayaçların çoğunluğu düşük sıcaklıklarda (ca. 330 °C) oluşmuş sleytler olup grafit (G) ve D2 kusur bantlarının ayrışmaması ile karakterize olur. Bu kayaçlar muhtemelen Albiyen eklemlenme kamasının ucu boyunca kazınmış ıraksak türbiditleri temsil etmektedir. Geri kalan metapelitik kayaçlar ise omuz kesiminde D2 bandı yer alan hafifçe belirginleşmiş G bantları ile karaktarize olan fillatlardır. Bu fillatların metamorfizma sıcaklıkları 370-385 °C olarak sınırlandırıldı. Fillitik kayaçlar başlangıç mavişist fasiyesli metabazit şeridi ile ilişkilidir ve kazınmış ıraksak türbiditler içinde kıymık halinde bulunmaktadır. Bu kayaçlar muhtemelen bazal sıyrılma boyunca kama-altı-sıvanmış kıtasal metasedimentleri ile okyanus kabuğu basaltlarını temsil eder. Bu kama-altı-sıvanmış kayaçların, kazınmış ıraksak türbiditler içine tektonik olarak yerleşmesi muhtemelen kamanın tektonik olarak kalınlaşmasına ve yükselmesine neden olan dizi-dışı bindirmelerce sağlanmıştır. Fillatların 40Ar/39Ar fengit yaşları yaklaşık 100 Ma olup Albiyen yaşlı bir dalma-batmaya ve bölgesel yüksek basınç başkalaşımına işaret eder.Eklenmiş kıtasal metasedimentler genişlemeli bir makaslama zonu boyunca okyanusal yüksek basınç/düşük sıcaklık metamorfik kayaçlarının üzerine gelir. Okyanusal metamorfik dizi baskın olarak tektonik olarak kalınlaşmış derin-oluşumlu eklojit ve mavişist fasiyesli metabazitleri ve mikaşistleri kapsar. Çalışma alanında, metabazitler yersel olarak granatlı epidot-mavişistlerdir (PT= 17 ± 1 kbar and 500 ± 40 °C). Lavsonit-mavişistler makaslama zonu boyunca bloklar halinde yüzeyler (PT= 14 ± 2 kbar and 370–440 °C). Bu kayaçlar muhtemelen yitimin başlangıç aşamasındaki zayıf makaslama stres rejimi ile ilişkilidir. Makaslama zonu yakınında, yüzeyleme boyunca yaygın bir biçimde makaslanan taban mikaşistleri kuvars, fengit, paragonit, klorit, rutil, ile kinematik ile eş anlı gelişen albit porfiroblastı içerir. Bu tip mikaşistler turmalinli olup, bunların gerileme tabiatları makaslama zonları boyunca yüksek akışkan akısı olduğunu akla getirir. Başkalaşımın doruk koşullarına ait mineral toplulukları, makaslama zonunun uzağındaki, yüzeyleme esnasında yamulmaya maruz kalmamış alanları temsil eden kloritoyid-mikaşistlerde kısmen korunmuştur. Kloritoyid-mikaşistlerde üç farklı metamorfik birliktelik tanımlandı ve bunların sıcaklık-basınç koşulları Theriak-Domino tarafından hesaplanan yalancı kesitler ile içerdikleri organik malzemenin Raman spektrumları kullanılarak sınırlandırıldı: Fengit-paragonit-kuvars-klorit-rutil ve apatite ek olarak 1) granat-kloritoyid-glokofan ile lavsonit psödomorfları (P= 17.5 ± 1 kbar, T: 390-450 °C), 2) kloritoyid ile glokofan psödomorfları (P= 16-18 kbar, T: 475 ± 40 °C) ve 3) görece yüksek Mg'lu kloritoyid (%17) ile jadeyit psödomorfları (P= 22-25 kbar; T: 440 ± 30 °C). Üçüncü mineral topluluğu kloritoyid-glokofan birlikteliğinin yükselen basınca bağlı olarak kloritoyid-jadeyit parajenezine dönüşümü olarak yorumlandı. Turmalinin bulunmaması, kloritoyid-mikaşistlerin yamulma olmadan yüzeylerken B'ca zengin akışkanlarla etkileşmediğini işaret eder. Yaygın olarak makaslanmış bir taban mikaşistinin 40Ar/39Ar fengit yaşı 100.6 ± 1.3 Ma ve bir kloritoyid-mikaşistin ki ise 91.8 ± 1.8 Ma olarak sınırlandırıldı. Bu yaşlar yüzeylemenin yitim devam ederken gerçekleştiğini ve bazal eklemlenme ile bölgesel metamorfizmanın güneye doğru gençleştiğini gösterir. Güney kesimlerde eklemlenme kaması mavişist ve yeşilşist fasiyesli metabazit, mermer ve volkanojenik metasediment ardalanmasından oluşur. 40Ar/39Ar fengit yaşları eklemlenme kamasının bu kesimlerinin Orta Jura yaşlı olduğunu ve Albiyen döneminde kısmen tekrar metamorfizmaya uğradığını göstermektedir. Orta Jura yaşlı dalma-batma ve eklemlenme karmaşıklarının tektonik yerleşmesi muhtemelen Albiyen yitiminin verev olmasıyla ilintilidir.Derin-oluşumlu okyanusal metamorfik diziye ait metamorfizmanın doruk koşulları temsil eden mineral toplulukları ve sıcaklık-basınç hesapları, kama içerisinde farklı derinliklerde gelişen bir tektonik istiflenmeye işaret eder. Farklı metamorfik dilimlerin yüzeylemesi ve yan yana gelmesi, muhtemelen yiten okyanusal levhanın geriye göçü neticesinde kamayı dekomprese etmesi tarafından denetlenmektedir. Yapısal olarak, kamanın dekomprese olması genişlemeli makaslama zonu ve kinematik ile eş anlı albit porfiroblastlı taban mikaşistleri ile belirgindir. Kloritoyid-mikaşistler içindeki kinematik sonrası granatların grosular bileşimindeki artış ve psödomorf içindeki mineraller de ilave ısı artşı olmadan, dekompresyon nedeni ile yüzeyleme modelini destekler.Dalma-batma ve eklemlenme karmaşıklarının kalınlaşması aşağıdaki iki hususa yoruldu: 1) üzerleyen kıtasal alandan önemli miktarda sediment akışının olması ve 2) geriye göç eden yiten okyanusal levha boyunca bazal sıyrılmanın yayılarak derin seviyelerde gerçekleşen bazal kama-altı-sıvanması. Derin-oluşumlu eklemlenme karmaşıklarının bazal sıyrılma yayılmasına bağlı kama-altı-sıvanması ve takibeden yüzeylemesi birbiriyle bağlantılı olup, levha gerilemesi tarafından kontrol edilmektedir. Levha gerilemesi, plaka arayüzeyi boyunca gelişen bazal eklemlenme için gerekli mekânı yaratırken, kama üzerinde genişlemeye neden olarak tektonik olarak kalınlaşan bu eklemlenme karmaşıklarının yüzeylemesine olanak sağlar. Bu derin-oluşumlu dalma-batma ve eklemlenme karmaşıklarının tektonik kalınlaşmasının ve takibeden yüzeylemesinin en genel mekanizması olabilir.Albiyen-Turoniyen eklemlenme kaması, güneyde, Lavrasya'yı Gondwana-türevli kıtasal bloklardan ayıran İzmir-Ankara-Erzincan kenedinin boyunca yüzeyleyen ve düşük-dereceli metavolkantiler ile bunları stratigrafik olarak üzerleyen metasedimeter kayaçlardan oluşan bir volkanik yay istifini yapısal olarak üzerler. Metavolkanik kayaçlar baskın olarak bazaltik andezit/andezit ve mafik ksenolit içeren riyolit ile pelajik kireçtaşı ve çört arakatkılı piroklastik eşleniklerini içerir. Metavolkanitler stratigrafik olarak volkanojenik metasediment arakatklı rekristalize mikritik kireçtaşları tarafından üzerlenir. Volkanik kayaçlar nadir toprak ve iz elementlerinin özelliklerine göre iki gruba ayrılır. Birinci grup bazaltik andezit/andezit (BA1) ile jenetik olarak ilintili yaygın gabroyik ksenolitler barındıran riyolitleri kapsar. Bu grup hafif nadir toprak elementlerinin ağır olanlara göre zenginleşmesiyle karakterize olur. Bu gruba ait kayaçlar akışkanlarca kolayca taşınan geniş iyonlu elementlerce (LILE) zenginken, Fe-Ti oksitlerin ve apatit fraksiyonlaşmasını yansıtan Ti ve P'ca fakirleşmiştir ki bu mineraller jenetik olarak ilintili gabroik ksenolitler içinde de bulunurlar. Riyolitlerde ve andezitlerde yaygın gabroyik ksenolitlerin oluşu ve benzer nadir toprak ve iz element içerikleri, riyolitler ile bazaltik andezit/andezitlerin (BA1) jenetik olarak ilintili olduğunu ve felsik kayaçların fraksiyonel kristallenme ve birikme süreçleriyle ortak bir mafik mağmadan türevlendiğini işaret eder. İkinci grup ise sadece bazaltik andezitleri içerir (BA2). Bu kayaçların nadir toprak element desenleri düz olup ada-yayı toleyitlerine benzemektedir. LILE'lerce zenginleşmesine rağmen, bu grup Ti ve P'ca fakirleşmemiştir.Metavolkanik kayaçların jeokimyası, HFSE fakirleşmesi ve LILE zenginleşmesi ile belirginleşen yitim-üstü volkanizmasını işaret eder. Yay dizisi Lavrasya aktif kıta kenarını temsil eden Albiyen-Turoniyen yaşlı dalma-batma/eklemlenme karmaşığı ile ofiyolitk melanj arasında sıkıştırılmıştır. Yay dizisi içerisinde kıta türevli krıntıların bulunmayışı ve geniş bir eklemlenme karmaşığı içerisindeki tektonik konumu, bu Kösdağ Yayı'nın okyanus-içi bir yay olduğuna iaşret eder. Bu ada yayı toleyitlerine benzer düz nadir toprak element desenli bazaltik andezitlerin (BA2) varlığıyla uyumludur.Metariyolitlerden ayrılan zirkonlar Geç Kretase (93.8 ± 1.9 and 94.4 ± 1.9 Ma) U/Pb yaşı vermektedir. Okyanus-içi yay dizisinin düşük dereceli bölgesel metamorfizması bir metariyolit örneğindeki metamorfik muskovitler üzerinde yapılan 40Ar/39Ar yaşlandırmasıyla 69.9 ± 0.4 Ma olarak sınırlandırıldı. Bu yaş, yay dizisinin en geç Kretase'de geniş bir Kretase yaşlı Tetis eklemlenme karmaşığının parçası haline geldiğine işaret eder. Üzerleyen dalma-batma ve eklemlenmme karmaşıklarına ait en genç 40Ar/39Ar fengit yaşı 92 Ma olup, eklemlenmeli orojenezin güneye doğru gençleştiğini doğrulamaktadır. Bu durumda, Geç Kretase yaşlı yay dizisi yiten Tetis okyanusal levhasının üzerinde gelişmiş ve en sonunda Lavrasya aktif kıta kenarına yamanmış bir okyanus-içi eski volkanik yayı temsil etmektedir. Mağmatizmanın çarpışma öncesi ani bir şekilde kesilmesi yay volkanizmasının Izu-Bonin-Mariana yay sistemine benzer şekilde muhtemelen güneye doğru göç etmesi ile ilintilidir.Okyanus-içi Kösdağ Yayının, KB Türkiye'de yüzeyleyen yitim-üstü ofiyolitleri ile eş yaşlı olması, onun bölgesel yitim-üstü ofiyolit oluşumuyla ilintili varolduğu tahmin edilen fakat tanımlanamayan okyanus-içi yayın bir parçasını temsil ettiğini akla getirmektedir. Geç Kretase yaşlı okyanus-içi eski yay kalıntıları ve bunlarla ilintili yitim-üstü ofiyolitler doğuya doğru Alp-Himlaya dağkuşağı boyunca izlenebilir. Bu durum Geç Kretase okyanus-içi yitiminin yiten Tetis okyanusal levhası üzerinde birbiriyle bağlantılı olarak gerçekleştiğini gösterir. Bu yitim, Lavrasya aktif kıta kenarına yay eklemlenmesi ve Gondwana-türevli kıtasal blokların üzerine ise yitim-üstü ofiyolitlerinin bindirmesi şeklinde sonuç vermiştir.

The Central Pontides is an accretionary-type orogenic area within the Alpine-Himalayan orogenic belt characterized by pre-collisional tectonic continental growth. The region comprises Mesozoic subduction-accretionary complexes and an accreted intra-oceanic arc that are sandwiched between the Laurasian active continental margin and Gondwana-derived the Kırşehir Block. The subduction-accretion complexes mainly consist of an Albian-Turonian accretionary wedge representing the Laurasian active continental margin. To the north, the wedge consists of slate/phyllite and metasandstone intercalation with recrystallized limestone, Na-amphibole-bearing metabasite (PT= 7–12 kbar and 400 ± 70 ºC) and tectonic slices of serpentinite representing accreted distal part of a large Lower Cretaceous submarine turbidite fan deposited on the Laurasian active continental margin that was subsequently accreted and metamorphosed. Raman spectra of carbonaceous material (RSCM) of the metapelitic rocks revealed that the metaflysch sequence consists of metamorphic packets with distinct peak metamorphic temperatures. The majority of the metapelites are low-temperature (ca. 330 °C) slates characterized by lack of differentiation of the graphite (G) and D2 defect bands. They possibly represent offscraped distal turbidites along the toe of the Albian accretionary wedge. The rest are phyllites that are characterized by slightly pronounced G band with D2 defect band occurring on its shoulder. Peak metamorphic temperatures of these phyllites are constrained to 370-385 °C. The phyllites are associated with a strip of incipient blueschist facies metabasites which are found as slivers within the offscraped distal turbidites. They possibly represent underplated continental metasediments together with oceanic crustal basalt along the basal décollement. Tectonic emplacement of the underplated rocks into the offscraped distal turbidites was possibly achieved by out-of-sequence thrusting causing tectonic thickening and uplift of the wedge. 40Ar/39Ar phengite ages from the phyllites are ca. 100 Ma, indicating Albian subduction and regional HP metamorphism.The accreted continental metasediments are underlain by HP/LT metamorphic rocks of oceanic origin along an extensional shear zone. The oceanic metamorphic sequence mainly comprises tectonically thickened deep-seated eclogite to blueschist facies metabasites and micaschists. In the studied area, metabasites are epidote-blueschists locally with garnet (PT= 17 ± 1 kbar and 500 ± 40 °C). Lawsonite-blueschists are exposed as blocks along the extensional shear zone (PT= 14 ± 2 kbar and 370–440 °C). They are possibly associated with low shear stress regime of the initial stage of convergence. Close to the shear zone, the footwall micaschists consist of quartz, phengite, paragonite, chlorite, rutile with syn-kinematic albite porphyroblast formed by pervasive shearing during exhumation. These types of micaschists are tourmaline-bearing and their retrograde nature suggests high-fluid flux along shear zones. Peak metamorphic mineral assemblages are partly preserved in the chloritoid-micaschist farther away from the shear zone representing the zero strain domains during exhumation. Three peak metamorphic assemblages are identified and their PT conditions are constrained by pseudosections produced by Theriak-Domino and by Raman spectra of carbonaceous material: 1) garnet-chloritoid-glaucophane with lawsonite pseudomorphs (P= 17.5 ± 1 kbar, T: 390-450 °C) 2) chloritoid with glaucophane pseudomorphs (P= 16-18 kbar, T: 475 ± 40 °C) and 3) relatively high-Mg chloritoid (17%) with jadeite pseudomorphs (P= 22-25 kbar; T: 440 ± 30 °C) in addition to phengite, paragonite, quartz, chlorite, rutile and apatite. The last mineral assemblage is interpreted as transformation of the chloritoid + glaucophane assemblage to chloritoid + jadeite paragenesis with increasing pressure. Absence of tourmaline suggests that the chloritoid-micaschist did not interact with B-rich fluids during zero strain exhumation. 40Ar/39Ar phengite age of a pervasively sheared footwall micaschist is constrained to 100.6 ± 1.3 Ma and that of a chloritoid-micaschist is constrained to 91.8 ± 1.8 Ma suggesting exhumation during on-going subduction with a southward younging of the basal accretion and the regional metamorphism. To the south, accretionary wedge consists of blueschist and greenschist facies metabasite, marble and volcanogenic metasediment intercalation. 40Ar/39Ar phengite dating reveals that this part of the wedge is of Middle Jurassic age partly overprinted during the Albian. Emplacement of the Middle Jurassic subduction-accretion complexes is possibly associated with obliquity of the Albian convergence.Peak metamorphic assemblages and PT estimates of the deep-seated oceanic metamorphic sequence suggest tectonic stacking within wedge with different depths of burial. Coupling and exhumation of the distinct metamorphic slices are controlled by decompression of the wedge possibly along a retreating slab. Structurally, decompression of the wedge is evident by an extensional shear zone and the footwall micaschists with syn-kinematic albite porphyroblasts. Post-kinematic garnets with increasing grossular content and pseudomorphing minerals within the chloritoid-micaschists also support decompression model without an extra heating.Thickening of subduction-accretionary complexes is attributed to i) significant amount of clastic sediment supply from the overriding continental domain and ii) deep level basal underplating by propagation of the décollement along a retreating slab. Underplating by basal décollement propagation and subsequent exhumation of the deep-seated subduction-accretion complexes are connected and controlled by slab rollback creating a necessary space for progressive basal accretion along the plate interface and extension of the wedge above for exhumation of the tectonically thickened metamorphic sequences. This might be the most common mechanism of the tectonic thickening and subsequent exhumation of deep-seated HP/LT subduction-accretion complexes.To the south, the Albian-Turonian accretionary wedge structurally overlies a low-grade volcanic arc sequence consisting of low-grade metavolcanic rocks and overlying metasedimentary succession is exposed north of the İzmir-Ankara-Erzincan suture (İAES), separating Laurasia from Gondwana-derived terranes. The metavolcanic rocks mainly consist of basaltic andesite/andesite and mafic cognate xenolith-bearing rhyolite with their pyroclastic equivalents, which are interbedded with recrystallized pelagic limestone and chert. The metavolcanic rocks are stratigraphically overlain by recrystallized micritic limestone with rare volcanogenic metaclastic rocks. Two groups can be identified based on trace and rare earth element characteristics. The first group consists of basaltic andesite/andesite (BA1) and rhyolite with abundant cognate gabbroic xenoliths. It is characterized by relative enrichment of LREE with respect to HREE. The rocks are enriched in fluid mobile LILE, and strongly depleted in Ti and P reflecting fractionation of Fe-Ti oxides and apatite, which are found in the mafic cognate xenoliths. Abundant cognate gabbroic xenoliths and identical trace and rare earth elements compositions suggest that rhyolites and basaltic andesites/andesites (BA1) are cogenetic and felsic rocks were derived from a common mafic parental magma by fractional crystallization and accumulation processes. The second group consists only of basaltic andesites (BA2) with flat REE pattern resembling island arc tholeiites. Although enriched in LILE, this group is not depleted in Ti or P.Geochemistry of the metavolcanic rocks indicates supra-subduction volcanism evidenced by depletion of HFSE and enrichment of LILE. The arc sequence is sandwiched between an Albian-Turonian subduction-accretionary complex representing the Laurasian active margin and an ophiolitic mélange. Absence of continent derived detritus in the arc sequence and its tectonic setting in a wide Cretaceous accretionary complex suggest that the Kösdağ Arc was intra-oceanic. This is in accordance with basaltic andesites (BA2) with island arc tholeiite REE pattern.Zircons from two metarhyolite samples give Late Cretaceous (93.8 ± 1.9 and 94.4 ± 1.9 Ma) U/Pb ages. Low-grade regional metamorphism of the intra-oceanic arc sequence is constrained 69.9 ± 0.4 Ma by 40Ar/39Ar dating on metamorphic muscovite from a metarhyolite indicating that the arc sequence became part of a wide Tethyan Cretaceous accretionary complex by the latest Cretaceous. The youngest 40Ar/39Ar phengite age from the overlying subduction-accretion complexes is 92 Ma confirming southward younging of an accretionary-type orogenic belt. Hence, the arc sequence represents an intra-oceanic paleo-arc that formed above the sinking Tethyan slab and finally accreted to Laurasian active continental margin. Abrupt non-collisional termination of arc volcanism was possibly associated with southward migration of the arc volcanism similar to the Izu-Bonin-Mariana arc system.The intra-oceanic Kösdağ Arc is coeval with the obducted supra-subduction ophiolites in NW Turkey suggesting that it represents part of the presumed but missing incipient intra-oceanic arc associated with the generation of the regional supra-subduction ophiolites. Remnants of a Late Cretaceous intra-oceanic paleo-arc and supra-subduction ophiolites can be traced eastward within the Alp-Himalayan orogenic belt. This reveals that Late Cretaceous intra-oceanic subduction occurred as connected event above the sinking Tethyan slab. It resulted as arc accretion to Laurasian active margin and supra-subduction ophiolite obduction on Gondwana-derived terranes.