Stress regime during the opening of the Black Sea deduced from cretaceous dyke swarms in the istanbul region

Abstract

ÖZET Kretase döneminde, yay arkası havzası olarak Pontid mağmatik yayının kuzeyinde açılan Karadeniz, Orta Karadeniz sırtı ile birbirinden ayrılan, Batı ve Doğu Karadeniz okyanusal alt havzalarından oluşmaktadır. Kretase' den günümüze kadar gelen ve kalınlığı 15 kilometrenin üzerinde olan çökellerden oluşan Batı Karadeniz havzası, büyük bir olasılıkla okyanusal temelin üzerinde bulunmaktadır. Büyük bir kalınlığa sahip olan bu sedimenter istif, Karadeniz okyanusal kabuğunda bulunması muhtemel manyetik anomali alanlarını gizlemektedir. Bundan dolayı, Karadeniz'in açılması sırasında yayılma sırtının konumu ve stres dağılımı ile ilgili doğrudan bir bilgi bulunmamaktadır. Karadeniz'in güneyinde bulunan istanbul bölgesindeki Kretase dayk kümeleri üzerinde ayrıntılı geometrik çalışmalar yaparak bu problemi çözmeye çalıştık. Dayklann çoğu magmanın çatlak içerisine, gerilim kuvvetlerinin etkisiyle çatlağı genişleterek sokulmasıyla oluşurlar. Bu sırada dayklar en küçük ana sıkıştırıcı stres (CT3) yönüne dik düzlem boyunca hareket ederler. Buna göre de, istanbul bölgesindeki Kretase dayklarmın yönü kullanılarak Batı Karadeniz havzasının yayılma eksenine dik olması beklenen en küçük sıkıştırıcı stres (03) hesaplanabilir. Çalışma alanı genel olarak istanbul ili olup, ayrıntılı çalışmalar Avrupa ve Anadolu olmak üzere boğazın her iki kıyısında yapılmış, Avrupa kıyısında Tarabya-Ortaköy sahili boyunca, Anadolu kıyısında ise Kanhca-Beylerbeyi sahili ile Küçükyalı- Pendik E-5 otoyolunda yoğunlaşılmıştır. İnceleme alanında daha önce yapılan stratigrafik çalışmalar bölgenin arkoz, kuvarsit, kumtaşı, şeyi, kireçtaşı ve çörtten oluşan ve Ordovisyenden Karbonifere kadar geniş bir yayılım gösteren Paleozoyik sedimenter istiften oluştuğunu ortaya koymaktadır. İstanbul'un kuzey kesimlerinde bu Paleozoyik istif Üst Kretase yaşlı volkanosedimentler üzerine güneyden kuzeye doğru itilmişdir. İnceleme alanının doğu kesimlerinde ise Paleozoyik istif üzerine önce, konglomera, kireçtaşı ve kumtaşlarından oluşan Triyas yaşlı istif daha sonra ise kireçtaşı ve çörtten oluşan Üst Kretase (Mestrihtiyen) yaşlı sedimentler uyumsuz olarak gelmektedir. İnceleme alanındaki bütün bu birimlerin üzerine marn, şeyi ve kumtaşlarından oluşan Eosen yaşlı birim uyumsuz olarak gelmektedir. Paleozoyik kumtaşlan ve kireçtaşlan bir çok andezitik dayk, sil ve küçük sokulumlar tarafından kesilmiştir. Ayrıca, İstanbul bölgesinde, yaşı Rb/Sr metodu ile 65+/- 10 Ma olarak bulunan büyük bir granodiyorit kütlesi Paleozoyik sedimentlerinin içine sokulmuştur. Kretase hipobazal sokulumu, Pontid mağmatik yayının bir parçasını oluşturduğu için Batı Karadeniz havzasımn açılmasıyla ilgilidir. Dayklann doğrultusunun en küçük ana stres (03) yönüne dik, yay arkası açılma eksenine ise paralel olması tahmin edilmektedir. Genellikle andezit ve andezit bazalttan oluşan, açık san, bej ve gri renkli olan dayklar masif görünümlü olup bol çatlak ve kırıklıdır. Genelde sert ve dayanımlı olan bu dayklar yer yer alterasyona uğramışlardır. Dayklann kalınlıklan 10-20 cm xııden başlayıp 10-11 m. ye kadar uzunlukları ise onlarca metreye kadar değişebilmektedir. Yapılan petrografik çalışmalar sonucunda bu dayklann andezitik ve bazaltik bileşime sahip, porfirik ya da ofitik dokulu, ince taneli mikrolitik hamur içinde boylan 1,5 ile 3,5 mm arasında değişen plajioklas fenokristalleri ile hornblend ya da ojit minerallerinden oluştukları ortaya çıkarılmıştır. Dayklann doğrultulan 35° ile 120° arasında oldukça geniş bir dağılıma sahip olup, çoğunluğu 65°ile 95° arasında yoğunlaşmıştır. Dayklann doğrultulan, aşağı yukan doğu-batı yönünde yayılan sırta ve kuzey-güney yönlü en küçük sıkıştıncı stres yönüne uyumludur. Dayklann çıkış yönünün dağılımlannın geniş olması, Karadeniz havzasının oluşması sırasında aktif olan ve onun doğu sınırını oluşturan Batı Karadeniz Fay'ına yakın olmasından yahut Alemdağ batısındaki granodiorit kütlesinin Paleozoyik sedimentler içerisine sokulması sırasında oluşan gerilmeden kaynaklanabilir. xııı

SUMMARY The Black Sea opened as a back-arc basin north of the Pontide magmatic arc during the Cretaceous. It consists of two oceanic subbasins, the West and East Black Sea basins, separated by the Mid-Black Sea ridge. The West Black Sea basin comprises Cretaceous to Recent deposits, over 15 km in thickness, which most probably lie over an oceanic basement. The great thickness of the sedimentary infill masks any magnetic anomaly pattern that may be present in the Black Sea oceanic crust. Thus, there is no direct information on the orientation of the spreading ridge and on the stress pattern during the opening of the Black Sea. We have attempted to solve this problem through a detailed geometrical study of the Cretaceous dykes swarms in the Istanbul region south of the Black Sea. The formation of dykes involves forces that are connected with their intrusion, regional pattern, mutual arrangement and their effects on the structure and attitude of the enclosing rocks. Most dykes are formed by the intrusion of magma into a fissure via dilating the host rock by the effect of tensional forces. During this dilation the dykes are normally emplaced along planes perpendicular to the direction of the minimum principal compressive stress (03). Thus the trend of the Cretaceous dyke sheets in Istanbul region allows an estimate of the minimum compressive stress (03), which is expected to be perpendicular to the spreading axis in the West Black Sea basin. The main area of investigation covers the city of Istanbul in general, detailed investigations were carried out on both the European and Asian coasts of Istanbul and along the Bosphorus, with intensive focus on the Tarabya-Ortaköy region along the European coast and the Kanlica-Beylerbeyi region on the Anatolian coast. In addition, some dykes have been found and investigated on the Küçükyalı-Pendik stretch of the E-5 highway on the Anatolian coast. The previous stratigraphical investigation of the area reveals that it is made up of a Palaeozoic sedimentary sequence composed of arkose, quartzite, sandstone, shale, limestone and chert ranging from Ordovician to Carboniferous. North of Istanbul, this Palaeozoic sequence is thrust northward over the Upper Cretaceous volcanosediments. On the east of the investigation area the Palaeozoic sequence is unconformably overlain by Triassic aged units composed of conglomerate, limestone and sandstone. The Triassic sequence is in turn unconformably overlain by Upper Cretaceous (Maastrichtian) sediments composed of limestone and chert. All of these units in the investigation area is unconformably overlain by Eocene aged units composed of marn, shale and sandstone. The Paleozoic sandstones and limestones are cut by numerous Cretaceous andesitic dykes, sills and small intrusions. Additionally, a large granodiorite in the Istanbul region, dated by the Rb/Sr method as 65 +/- 10 Ma, has intruded the Paleozoic sediments. The Cretaceous hypabyssal intrusions constitute part of the Pontide magmatic arc, and are thus related to the opening of the West Black Sea basin. The xstrike of the dykes is expected to be perpendicular to the least principal stress (03), and parallel to the back-arc spreading axis. The dykes in the Istanbul region are generally composed of andesite and andesite basalt, which are light yellow, beige and green rocks with massive appearance and plenty of cracks, hard and resistant overall but altered in places. Their thickness varies from 10-20 cm to 10-1 1 m and their length exceeds tens of meters. The results of the petrographic studies indicate that the dykes are andesitic and basaltic with a porphyritic or ophitic texture in the form of fine granular microlitic matrix containing plagioclase, hornblende and/or augite phenocrysts 1,5-3,5 mm in length. The result of geochemical studies on the Upper Cretaceous volcanic rocks indicate that they are calc-alkaline in general. The strike of the dykes ranges from 35° to 120° with a concentration between 65° and 95°. The average strike of the dykes is consistent with a roughly east- west trending spreading ridge, and with a least compressive stress oriented north-south. The spread in the orientation of the dykes might be related to the vicinity of the West Black Sea Fault, which was active during the opening of the Black Sea basin and formed its western termination. It may also have been caused by the sress created during the intrusion of the large granodiorite into the Palaeozoic sediments west of Alemdağ. XI