The role of crustal fluids in tectonics of North-Central Turkey inferred from three-dimensional magnetotellurics

Abstract

Orta Pontidler, Paleozoyik zamanlardan beri Lavrasya'nın aktif kıta kenarı olarak konumlanmıştır. Bölge, pek çok dalma-batma-eklenme ve çarpışma tektoniği olaylarının ayak izlerini bünyesinde barındırmakta ve bu sebepten ötürü Anadolu Plakası'nın ve Tetis Okyasunlarının evrimini araştırmak adına uzun yıllardır iyi bir labarotuvar görevi görmektedir. Çeşitli metodolojiler ile yapılmış pek çok jeolojik yaklaşıma karşın, bölgeye odaklanan jeofizik çalışmalar yetersizdir. Bölgedeki mevcut potansiyeli açığa çıkarmak ve yer-kabuğunun elektrik yapısını ortaya koymak adına, araştırma alanında 26 geniş-bant manyetotellürik ölçüm gerçekleştirilmiştir. Ölçümler; Çankırı Havzası, İzmir-Ankara-Erzincan Sütur Zonu, Tosya Havzası, Kuzey Anadolu Fay Hattı, Orta Pontidler Süperkompleksi (OPS), Küre Kompleksi ve Pontid Magmatik Yayı'nı kesecek şekilde, yaklaşık olarak 190 km uzunluğunda bir profil doğrultusunda alınmıştır. Faz tensörü analizleri ve 3-B ters çözüm teknikleri, bölgenin gerçek yer-elektrik yapısını yansıtmak amacıyla veriye uygulanmıştır.Faz tensör analizleri bölgedeki rejyonel yer-elektrik yönelimlerinin çoğunluğunun K80D-K90D arasında seyrettiğini göstermektedir. Bu konudaki tek istisna Çankırı Havzası ve Kızılırmak Fayı'nın etkin olduğu verilerde K75D olarak gözlemlenmiştir. Verideki oblik iletkenliklerin azlığı, boyutluluk karmaşasını azaltmakta ve profil bazında yapılan 3-B rejyonel modellemelerin doğruluk oranının artırmaktadır. İki ayrı 3-B model bölgeyi araştırma amacıyla tasarlanmıştır: (1) Tüm istasyonlardaki verilerin ve frekans aralığının kapsandığı bir model ile (2) sadece Kuzey Anadolu Fayı (KAF) etrafındaki 9 ve 19. istasyonlar arasında, 0.035 Hz frekans değerine kadar olan verilerinin kullanıldığı ikinci bir model oluşturulmuştur.3-B ters çözümlerinin ardından elde edilen modellerde KAF'ın etrafında gözlemlenen iki yüksek özdirençli yapı, bölgedeki deprem seyrekliğini ve daha derin gözlemlenen kırılgan-sünek ortam geçişini destekleyen reolojik birimlere işaret etmektedir. Fay'ın güneyindeki bu niteliklerin oluşması, ofiyolitik birimlerin yerleşmesi ve okyanus içi magmatik yay ile çarpışmasıyla sağlanıldığı düşünülmektedir. Fay'ın kuzeyinde bulunan yüksek özdirençli metamorfik kayaçlarla birlikte, fayın etrafındaki iki jeolojik ortam da mekanik zayıflığa sebep olacak efektif poroziteden yoksun durumda olduğu saptanmıştır. Tasarlanan KAF modelinde, Tosya Havzası'nın iletken elemanlar tarafından oluşmuş bir senklinal niteliğinde olduğu saptanmış ve havzanın temelinin 3.6 ve 4.3 km arasındaki bir değerde olabileceği belirlenmiştir. Bölgede saptanmış fay zonu iletkenleri, KAF ve etrafındaki ikincil faylanmalar ile özdeşleştirilebildiği gözlemlenmiştir.Kenet zonunun güneyinde, gömülü halde bulunan bir kuzeye dalan ters-faylanma mekanizması iletken-özdirençli sınırlarıyla belirgin bir şekilde saptanmıştır. Çankırı Havzası, özdirençli materyal girişimlerin de yer yer görüldüğü iletken özelliklere sahip bir yapı olarak resmedilmitir. Söz konusu özdirençli girişimlerin oluşturduğu özdirenç varyasyonları deprem izdüşümleriyle iyi özdeşleşmekte oluşu fay tipi yapıların göstergesi olduğu düşünülmektedir. Modelin en kuzey ucundaki birimlerin altı, oldukça derin bölgelerde yalıtkan olarak gözlemlenmesi, bölgedeki kabuk kalınlaşmasına işaret etmektedir. KAF'ın kuzey ucunda bulunan OPS, yüzeye yakın derinliklerde heterojen iletken özellikler gösteren geniş bir yüksek özdirençli yapı olarak resmedilmektedir. OPS'nin ucunda konuşlanmış olan Çangaldağ Karmaşığı (ÇGK), Kastamonu Havzası'nın altında özdirençli bir şekilde kendini göstermektedir. Bu bölgenin altında, yukarı doğru yükselen bir şekilde resmedilmiş büyük bir iletken anomaliye rastlanmıştır. Sıvı muhteviyatı açısından zengin olan bu anomaliye kaynak teşkil edecek derinlerdeki jeolojik yapı çözümlenememiştir. Fakat, bölgedeki bu iletken yapının varlığı, Orta Pontidlerin sismik niteliklerine, reolojik özelliklerine ve jeolojik evrimine dair önemli çıkarımlara konu olabilecek kapasitedir.

Central Pontides have been an active margin to Laurasia since the Paleozoic times. They consists of geological footprints of several episodes of subduction-accretion events and collisional tectonics. For these reasons, they have been a great laboratory for examining the evolution of Anatolia and the Tethyan oceans for decades. Many geological studies have been made with different methodologies, however there is still a lack of geophysical results in the region. In search of this potential, 26 wide-band (320 - 0.00055 Hz) magnetotelluric measurements were deployed to depict the geo-electric properties in a crustal range. The data were collected to form a 190-km-long profile, passing through Çankırı Basin, İzmir-Ankara-Erzincan Suture Zone (İAES), Tosya Basin, North Anatolian Fault Zone, Central Pontides Super-complex, Küre Complex and the Pontide Arc. Phase tensor analyses and 3-D inversions were applied to this data to develop a model that accurately display the geo-electrical characteristics of the region.Phase tensor analyses point out that the regional geo-electric strike angles fit within the N80E-N90E range with the exception of N75E for the data near Çankırı Basin and Kızılırmak Fault. Lack of oblique conductors in the data reduces the dimensional complexity and helps the 3-D inversion schemes to be more accurate for a profile based measurement. Two distinct 3-D models were developed: (1) A model that covers whole frequency range and stations, (2) another model that aims to picture the area in the vicinity of North Anatolian Fault (NAF). For the second model, data from only ten stations (stations from 9 to 19) were used down to a frequency of 0.035 Hz. The final models attained from the 3-D inversions were compatible with the rheological environment around the NAF that lacks moderate seismicity and ensures a deeper brittle to ductile transition by two resistive features appearing on both sides of the fault. This characteristic is present at the southern side of the fault via obducted ophiolites and intra-oceanic arc units, while the other side is made up of metamorphic rocks of Central Pontide Supercomplex. Both of the bodies are geological units, which are devoid of effective porosity that can enhance mechanical strength along the fault and inhibit fluid flow towards the fault zone. The NAF model demonstrate that the Tosya Basin appears as a conductive syncline where its basement is placed between 3.6 and 4.3 km. Fault zone conductors were found within this model matches well with the spatial positions of the NAF and related subsidiary faults. South of the suture zone, a buried thrust belt is visible with several norward-dipping conductive-resistive interfaces. Çankırı Basin appears as a conductive zone with several resistive interruptions. Projected earthquakes correlate well with the resistivity variations indicating fault-like structures.Beneath the northernmost features in the model, the resistive characteristics appear in deeper structure confirming the crustal thickening in the region. North of the fault, CPS shows itself as a downward convex shaped resistive body that demonstrates heterogeneous conductive features near the surface. Çangaldağ Complex, placed at the tip of the CPS, exhibits highly resistive values beneath the Kastamonu Basin. A large conductive anomaly, which appears to have an upwelling feature was found beneath this region. Although the source of this fluid-rich zone is not resolved or clear, existence of this conductive region might have important implications on the seismic nature, rheological attributes and geological evolution of the area.