Eosen volkaniklerinin hidrotermal alterasyon mineralojisi-petrografisi ve jeokimyası: Zara-İmranlı-Suşehri-Şerefiye dörtgeni`nden bir örnek (Sivas kuzeydoğusu, İç-Doğu Anadolu, Türkiye)

Abstract

İnceleme alanı; İç-Doğu Anadolu Bölgesinde, Sivas ili kuzeydoğusundaki Zara-İmranlı-Suşehri-Şerefiye dörtgeninde yer almakta ve yaklaşık 1200 km2'lik bir alanıkapsamaktadır. Sivas havzasını kuzeydoğudan çevreleyen Eosen yaşlı volkanikleriçerisinde hidrotermal bozuşma ile ilişkili kaolin oluşumları bulunmaktadır.Genel anlamda bu çalışmanın amacı; kaolinlerin kronostratigrafik dağılım,oluşum, köken, parajenetik ilişki, mineralojik ve jeokimyasal özelliklerinin incelenmesi;ayrıca kaolin oluşumlarının köken kayacını oluşturan volkaniklerin adlandırılması,sınıflandırılması ve soy özelliklerinin yanı sıra, tektonik ortamlarının belirlenmesineyönelik ek verilerin sunulmasıdır. Bu temel çerçeve içerisinde; kayaç ve mineral örnekleriüzerinde optik ve elektron mikroskobu, X-ışınları kırınımı (tüm kayaç ve kil fraksiyonu)ve jeokimyasal (ana, iz/eser, REE, K/Ar yaş tayini, O-H duraylı izotoplar) incelemelergerçekleştirilmiştir.Bölgedeki Eosen magmatizmasının ilk işaretlerini piroklastik ürünler sunanAkıncılar formasyonu oluşturmaktadır. Bu evreyi Karataş volkanitlerine ait lav akıntılarıizlemiş, sığ derinliklerde ise sıcak-sıcak dokanak ilişkisi ile Kösedağ siyeniti sokulumyapmıştır.viHidrotermal bozuşma yalnızca Orta-Üst Eosen yaşlı Karataş volkanitleri ileKösedağ siyenitini etkilemiştir. Bozuşmanın yaşı alunit mineralinden itibaren K/Arradyometrik yaş tayini ile 38.0±0.9 milyon yıl olarak bulunmuştur. Kil oluşumları,plütonik-volkanik dokanağına paralel volkanikler içerisindeki çember şeklindeki açılmaçatlakları ile KD-GB doğrultulu uzanan ve plütonik ve volkaniklerin her ikisini de keseniki ana zonda yoğunlaşmaktadır. Hidrotermal bozuşmuş seviyeler genellikle birkaçkm2'lik (en fazla 30 km2) zonlar halinde gözlenmektedir. Kaolinit yatakları; keskinsınırlarla ayrılmamakla birlikte, demir oksitli, alunitli ve diğer kil minerallerince(çoğunlukla I-S) zengin seviyeler içermekte olup, üst kesimleri silis bir şapka tarafındanörtülmüştür.Kösedağ siyeniti ve Karataş volkanitlerinde piropilitik, fillik/serizitik ve arjilitikolmak üzere üç tür hidrotermal bozuşma ayırt edilmiştir. Hidrotermal bozuşma sonucuKösedağ siyeniti ve Karataş volkanitlerinden itibaren fillosilikat/kil mineralleri (kaolinit,illit, smektit, klorit, I-S, C-S ve pirofillit), oksit ve hidroksitler (hematit, götit), sülfürler(galenit, sfalerit, pirit, kalkopirit, molibdenit ve kovellin), karbonatlar (kalsit, dolomit,malahit, azurit), sülfatlar (barit, alunit, jarosit), fosfat (goyazit), kuvars ve opal-CTmineralleri meydana gelmiştir.Karataş volkanitlerinde en yaygın hidrotermal mineral parajenezlerini kil +kuvars + götit + goyazit, kil + kuvars + alunit + götit ve kil + kuvars + jarosit + feldispat± götit ve/veya goyazit oluşturmaktadır. Karataş volkanitlerinin bozuşması ile oluşmuşkaolinitler orta-kötü derecede kristalinite değerleri göstermektedir. I-S'ler (% 9-46smektit) dioktahedral, smektitler dioktahedral ve C-S'ler (% 41-52 smektit) trioktahedralbileşimindedir. Kaolinit T (triklinik), pirofillit 1Tc ve klorit IIb politipine sahiptir.Kösedağ siyenitinde en yaygın hidrotermal mineral birlikteliklerini kil + kuvars +jarosit ± götit ± feldispat ve kil + kuvars + feldispat oluşturmaktadır. Dioktahedralbileşime ve 1Md+2M1+1M politipine sahip I-S'lerde smektit içeriği % 5-16 arasındadeğişmektedir. C-S'ler (smektit içeriği % 48-50) trioktahedral ve smektiler isedioktahedral bileşimdedir.Yüzey ve/veya yüzeye yakın koşullarda oluşan hipojen ve süperjen hidrotermalbozuşma ürünleri; neoformasyon ve/veya degradasyon mekanizması ile doğrudan veyaçoğunlukla feldispatlardan itibaren gelişen birincil ve ikincil mineraller temsil etmektedir.Hipojen mineraller erken (kaolinit, pirofillit, illit, I-S, smektit, kuvars ve opal-CT) ve geçevre (barit, cevher mineralleri, alunit, goyazit, jarosit, klorit ve C-S) olmak üzere ikiviiaşamada oluşmuştur. Turmalin ve epidot metasomatik; karbonatlar (kalsit, dolomit, azuritve malahit) ise süperjen mineraller olarak değerlendirilmiştir.İnceleme alanındaki Orta-Üst Eosen yaşlı magmatiklerin alkali karaktere sahip,büyük ölçüde üst kıtasal kabuksal kirlenmeye uğramış üst manto malzemesininfraksiyonel kristalleşmesi ile oluşmuş, çarpışma ile eş zamanlı veya çarpışma sonrasılevha içi magmatizmayı temsil ettiği düşünülmektedir.I-S mineralleri, kaolinitlere göre REE bakımından oldukça zengin olup; kilminerallerinin iz ve özellikle REE içerikleri türedikleri köken kayacın ayırt edilmesindejeokimyasal bir ölçüt oluşturmaktadır. Kil minerallerinin O-H duraylı izotop sonuçları,hidrotermal akışkanın kökeninin ağırlıklı olarak magmatik kökenli olduğuna işaretetmektedir.Hidrotermal bozuşma ile ilksel magmatik kayaçlarda meydana gelen kütledeğişim hesaplamaları hareketsiz element (TiO2 ve Nb) yöntemi kullanılılarak araştırılmışve Karataş volkanitlerinde 30.29 wt.% ve Kösedağ siyenitinde 66.93 wt.%'lık bir netkütle kaybı olduğu belirlenmiştir. En fazla kütle kaybı Al2O3 de, kütle kazancı volkanikve siyenitlerde sırasıyla Fe2O3 ve Na2O'de gerçekleşmiştir. İz elementlerdeki en fazlakütle kaybı volkaniklerde Sr ve siyenitlerde As, her ikisinde en fazla kütle kazancı Baelementinde ortaya çıkmıştır. Kayıpların çoğunlukla kil minerallerinin, kazançların isekil-dışı neoformasyon minerallerinin yapısına girerek dengelendiği sonucuna varılmıştır.Anahtar Sözcükler Siyenit, Kil mineralleri, XRD, SEM, Duraylı izotoplar

The study area is located at the quadrangle of Zara-İmralı-Suşehri-Şerefiye in thenortheast of Sivas province, Eastern part of Central Anatolia, and occupies approximately1200 km2. Hydrothermal alteration of kaolin formations were found within the volcanicsof Eocene age surrounding Sivas basin from the Northeast.The aim of this study were to investigate chronostratigraphic distributions,formations, origin, paragenetic relations, mineralogical and geochemistricalcharacteristics of kaolinites; to name and classify the volcanics forming the origin rock ofkaolin formations, as well as to present additional data on determination of their tectonicsetting. Within this main frame, optic and electron microscopies, X-ray diffraction aswhole rock and clay fraction, and geochemical analysis as major, trace, REE, K/Arradiometric dating and stable isotopes were carried out on the collected rock and mineralsamples.First clues for the Eocene magmatism of the region were provided by Akıncılarformation which possessed piroclastic products. This stage was followed by the flows ofthe Karataş volcanites and in the shallow depths by Kösedağ syenite intrusions withrelations of hot-hot contact.ixHydrothermal alterations have only affected the Middle-Upper Eocene agedKarataş volcanites and Kösedağ syenite. The age of alteration was determined with K/Arradiometric dating from alunite mineral and found to be 38.0±0.9 Ma. Clay formationswere located within the circular tension fractures of volcanics running parallel to thecontact of plutonic-volcanic rocks, and within two main zones spanning in the NE-SWdirection and intersecting both plutonics and volcanics. Hydrothermal alterations levelswere usually observed in zones with a few km2 surface area (at most 30 km2). Kaolinitebeds were separated by sharp boundaries and rich in iron oxide, alunite and other clayminerals (mainly I-S), upper parts of the beds were covered with a silica cap.Three hydrothermal alterations identified within Kösedağ syenite and Karataşvolcanites were of the propylitic/sericitic and argillic type. Due to the hydrothermalalterations a series of mineralization have taken place, starting from Kösedağ syenite andKarataş volcanites that included phyllosilicate/clay minerals (kaolinite, illite, smectite,chlorite, I-S, C-S and pyrophyllite), oxides and hydroxides (hematite and goethite),sulphides (galenite, sphalerite, pyrite, chalcopyrite, molybdenite and covellite),carbonates (calcite, dolomite, malachite and azurite), sulphates (barite, alunite andjarosite), phosphates (goyazite), quartz and opal-CT minerals.Within Karataş volcanites the commonest minerals paragenesis were found to beclay + quartz + goethite + goyazite, clay + quartz + alunite + goethite and clay + quartz +jarosite + feldspar ± goethite and/or goyazite. Kaolinites resulting from alterations ofKarataş volcanics displayed middle-poor degree of crystallinity. The compositions ofsmectites and I-S with 9-46 % smectite component were of dioctahedral, while C-S with41-52 % smectite component were of trioctahedral. Kaolinites, pyrophyllite and chloritehad T (triclinic), 1Tc and IIb polytypes, respectively.The commonest hydrothermal minerals paragenesis within Kösedag syenite weremade up of clay + quartz + jarosite ± goethite ± feldspar and clay + quartz + feldspar. Thesmectite content of I-S having dioctahedral composition and 1Md+2M1+1M polytypes,varied between 5-16 %. C-S with % 48-50 smectite content had trioctahedral compositionwhile smectites were of dioctahedral composition.In the surface and/or nearly surface hypogene and supergene hydrothermalalteration products the primary and secondary minerals were developed directly by theneoformation and/or degradation mechanism or usually from feldspars. Hypogeneminerals appeared to involve two stages of formation; early stage (kaolinite, pyrophyllite,illite, I-S, smectite, quartz and opal-CT) and late stage (barite, ore minerals, alunite,xgoyazite, jarosite, chlorite and C-S). Tourmaline and epidote were considered asmetasomatic, but carbonates (calcite, dolomite, malachite, azurite) as supergene minerals.Middle-Upper Eocene aged magmatics within the investigated area were found tobe alkaline in character, and to large extent they were formed by the contamination of theupper continental crust with fractional crystallization of the upper mantle material,representing a syn-collision or post-collision occurred within plate magmatism.Compared to kaolinites, I-S minerals were rich in REE. Trace element contents ofthe clay minerals, REE in particular, served as a geochemical measure in discriminatingthe origin rocks that they derived from. The results of the O-H stable isotopes of clayminerals indicated that the hydrothermal flows were mainly originated from magma.The calculations of the mass change taken place within primitive magmatic rocksby hydrothermal alteration were investigated by using the immobile element (TiO2 andNb) method and it was found that Karataş volcanites underwent 30.29 wt.% and Kösedagsyenite 66.93 wt.% of net mass loss. The greatest mass loss was registered for Al2O3. Onthe other hand gain of mass determined in volcanics and syenites were of Fe2O3 andNa2O, respectively. Trace element losses were the largest in Sr of volcanics and in As ofsyenites. A gain of mass was registered for Ba of both volcanics and syenites. Lossesmostly were observed in clay minerals and gains appeared to be contained within thestructure of neoformation minerals. Thus it could be concluded that losses and gains in away balanced one another.Keywords: Syenite, Clay minerals, XRD, SEM, Stable isotopes