Sivas Tersiyer havzasının Kemah (Erzincan) ve Hafik (Sivas) yörelerindeki tektonostratigrafisi ve tektonik deformasyon biçimi

Abstract

ÖZET Doktora Tezi SİVAS TERSİYER HAVZASININ KEMAH (ERZİNCAN) ve HAFİK (SİVAS) YÖRELERİNDEKİ TEKTONOSTRATİGRAFÎSİ ve TEKTONİK DEFQRMASYON BİÇİMİ Haluk TEMİZ Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Jeoloji Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof.Dr. SZeki TUTKUN Sivas Tersiyer havzasının tektonostratigrafisini, tektonik deformasyon biçimini, kinematiğini ve Üst Miyosen'den günümüze gerçekleşen kısalma miktarını ortaya koymayı amaçlayan bu çalışmada, havzanın doğu ucunda yer alan Kemah (Erzincan) ve orta kesiminde yer alan Hafik (Sivas) yörelerinin ayrıntılı jeolojik incelemesi gerçekleştirilmiştir. Kemah (Erzincan) yöresinin tektonostratigrafisi üç ana bölümde incelenmiştir. Sivas Tersiyer havzasının güney kenannda yer alan temel kayaları Taban istifi`, Orta Eosen-Orta (?) Miyosen aralığında depolanan Sivas Tersiyer havzası kayaları `Havza istifi` ve kuzeyden havza istifini tektonik dokanakla üzerleyen kayalar Tavan istifi` olarak tanımlanmıştır.Taban istifini, Üst Triyas-Üst Kretase yaşlı Munzur Kireçtaşı ve bu birimi tektonik dokanakla üzerleyen Üst Kretase yaşlı Eriç ofiyolitli karışığı oluşturur. Taban istifi üzerinde uyumsuzlukla yer alan Havza istifinin ilk çökelleri Orta Eosen yaşlı Dedek formasyonu ile temsil edilir. Bu birimi uyumsuzlukla üzerleyen Oligosen (?)-Alt-Orta (?) Miyosen yaşlı kırıntılı kayalar Kemah Grubu olarak tanımlanmıştır. Kemah Grubunun stratigrafisi havzanın güney ve kuzey kesimlerinde farklılıklar göstermektedir. Havzanın kuzeyinde Kemah Grubu, tabanda Oligosen (?) yaşlı Kuşlu ve Taşbulak formasyonlarıyla başlar ve üste doğru uyumlu olarak Alt Miyosen yaşlı Sultanmelek kireçtaşı ve Kömür formasyonuna geçer. Kemah Grubunun en üst kesiminde Alt-Orta (?) Miyosen yaşlı Dutlu formasyonu yer alır. Kemah Grubu, havzanın güney kenarında, tabanda Alt Miyosen yaşlı Sultanmelek kireçtaşıyla başlar ve doğrudan Taban istifi üzerinde yer alır. Bu birimi uyumlu olarak üste doğru Alt-Orta (?) Miyosen yaşlı Tuzla formasyonu izler. Havza istifini oluşturan kayalar üzerinde tektonik dokanakla yer alan kalın bindirme topluluğunu oluşturan Tavan istifi, dört farklı bindirme örtüsünden oluşmaktadır. Bu bindirme örtüleri alttan üste doğru, Üst Kretase yaşlı Eriç ofiyolitli karışığı, Alt Eosen yaşlı Karaburun formasyonu, Üst Kretase yaşlı Karadağ bazaltı ve Sütpınar formasyonu ile temsil edilmektedir. Kemah (Erzincan) yöresinde ayırtlanan Alt-Orta (?) Miyosen ve daha yaşlı birimler, Kuvaterner yaşlı Alpköy formasyonu, travertenler, yamaç molozları ve alüvyonlar tarafından uyumsuzlukla üzerlenir. Sivas Tersiyer havzasının orta kesiminde yer alan Hafik (Sivas) yöresinin tektonostratigrafisi, birbirinden ana bindirme faylarıyia ayrılan dört tektonik ünite içerisinde incelenmiştir. Kuzeyden güneye doğru ayırtlanan tektonik ünitelerden Ünite I (Bahçecik ünitesi), Sivas Tersiyer havzasının kuzey kenannda yer alan temel kayalarını içerir. Ünite I içerisinde, havzanın temelini oluşturan Üst Kretase yaşlı Tekelidağı Karışığı üzerinde Üst Paleosen-Alt Eosen yaşlı Bahçecik konglomerası uyumsuzlukla yer alır. Bu birimler Alt Miyosen yaşlı Karacaören Formasyonunun tabanında yer alan resifa! kireçtaşları tarafından açılı uyumsuzlukla üzerlenir. Sivas Tersiyer havzasının orta kesiminin stratigrafisini yansıtan Ünite II (Hafik ünitesi) ve Ünite III (Acıpınar ünitesi) içerisinde, tabanda Oligosen (?) yaşlı kalın jipsli çökellerle temsil edilen Hafik Formasyonu yer alır. Her iki ünitede de bu birim, Alt Miyosen yaşlı Karacaören Formasyonuna ait sığ denizel kayalar tarafından açılım uyumsuzlukla üzerlenir. Ünite III içerisinde Karacaören Formasyonu uyumlu olarak Alt- Orta (?) Miyosen yaşlı Benlikaya formasyonuna geçer. Sivas Tersiyer havzasının güney kenarının stratigrafik özellikleri Ünite IV (Celalli ünitesi) içerisinde yer alır. Ünite IV'ün temelini Orta Eosen yaşlı Bozbel Formasyonu oluşturur. Bu birimi Oligosen yaşlı Selimiye Formasyonu tektonik dokanakla üzerler. Tabanda yer alan bu birimlerle Alt Miyosen yaşlı Karacaören ve Alt-Orta (?) Miyosen yaşlı Benlikaya formasyonlarının dokanağı boyunca güneye doğru sönümlenen bindirme gelişimi izlenir. Hafik (Sivas) yöresinde ayırtlanan Alt-Orta (?) Miyosen ve daha yaşlı kayaları, Pliyosen yaşlı İncesu Formasyonu, Kuvaterner yaşlı Karacahisar formasyonu, travertenler, yamaç molozlan ve alüvyonlar uyumsuzlukla üzerler. Kemah (Erzincan) ve Hafik (Sivas) yörelerinde Sivas Tersiyer havzasının tektonik deformasyon biçimi, genel K-G yönlü sıkışma altında gelişen, temel kayalannı ve havza kayalannın kısalmasını ve kalınlaşmasını sağlayan bindirme sistemleriyle belirlenmektedir. Havzanın incelenen her iki kesiminde yapılan fay-atım verilerinin kinematik analizi sonucunda, ortaç hareket düzleminin KKB-GGD doğrultusunda yer aldığı belirlenmiştir. İncelenen bölgelerde genel tektonik taşınma yönü kuzeyden güneye doğrudur. Bununla beraber, kuzeye doğru gelişen önemli geri bindirme faylarının varlığı da saptanmıştır. Kemah (Erzincan) yöresinde gelişen bindirme sistemleri çok fazlı gelişim sekansları içerisinde yer almaktadırlar. Havzanın kuzey kenarında yer alan temel kayalarından oluşan bindirme topluluğunun Üst Miyosen'de güneye doğru havza üzerine ilerlemesiyle, ilk bindirme sistemlerinin gelişimi öne doğru gelişim sekansı (piggy-back) ile şekillenmiştir. Kuzeyden havza üzerine yinelenen hareketlerle sıra dışı bindirme gelişimi (out of sequence thrust) ve geriye doğru gelişim sekansı (breack-back) ile kalınlaşma ve yeniden kıvrımlanma gerçekleşmiştir. Kuvaterner yaşlı kayalarda izlenen bindirme gelişimini gösterir veriler, bölgede sıkışmanın aktif olarak devam ettiğini göstermektedir. Hafik (Sivas) yöresinde Sivas Tersiyer havzasının kuzey kenannı yansıtan Ünite I (Bahçecik ünitesi) içerisinde temeli oluşturan Üst Kretase yaşlı Tekelidağı Karışığı ile Üst Paleosen-Alt Eosen yaşlı Bahçecik konglomerası bir kuzeye eğimli açık imbrike fan sistemi içerisinde yer alırlar. Bu sistemin tavanında yer alan Oligosen (?) yaşlı Hafik Formasyonuna ait kalın jips kütlesinin Üst Miyosen'de güneye doğru hareketlenmesiyle,IV havzanın orta kesiminde öne doğru gelişim sekansıyla kalın bir bindirme topluluğu gelişmiştir. Bu bindirme sisteminin taban bindirme fayının, Hafik Formasyonuna* ait jipslerle, temel kayalannı oluşturan Üst Kretase yaşlı Tekelidağı Karışığının dokanağı boyunca gelişimini, ana bindirme fayları boyunca serpantinit tektonik dilimlerinin yüzeylemesi göstermektedir. Hafik Formasyonuna ait jipslerin, havzanın kuzey kesiminde Alt Pliyosen yaşlı İncesu Formasyonu üzerinde tektonik dokanakla yer alması, Üst Pliyosen-Kuvatemer döneminde, kuzeye doğru geri bindirme gelişimini (Sivas bindirmesi) belirtmektedir. Sivas Tersiyer havzasında Üst Miyosen'den günümüze gerçekleşen kısalma miktarının saptanması amacıyla hazırlanan dengelenmiş enine kesit (balanced cross- section) denemelerinde, Kemah (Erzincan) yöresinde 12.8 km deforme kesit genişliği üzerinde 8.7 km (%40) (sıra dışı bindirme gelişimi gözönüne alınmaksızın), Hafik (Sivas) yöresinde ise 18.7 km deforme kesit genişliği üzerinde 14.9 km (%44) minumum kısalma miktarları hesaplanmıştır. Kemah (Erzincan) yöresinde sıra dışı bindirme gelişiminin gözönüne alınmasıyla kısalma oranı %52'ye ulaşmaktadır. Sivas Tersiyer havzasının doğuya doğru daralan geometrisinin, artan kısalma oranı ile ilgili olduğu ortaya çıkmaktadır. ANAHTAR KELİMELER: Sivas Tersiyer havzası, tektonostratigrafi, kinematik, dengelenmiş enine kesit

ABSTRACT PhD Thesis THE TECTONOSTRATİGRAPHY and TECTONİC DEFORMATION STYLE OF THE SİVAS TERTIARY BASIN IN THE KEMAH (ERZİNCAN) and HAFİK (SİVAS) REGİONS Haluk TEMİZ Cumhuriyet University Institute of Applied and Natural Sciences Geological Engineering Department Supervisor: Prof.Dr. S.Zeki TUTKUN This study aims to bring up the tectonostratigraphy, tectonic deformation style, kinematics and shortening rate of the Sivas Tertiary basin since Upper Miocene. In this context, detailed geological study of the eastern tip of the Sivas Tertiary basin comprising the Kemah (Erzincan) and the Hafik (Sivas) regions located in the central part has been carried out. The tectonostratigraphy of the Kemah (Erzincan) region was investigated within three main units. The basement rocks located to the southern margin of the basin are named as the `floor sequence`, Tertiary units deposited in between Middle Eocene- Middle Miocene periods are calied as the `basin sequence`, whereas the rocks thrust onto the basin deposits in a southverging direction are determined as the `roof sequence`.VJ The floor sequence is composed of Upper Triassic-Upper Cretaceous Munzur limestone and Upper Cretaceous Eriç ophiolitic melange that overlies the Munzur limestone tectonically. The first basin deposits rest on the floor sequence are represented by the Middle Eocene Dedek formation. The units overlain the Dedek formation have been regarded as the Kemah group. The stratigraphy of the Kemah group displays differences on southern and northern margins of the basin. They start with the Oligocene (?) Kuşlu and Taşbuiak formations at the base and pass upwards into Lower Miocene Sultanmelek limestone and Kömür formation at the northern part of the basin. The uppermost part of the Kemah group contains the Lower-Middle (?) Miocene Dutlu formation. At the southern margin of the basin, the Kemah group starts with Lower Miocene Sultanmelek limestones at the base and is located on the floor sequence. This unit is conformably followed by Lower-Middle (?) Miocene Tuzla formation. The thick pile of thrust sheets tectonically situated on the basin sediments consists of four different thrust sheets. These thrust sheets, from bottom to top, are Upper Cretaceous Eriç ophiolitic melange, Lower Eocene Karaburun formation, Upper Cretaceous Karadağ basalts and Sütpınar formation. Lower-Middle (?) Miocene and older deposits crop out in the Kemah (Erzincan) region are unconformably overlain by Quaternary Alpköy formation, travertines, slope talus and alluvial deposits. Tectonostratigraphy of the Hafik (Sivas) region located in the central part of the Sivas Tertiary basin has been studied in four different tectonic units separated from each other by main thrusts. Unit I (Bahçecik unit), contains the basement rocks of the northern margin of the Sivas Tertiary basin. Upper Paleocene-Lower Eocene Bahçecik conglomerates rests on Upper Cretaceous Tekelidağı melange unconformably. These unites are overlain by reefal carbonates which form the basal levels of the Lower Miocene Karacaören formation with an angular unconformity. Unit II (Hafik unit) and Unit III (Acıpınar unit) that reflect the stratigraphy of the central part of the Sivas Tertiary basin include the Oligocene (?) Hafik formation characterized by thick gypsium deposits at the base. In both units, the Hafik formation is overlain by shallow marine deposits of Lower Miocene Karacaören formation. In Unit III, the Karacaören formation conformably passes into Lower-Middle (?) Miocene Benlikaya formation.vu The stratigraphical characteristics of the southern margin of the Sivas Tertiary basin are located within Unit IV (Celalli unit). The basement of Unit IV is composed of Middle Eocene Bozbel formation which overlies by the Oligocene Selimiye formation tectonically. Along the contact between the basal units and the Lower Miocene Karacaoren and Lower-Middle (?) Miocene Benlikaya formations include thrust development which dies out towards the south. The Lower-Middle Miocene and older rocks of the Hafik (Sivas) region are overlain by Pliocene İncesu, Quaternary Karacahisar formation, travertines, slope talus and alluvial deposits unconformable Tectonic deformation style of the Sivas Tertiary basin around the Kemah (Erzincan) and Hafik (Sivas) regions is controlled by the thrust systems developed under the N-S compression. As a result of the kinematic analysis of fault-slip data on both regions, the mean movement plane was determined as NNW-SSE direction. The general tectonic transport direction is towards south. However, important northverging thrust systems were also observed. The thrust systems developed in the Kemah (Erzincan) region are located within the multi-phase thrust sequences. Progressive movement of basement rocks located to the northern margin of the basin during Upper Miocene caused to the development of first thrust systems shaped by piggy-back sequence. Thickening and re-folding are thought to be the product of out of sequence thrusts and break-back developments. The indication of thrust development within Quaternary deposits marks the continuation of active shortening in the region. In the Hafik (Sivas) region, the Upper Cretaceous Tekelidağı melange and Upper Paleocene-Lower Eocene Bahçecik conglomerates of Unit I in the northern margin of the Sivas Tertiary basin are located in a northerly dipping imbricated fan system. Southerly movement of thick Oligocene (?) gypsium mass resulted in the development of thick pile of thrust sheets in the central part of the basin. The observation of the contact belonging to the floor thrust between Hafik formation and Upper Cretaceous Tekelidağı melange was confirmed by the occurence of serpentinite lenses along the main thrusts. The observation of gypsium of Hafik formation on the Lower Pliocene incesu formation with a tectonic contact indicate the development of northvergely back- thrusts (Sivas thrust) in Upper Pliocene-Quaternary period.vıu In an attempt in order to determine the total shortening rate using balanced cross-sections in the Hafik (Sivas) and Kemah (Erzincan) regions revealed that in a 12.8 km long deformed cross-section in the Kemah (Erzincan) region, 8.7 km (%40) shortening was calculated (the out of sequence thrusts not included). Whereas, this value was determined as 14.9 km (%44) on a 18.7 km long cross-section for the Hafik (Sivas) region. The shortening rate in the Kemah (Erzincan) region yields up to % 52 when the out of sequence thrusting is included. This means that the easterly narrowing geometry of the Sivas Tertiary basin is consistent with the increasing shortening rate. KEY WORDS: Sivas Tertiary basin, tectonostratigraphy, kinematics, balanced cross- section