Long term deformation and earthquake history of the Ovacik fault (Eastern Turkey): Implications and contributions to the intra-plate deformation of Anatolia

Abstract

Avrasya ve Arabistan levhalarının çarpışma sonrası birbirlerine yakınlaşmaya devam etmeleri ve Hellenik yay boyunca Afrika'nın Avrasya levhasının altına dalması Anadolu'nun deformasyonunu etkileyen iki ana tektonik unsurdur. Anadolu Bloğu'nun Avrasya'ya göre batıya doğru saat yönünün tersinde rotasyonal hareketi, Kuzey ve Doğu Anadolu Makaslama Zonları (KAMZ ve DAMZ) tarafından karşılanmaktadır. Anadolu ve çevresi, doğrultu atımlı tektoniğin (Orta Anadolu 'ova' Neotektonik Bölgesi), gerilmeli tektoniğin (Batı Anadolu Gerilme Bölgesi) ve sıkışmalı tektonik rejimin (Doğu Anadolu Kısalma Bölgesi) baskın olduğu hemen hemen her türlü yapısal unsuru bünyesinde barındırmaktadır. Levha sınır elemanları olan KAMZ ve DAMZ'na ek olarak, Anadolu'nun içinde birçok KD-doğrultulu sol yanal ve KB-doğrultulu sağ yanal doğrultu atımlı fay bulunur. Neredeyse tüm tektonik yapıların toplam deformasyonu paylaşması, Anadolu ve içinde bulunan her bir yapısal unsuru levha içi deformasyonu çalışmak için yerbilimleri açısından oldukça ilgi çekici hale gelmektedir. Mikrosismisite de, Anadolu Bloğu'nun iç kısmının önemli ölçüde deformasyona sahip olduğuna işaret eder. Aletsel deprem kayıtları, mekansal olarak ayrıntılı bilgi verir, ancak fayların uzun süreli deformasyonunu göz önüne aldığımızda, yalnızca yeryüzü dinamiğinin anlık görüntüsünü temsil eder. Bu nedenle, palaeosismisite, levha içi bölgelerin uzun süreli deformasyonunu anlamak adına zamansal kontrol sağlayan önemli veri kaynaklarından biridir.Anadolu Bloğunun doğu sınırına yakın yerde bulunan KD doğrultulu birbirine parallel iki sol yanal doğrultu atımlı fay (Malatya-Ovacık Fay Zonu ve Orta Anadolu Fay Zonu) diKkat çekmektedir. Bunlardan özellikle Malatya- Ovacık Fay Zonu'nun, Doğu Anadolu Fayından daha önce Anadolu bloğunun doğu sınırını oluşturduğu önceki çalışmalarda iddia edilmiştir. Bu durum Malatya-Ovacık Fay Zonunu Anadolu'nun deformasyon mekanizmasını anlamak için çok değerli kılmaktadır. Malatya-Ovacık Fay Zonu'nun kuzeydoğu üyesi olan Ovacık Fayı (OF), Anadolu Bloğu'nun doğu sınırına yakındır. Topoğrafya üzerinde OF'nin oldukça belirgin bir izi olmasına rağmen, sadece tek bir noktada belirlenmiş jeolojik kayma hızı bulgusu dışında aktif tektonik özellikleri haKkında çok az bilgi bulunmaktadır. Bu tez, fay deformasyon dağılımını ve karakterini anlamak için doğrultusu boyunca jeoloji, tektonik jeomorfoloji ve paleosismolojik çalışmaları kapsar. Bölgenin jeolojisi, stratigrafinin en altında bulunan Keban metamorfikleri (PzMzk) ile başlar. Keban metamorfikleri çalışma bölgesinde yoğun dağılım gösteren ve genelde kalın mermerden oluşan bir birimdir. Daha önceki çalışmalar bu birim içerisinde Perian- Triyas aralığında fosil bulmuş olsalarda bu çalışmada Keban metamorfikleri içerisinde hiç fosil bulunamamıştır. Bu metamorfikler olistostromal fasiyesteki Kemaliye Formasyonu (Kk) tarafından uyumsuz olarak örtülür. Kemaliye Formasyonu bölgenin en karmaşık birimidir. Özellikle Kemaliye bölgesinde vadilerin tabanında yeşilşist fasiyesinde metamorfizma geçişmiş kalsi-türbiditler görülürken bazı yerlerde olistostrom blokları gözükmektedir. Birimin çok fazlı deformasyano uğraması birimi daha karşık yapmaktadır. Munzur kireçtaşı (Mzm) bu iki birim üzerine bindirme fayı ile gelmiş, Kretase ofiyolitlerinin (COp) güney yönlü bindirmesi ile de üzerlenmiştir. Bölgenin en karakteristik birimi olan Munzur kireçtaşı resifal kireçtaşından pelajik kireçtaşına giden transgressif bir seridir. Birim genelde masif olarak gözükmekte ve kesintisizbir istif sunmaktadır. Kratese yaşlı ofiyolitik istif ise Munzur ve daha yaşlı birimler üzerine güney verjanslı bindirmektedir. Esas olarak kireçtaşı ve ince kırıntılı kayaçlar içeren Tersiyer örtü çökelleri (Tc) tüm eski birimler üzerinde uyumsuz olarak yer alır. Bütün bu birimler, Çöpler granitoyidlerinin (g) sokulumu ile kesilir. Çalışma bölgesinin güneybatı kısmında yaygın olarak bulunan Yamadağ Volkanik Kompleksi (Ty), bazaltlar, andezitler ve doleritlerden oluşmaktadır. Ovacık Havzası, bölgenin en genç birimleri olan Kuvaterner yaşlı çökellerden (yamaç molozları (Qd), alüvyal yelpaze çökelleri (Qaf), morenler (Qm) ve akarsu çökelleri (Qal)) oluşur. Çalışma bölgesi, çok fazlı deformasyon etkisi ile kıvrımlanmış ve faylanmıştır. Genelde baskın olan açık kıvrımlanma eksen çizgisi D-KD yönüne doğru dalımlıdır. Bölgede bulunan faylar genelde yoğun deformasyondan ötürü tekrar aktive olmuştur. Bunların izleri birbirini kesen fay çizikleri ile belirlenmiş ve kesen kesilen ilişkisişne göre de aralarındaki ilişki anlaşılmaya çalışılmıştır. Bunlara ek olarak, her bir birim için ayrı ayrı bulunan M-düzlemlerinin kutupları hem oblik hem de doğrultu atımlı tektonizmanı varlığını gösterdiği söylenebilir.Ovacık Fayı ve çevresindeki alan boyunca deformasyonu karakterize etmek için hipersometrik eğri ve integral (HI), boyuna kanal profilleri, kanal dikliği ve konkavitesi (ksn, θ), Vadi tabanı genişlik – yükseklik oranı (Vf) ve dağ ön eğriliği (Smf) gibi jeomorfik indeksler kullanarak tektonik jeomorfolojisi çalışılmıştır. Kullanılan bu jeomorfik indisler genelde düşey atımlı faylar için kullanılsa da doğrultu atımlı faylarda oluşan ve deformasyon karakterini belirten düşey hareketler için önemli bir araçtır. Bu indisler sonucunda çıkan rakamlar daha önceki çalışmalara göre yorumlanmış ve fay segmentlerine göre sınıflandırılmıştır. Bu indisler bir bölgenin topoğrafyası üzerinde hakim olan süreçleri belirtir. `Genç yaş` topografyasının tektonik yükselme hakimiyetini işaret eden yüksek hipersometrik integral (HI), diklik ve konkavlık değerleri (ksn, θ), genellikle doğuda (Munzur Dağları boyunca) ve batıda, Kemaliye Bölgesi'ne işaret eder. Fakat Munzur Dağları'nın morfolojisi, paleo- ve neo-tektonik yapıların ve paleoglacial ve karstik süreçler gibi diğer morfolojik faktörlerin etkisi altında şekillenmiştir. Bu yüzden Kemaliye Bölgesi'ndeki buzul ve karstik yapıların Munzur Dağları'na oranla daha az olması, bu bölgenin daha çok tektonik kuvvetlerin etkisi ile şekillendiği yorumuna varılabilir. Kemaliye bölgesindeki bu tektonik yükselim fayın geometrisindeki değişime (sıkışmalı büklüm) ve Malatya Fayı ile etkileşiminden meydana gelir. Ayrıca Ovacık Havzası ve Munzur dağları arasında kalan drenaj alanı için dağ önü eğriliği ve vadi taban yükseklik-genişlik indisleri kullanıldı. Bu indisler Ovacık Havzasının hem kuzey hem güney kolunda ikitoplamda dört farklı segment üzerinde hesaplandı. Bazı çalışmalar bu iki indisi kullanarak özellikle dağ önü havzalarında düşey yükselimi hesaplamakta kullanıldığını göstermektedir. Bu yaklaşımdan yola çıkarak hesaplanan Vf ve Smf değerleri ile Ovacık Havzasının kuzey sınırının yıllık 0.5 mm 'lik bir yükselime sahip olduğu hesaplanmıştır.Bölgenin sıkışmaya bağlı tektonik yükselimi sadece jeomorfik indislerle değil, aynı zamanda Yukarı Yuvacık hendek yerinde yapılan paleosismolojik çalışmada yüzeylenen yapılar da dikkati çeker. Bu hendek alanı, anakaya ile sınırlandırılan iki adet taraça ve bir adet alüvyal fan içeren çizgisel bir vadi içerisindedir. Ovacık Fayı üzerinde kaydelilmiş 6 üstü bir deprem bulunmamaktadır. Fakat tüm büyüklüklere baktığımızda OF boyunca aktivite olduğu görülmektedir. Deprem kayıtlarının tarihi yaklaşık 100 yıldan öteye gidemeyeceği için paleosismoloji çalışması çok önem kazanmaktadır. Bu kapsamda 18 metre boyunda 2.5 metre derinliğinde ve 1.5 metre genişliğinde Yukarı Yuvacık hendeği açılmıştır. Hendeğin doğu duvarının 8 metresi haritalanmıştır. Diğer kısımlar fay zonundan çıkan su yüzünden çökmüştür. OF boyunca yapılan bu ilk paleosismolojik çalışma, fluvial çökeller içinde üç farklı eski deprem kayıtlarını ortaya çıkartmıştır. Stratigrafik tabakaların radyokarbon tarihlendirilmesi ile belirlenen eski deprem tarihleri sırası ile hasaplanmıştır. Toplanan 16 yaştan stratigrafiye uygun olan 6 yaş kullanılmıştır.Bu yaşlar Oxcal yaş modelinde kullanılarak eski deprem seviyelieri için aralık bulundu. En genç olay M.Ö. 56 yılından sonra meydana gelmiştir. Bu olay sınırı için üstten sınırlayan bir yaş olmadığından sadece alt sınırına bağlı bir yorum yapılır. İkinci eski deprem olayı ise M.Ö. 2950 – 1600 yılları arasında meydana gelmiştir. Bu hendek çalışmasında belirlenen en yaşlı eski deprem olayı ise M.Ö. 4700- 3022 yılları arasında meydana gelmiştir. Bu yaşlar ile birlikte hesaplanan ortalama deprem tekrarlanma aralığı 2400 ± 765 yıl olarak bulunmuştur. Bu bulgu, OF'nin daha önceki düşüncelere göre daha yüksek bir sismik potansiyeli olduğunu gösterir. Bölgede morfolojik olarak en belirgin yapılardan biri olan Karasu Nehri doğrultusu boyunca birçok sol yanal büklümler göstermektedir. Bu büklümler hem ana fay kolları hem de özellikle Kemaliye bölgesinde bulunan tektonik çizgisellikler ile karşılanmaktadır. Bu büklümler kuzeyden güneye sırası ile 2.4 ± 0.4 km, 2.45 ± 0.65, 1.1 ± 0.1 km and 8.75 ± 2.05 km olarak hesaplanmıştır. Bu ölçümlerden yola çıkarak Karasu Nehrinin toplam atımı yaklaşık olarak 14.5 km olarak hesaplanmıştır. Bu toplam atımın, Pliyosen yaşlı Karasu Nehrine oranı yaklaşık 2.5 mm/yıl olarak hesaplanmıştır. Hesaplanan kayma oranı fayın tek kol olduğu doğu kısmında da benzer olarak bulunmuştur. Bu oranlar bize Ovacık Fayı boyunca toplam deformasyonun sabit kaldığını, doğuda tek bir kol üzerinde batı tarafında ise birbirine parallel kollar tarafından paylaşıldığını göstermektedir. Bunlara ek olarak, OF'nin Anadolu'nun deformasyonu içindeki rolü ve diğer levha içi yapılarla olan ilişkisi bu bloğun iç eformasyon özelliklerinin anlaşılması için büyük önem taşır. OF ve buna paralel diğer levha-içi faylar, belirli bir noktada doğrultusunu değiştirip sıkışmalı bir bileşen kazanır. Bu rotasyonel kuvvet Avrasya ve Arap levhalarının çarpışması sonucu oluşan yüksek konverjan yamulma zonlarının etkisi ile olabilir (Şengör et al., 1985). Bunun yanısıra Anadolu Bloğu içerisinde bulunan diğer doğrultu atımlı faylar (Orta Anadolu Fay Zonu, Tuz Gölü Fay Zonu) hem kayma miktarı hem de deprem tekrarlanma aralığı bakımından Ovacık Fayından daha yavaş olarak çalışmaktadır. Bu durum Orta Anadolu 'ova' neotektonik bölgesinin kendi içerisinde doğuda daha yoğun deformasyona sahip olduğunu, batı sınırına yaklaştıkça hem deformasyon yoğunluğunun düştüğünü hem de deformasyon karakterinin sıkışmalıdan gerilmeliye geçtiğini göstermektedir.Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, OF'nin Anadolu Bloğu içinde aktif sismojenik sol yanal doğrultu atımlı bir fay olduğunu gösterir. OF'nin doğrultusu boyunca, her türlü yerel gerilmeler ve sıkışma alanları, fayın geometrisi ve diğer fay kolları ile etkileşimi olduğu yerlerde görülür. Deformasyon karakteri çeşitli olsa da, toplam deformasyon, kuzeydoğu kısmında tek fay kolu ile taşınırken, batı kısmında birbirine paralel/yarıparalel kollar tarafından paylaşılmaktadır.Bu fay üzerinde yapılan ilk paleosismolojik çalışmada son 7 bin yılda 3 farklı deprem seviyesi belirlenmiş ve deprem tekrarlanma aralığı olarak 2400 ± 765 yıl olarak bulunmuştur. Ovacık Fayı ve Anadolunun diğer levha içi fayları sınır koşullarından gelen deformasyonu heterojen olarak taşımakta ve Anadolu içerisindeki deformastyonu kataklastik akma olarak taşımaktadır.

The post-collisional convergence between the Eurasian and the Arabian plates and the subduction along the Hellenic Trench (the Eurasian and the African plates) lead to the deformation of Anatolia. The Anatolian Block in which the westward escape tectonics with respect to Eurasia is accommodated along the North and East Anatolian shear zones (NASZ and EASZ). Anatolia incorporate almost all kind of structural elements from strike-slip dominated (especially in the Central Anatolian 'ova' Province) to extensional (the Western Anatolia Extensional Province) and compressional (the Eastern Anatolia Province of Shortening) tectonic features within this complex tectonic regime. In addition to plate boundary elements, the NASZ and the EASZ, Anatolia is internally deformed by many NE-striking sinistral and NW-striking dextral faults. Moreover, all tectonic elements in the Anatolian Block, which all carry certain amount of deformation, give an opportunity to study the intra-plate deformation of this particular place. Microseismisity also indicates that the interior of the Anatolian Block has a considerable degree of deformation. The instrumental seismicity represents spatially a detailed, but only a screenshot of the earth's dynamics when we consider the long history of faults. Therefore, any data about palaeoearthquakes provide a temporal control on the behaviour of active tectonic structures, which is important on understanding the long-term deformation of intra-plate regions.The Ovacık Fault (OF), which is the northeastern member of the Malatya-Ovacık Fault Zone (MOFZ), is close to the eastern boundary of the Anatolian Block. Although the tectonic geomorphology is very impressive along the OF, this fault is just poorly known in terms of active tectonics except geodetic and geologic slip rate estimates. This study covers geology, tectonic geomorphology along the strike of the fault and a palaeoseismological study to understand the distribution and character of the deformation along and around this particular structure. The geology of the region starts with the Keban metamorphics (PzMzk) at the bottom of the stratigraphy, which is unconformably overlaid by olistostromal facies of the Kemaliye Formation (Kk). The Munzur Limestone (Mzm) is thrusted over to both of these units while it is overlain by the south vergence thrust of the Cretaceous ophiolites (Cop). The Tertiary cover deposits (Tc), which include mainly limestones and fine grain clastic rocks, unconformably overlies all older units. All of these units are cut by the intrusion of the Çöpler granitoids (g). The Yamadağ Volcanic Complex (Ty), which widely spreads at the southwestern part of the study region, is composed of basalts, andesites and dolerites (Fig. 3.2). The Quaternary sediments such as debris flow deposits (Qd), alluvial fan deposits (Qaf), morains (Qm) and alluvium (Qal) have best exposures in the Ovacık Basin. The region is affected by polyphase deformation processes, which lead to the formation of folding and faulting. The open folds generally have hinges that plunge to the E-NE. Moreover, according to poles of M-planes, I identified at least two different deformation phases, which can be summarized to be oblique and strike slip dominated. I also studied the tectonic geomorphology by using geomorphic indices (such as hypsometric curve and integral, longitudinal channel profiles, channel steepness and concavity and mountain front sinuosity) to characterize the deformation along the OF and the surrounding region where the regional morphology was shaped with a joint-effect of palaeo- and neo-tectonics and other morphological factors such as palaeoglacial processes. The highest hypsometric integral (HI), steepness and concavity values, which indicates the 'young age' topography related with the uplift, generally occur along the Munzur Mountains in the east and around the Kemaliye Region in the west. The high HI and steepness at the Kemaliye Region, where there is negligible evidence for palaeoglacial and karstic activity, is interpreted to be the result of tectonic uplift. This sudden tectonic uplift of the Kemaliye Region is based on the change of the fault's strike, which generates a transpressional setting. This compressional deformation is not only expressed within the geomorphic signals in the steepness and concavity analyses, but it is also well defined with kinematic features along fault surfaces and the exposure of a single palaeoseismological trench at Yukarı Yuvacık Site. This trench site is morphologically characterized by a linear valley with at least two terrace treads, which are delimited from the bedrock at each side of the valley. This first palaeoseismological study along the OF reveals three palaeoevents in the last 7000 years within the fluvial sediments. Radiocarbon dating of stratigraphic layers yields an average recurrence of eathquakes 2400±765 years, which suggests a higher seismic potential for the OF than the previous suggestions. Furthermore, the main motivation is to understand the role of the OF in the deformation of Anatolia together with other intra-plate structures. Although there are still many gaps, one of the most possible mechanism can be the existence of a higher convergence strain zone as a result of convergence between Eurasia and Arabia, which does not only rotate the strike of the OF, making it to gain a compressional component of motion, but also affect other parallel/sub-parallel fault zones in the same sense (Şengör et al., 1985; Zabcı et al. submitted).In summary, the results of my study simply suggest that the OF is an active seismogenic sinistral strike-slip fault with an average recurrence of earthquakes 2400±765 years within the Anatolian Block. Along the strike of the OF, it shows all type of tectonic structures from strike slip to extensional and compressional due to the geometric changes in the fault's strike. Although the deformation character varies, the cumulative deformation, which slip rate is calculated as approximately 2.5 mm/yr from the age and offset of the Karasu River, is constant along all length of the fault.The OF and other intra-plate faults of the Anatolian Block carry the whole deformation, which penetrates from boundary condition, heteregeously and creates big scale cataclastic flow as deformation mechanism of Anatolia.