Miocene to quaternary geodynamic evolution of the Burdur-Fethiye shear zone, South-Western Turkey

Abstract

Doğu Akdeniz'in tektonik yapısı, aktif bir dalma-batma ve kuzey yönüne doğru ilerleyen okyanusal kabuk üzerinde bulunan küçük sualtı tepeleri/dağlarına dayanmaktadır. Helen Yayı, Anaximander Dağları, Rodos ve Finike basenleri, Batı Toroslar'ın sıkışan güney bölgeleri ve genişlemeli Batı Anadolu grabeni, karmaşık tektonik rejimlerle şekillenen birbiriyle ilişkili tektonik yapılardır. Güneybatı Anadolu'nun yapısal özellikleri ve tektonik evrimi ile ilgili hala hararetli tartışmalar bulunmaktadır. GPS hızları ve depremlerin odak mekanizmaları, Burdur ile Fethiye arasında KD-GB gidişli tek bir transform fay bulunmadığını kanıtlamaktadır. İleri sürünenin tam aksine, normal ve sol yanal oblik atım gösteren yüzlerce küçük fay, doğu Akdeniz tektoniğinde önemli bir rol oynayan güneybatı Türkiye'de bölgesel olarak geniş bir makaslama zonun varlığına işaret etmektedir. Güneybatı Türkiye, Anadolu'nun Kuzey Anadolu Fayı ve Doğu Anadolu Fayı boyunca batıya kaçışı, Helen Yayı'nın geriye çekme (roll-back) etkisine bağlı KD-GB Ege yay ardı genişleme rejimi, Helen ve Kıbrıs yaylarının hareketi ile ilişkili STEP (subduction transform edge propagator) fay zonu ve Batı Toroslar sıkışma bölgesinin etkisi altındadır. Doğu Akdeniz'in Neojen tektonizması Afrika ve Arap levhalarının Avrasya Levhası'na doğru yaklaşması ile ilişkilidir. Afrika Levhası ile Ege-Anadolu Mikrolevhası arasındaki yakınsak sınır iki dalma-batma ile ilişkili yay ile karakterize edilmektedir: batıda Helen Yayı ve doğuda Kıbrıs Yayı. Bu iki yay arasında yaklaşık 400 km atım bulunmaktadır. Helen Yayı'nın altından devam eden dalma-batma, yay ardı bölgesi olan Ege Denizi ve Batı Anadolu'da geç Eosen'den beri gerilmeye neden olmaktadır. Helen ve Kıbrıs yayları arasındaki diferansiyel hareket, iki yayı birbirine bağlayan ve bir STEP fay zonu olarak karşımıza çıkan, dalan levhada bir yırtılma yaratır. Rodos Havzası boyunca kuzeydoğu yönünde ilerleyen STEP fay zonunun devamı güneybatı Anadolu'da, kırılgan kabukta bir makaslama zonu olarak karşımıza çıkar. Bu makaslama zonu Burdur-Fethiye Makaslama Zonu'dur. Burdur-Fethiye Makaslama Zonu kuzeyde Şuhut-Çay ile güneyde Sarıgerme-Gelemiş arasında bulunan, 300 km uzunluğa ve 75 ile 90 km arasında değişen genişliğe sahip olan KD-GB uzanımlı transtansiyonel bir makaslama zonudur. Zon boyunca yükseklikler 0 ile 3000 metre arasında değişmektedir. Zonun batısını Uşak, Büyük Menderes, Muğla ve Marmaris-Rodos blokları, doğusunu ise Batı Toroslar Bloğu sınırlamaktadır. Güneybatı Türkiye genişleme, yanal-atım ve sıkışma tektoniğinin beraber işlediği tektonik olarak oldukça aktif bir bölgedir. Bu bölgenin tektonik gelişimini anlamak oldukça önemlidir, fakat yetersiz yaş verisi nedeniyle tartışmalı bir hal alan Neojen kronostratigrafisi sağlam bir sentez olanağı vermemektedir. Yapılan dikkate değer sayıda çalışma Burdur-Fethiye Makaslama Zonu'nun Neojen stratigrafisi ve gelişimi ile ilgili birbiriyle çelişen pek çok değişik model öne sürmektedir. Burdur-Fethiye Makaslama Zonu üzerinde bulunan Karamık, Eğirdir, Acıgöl, Tefenni, Acıpayam, Çameli, Gölhisar ve Eşen havzaların oluşumu zonun oluşumu ile ilişkilidir. Bu tez çalışmasında detaylı olarak ele alınan zon üzerinde Neojen sedimanlarının en yoğun gözlendiği bölge olan orta kesim Acıpayam, Çameli ve Gölhisar havzalarından oluşmaktadır. Bu bölgede egemen temel kayalar, zonun tamamında da egemen olan Likya Napları'na ait ofiyolitik melanj ve rekristalize kireçtaşlarıdır. Bunun yanı sıra Yeşilbarak Napı'na ait flişler de yer yer gözlemlenmektedir. Bu temel üzerine uyumsuzluk ile alt Miyosen-üst Oligosen yaşlı konglomera ve kumtaşları gelir. Arazi çalışmaları Neojen öncesi temeli uyumsuzluk ile örten iki adet sedimanter istif olduğunu göstermiştir. İlk istif en altta orta-üst Miyosen yaşlı konglomera ve kumtaşlarının egemen olduğu menderes ve örgülü akarsu sedimanlarıyla başlamaktadır. Bu istif yanal ve düşey geçişli olarak üstte kireçtaşı, marn ve kiltaşı gibi gölsel sedimanlardan oluşan üst Miyosen-alt Pliyosen yaşlı birimlere geçer. Bu istifi uyumsuzluk ile örten ikinci istif üst Pliyosen-alt Kuvaterner yaşlı alüvyal yelpaze ortamını işaret eden konglomera, çamurtaşı ve kiltaşından oluşmaktadır. Burdur-Fethiye Makaslama Zonu'nun orta kesiminde bulunan gölsel sedimanların Messiniyen tuzluluk krizi ile ilişkili olarak buharlaşmış bir geç Miyosen göl ortamına ait olduğu düşünülmektedir. Bu çalışma kapsamında Burdur-Fethiye Makaslama Zonu'nun orta kesiminden elde edilen lamproit ve tüf seviyeleri yaşlandırılmıştır. Acıpayam Havzası'nın kuzeyinde bulunan lamproitler bu bölgede genellikle gölsel sedimanları kesmekte ya da üstlerine yerleşmektedir. Bunun yanı sıra gölsel sedimanların alt kesiminde yanal ve düşey geçişli olarak bulunan akarsu sedimanları da lamproitler tarafından lokal olarak kesilmiştir. Ayrıca çalışma alanın güneybatısında gölsel sedimanlar içerisinde bulunan bir tüf seviyesi bulunmuştur. 40Ar-39Ar biyotit ve U-Pb zirkon radyometrik yaşları akarsu sedimanlarının yaşının alt Messiniyen olduğunu göstermiştir. Ayrıca lamproitlerden alınan yaşlar ile gölsel sedimanlar içerisindeki tüf seviyesi korele edilerek bölge için yeni bir kronostratigafi oluşturulmuştur. Bu veriler ve gölsel sedimanların en üst kesiminde bulunan Messiniyen tuzluluk krizini temsil ettiği düşünülen şarap kırmızısı renge sahip kalişli seviyeler dikkate alınarak bölgedeki gölsel sedimanlar üst Miyosen-alt Pliyosen olarak yaşlandırılmıştır. Burdur-Fethiye Makaslama Zonu 1 ile 10 km arasında değişen uzunluklara sahip normal ve oblik ana faylardan oluşmaktadır. Bu ana faylar zonun temelini oluşturan Likya Napı'nın eski faylarının ürünleridir. Zondaki birçok fay KB-GD, KD-GB ve KKD-GGB gerilme/oblik gerilme göstermektedir. Bu durum bölgede birbirine dik iki fay sistemi olduğu anlamına gelmektedir. Zonun orta kesiminde Neojen sedimanlar baskındır ve bu Neojen sedimanları içerisinde birçok küçük ölçekli fay ölçülmüştür. Yapılan kinematik analizler ile KD-GB, KB-GD, KKB-GGD ve KBK-DGD yönelimli stresler gözlemlenmiştir. Bilindiği gibi bölgenin güncel tektoniği Helen Yayı'nın geriye çekme (roll-back) etkisi ile ilişkili KD-GB yönelimli stres ve transtansiyonel makaslamanın neden olduğu KB-GD yönelimli streslerle kontrol edilmektedir. Bu nedenle ana faylar da hep bu doğrultularda gözlemlenmektedir. Bölgeye etki eden hem makaslama, hem içsel rotasyon hem de Anadolu'nun rotasyonu da küçük ölçekli faylardaki stres yönü değişimlerinin başlıca nedenidir. Burdur-Fethiye Makaslama Zonu, Ege genişleme sistemini oluşturan yay-ardı gerilmesi ile Batı Toroslar'ın Akdeniz'e bindirmesi esnasında oluşan geniş bir fermuar gibidir. Bugün, Burdur-Fethiye Makaslama Zonu boyunca sol yanal diferansiyel hareket kuzeyde yaklaşık 3-4 mm/yıl ile güneyde 8-10 mm/yıl olarak değişmektedir. GPS vektörlerine hem paralel hem de dik topografik kesitler ve hız kesitleri oluşturulmuştur. Burdur-Fethiye Makaslama Zonu'nun batı kesiminde kuzeyden güneye doğru hızlarda yüksek bir artış olduğu görülmüştür. Zonun doğu kesiminde ise kuzeyden güneye hız azalması dikkati çekmektedir. Yani batıda topografya düşerken ve hızlar azalırken, doğuda tam tersi bir durum söz konusudur. Bunun nedeni batıdaki gerilme ve doğudaki sıkışma rejimleridir. GPS hızlarına dik alınan kesitlerde de batıdan doğuya doğru hızların düştüğü açıkça görülmektedir. Batı-doğu arasındaki hız farkı kuzeyde azken güneye doğru artmaktadır. Bu durum da bölgedeki makaslamanın bir kanıtı olarak yorumlanabilmektedir. Elde edilen bu verilerin en önemli nedeni Afrika Levhası'nın Helenik Yay'da Batı Anadolu'nun altına dalarken hızlı, Batı Toroslar'da ise yavaşlamış veya kitlenmiş olmasıdır. Bu nedenle de GPS vektörleri ve bunların kara alanındaki dağılımı dikkat çekici hız farkları gösterir. Bu aktif tektonik rejim topoğrafyada da farklılık yaratmaktadır. Bu değişim, GPS hızları ile daha iyi anlaşılan gerilen ve sıkışan bloklar ile arasındaki sol yanal makaslama alanını anlamamızı sağlamıştır. Kinematik fay analizleri ve DEM ve deprem verileri Burdur-Fethiye Makaslama Zonu'nun tek bir ana faydan oluşan bir sistemden ziyade heterojen sol-yanal transtansiyonel bir makaslama zonu olduğunu göstermektedir. Bulgular ayrıca Burdur-Fethiye Makaslama Zonu'nun güneybatı Türkiye'nin saatin tersi yöndeki dönüşü, Ege graben sistemi ve Kıbrıs ve Helen yayları ile ilişkili olarak orta Miyosen'den beri geliştiğini ortaya koymuştur. Zon boyunca bulunan tüm havzalar eski büyük karbonat göllerinin parçalarıdır. Gölsel sedimanlar tüf seviyeleri ile seyrek olarak ardalanma gösteren lamproitler tarafından bölgesel olarak örtülmekte ya da kesilmektedir. Bu tez kapsamında, Acıpayam Havzası'nın kuzey kesiminde gözlemlenen lamproitlerden ve Çameli Havzası'nın güneybatısında bulunan bir tüf seviyesinden elde edilen 40Ar-39Ar biyotit ve U-Pb zirkon radyometrik yaşları daha önceki çalışmalarda Pliyosen olarak yaşlandırılan sedimanların orta Miyosen yaşlı olduklarını kanıtlamıştır. Burdur-Fethiye Makaslama Zonu üzerinde oldukça fazla sayıda antik şehir bulunmaktadır ve bu antik şehirlerin çoğu eski depremlerde önemli ölçüde zarar görmüştür. Bu antik şehirlerde biri de Kibyra antik şehridir. Kibyra antik şehri ve çevresinde yapılmış önceki çalışmalar şehrin Kibyra Fayı olarak adlandırılan bir fay tarafından hasar gördüğünü kabul etmektedir. Fakat, bu şehre en yakın fay şehrin batı kesiminde bulunmaktadır ve şehirde meydana gelen deprem hasarının nedeni büyük olasılıkla yer sarsıntısıdır. Bu tez kapsamında Kibyra Fayı olarak adlandırılan fayın varlığı arazi çalışmaları, jeoloji haritaları, trenç verisi, sayısal yükseklik modeli ve jeomorfolojik analizlerin birleştirilmesi ile tartışılmıştır. Sonuç olarak, önceki çalışmalarda tanımlanan, Kibyra antik kentinin kuzey kesimindeki Çamköy'den başlayıp, antik kentin stadyumunu keserek güneydeki Yusufça'ya ilerleyen, yaklaşık 35 km uzunluğa sahip sol yanal Kibyra Fayı'nın aslında var olmadığı anlaşılmıştır. Bu tez çalışması, Helen ve Kıbrıs yayları arasında bulunan STEP fayının kıtasal alanda devamı olarak izlenen derin yapıların, kırılgan kabuk üzerinde makaslama zonu olarak etkili olabileceğini göstermektedir. Burdur-Fethiye Makaslama Zonu bu kompleks alanın ortasında bulunmaktadır. Sonuç olarak, yeni arazi verileri, kinematik fay analizleri, DEM ve deprem verileri ve yeni 40Ar-39Ar biyotit ve U-Pb zirkon radyometrik yaşları Burdur-Fethiye Makaslama Zonu'nun oluşmasına ve gelişmesine neden olan tektonik aktiviteyi kontrol eden etmenleri ve zonun oluşumunun başlangıç zamanını ortaya koymuştur. Buna ek olarak, bu tezin amacı kapsamında Kibyra Fayı örneği üzerinden gidilerek aktif fay çalışmalarına farklı bir bakış açısı kazandırılmış ve aktif olduğu öne sürülen her fayın sosyo-ekonomik koşulları etkileyici yönleri olduğuna dikkat çekilerek çalışmaların bu titizlikle yapılması gerektiği vurgulanmıştır.

The tectonic framework of the eastern Mediterranean is based on an active subduction and small underwater hills/mountains on the oceanic crust moving toward the north. The Hellenic Arc, the Anaximander Mountains, the Rhodes and Finike basins, the compressional southern regions of the Western Taurides, and the extensional western Anatolian graben are the main interrelated tectonic structures that are shaped by the complex tectonic regimes. There are still heated debates regarding the structural properties and tectonic evolution of the southwestern Anatolia. GPS velocities and focal mechanisms of earthquakes demonstrate the absence of a single transform fault across the Burdur-Fethiye region; however, hundreds of small faults showing normal and left-lateral oblique slip indicate the presence of a regionally extensive shear zone in southwestern Turkey, which plays an important role in the eastern Mediterranean tectonics. The 300-km-long, 75-90-km-wide NE-SW-trending Burdur-Fethiye Shear Zone developed during the formation of Aegean back-arc extensional system and the thrusting of Western Taurides. Today, the left-lateral differential motion across the Burdur-Fethiye Shear Zone varies from 3 to 4 mm/yr in the north to 8-10 mm/yr in the south. This finding could be attributed to the fact that while the subduction of the African Plate is relatively fast beneath the western Anatolia at the Hellenic Trench, it is slow or locked beneath the Western Taurides. Therefore, the GPS vectors and their distributions on land indicate remarkable velocity differences and enable us to determine the left-lateral shear zone located between the extensional and compressional blocks. Furthermore, this active tectonic regime creates differences in topography. Southwestern Turkey is a tectonically active region where extensional, strike-slip, and compressional tectonics cooccur. Understanding the tectonic evolution of this region is crucial, but the controversial Neogene chronostratigraphy does not allow robust synthesis because of poor age control. A considerable number of studies suggested contradictory models of the evolution and Neogene stratigraphy of the Burdur-Fethiye Shear Zone. The Burdur-Fethiye Shear Zone includes several basins: the Karamık, Eğirdir, Acıgöl, Burdur, Tefenni, Acıpayam, Çameli, Gölhisar and Eşen basins. The field observations in this thesis revealed two distinct sedimentary sequences that unconformably overlie the pre-Neogene basement. The first sequence begins with middle-upper Miocene meandering- and braided-river sediments which transition upward into lacustrine sediments of the upper Miocene-lower Pliocene. This sequence is overlain by upper Pliocene-lower Quaternary alluvial fan conglomerates, mudstones and claystones. The basin deposits located along the Burdur-Fethiye Shear Zone consist of lacustrine sediments of a late Miocene lake that likely evaporated due to the Messinian salinity crisis. Fault kinematic analysis and DEM and earthquake data indicate that the Burdur-Fethiye Shear Zone can be characterized as a heterogeneous left-lateral transtensional shear zone rather than a major fault system. The findings also suggest that the Burdur-Fethiye Shear Zone developed under the influence of progressive counterclockwise rotation of south-western Turkey, the Aegean graben system and the Cyprus and Hellenic arcs since the middle Miocene. All these basins represent restricted portions of ancient larger carbonate lakes. In the middle section of the zone, the lacustrine sediments are locally covered or cut by lamproites with sparse intercalations of tuff levels. New 40Ar-39Ar biotite and U-Pb zircon radiometric ages from volcanics and a tuff layer in this thesis demonstrate that the previously suggested Pliocene ages for these sediments are incorrect and that these Neogene sediments are middle Miocene in age. A large number of ancient cities lie on the Burdur-Fethiye Shear Zone and many of them have been damaged by ancient earthquakes. One of these ancient cities is the ancient city of Kibyra. Most of previous studies suggest the Kibyra Fault depending on the damage in the city. However, the closest fault is located on the western side of the city and the earthquake damage was most likely caused by ground shaking. In this thesis, the existence of the supposed Kibyra Fault is discussed by integrating field studies, geological maps, trench data, digital elevation model and geomorphological analysis. In conclusion, it is understood that there is no evidence directly indicating a 35-km-long left-lateral fault in this region. This thesis project demonstrates how deep structures, such as the continuation of the subduction transform edge propagator (STEP) fault between the Hellenic and Cyprus arcs in the continental area, can come into play as a shear zone on the brittle crust. The Burdur-Fethiye Shear Zone is located in the middle of this complex area. New field data, fault kinematic analyses, DEM and earthquake data and new 40Ar-39Ar biotite and U-Pb zircon radiometric ages are presented to characterize the tectonic controls. In addition, the aim of this thesis is to examine the existence of the Kibyra Fault, take a different approach to the active fault studies and emphasise the importance of active faults for socio-economic conditions.