Modeling the Structural Evolution of the Detachment Faults at Western Anatolia Back Arc System

Abstract

Extensional tectonics in the western Anatolia-Aegean region feature exhumation of the metamorphic core complexes that is accommodated by low angle normal (detachment) fault systems. Specifically, the central Menderes massif contains two symmetrically developed outward facing (Gediz and Büyük Menderes) detachment faults, which accommodated large scale displacements. Additionally, there are many younger high-angle normal faults in conjunction with the initiation of extension and synextensional magmatism since the Early Miocene. The standard fault mechanical theory does not allow such orientations, the occurrence of these faults at low angle and the seismicity on them are still not well-understood. Here, we investigate the evolution of the normal fault systems on lithospheric scale using thermomechanical forward models. We employ the numerical finite element code ASPECT to compute the visco-plastic deformation within a model domain that is 500 km wide and 165 km deep. The initial condition of our model is designed to reproduce the first-order lithospheric structure at the onset of Western Anatolia extension approximately 20 million years ago and consists of an upper crust (25 km thick) with wet quartzite rheology, a lower crust (25 km thick) with wet anorthite rheology, and a mantle lithosphere (30 km thick) with dry olivine rheology. We conduct two model suits where we investigate the impact of key parameters within a plausible range: (1) we vary the extension velocities imposed on the margins of the model boundary from Vext = 1- 4 cm/year full rate. (2) we vary the friction strain weakening factor of the upper crust (fc = 0.1 to 0.5). Our models show that these two parameters directly control the initial dip angle and development of the normal faults. We find that major faults are formed initially at 50-52° dip but evolve towards shallower dipping angles, 10-15°, because of the isostatic adjustment due to thinning/exhumation of the crust. The sequentially tilted faults on where slip can no longer be accommodated are abandoned and left behind as inactive low angle fault surfaces. Basin ward migration of newer fault is formed in the hanging wall to accommodate strain. The tectonic evolution of the central Menderes region is best reproduced in our reference model with a friction strain weakening factor of 0.2 and an extension rate of Vext = 3 cm/yr. Namely, this model agrees well with the detachment faults shallowing dip angles, outward facing faults and symmetry with respect to the central Menderes massif. In addition, the exhumed massif has a dome shaped structure and the distance to one another (80 km) is comparable to those of Western Anatolia. Also, high angle normal faults are formed above the detachment faults, typical for Gediz and Büyük Menderes grabens. When the friction strain weakening factor of the upper crust and extension rates are changed, differences in these structural elements are observed. We conclude that our reference model supports the two rolling-hinge detachment system separated by elongated metamorphic domes with fold axes perpendicular to the direction of extension.

Ege ve Batı Anadolu bölgesinin Helenik yitim zonunun geri çekilmeye başlamasının etkisi ile birlikte genişlemekte olduğu uzun zamandır bilinmektedir. Yapılan GPS çalışmalarından elde edilen bilgilere göre, bölgenin yıllık olarak yaklaşık 2 ile 3 santimetre genişlediği bilinmektedir. Bölgede yapılan birçok çalışma olup, geniş alanlarda görülen sismik anomaliler, horst-grabenler, sıyrılma fayları, magmatizma ve içerdiği metamorfik çekirdek kompleksler nedeni ile birçok araştırmacının dikkatini çekmiştir. Özellikle Menderes Masifi'nde, büyük ölçekli yer değiştirmeleri barındıran birbirine simetrik olarak gelişmiş iki sıyrılma fayı (Gediz ve Büyük Menderes) yer almaktadır. Ayrıca, erken Miyosen'den bu yana genişlemenin ve magmatizmanın başlaması ile bağlantılı olarak çok sayıda genç yüksek açılı normal fay da görülmektedir. Standart fay teorisi fayların düşük açıda oluşmasına olanak sağlamaz, sadece 45° üzerinde oluşabileceğini söyler. Bu nedenle fayların oluşum mekanizması, bugünkü açılarına nasıl ulaştıkları ve sismisiteleri hala tartışmalıdır. Bu konuda da oldukça fazla çalışma ve önerilmiş teoriler bulunmaktadır. Yapılan sismisite çalışmalarına bakıldığında 30° ve altında olan fayların sismisitesinin çok az, 15° ve altındaki faylarda ise neredeyse hiç olmadığı görülür. Dolayısı ile bölgedeki yüksek sismisitenin, sıyrılma faylarının üzerinde gelişmiş olan yüksek açılı normal faylardan dolayı kaynaklandığı söylenebilir. Bölgede yapılan alıcı fonksiyon çalışmalarında, Batı Anadolu'nun altında Moho derinliğinin 25-30 kilometre olduğu söylenebilir. Buna ek olarak, aynı zamanda Moho'nun ondulasyonlu bir yapıya sahip olduğu görülür. Yapılan fizyon iz tarihlendirme çalışmalarında, bölgedeki düşük açılı sıyrılma faylarının, yüksek açılı olarak oluştuğu ve devam eden zamanda açılarının düştüğü söylenmiştir ve oluşum açılarının yaklaşık olarak 50° ve 60° olduğu ileri sürülmüştür. Batı Anadolu için önerilen model iki kollu Rolling-hinge mekanizmasıdır. Bu mekanizmaya göre, açılmaya bağlı olarak birbirine simetrik olarak gelişen iki yüksek açılı fay gelişmektedir. Açılmanın ilerleyen aşamalarında izostatik dengeye cevap olarak yükselen taban bloğu ile yüksek açılı normal faylar zamanla düşük açılı normal faylara dönmektedir. Ek olarak, yeni yüksek açılı normal faylar bu düşük açılı normal fayların üzerinde oluşmaktadır. Yükselmeye bağlı olarak derinlerdeki metamorfik kayalar da yüzeye çıkmaktadır. Dolayısı ile önerilen iki kollu rolling-hinge mekanizması, Batı Anadolu'da yer alan sıyrılma faylarının ve metamorfik çekirdek kompleksin oluşumunun ve gelişiminin anlaşılmasında oldukça açıklayıcıdır. Bu çalışmada, litosferik ölçekte termo-mekanik modeller kullanarak normal fay sistemlerinin gelişim mekanizması açıklanmaktadır. Çalışmada model genişliği 500 km, derinliği 165 km seçilmiş ve visko-plastik deformasyonu hesaplamak için sayısal sonlu elemanlar kodu olan ASPECT kullanılmıştır. Model sağ ve sol köşelerinden eşit miktarda açılmaya uğratılmıştır ve bu açılmaların toplamı, toplam açılma hızına eşittir. Çıkan malzemelerin yerine, modelin alt sınırından astenosfer girişi yapılmıştır. Modellerin başlangıçtaki durumu, yaklaşık 20 milyon yıl önce Batı Anadolu ile uyumlu litosferik yapıyı yeniden üretecek şekilde tasarlanmıştır. Bu modelde, 25 km kalınlığında bir üst kabuk (ıslak kuvarsit), 25 km kalınlığında bir alt kabuk (ıslak anortit) ve 30 km kalınlığında bir manto litosferi (kuru olivin) oluşturulmuştur. Toplamda 50 kilometrelik kalın bir kabuk kullanılmasının nedeni, açılmadan önce bölgenin bir çarpışma kuşağında yer almasıdır. 30 kilometrelik ince manto litosferinin kullanılmasının nedeni ise, çarpışmadan sonra kalınlaşan manto litosferinin bir kısmının gravitasyonel etkiler altında kalarak koptuğunun söylenmesidir. Anahtar parametrelerin uygun bir aralıktaki etkisini araştırdığımız iki model takımı belirlenmiştir. Bunlar: (1) Modellerdeki açılma hızlarını Vext = 1- 4 cm/yıl arasında, (2) Üst kabukta zayıflama faktörünün 0.1 ile 0.5 arasında değişen parametrelerden oluşturulmuştur. Modelleme çalışmasında üst kabuk için kırılgan, diğer katmanlar için sünek davranış kullanılmıştır. Herhangi bir zayıf zon ya da daha önceden oluşmuş bir fay kullanılmamış olup, sadece genişleme tektoniğinin fay gelişimindeki etkisine bakılmıştır. Modellerde bu iki parametrenin doğrudan fayların oluşum açılarını ve gelişimlerini kontrol ettiği görülmüştür. Modelin ortasında birbirine simetrik olarak gelişen yüksek açılı normal faylar gözlemlenmiştir. Bu ana faylar 50-52° ile oluşup, kabuğun açılmasına bağlı olarak gelişen izostatik dengeye cevap olarak yükselen alt kabuğa bağlı olarak, açıları 15-20°'ye kadar düşmektedir. İlerleyen zaman adımlarında bu sıyrılma faylarının üzerinde yeni yüksek açılı normal faylar gelişmektedir. Menderes Masifi'nin tektonik evrimine en uygun olarak, sürtünme katsayısının 0.2 ve açılma hızının Vext = 3 cm/yıl olduğu model referans model olarak seçilmiştir. Bu modelde, Menderes Masifi'ndeki sıyrılma faylarının bugünkü eğim açılarına ve simetrilerine uyum sağladığı ve yükselen masifteki dom yapısı ile Batı Anadolu ile örtüştüğü görülmüştür. Yapılan sismik yansıma çalışmalarında da görüldüğü gibi, ana sıyrılma fayının üzerinde yeni gelişen yüksek açılı normal faylar modellerde de gözlenmektedir. Ayrıca Moho derinliği ve ondulasyonlu yapısı, yapılan alıcı fonksiyon çalışmaları ile uyum içinde bulnmuştur. Bunlara ek olarak, başlangıç açıları yapılan fizyon iz tarihlendirme çalışmalarına uygundur. Referans model, Batı Anadolu için önerilen, kıvrım eksenleri açılma doğrultusuna dik olan metamorfik domlar ile ayrılan iki taraflı 'rolling hinge' mekanizmasını desteklemektedir. Şu ana kadar yapılan modellerde, zayıflama faktörünün fayların simetrisi ya da asimetrisini kontrol eden ana mekanizma olarak bulunmamıştır. İleride yapılacak olan yeni modeller, bölgenin ve sıyrılma faylarının anlaşılmasında bize daha da yardımcı olacaktır.