Geological evolution of the Strandja Massif (Thrace, Turkey)

Abstract

The Strandja Massif is located in the NW part of Turkey. The massif is bounded by the Thrace basin to the south, the Istanbul Zone to the east and the Black Sea to the north. It is roughly a NW-SE trending mountain belt, ca. 200 km long and 90 km wide. The tectonic position of the massif is interpreted as a western part of the Pontide belt. The main aim of this study focuses on the formation history of metamorphic rocks of the Strandja Massif using structural, petrological, geochemical, and radiogenic dating methods. The Strandja Massif mainly consist of two assemblages (the basement and the cover), which can be distinguished to each other with their rock association, age, and pre-metamorphic unconformity defined between them. The basement constitutes Paleozoic metasediments (bioitite and garnet-biotite schists) and orthogneisses (hornblende-biotite, biotite-muscovite, and muscovite orthogneisses) whereas the cover association compound of Mesozoic metaclastic rocks. Metamorphic grade decreases from the epidote-amphibolite facies in the south to the albite-epidote amphibolite/greenschist-facies transition in the north. Estimated P-T conditions reach 485-530 °C and 0.60-0.80 GPa in the south and ~450-500 °C in the northern part. Rb-Sr muscovite ages decrease systematically northwards from 162 to 142 Ma. The Rb-Sr biotite ages also decrease systematically from 153 Ma in the south to 134 in the north. These ages point out diachronous metamorphism and cooling. Structural features such as (i) consistent south-dipping foliation, (ii) southwest to southeast-plunging stretching lineation, (iii) top to north shear sense, and ductile shear zones suggest compressional deformation coupled with exhumation. Various types of orthogneisses constitute a significant part of the metamorphic basement. Their modal compositions correspond to quartz diorite, tonalite, granodiorite and trondhjemite. Geochemical data suggest a calc-alkaline trend of differentiation. Isotopic dating using the single zircon Pb-Pb evaporation method has shown that there are two magmatic events; one occurred within a short time interval between 312±2 and 315 ±5 Ma and another one is dated as 257±6 Ma, which shows extensive magmatic activity in the study area during the late Carboniferous and Permian intervals. These magmatic activities indicate existence of a mature magmatic arc. For the deposition age of the basement metasediments, evaporation Pb-Pb ages of detrital zircons are used. According to that protholite age of garnet-biotite schists of the metamorphic basement were deposited later than 430 Ma and prior to 315 Ma whereas biotite schists exposed along the southern boundary of the basement were restricted between 300 and 271 Ma. Pb-Pb detrital zircon ages have been used for revealing tectonic history and initial position of the Strandja massif. Age data derived from detrital zircons vary between 430 and 2700 Ma, which reveal to heterogeneous source areas. Detrital zircon ages of the Strandja Massif are correlative with both the Avalonian and the Armorican tectonic units of Western Europe. The presence of Mesoproterozoic zircon ages in the metasediments of the Strandja massif indicates that the proximity of the Strandja massif to Avalonian (or Baltica) derived units occured during the late Silurian-Carboniferous interval.

Das Strandja-Massiv liegt im Nordwesten der Türkei und wird vom Thrakien-Becken im Süden, von der Istanbul-Zone im Osten und vom Schwarzen Meer im Norden abgegrenzt. Es bildet eine NW-SO streichenden Gebirgsgürtel, ca. 200 km lang und 90 km breit. Tektonisch betrachtet wird das Massiv als westlicher Ausläufer des Pontischen Gebirgsgürtels angesehen. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklungsgeschichte der metamorphen Gesteine des Strandja Massivs. Seine Gesteine wurden mit Hilfe von strukturgeologischen, petrographischen, geochemischen und radiometrischen Methoden untersucht. Das Massiv besteht hauptsächlich aus zwei Einheiten (Basement und Decke), die sich bezüglich ihrer Gesteinsvergesellschaftung, des Alters und einer pre-metamorphen Diskordanz voneinander unterscheiden. Die Basement-Einheit besteht im Wesentlichen aus Paläozoischen Metasedimenten (Biotit- und Granat-Biotit-Schiefer) und Orthogneissen (Hornblende-Biotit-, Biotit-Muskovit- und Muskovit-Orthogneissen), während sich die Deckeneinheit aus Mesozoischen, metaklastischen Gesteinen, wie etwa Metakonglomeraten und Metasandsteinen, zusammensetzt. Der Metamorphosegrad nimmt von einer Epidot-Amphibolit-Fazies im Süden zu einer Albit-Epidot-Amphibolit/Grünschiefer-Fazies im Norden ab. Geschätzte P-T Bedingungen reichen von 485-530 °C / 0.60-0.80 GPa in Süden bis zu ~ 450-500 °C im Norden. Rb-Sr Muskovit Alter zeigen eine systematische Abnahme von 162 Ma auf 142 Ma nach Norden hin. Die Rb-Sr Biotit Alter nehmen ebenfalls systematisch von 153 Ma im Süden auf 134 Ma im Norden ab. Diese Alterdaten deuten auf eine diakrone Metamorphose und Abkühlung hin. Mehrere strukturelle Merkmale, wie z.B. (i) einstimming nach Süden einfallende Foliation, (ii) S-SE streichende Lineation und (iii) nordvergente Verscherung und duktilen Scherzonen deuten auf Kompression während der Exhumierung hin. Die Orthogneisse, die den wesentlichen Bestandteil der Basement-Einheit ausmachen, weisen Modalbestände auf, die einem Quarz-Diorit, Tonalit, Granodiorit und Trondhjemite entsprechen. Geochemisch lässt sich eine kalk-alkalischer Differenziationstrend erkennen. Pb-Pb Evaporationsdatierungen an magmatischen Zirkonen erbrachten Alterswerte, die auf zwei getrennte magmatischen Aktivitäten hin deuten. Die erste erfolgte von 312±2 Ma bis zu 315±5 Ma, und die zweite ca. bei 257±6 Ma. Diese deutet auf einen weit verbreiteten Magmatismus während des Spätkarbons und Frühperms hin. Dieser Magmatismus lässt sich auf eine Bildung in einem reifen magmatischen Bogen zurückführen. Die Sedimentationsalter der Metasedimente im Basement wurden anhand von Pb-Pb Evaporationsaltern von detritischen Zirkonen eingegrenzt, demnach erfolgte die Ablagerung der Protolithe der Granat-Biotit-Schiefer zwischen 430 und 315 Ma, während die Sedimentation der Protolithe der Biotit-Schiefer im südlichen Teil des Arbeitsgebietes zwischen 300 Ma und 271 Ma eingegrenzt werden konnte. Pb-Pb Alterswerte detritischer Zirkone wurden zur Ermittlung der ursprünglichen geotektonischen Stellung des Strandja-Massivs verwendet. Ihre Alterswerte variieren zwischen 430 Ma und 2700 Ma, was auf sehr heterogene Einzugsgebiete zurückschliessen lässt. Vergleichbare Alterswerte sind aus den sogenanten tektonischen Einheiten Avalonia und Armorika in West-Europa bekannt. Die Anwesenheit von mesoproterozoischen Zirkonen in den Metasedimenten deutet darauf hin, dass sich das Strandja-Massiv der tektonischen Einheit Avalonia während des Spätsilur-Karbon-Intervalls annäherte.