Isotope geology and Miocene magmatic evolution along the northern border of the Menderes Massif (NW Anatolia, Turkey)

Abstract

In the Aegean region, complex geodynamic processes including subduction, continent-continent collision, and back-arc extension occurred from the Eocene to the present time. In NW Anatolia (Turkey), the products of these events are widely exposed. Especially, Miocene granites along the northern border of the Menderes Massif demonstrate prominent geologic features associated with these complex geodynamic events. In order to determine the magmatic evolution of the northern boundary of the Menderes Massif and to understand its tectono-magmatic position in the Aegean region, during and after the collision of the Anatolide-Tauride platform with the Sakarya Continent, two regions in NW Anatolia (Simav and Alaçam regions) were examined by detailed mapping, geochemical, isotopic and geochronological studies.

After the closure of the Neo-Tethys and the collision of the Menderes Platform with the Sakarya Continent during the Cretaceous, a nappe package consisting of four main tectonic zones was formed in NW Anatolia. These are: (1) Menderes metamorphics, (2) Meta-ophiolithic nappe complex, (3) Afyon Zone, and (4) Bornova Flysch Zone. This nappe package, stacked together by the collision, was intruded and stitched by Early Miocene granitic plutons that constitute a NE-SW trending magmatic belt that evolved in a thick continental crust. In the Simav region, Eðrigöz and Koyunoba granites are intrusive to the Menderes Metamorphics and Afyon Zone. In the Alaçam region, the Alaçam granite shows clear cross-cutting relations with the Menderes Massif, Afyon Zone, and Bornova Flysch Zone. The Eðrigöz, Koyunoba, and Alaçam are undeformed magmatic bodies and present similar geological, geochemical, isotopic, and geochronological features. They are shallow-seated bodies (2-7 km), granite-granodiorite and monzogranite in composition, and are I-type, calc-alkaline in nature. Their Sr-Nd-Pb-O isotopes are in line with derivation from lower-to middle crustal source lithologies. It can be demonstrated that crustal assimilation during the magma generation played an important role. Radiogenic age determinations from the granites show that the U-Pb zircon crystallization ages are between 19.4 ± 4.4 Ma for the Eðrigöz granite, 21.7 ± 1.0 Ma for the Koyunoba granite, 20.0 ± 1.4 Ma, and 20.3 ± 3.3 Ma for the Alaçam granite and from its related stock. Mica cooling ages of 18.77 ± 0.19 Ma for the Eðrigöz granite and early Miocene (20.01 ± 0.20 Ma and 20.17 ± 0.20 Ma) cooling ages of the Alaçam granite and its related stocks were also obtained by Rb-Sr (whole rock, biotite) analyses which indicate rapid cooling. Moreover, U-Pb zircon ages from the country rocks of the Miocene granites yield 30.04 ± 0.56 Ma for a metagranite of the Menderes Massif in Simav region and 314.9 ± 2.7 Ma for gneissic granite of the Afyon Zone in the Alaçam region, which were both previously interpreted as a sheared part of the Miocene Eðrigöz and Alaçam granites.

Field occurrences, geochemical, isotopic characteristics and geochronological data obtained from the Eðrigöz, Koyunoba and Alaçam granites show close similarities with other Oligo-Miocene granitoids in northwestern Anatolia. It is concluded that all granitoids from this belt emplaced along an E-W trending regional zone in a compressional regime, rather than representing individual bodies related to local, north-dipping, low-angle detachment faults, as suggested in previous papers.

Seit dem Eozän finden in der Ägäis komplexe geodynamische Prozesse statt, die Subduktion, Kontinent-Kontinent Kollision und Dehnung im Back-arc Bereich umfassen. In Nordwest Anatolien (Türkei) sind die Produkte dieser Ereignisse weiträumig aufgeschlossen. Insbesondere weisen miozäne Granite entlang des Nordrandes des Menderes Massivs markante geologische Merkmale auf, die mit diesen komplexen geodynamischen Prozessen in Verbindung stehen. Um die magmatische Entwicklung des Nordrandes des Menderes Massivs während und nach der Kollision der Anatolisch-Tauridischen Platte mit dem Sakarya Kontinent nachzuvollziehen, wurden zwei Regionen in Nordwest Anatolien (Simav Region und Alaçam Region) mittels ausführlicher Kartierung sowie geochemischer, isotopischer und geochronologischer Analysen untersucht.

Nach der Schließung der Neotethys, der Bildung der Izmir-Ankara Zone und der Kollision der Menderes Platte mit dem Sakarya Kontinent während der Kreide, kam es zu großräumigen Deckenbildungen. Die Decken können folgendermaßen untergliedert werden: (1) Menderes Metamorphite, (2) ein metaophiolitischer Deckenkomplex, (3) die Afyon Zone und (4) die Bornova Flysch Zone. Im Untermiozän intrudierten in dieses Deckenpaket granitische Plutone, die einen magmatischen Gürtel bilden und sich vom Nordost nach Südwest erstrecken. Dieser Prozeß bewirkte eine Verdickung der kontinentalen Kruste. In der Simav-Region intrudierten die Eðrigöz und Koyuonba-Granit in die Menderes Metamorphite und die Afyon Zone. In der Alaçam Region zeigt der Alaçam Granite klare Intrusivkontakte sowohl zu den Menderes Metamorphiten, als auch der Afyon und der Bornova Flysch Zone. Bei all diesen Graniten handelt es sich undeformierte magmatische Körper, die im Miozän entstanden sind und das Schwerpunktthema der vorliegenden Dissertation bilden. Die Granite ähneln sich in ihren geologischen, geochemischen, isotopischen und geochronologischen Merkmalen. Es handelt sich um flach intrudierte Körper (2-7 km Tiefe) von granit-granodioritischer und monzogranitischer Zusammensetzung (I-Typ Granite), die eine kalkalkaline Affinität vorweisen. Die Sr-Nd-Pb-O Isotopenzusammensetzung weist auf eine tief- bis mittelkrustalen Herkunft der Schmelzen hin. Es kann gezeigt werden, dass Krustenassimilation während der Magmenbildung eine wichtige Rolle gespielt hat. Isotopische Altersbestimmungen an den Graniten zeigen, dass das Kristallisationsalter bei 19.4 ± 4.4 Ma für den Eðrigöz Granit und bei 21.7 ± 1.0 Ma für den Koyuonba Granit liegt und bei 20.0 ± 1.4 Ma und 20.3 ± 3.3 Ma für den Alaçam Granit. Abkühlungsalter von 18.77 ± 0.19 Ma für den Eðrigöz Granit und solche von 20.01 ± 0.20 Ma und 20.17 ± 0.20 Ma für den Alaçam Granit wurden mittels Rb-Sr Analysen (Gesamtgestein und Biotit) erhalten. Die Isotopendaten deuten auf eine schnelle Abkühlung der Magmen hin. Darüber hinaus wurde das Umgebungsgestein der Granite, welches zuvor als deformierte Randfazies gedeutet wurde, auf 30.04 ± 0.56 Ma (Metagranit des Menderes Massivs in der Simav Region) und 314 ± 2.7 Ma (Metagranit der Afyon Zone in der Alaçam Region) datiert.

Die Geländebeobachtungen, geochemische Charakteristika und geochronologische Daten der Eðrigöz, Koyunoba und Alaçam Granite zeigen große Ähnlichkeiten mit anderen Oligo-Miözänen Granitoiden aus Nordwest Anatolien. Es wird daraus geschlossen, dass alle Granitoide dieses Gürtels entlang einer Ost-West streichenden regionalen Zone während eines kompressionalen Regimes intrudierten und nicht, wie in vorhergehenden Publikationen behauptet, als individuelle Körper, die im Zusammenhang mit lokalen, nach Norden einfallenden, flach winkligen Abscherzonen (sog. detachment faults) stehen.