Geri Dön

Geodynamics of lithospheric foundering and the evolution of the North China craton

Litosferik kopma ve Kuzey Çin kratonunun jeodinamik evrimi

PDF İndir

  1. Tez No: 1010310
  2. Yazar: AÇELYA BALLI ÇETİNER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ HAKAN GÖĞÜŞ, DR. ÖĞR. ÜYESİ EBRU ŞENGÜL ULUOCAK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Jeofizik Mühendisliği, Jeoloji Mühendisliği, Geophysics Engineering, Geological Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Katı Yer Bilimleri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Jeodinamik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Kratonlar, Dünya'nın kıtasal litosferinin en yaşlı ve en kararlı parçaları olarak kabul edilmektedir. Normal kıtasal litosfere göre kökleri üç hatta dört kat daha derine inebilen kratonlar, oluşum süreçlerinde içeriklerindeki ağır metalleri sistemlerinden uzaklaştırmaları ve magnezyum açısından zengin olmaları sayesinde daha hafif bir yapıya sahiptir. Zamanla soğuyup yoğunlukları artsa da, manto litosferi kendi içinde dengeli bir konumda bulunur. Kimyasal olarak tükenmiş yapıları ile birlikte düşük sıcaklık değerleri, kratonların deformasyona karşı korunmasında kritik rol oynamaktadır. Ayrıca içsel yapılarının görece homojen olması ve aktif tektonik bölgelerden uzakta yer almaları da bu uzun ömürlü kıtasal yapıların stabil kalmasını sağlamaktadır. Bu özellikler, kratonların milyarlarca yıl boyunca jeodinamik süreçlere karşı direnç gösterebilmesini mümkün kılmıştır. Ancak Kuzey Çin Kratonu, Wyoming Kratonu ve Brezilya Kratonu gibi bazı örnekler, dışsal etkilere açık oldukları için istisna teşkil etmektedir. Bu örnekler, kratonların mutlak olarak değişmez yapılar olmadığını, uygun jeodinamik koşullar altında yeniden şekillenebileceğini göstermesi açısından özel önem taşımaktadır. Her ne kadar kratonik bölgeler stabil yapılarıyla tanınsalar da, yüksek ısı akıları, ince litosfer kalınlıkları, tektonik olarak aktif deformasyonlara uğramaları, yükselme göstermeleri ve açılma–sıkışma tektoniğine ait izlerin yüzeyde kaydedilmesi, bu alanların önemli ölçüde değişime uğrayabileceğini göstermektedir. Özellikle litosferik kalınlık, kimyasal tükenmişlik derecesi ve termal yapı arasındaki ilişkinin hangi eşik koşullarda kararsızlığa dönüştüğü, jeodinamik açıdan kritik bir problem olarak öne çıkmaktadır. Bu bağlamda, Asya kıtasının doğusunda yer alan Kuzey Çin Kratonu en dikkat çekici örneklerden biridir. Başlangıçta Arkeen dönemde oluşmuş kararlı bir kraton olan Kuzey Çin Kratonu'nun doğu bölümü, Mezozoik dönemde yoğun magmatizma, geniş çaplı yüzey deformasyonu ve belirgin litosferik incelme ile karakterize olmuştur. Bu dönüşümü tetikleyen mekanizmaların ortaya konması, yalnızca bölgesel tektoniklerin değil, aynı zamanda küresel ölçekte kıtasal litosferin evriminin anlaşılması açısından da büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle Kuzey Çin Kratonu, kratonik stabilitenin sınırlarını test eden doğal bir deney alanı olarak değerlendirilmektedir. Bu tez, Kuzey Çin Kratonu'nun jeodinamik evrimini incelemekte ve özellikle eklojit oluşumunun litosferin zayıflamasında ve deforme olmasında oynadığı rolü ön plana çıkarmaktadır. Çalışma, mevcut modeller ve gözlemlerin kapsamlı bir derlemesini, farklı tektonik ortamlarda mineral faz dönüşümlerini test eden yeni sayısal modellemelerle birleştirmektedir. Bu bütüncül yaklaşım, Kuzey Çin Kratonu'nun özellikle doğu kesimindeki evrime ışık tutmakta ve kratonların stabilitesine dair daha genel çıkarımlar yapılmasına imkân vermektedir. Sadece Kuzey Çin Kratonu ile sınırlı kalmayıp, eklojit kaynaklı gerçekleşen deformasyon mekanizmasının orojenik kuşaklardaki etkisi de sayısal modeller yardımıyla incelenmektedir. Tezin ilk bölümünde eklojit kaynaklı litosferik damlalar (drip) modellenmiş, eklojit tabakasının geometrik (kalınlık ve genişlik) ve fiziksel özellikleri (astenosfer ile manto litosferi ve manto litosferi ile eklojit arasındaki yoğunluk farkları) değiştirilerek bu süreçlerin evrimi araştırılmıştır. Bu çalışmada ilk olarak manto litosferi astenosferden daha az yoğun olarak tercih edilmiştir. Yapılan geçmiş çalışmalarda damlama mekanizmasını başlatmak adına tam tersi durumlar tercih edilirken, bu çalışma direkt olarak eklojitin litosferik deformasyon üzerindeki etkisini bu sayede göstermektedir. Sonuçlar, eklojit kalınlığı ve genişliğinin litosferik kararsızlık üzerinde birincil kontrolü sağladığını ortaya koymuştur. Eklojit kayasının kalınlığı büyük/küçük (hacimsel olarak 4/1) litosfer ölçekli damlamalara neden olmaktadır. Katmanlar arasındaki yoğunluk farkları fark etmeksizin, eklojitin genişliği herhangi bir etkiye neden olmamaktadır. Küçük ölçekli damlamaların eklojit ve manto litosfer (>150 kg m-3) ile astenosfer ve manto litosfer (>60 kg m-3) arasındaki yoğunluk farkının fazla olduğu modellerde gözlenmektedir. Büyük ölçekli damlamanın ise astenosfer ve manto litosferi arasındaki yoğunluk farkının 20 kg m-3 olduğu durumda, sadece belirli eklojit ve manto litosferi yoğunluk (170 kg m-3 ve 230 kg m-3) farklarında oluştuğu gözlenmektedir. Küçük ölçekli (Tip-1) damlalar, Altiplano-Puna platosu gibi bölgelerde gözlenen sismik anomalilerle uyumludur. Daha büyük ölçekli (Tip-2) damlalar ise Güney Tibet ve Sierra Nevada örneklerinde olduğu gibi yüzey yükselmesi ve derin sismik anomaliler ile ilişkilendirilmiştir. Tip-3 davranışı ise pasif kıta kenarları ve kenet kuşaklarında gözlenen eklojitler için geçerli olup, Barents Denizi ve Newfoundland bölgelerinde belgelenmiştir. Ayrıca modeller, eklojit batmasının çoğunlukla çok aşamalı olduğunu ve bu nedenle epizodik litosferik damlaların geliştiğini göstermektedir. Bu sonuç, plato bölgelerinde ve magmatik yaylarda gözlenen tekrarlayan magmatizma ve deformasyon süreçleri ile uyumludur. Tezin ikinci bölümünde, Kuzey Çin Kratonu'nun jeolojik çerçevesi, Mezozoik dönemdeki yıkımına dair kanıtları ve mevcut modellerin eleştirel değerlendirmesi incelenmektedir. Yitim kaynaklı termal erozyon ve magmatik zayıflama, litosferik delaminasyon ve gerilme gibi hipotezler tartışılmıştır. Ancak, bu mekanizmaların hiçbiri tek başına Kuzey Çin Kratonu'nun evrimindeki zamansal ve mekânsal karmaşıklığı tam olarak açıklayamamaktadır. Kratonun deformasyonu tek bir süreçten ziyade birden fazla jeodinamik mekanizmanın etkileşimini yansıtmaktadır. Delaminasyon, yoğun litosfer köklerinin kaldırılmasının ardından astenosferik yükselmenin gerçekleşmesiyle ani litosfer incelmesini ve ilişkili magmatizmayı açıklamaktadır. Yassı yitim (flat-slab) ve Büyük Manto Kama modeli (Big Mantle Wedge), Jura–Kretase magmatizmasını, adakitleri ve A-tipi granitleri, ayrıca magmatik etkinliğin kara yönünden okyanus yönüne göçünü açıklamaktadır. Litosferik gerilme ise Erken Kretase dönemindeki rift havzaları, düşük açılı faylar ve metamorfik çekirdek kompleksleri ile tutarlıdır ve bu süreç en yoğun magmatizma ile yüksek yüzey ısı akısına denk gelmektedir. Düz yitim, delaminasyon ve yitim arkası gerilmenin birleştiği bir senaryo Kuzey Çin Kratonu'nun gözlenen yapısal, magmatik ve termal evrimini en iyi şekilde açıklamaktadır. Bu bütünleşik bakış açısı, kratonların durağanlığına dair geleneksel varsayımları sorgulamakta, aksine, sıvılar, ergimeler ve termal anomalilerle göstermektedir. zayıflatıldıklarında kratonların kararsızlaşabileceğini Tezin son bölümünde yukarıda bahsi geçen delaminasyon mekanizması temel alınarak, Kuzey Çin Kratonu'nun litosferik ölçekli deformasyonu incelenmiştir. Bu bağlamda kabuksal sıkışmanın yol açtığı eklojit faz dönüşümleri sonucunda gelişen iki aşamalı ve kendini tekrarlayan delaminasyon süreçleri sayısal modeller aracılığıyla test edilmiştir. Modeller, alt kabukta yoğun eklojit oluşumunun kratonik litosferde adım adım zayıflamaya yol açarak ayrılma olaylarını tetikleyebileceğini göstermektedir. Çeşitli parametreler (sıkışma hızı, eklojit miktarı, eklojitleşme olmaması durumu, manto litosferinin viskozitesi) sistematik olarak denenmiştir. Kitaların herhangi bir yönelim kuvvetine maruz kalmadığı durumlarda, sabit olarak kaldığı ve herhangi bir deformasyon geçirmediği gözlenmiştir. Farklı manto yoğunlukları, litosfer ve kabuk ölçeğinde farklı katmanların bulunması ya da düşük viskoziteli manto litosferi dahil olmak üzere birçok parametrenin etkisiz olduğu numerik modeller yardımıyla gösterilmiştir. Sikisma hizlarının delaminasyona, dolaylı olarak deformasyona etkilerini incelemek adına plaka sikisma hizları 0.1 cm/y, 1 cm/y, 2 cm/y, 4 cm/y ve 8 cm/y olarak tercih edilmiştir. Düşük hızla sıkışma (0.1 cm/y) gösteren modelde sıkışmaya bağlı olarak oluşan eklojit, lokal olarak litosferik incelmeye sebep olsa da, büyük ölçekli manto litosferinin incelmesi gözlenmemektedir. Bununla birlikte Kuzey Çin Kratonu'nda gerçekleşen yüzey jeolojisi izlerini de taşımamaktadır. Plaka sıkışma hızlarının artırılması doğrultusunda kabuk kalınlaşması nedeniyle oluşan eklojit litosfer ölçeğinde gravitasyonel olarak dengesizliğe sebep olarak plakanın zayıf noktasından parçalanmaya başladığı gözlenmektedir. Hızın artmasıyla birlikte gerçekleşen süreçler iki ya da daha fazla aşamalı olarak delaminasyon sürecine neden olmaktadır. Delaminasyon süreçleri yüzeyde kabuk kalınlaşmasına bağlı olarak önce yükselme ve litosferik kopmaya bağlı olarak ise sonra çökmeye yol açmaktadır. ~60–100 km'ye kadar incelmiş litosfer, Orta Doğu Kuzey Çin Kratonu'nda gözlenen iki aşamalı genişleme ve Jura–Kretase magmatizmasının zaman–mekânsal dağılımı gibi temel özellikleri başarıyla yeniden üretmektedir. Tercih edilen model, ~160–150 Ma ve ~135–125 Ma aralıklarında iki ayrı delaminasyon evresini öngörmektedir ve bu sonuçlar saha verileriyle uyumludur. Sismik tomografi ve ksenolit tabanlı jeotermler de bu yorumları desteklemektedir. Bulgular, delaminasyonun tek seferlik ani bir süreçten ziyade, miras alınan zayıflık bölgeleri ve metasomatizma koşulları altında tekrarlayan olaylarla gerçekleşebileceğini göstermektedir. Bu epizodik süreç, Kuzey Çin Kratonu'nda gözlenen magmatizma ve deformasyonun zamansal değişkenliğini açıklamakta ve yüzey tektoniği ile derin litosferik süreçler arasında mekanik bir bağ kurmaktadır. Sonuç olarak, bu tez tektonik sınır koşulları ile mineral faz dönüşümlerinin birlikte değerlendirilmesinin litosferin kararsızlığa sürüklenmesinde kritik rol oynadığını göstermektedir. Kuzey Çin Kratonu, kısalma, magmatizma ve eklojit kaynaklı yoğunluk dengesizliklerinin birleşerek stabil bir kratonu nasıl dönüştürebileceğini sergileyen doğal bir laboratuvar niteliğindedir. Elde edilen bulgular, kratonların uzun ömürlü olmasına rağmen uygun koşullar altında yok oluşa açık olduklarını kanıtlamaktadır. Bu çalışma, mevcut modellerin kapsamlı derlemesini, eklojit kaynaklı süreçlere odaklanan yeni sayısal kanıtlarla birleştirerek, kraton yıkımına giden koşulları açıklayan bütünleşik bir jeodinamik çerçeve sunmaktadır. Böylece çalışma, yalnızca Kuzey Çin Kratonu'nun evrimini açıklamakla kalmayıp, genel olarak kıtasal litosferin dayanıklılığı ve kırılganlığı arasındaki dengeyi anlamaya yönelik kavramsal bir katkı sağlamaktadır.

Özet (Çeviri)

Cratons represent the oldest and most stable portions of the continental lithosphere. Compared to normal continental plates, their lithospheric roots may extend three to four times deeper into the mantle. During their formation, cratons expelled heavy metallic elements from their system and became enriched in magnesium, which contributed to their buoyant nature. Despite gradual cooling and increasing density over time, the lithospheric mantle of cratons remains in a delicate balance. Their chemically depleted and thermally cold composition, combined with relatively homogeneous internal structures and their location away from active tectonic zones, have long been recognised as the primary factors contributing to cratonic stability. Nevertheless, certain cratons such as the North China Craton, the Wyoming Craton, and the Brazil Craton stand out as notable exceptions, having undergone substantial modification and partial destruction. Although cratonic regions are typically associated with long-term stability, geological and geophysical observations, including elevated heat flow, reduced lithospheric thickness, widespread magmatism, surface uplift, and alternating extensional and compressional deformation, demonstrate that cratons can experience profound modification or even complete destabilisation. This raises fundamental questions about the mechanisms that control the long-term persistence of cratonic lithosphere. Among all examples, the North China Craton provides one of the most striking cases. Initially formed as a stable Archean craton, its eastern part was dramatically transformed during the Mesozoic into a tectonically active region characterised by extensive magmatism, severe lithospheric thinning, and widespread deformation. Understanding the processes responsible for this transformation is crucial for reconstructing the tectonic evolution of East Asia and for developing a broader understanding of continental lithospheric dynamics. This thesis investigates the geodynamic evolution of the North China Craton, with particular emphasis on the role of eclogite formation in weakening and destabilising the lithosphere. The research combines a global analysis of eclogite-related processes with a regional synthesis of existing models and new numerical simulations that explicitly test the effects of mineral phase transformations under various tectonic regimes. This integrative approach provides a comprehensive understanding of the evolution of the North China Craton and its broader implications for cratonic stability. Chapter 1 examines eclogite-induced lithospheric dripping in tectonically active regions such as continental arcs and collisional orogens. Numerical experiments explore how variations in eclogite thickness, width, and density along with the properties of the surrounding lithospheric mantle govern the initiation and scale of dripping. Three principal styles of lithospheric dripping are identified. Type 1 corresponds to small-scale drips, as inferred beneath the Altiplano-Puna plateau in the Andes, where seismic anomalies suggest localised lithospheric removal. Type 2 represents large-scale drips involving both crustal and mantle components, such as those beneath south-central Tibet and the Sierra Nevada, where eclogite formation explains transient uplift and magmatism. Type 3 describes stable configurations where eclogite remains intact, typical of passive margins and suture zones such as the Barents Sea and Newfoundland Appalachians. The results show that eclogite sinking often occurs episodically, producing pulsating magmatism and surface uplift, consistent with geological observations from orogenic plateaus and active arcs worldwide. This chapter provides the global geodynamic context for understanding how eclogite related processes contribute to lithospheric instability. Chapter 2 focuses on the geological framework and Mesozoic evolution of the North China Craton, critically evaluating the range of existing models proposed for its destruction. Mechanisms such as subduction-driven thermal erosion, magmatic weakening, lithospheric delamination, and crustal extension are systematically reviewed. However, none of these processes alone can fully explain the observed spatial and temporal complexity of the North China Craton deformation. Instead, the data point to an interplay between multiple processes. Delamination accounts for abrupt lithospheric thinning and associated magmatism, as asthenospheric upwelling follows removal of dense lithospheric roots. Flat-slab subduction and the Big Mantle Wedge model explain Jurassic–Cretaceous magmatism, including adakitic and A-type granitic compositions, and the observed landward-to-oceanward migration of igneous activity. Meanwhile, lithospheric extension is supported by Early Cretaceous rift basins, metamorphic core complexes, and elevated heat flow, coinciding with the peak of magmatic activity. A combined scenario of flat-slab subduction, delamination, and back-arc extension best reproduces the observed geological, geochemical, and thermal evolution of the North China Craton. This synthesis demonstrates that cratons can be destabilised when fluids, melts, and thermal perturbations weaken their lithospheric roots. Chapter 3 presents numerical simulations of episodic double lithospheric delamination triggered by crustal shortening and subsequent eclogite formation. The models explore a range of parameters, including shortening rate, the volume and geometry of eclogite, the absence of eclogitisation, and mantle lithosphere viscosity. The simulations reveal that dense eclogite within the lower crust can drive stepwise weakening and removal of the lithosphere, producing two distinct delamination events. The preferred model shows delamination phases at approximately 160–150 Ma and 135–125 Ma, consistent with geological evidence for alternating shortening and extension. These results successfully reproduce key geophysical and geological features, including lithospheric thinning to ~60–100 km, the two-phase extension observed in the central–eastern North China Craton, and the timing and spatial distribution of Mesozoic magmatism. Comparison with seismic tomography and xenolith-derived geotherms supports the plausibility of these removal events. The results indicate that lithospheric delamination is not a single catastrophic process but a sequence of discrete episodes facilitated by inherited lithospheric weaknesses and prior metasomatism linked to subduction. In conclusion, this thesis demonstrates that mineral phase transformations, particularly eclogitisation, play a central role in destabilising continental lithosphere when coupled with favourable tectonic boundary conditions. The North China Craton serves as a natural laboratory illustrating how shortening, magmatism, and eclogite-driven density instabilities can combine to transform a once-stable craton. The findings reveal that although cratons are long-lived, they are not immune to destruction under appropriate geodynamic circumstances. By integrating a global perspective on eclogite-induced instability with a comprehensive regional synthesis and new numerical evidence, this thesis establishes a unified framework for understanding how cratonic lithosphere evolves, weakens, and ultimately collapses.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    427712

    An investigation of anatolian-african subduction zone in southwestern Turkey: Lithospheric structure beneath Isparta angle (IA) and the surroundings from rayleigh wave phase velocity inversion

    Türkiyenin güneybatısın'daki Anadolu-Afrika yitim zonunun araştırılması: Isparta büklümü ve çevresindeki litosferik yapının rayleigh dalgaları faz hızı ters çözümlemesi yöntemi ile saptanması

    UĞUR MUSTAFA TEOMAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Jeofizik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURCAN MERAL ÖZEL

  2. Tez No

    606244

    The geology, petrology and thermochronology of Ilica-Samli (Solarya) volcano-plutonic complex and its significance on Western Anatolian geodynamics

    Ilıca-Şamlı (Solarya) volkano-plütonik kompleksinin jeolojisi, petrolojisi, termokronolojisi ve KB Anadolu jeodinamiğindeki yeri

    ALP ÜNAL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞAFAK ALTUNKAYNAK

  3. Tez No

    718998

    Petrogenesis of the neogene-quaternary mafic lavas from the Tunceli̇-Elaziğ region (Eastern Turkey)

    Tunceli-Elazığ bölgesindeki (Doğu Türkiye) neojen-kuvaterner mafik lavların petrojenezi

    ALİCAN AKTAĞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Jeoloji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KAAN SAYIT

  4. Tez No

    759318

    Sultansazlığı (Kayseri) havza kenarı miyo-pliyosen volkanizma ürünlerinin petrolojik korelasyonu

    Petrological correlation of mio-pliocene volcanic products at sultansazliği (Kayseri) basin margins

    EFE AKKAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Jeoloji MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜSEYİN EVREN ÇUBUKÇU

  5. Tez No

    200429

    Network design and optimization for deformation monitoring on Tuzla fault-İzmir and its vicinity

    Tuzla fayı-İzmir ve çevresindeki deformasyonları izleme amaçlı ağ tasarımı ve optimizasyonu

    KEREM HALICIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Jeodezi ve FotogrametriBoğaziçi Üniversitesi

    Jeodezi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HALUK ÖZENER

Geri Dön