background image

GEOLOGICA  CARPATHICA,  OCTOBER  2006,  57,  5,  337—346

www.geologicacarpathica.sk

Three-directional extensional deformation and formation of

the Liassic rift basins in the Eastern Pontides (NE Turkey)

YENER  EYÜBOƒLU

1

,

 

OSMAN  BEKTA

1

,  AYSEL  EREN

3

,  NAFIZ  MADEN

3

,  RAH AN  ÖZER

2

and  WOLFGANG  R.  JACOBY

4

1

Department  of  Geology,  Gümü hane  Engineering  Faculty,  Karadeniz  Technical  University,  Gümü hane,  Turkey;  eyuboglu@ktu.edu.tr

2

Department  of  Geology,  Karadeniz  Technical  University,  61080-Trabzon,  Turkey;    obektas@ktu.edu.tr

3

Department  of  Geophysics,  Karadeniz  Technical  University,  61080-Trabzon,  Turkey;    seren@ktu.edu.tr

4

Institut für Geowissenschaften, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Saarstr. 21, D-55099 Mainz, Germany

(Manuscript received October 14, 2004; accepted in revised form October 6, 2005)

Abstract: The Eastern Pontide magmatic arc (NE Turkey) was rifted by the polyphase extensional tectonic regimes in the
Early Jurassic. While alternated volcanics and siliciclastic sedimentary rocks accumulated during the episodic tectonic
subsidences, thermal subsidence is manifested by sedimentation of the red pelagic limestones of the Ammonitico Rosso
during the Pliensbachian. The trends of the Liassic basins extending in NW-SE, E-W, NE-SW directions coincide with the
gravity and magnetic lineament anomalies and corresponding fault zones that are responsible for the paleotectonic and
neotectonic evolutions of the Eastern Pontide magmatic arc. These mutual relationships suggest that the faults making up
the architecture of the Liassic basins might have operated during the Paleozoic, Mesozoic and Cenozoic times in different
manners. Neptunian dikes, filled by the early rift siliciclastic and following fossiliferous red pelagic limestone implying
the repeated extensional tectonic regimes, are also parallel to the main extensions of the Liassic basins. The poles of the
contemporaneous neptunian dikes suggesting two or three extensional conjugate fracture systems are in accordance with
the dip directions of the rift sediments accumulated in the same conjugate normal fault systems. Assuming that the Liassic
basins  with  Ammonitico  Rosso  are  coeval,  multi-armed  rift  basins  might  have  opened  by  the  mode  of  the  three-
directional extension rather than reactivation of faults in the different times.

Key words: Eastern Pontides, Liassic rift basins, extension,  gravimetry, magnetics, sedimentary dikes.

Introduction

The  Eastern  Pontide  orogenic  belt  extends  along  the
southeastern  coast  of  the  Black  Sea  and  comprises  three
subtectonic  units  from  north  to  south:  the  northern  (mag-
matic  arc),  southern  and  axial  zones  (back-arc)  (Fig. 1).
Jurassic  multiple  extension  within  the  Eastern  Pontide
orogenic  belt  (NE  Turkey)  caused  the  formation  of  a
failed  triple  rift  system  trending  in  NW,  E-W  and  NE  di-
rections.  First  Liassic  rifting  of  the  magmatic  arc  is
characterized  by  the  asymmetrical  half-grabens  and  ac-
cumulation  bimodal  volcanics  and  associated  coarse
clastics.  However,  during  and  subsequent  to  the  first  rift-
ing,  these  rift-related  basins  experienced  short-lasting
thermal  subsidence  and  so  pelagic  limestone  of  Ammo-
nitico  Rosso  deposited  as  post  rift  sediments.  The  second
rifting  of  the  Jurassic  began  with  second  alternations  of
the  bimodal  volcanics  and  epiclastics.  A  following,  sec-
ond  long-lasting  thermal  subsidence  caused  building  up
of  the  Upper  Jurassic-Lower  Cretaceous  carbonate  plat-
form  on  the  rift-related  sediments.  Though  there  are
many  sedimentological  studies  on  the  Liassic  rifting  of
the  Eastern  Pontide  magmatic  arc  (Yôlmaz  et  al.  1996  and
2006),  tectonic  aspects  of  the  rift-related  basins  are  lack-
ing.  Therefore  we  intend  to  present  some  geological  evi-
dence  and  the  outline  of  the  geophysical  properties  of

the  Liassic  basins  to  interpret  the  kinematic  and  dynamic
analysis  of  Liassic  rifting.

In  this  article,  we  also  present  some  evidence  for  three-

dimensional  deformation  of  the  Liassic  rifting  of  the
Eastern  Pontides  by  using  the  Liassic  neptunian  dikes
(Bekta   &  Çapkônoûlu  1997;  Bekta   et  al.  2001),  dip
analysis  of  the  Liassic  bedding  and  possibly  fault-related
folding.

The main geological features of the Eastern Pontide

orogenic belt

The  Eastern  Pontides  correspond  to  a  part  of  the  active

continental  margin  extending  600 km  along  the  eastern
part  of  the  Black  Sea  coast  (Fig. 1).  It  remains  debatable
whether  the  Eastern  Pontides  were  the  northern  active  con-
tinental  margin  of  Gondwana  during  the  Cretaceous  (Dew-
ey  et  al.  1973;  Bekta   et  al.  1984;  Bekta   1986,  1987;
Chorowicz  et  al.  1998),  or  the  southern  active  continental
margin  of  Eurasia  during  that  time  ( engör  et  al.  1981;
Adamia  et  al.  1981).  According  to  Bekta   et  al.  (1999),  the
Eastern  Pontide  orogenic  belt  comprises  three  subtectonic
units,  from  north  to  south:  the  northern  (magmatic  arc)
zone,  the  southern  zone  and  the  axial  zone  (back-arc)
(Fig. 1).  Bouger  gravity,  magnetic  and  residual  gravity

background image

338

EYÜBOƒLU, BEKTA ,  EREN, MADEN, ÖZER and JACOBY

anomalies  (Fig. 8A,B,C)  and  geological  map  criteria  imply
that  polygonal  networks  of  the  extensional  faults  with
NW,  E-W,  NE  directions  are  responsible  for  the  formation
of  the  Mesozoic  basins  in  the  Eastern  Pontides.  The
blocks  of  the  Hercynian  basement  in  the  southern  and  axi-
al  zones  such  as  Agvanis  and  Pulur  metamorphic  massifs
and  Gümü hane-Köse  granites  are  rhomboid  or  lozenge-
shaped  in  plan  view  and  are  framed  by  zig-zag  shaped  pa-
leofault  systems  (Fig. 1).  The  alignment  of  the  Upper
Cretaceous  calderas  in  the  northern  zone  and  of  the  Kop
peridotites  in  the  axial  zone,  are  also  controlled  by  these
basement-involved  fault  systems.  The  fault  framework  of
NW,  E-W,  NE  directions  makes  up  the  block-faulted  tec-
tonic  style  of  the  Eastern  Pontides.  Block  coupling  along
these  three  weakness  zones  produced  a  diagnostic  en  ech-
elon  arrangement  of  the  orthogonal  drag  and  drape  folds
(Schlische  1995),  possibly  reflecting  the  trace  of  the  base-
ment  fault  at  the  surface.  The  block  fault  framework
formed  the  Mesozoic  basins  in  three  main  distinctive
weakness  or  tectonic  zones  on  the  Eastern  Pontide  mag-
matic  arc  evolved  on  the  southward  subduction  zone  of
the  Paleotethys  (Bekta   et  al.  1999).  Neptunian  dikes,  ex-
posed  near  Gümü hane  in  the  southern  zone,  were  formed
by  the  polyphase  rifting  of  the  magmatic  arc  during  the
Jurassic  and  Cenomanian  (Fig. 2).

The  first  rifting  is  related  to  the  break-up  of  the  granitic

basement  of  the  Hercynian  whereas  the  later  two  were  re-

lated  to  the  break-up  or  drowning  of  the  carbonate  plat-
form  of  the  Upper  Jurassic—Lower  Cretaceous  (Fig. 2).

Sedimentological pattern of the Liassic rift basins

During  the  Liassic,  the  Eastern  Pontides  were  rifted  in

NW,  E-W,  NE  directions  (Figs. 1  and  3).  These  multi-direc-
tional  rift  basins  are  considered  to  be  contemporaneous  due
to  the  Ammonitico  Rosso  facies  in  each  basin.  The  syn-rift
strata  of  the  basins  form  asymmetric  prism  indicating  depo-
sition  in  half-grabens  (Fig. 4).  The  prisms  contain  volcano-
sedimentary  clastics  and  pelagic  sediments  ranging  from  0
to  1000 m  thickness  (Yôlmaz  2002).  The  vertical  columns
of  the  rift  sediments  form  two  megacycles  that  thin  and  be-
come  more  fine-grained  upward  (Fig. 2).  Each  megacycle
ended  with  the  accumulation  of  the  red  pelagic  limestones
(Ammonitico  Rosso);  this  is  interpreted  as  reflecting  the  fill-
ing  of  a  marine  basin  created  by  faulting.  Asymmetry  of  the
sediment  prism  and  facies  changing  within  them  indicate
the  position  and  dip  direction  of  the  normal  faults  varying
in  north,  northwest,  and  northeast  multi-directions  indicat-
ing  three-directional  extensional  deformation  and  forma-
tion  of  polygonal  networks  of  extensional  faults.

Field  observation  carried  out  in  the  Gümü hane  (Fig. 3)

and  Kelkit  areas  imply  that  subsidence  of  the  Liassic  ba-
sins  occurred  in  three  stages:  (1)  an  initial  phase  of  the

Fig. 1. Main tectonic features and tectonic zones of the Eastern Pontides. – Paleozoic metamorphic basement, – Paleozoic granites,
– serpentinite, – undifferentiated Mesozoic and Cenozoic rocks, – platform carbonates, – mainly Mesozoic sedimentary rocks,
– Cretaceous and Eocene arc volcanics, 8  – Upper Cretaceous and Eocene arc granites, – caldera or dome, 10 – orthogonal drape
and  drag  folds  11  –  fault,  12  –  thrust  fault,  13   normal  fault,  14  –  study  area. NAF  –  North  Anatolian  Fault,  NEAF  –  Northeast
Anatolian Fault.

background image

339

EXTENSIONAL DEFORMATION AND FORMATION OF THE LIASSIC RIFT BASINS (NE TURKEY)

stretching  or  first  tectonic  subsidence  gave  rise  to  tilting
of  the  blocks  and  formation  of  the  asymmetric  basins.  As
the  basal  coal-bearing  sandstones  accumulated  in  the
southern  depositional  environment  of  a  short-lived  swamp
area  (Ravnas  &  Steel  1998)  near  Kelkit,  a  volcano-sedi-
mentary  package  accumulated  in  the  northern  narrow  deep
troughs  on  the  northward  tilted  block  in  the  northern  dep-
ositional  area  (Gümü hane).  (2)  A  subsequent  phase  of  the
gradual  thermal  subsidence,  during  which  the  deposition-
al  basins  expanded  to  bury  the  earlier  border  faults  and  so
progressively  younger  condensed  sediments  of  Ammoniti-
co  Rosso  onlapped  onto  the  basement  and  formed  neptu-
nian  dikes  on  the  uplifted  hanging  wall  of  the  normal
faults  (Fig. 4).  (3)  Recurrent  tectonic  subsidence  deepened
previous  basins  in  which  a  second  level  of  the  coal-bear-
ing  sandstones  accumulated  at  the  end  of  the  Liassic  rift-
ing  in  the  Kelkit  area.  Failed  Liassic  rifting  ends  during
the  Late  Jurassic,  and  rift-related  sediments  are  overlain
by  the  Upper  Jurassic-Lower  Cretaceous  neritic  carbon-
ates  during  long-lived  thermal  subsidence  (Fig. 2).

Descriptive analysis of the Liassic neptunian dikes

Neptunian  dikes  are  sedimentary  dikes  in  which  the  in-

filling  sediments  are  derived  from  above,  in  contrast  to
some  sedimentary  dikes  with  filling  injected  from  below
(Winterer  &  Sarti  1994). The  passive  continental  margins
of  the  Mesozoic  Tethys  in  the  circum-Mediterranean  re-

gion  display  a  great  variety  of  neptunian  dikes  that  are
used  for  understanding  the  tectonic  evolution  of  these
margins  (Bekta   et  al.  2001).  Liassic  neptunian  dikes,  out-
cropping  separately  in  the  Hur  and  Kôrôklô  Valleys,  10 km
south  of  Gümü hane,  were  developed  in  the  Hercynian
granites  and  metamorphics  and  also  in  the  early  rift-relat-
ed  sandstones  implying  that  Hercynian  basement  was  de-
formed  by  the  Liassic  multiphase  extensional  regimes
(Fig. 3).  The  dimensions  of  the  mesoscopic  neptunian
dikes  varies  from  20 cm  to  18 m  in  length  and  from  0.5 cm
to  40 cm  in  width  in  the  NW,  E-W,  NE  directions  parallel
to  regional  fault  systems  of  the  Eastern  Pontides.  The  fact
that  the  granitic  wall  rocks  of  the  neptunian  dikes  in  the
Hur  Valley  (Gökdere  village)  are  not  generally  sheared
though  cross-cutting  or  conjugate  shapes  of  the  neptunian
dikes  may  imply  that  some  of  them  correspond  to  shear
fractures  included  in  the  Paleozoic  granites  (Fig. 3).  Some
neptunian  dikes  are  displaced  by  the  younger  cracks  or
faults.  All  the  dikes  outcropping  in  Gökdere  village  along
the  granitic  contact  are  filled  and  covered  by  the  pelagic
limestones  of  Ammonitico  Rosso  suggesting  that  neptu-
nian  dikes  developed  during  the  thermal  subsidence  of  the
granitic  horsts.  Another  neptunian  dike  exposure  and
some  associated  calcite  veins  are  seen  in  an  area  of  1 km

2

on  each  side  of  the  Kôrôklô  Valley  near  Kov  village
(Fig. 3).  They  are  included  in  the  basement  Paleozoic
metamorphic  rocks  and  early  Liassic  sandstones.  Succes-
sive  neptunian  dikes  are  filled  with  early  rift-related  sand-
stone  and  later  pelagic  limestones  of  Ammonitico  Rosso

Fig. 2. Stratigraphic column showing rifting periods of the Mesozoic and inversion of the Cenozoic in the southern zone of the Eastern
Pontides.

background image

3

4

0

EYÜBO

ƒ

LU, 

BEKTA, 

EREN, 

MADEN, 

ÖZER 

and 

JACOBY

Fig. 3. A – Geological map of the Gümü hane and Köse granites including Mesozoic extensional and compressional fault systems and their longitudinal and transversal drag-drape folds.
–  Kôrôklô  metamorphics  (Paleozoic),  2  –  Gumushane  and  Kose  granites  (Paleozoic),  3  –  Liassic  volcanic  and  sedimentary  rocks, 4 – Mesozoic and Cenozoic rocks, 5 – strike and
dip direction of the beds, 6 – orthogonal drag and drape folds, 7 – thrust fault. B—C – Neptunian dike maps of the Gokdere and Kov villages, respectively.

background image

341

EXTENSIONAL DEFORMATION AND FORMATION OF THE LIASSIC RIFT BASINS (NE TURKEY)

of  the  Pliensbachian  testifying  to  alternating  extensional
tectonic  regimes  during  the  Liassic.

Kinematic and dynamic analysis of the Liassic

neptunian  dikes

Because  joints  are  kinematically  enigmatic  structures

their  interpretation  has  generated  controversy  (Hancock
1985).  For  example,  Scheidegger  (1983)  regards  many
joints,  especially  those  belonging  to  orthogonal  vertical
sets,  as  shears.  The  same  sets  have  been  interpreted  as
comprising  extensional  fractures.  If  we  classify  the  shape
of  the  neptunian  dikes  in  Hur  and  Kôrôklô  Valleys  (Figs. 5
and  6),  they  are  grouped  as  I-shaped  (possibly  unidirec-
tional  extension  jointing)  and  T-shaped  (possibly  two  epi-
sodes  of  the  orthogonal  systematic  extensional  joints),

Fig. 4.  Liassic  tectonic  and  following  thermal  subsidences  resulted
in  the  formation  of  neptunian  dikes  in  the  granitic  and  metamor-
phic  Hercynian  basement.

Fig. 5.  Main  geometric  shapes  of  the  neptunian  dikes  exposed  in  the
Gokdere and Kov  villages. A – X-shaped (Fig. 7E), B – Y-shap-
ed,  C  –  L-shaped  (Fig. 7A),  D  –  T-shaped,  E  –  I-shaped
(Fig. 7B,C,D,F and G), F – V-shaped (Fig. 7A).

and  L-,  V-,  Y-,  X-shaped  conjugate  or  hybrid  conjugate
joints  (Hancock  1985).  So  it  might  be  concluded  that  nep-
tunian  dikes  in  both  areas  formed  mainly  in  extensional
fractures  and  less  frequently  in  conjugate  fracture  systems.
On  the  other  hand  the  mesoscopic  fracture  systems  of  the
neptunian  dikes  correspond  to  the  macro-fracture  systems
of  the  Eastern  Pontides.  We  interpreted  regional  exten-
sional  directions  operating  during  the  Early  Jurassic  by
using  the  poles  of  the  neptunian  dikes  in  the  Hur  and
Kôrôklô Valleys  as  in  the  NE,  N,  and  NW  directions  (Fig. 7).
If  we  assume  that  two  or  three  conjugate  fracture  systems
of  the  Liassic  neptunian  dikes  are  coeval,  these  character-
istic  fracture  systems  arranged  in  orthorhombic  symmetry
(Oertel  1965;  Reches  1983a,b)  may  be  caused  by  three-di-
mensional  strain  rather  than  by  multiple  phases  of  faulting
or  pre-existing  basement  faults.  Synchronous  opening  of
the  multi-direction  Liassic  rifts,  in  which  characteristic
limestone  of  the  Ammonitico  Rosso  accumulated,  testify
to  the  triaxial  extensional  deformation  of  the  Hercynian
basement.  On  the  other  hand,  multi-directional  block-edge
folds  (Fig. 3),  dogleg  structures,  trap-door  block  and  angu-
lar  unconformity  caused  by  block  tilting  are  evidence  for
the  extensional  fault  style  of  the  Liassic.

The dip direction method as a tool for estimating

regional kinematics in extensional terranes

Scott  et  al.  (1995)  presented  a  stimulating  and  perhaps

widely  applicable  method  to  determine  the  regional  maxi-
mum  extensional  direction  in  extensional  terranes  on  the
basis  of  dip  direction  of  the  sediments  (Ring  &  Betzler
1995;  Moustafa  1996).  Though  the  Eastern  Pontide  oro-
genic  belt  experienced  a  multi-stage  extensional  history
during  the  Mesozoic  and  a  reverse  reactivation  of  the  nor-
mal  faults  during  the  Cenozoic  (Fig. 2),  experimental  and
theoretical  studies  (Mandal  &  Chattopadhyay  1995)  have
shown  that  the  dip  direction  of  the  normal  faults  and  of
bedding  could  not  be  changed  significantly  during  inver-
sion  tectonics.  So  we  established  the  poles  to  bedding  of
the  Liassic  rift-related  sediments,  and  obtained  the  mean
dip  directions  or  multi-extensional  directions  as  NW-SE,
N-S,  NE-SW  (Fig. 7).  These  are  consistent  with  those  ob-
tained  from  the  neptunian  dikes  of  the  Liassic.

Liassic rifting and inversion

Mesozoic  basins  in  the  southern  zone  of  the  Eastern

Pontides  evolved  from  the  Liassic  rifting  through  passive
continental  margin  to  the  deep  troughs  with  sea-floor
spreading  of  the  middle  and  Upper  Cretaceous.  Diachro-
nous  compressive  tectonic  regimes  are  responsible  for  the
closing  of  these  deep  basins  and  inversion  of  the  exten-
sional  faults  before  the  Eocene.  During  inversion  tecton-
ics,  regional  contraction  can  reactivate  pre-existing
extensional  faults  as  reverse  faults  (Cooper  &  Williams
1989;  Williams  et  al.  1989;  Letouzey  et  al.  1990).  Howev-
er,  reverse  reactivation  may  not  take  place  in  every  do-

background image

342

EYÜBOƒLU, BEKTA ,  EREN, MADEN, ÖZER and JACOBY

Fig. 6. Field photographs of the neptunian dikes. Gr – Paleozoic granites, Mt – Metamorphic rocks, Ls – Liassic sandstone, AL – Am-
monitico Rosso limestone.

background image

343

EXTENSIONAL DEFORMATION AND FORMATION OF THE LIASSIC RIFT BASINS (NE TURKEY)

main  of  the  thrust  belt.  Letouzey  et  al.  (1990)  have  shown
that  reverse  slip  occurs  along  the  deeper  segments  of  the
normal  faults  but  not  along  shallower  fault  segments,
which  typically  dip  more  steeply.  Some  field  investiga-
tions  (Hatcher  1981)  have  shown  that  many  normal  faults
have  not  been  reactivated,  and  that  contraction  is  accom-
modated  by  new  low-angle  thrust.  Normal  faults  reactivat-
ed  only  in  areas  subjected  to  large  extension  prior  to
contraction.  Mandal  &  Chattopadhyay  (1995)  have  shown
experimentally  that  there  are  two  modes  of  reverse  reacti-
vation  which  depend  on  dip  and  spacing  of  faults.  In
Mode 1  fault  blocks  undergo  rigid  rotation  during  the  late
contraction  and  pre-existing  normal  faults  are  reactivated
as  reverse  faults.  In  Mode 2  faults  are  reactivated  in  re-
verse  movements  without  rigid  block  rotation.  As  a  result,
the  dips  of  faults  and  layers  do  not  change  during  contrac-
tion.  Unlike  Mode 1  reactivation,  the  layers  remain  tilted

Fig. 7.  Poles  to  Liassic  neptunian  dikes  and  their  mean  extensional
directions (A and B: Gökdere village; C and D: Kov village). Poles
to  bedding  and  mean  dip  directions  for  the  Liassic  rift  sediments
(E and F). Dip analysis of the Liassic bedding and orientation of the
Liassic neptunian dikes may imply three axial extensional deforma-
tion and formation of the three pairs conjugate normal faults (G).

even  after  fault  offsets  vanish.  If  we  assume  that  Mode  1
and  2  are  applicable  methods  for  the  reactivation  of  the
Liassic  extensional  faults  in  the  Eastern  Pontides,  we  can
deduce  maximum  extensional  directions  and  dip  direc-
tions  of  faults  in  extensional  terranes  on  the  basis  of  dips
of  the  rift-related  sediments.

Modern  seismicity  of  the  Eastern  Pontides  is  mainly

controlled  by  the  faults  corresponding  to  the  lineament
of  the  gravity  and  magnetic  anomalies  and  extensions  of
the  Mesozoic—Cenozoic  basins  implying  that  active
faults  are  superimposed  on  the  paleofaults  (Figs. 1  and  8).
The  multiple  directions  of  the  Mesozoic—Cenozoic  folds
have  mutual  relationships  with  faults  suggesting  that  the
folds  were  formed  by  the  faults  in  the  extensional  and/or
compressional  deformations.

Fault-related folding in the Eastern Pontides

Fold  orientations  in  NW,  E-W,  NE-SW,  that  are  parallel

to  the  fault  systems  are  the  main  characteristic  features  of
the  Eastern  Pontide  structural  style.  This  mutual  relation-
ship  between  faults  and  folds  strongly  suggests  that  folds
were  formed  by  the  extensional  and  compressional  fault
systems  during  the  opening  and  closing  of  the  Mesozoic
and  Cenozoic  basins,  respectively.  The  overall  size,
shape,  and  trend  of  the  fold  in  the  Mesozoic  and  Cenozo-
ic  sediments  reflects    the  size,  shape,  and  trend  of  the
basement  blocks,  such  as  the  Hercynian  Gümü hane-
Köse  granites  around  Gümü hane  city  (Fig. 3).  On  the
other  hand,  the  reactivation  of  synrift  normal  faults  of
the  paleo-Atlas  rifts  inverted  previous  half-grabens  into
anticlinal  structures,  with  the  axis  of  the  half-graben  cen-
tred  below  the  axis  of  the  inverted  anticline.  The  result-
ing  inverted  fold  geometries  are  controlled  by  the
geometries  of  the  extensional  planar  or  listric  faults
(Beauchamp  et  al.  1996).  Therefore,  if  we  take  into  ac-
count  the  opening  and  closing  of  the  Liassic  grabens  ex-
tending  in  the  NW-SE,  E-W,  NE-SW  directions,  it  can  be
concluded  that  longitudinal  Liassic  synclines  and  anti-
clines  in  the  same  directions  as  faults,  may  correspond  to
the  Liassic  extensional  folding  and  formation  of  the  half-
grabens  (drag  folds  or  rollover  folds,  Schlische  1995)  and
to  later  compressional  folding  and  closing  of  the  half-
grabens  (Mitra  1993).

Interpretation of the gravity and magnetic

anomaly maps of the Eastern Pontide orogenic belt

The  characteristic  magnetic  and  gravity  features  of  the

Eastern  Pontides  orogenic  belt  are  summarized  as  fol-
lows:

1  –  The  large  variations  in  amplitude  and  steep  gradi-

ents  in  both  gravity  (Bouger  and  residual  gravity  map)
and  magnetic  data  define  distinct  northern,  southern  and
axial  zones,  as  seen  in  the  geological  map  of  the  Eastern
Pontides,  and  are  compatible  with  the  structures  of  the
block  fault  tectonics  (Fig. 1).

background image

344

EYÜBOƒLU, BEKTA ,  EREN, MADEN, ÖZER and JACOBY

Fig. 8.  Gravity  (A),  magnetic  (B)  and  residual  gravity  (C)  maps  of  the  Eastern  Pontides  (from  MTA,Turkey)  may  imply  three  different
major subzones outlined by the three fracture systems in NW, E—W, NE directions.

background image

345

EXTENSIONAL DEFORMATION AND FORMATION OF THE LIASSIC RIFT BASINS (NE TURKEY)

2  –  In  contrast  to  the  southern  zone,  which  has  nega-

tive  residual  gravity  anomalies,  the  northern  and  axial
zones  have  positive  residual  gravity  anomaly.  These  im-
ply  that  the  Eastern  Pontide  orogenic  belt  had  horst  and
graben  structures  or  block-fault  tectonics  in  Mesozoic  and
Cenozoic  times  (Fig. 8C).

3  –  Lineaments  which  are  expressed  as  linear  magnetic

and  gravity  anomalies  in  NW,  E-W,  NE  directions  are  in-
terpreted  as  originating  from  fault  zones.  The  trends  of  the
fault  zone  are  parallel  to  the  ultramafic,  metamorphic  and
granitic  massifs  implying  that  the  emplacements  of  the
massifs  are  controlled  by  these  faults.

4  –  Basins  of  the  Mesozoic  and  Cenozoic  correspond

to  the  magnetically  calm  areas  which  constitute  the  belts,
a  maximum  of  30—40 km  wide  and  100—150 km  long,  in
NW,  E-W  and  NE  directions.  They  coincide  approximate-
ly  with  the  edge  of  the  blocks  as  defined  by  the  gravity
anomalies.

5  –  A  series  of  strong  positive  circular  magnetic  anom-

alies  are  seen  especially  in  the  northern  zone.  They  are
clearly  granites  and/or  calderas  that  have  been  emplaced
along  the  zones  of  faults.

Discussion and conclusion

Models  of  rift  basins  commonly  depict  a  relatively  sim-

ple  geometry  produced  during  a  single,  sometimes  pro-
tracted  episode  of  extension  (Gibbs  1987).

In  recent  years,  many  studies  show  four  or  six  sets  of

faults  with  orthorhombic  symmetry  (Freund  &  Merzer
1976;  Reches  1983a)  or  a  zig-zag  and  polygonal  pattern
of  normal  faults  in  extensional  regions  (Lonergan  et  al.
1998;  Lonergan  &  Cartwright  1999;  Nieto-Samaniego
1999;  Tikof  &  Fossen  1999).  Such  patterns  are  also  ob-
served  from  small-scale  faults  to  the  regional  zig-zag  pat-
tern  of  the  rift  valleys  (Collby  &  Susanne  1998).  These
patterns  of  faults  were  classically  explained  as  the  results
of  multiple  phases  of  faulting  or  as  being  due  to  pre-exist-
ing  basement  faults.  However,  in  some  cases  penecontem-
poraneous  development  of  three  or  four  sets  of  faults  is
either  evident  or  very  probable.  Such  a  fault  pattern  was
produced  by  (Oertel  1965)  in  a  clay  cake  subjected  to
stretching  in  a  three-dimensional  strain  field.  Similarly,
Reches  (1983b)  produced  such  patterns  in  cubes  of  sand-
stone,  granite  and  limestone  that  were  subjected  to  com-
pression  in  a  three-dimensional  field.  According  to
Reches’s  slip  model,  fault  patterns  such  as  defined  above
can  form  in  a  single  phase  of  faulting,  as  the  effect  of  a
three-dimensional  strain  field.  As  three-dimensional  states
of  strain  are  common  in  nature,  it  seems  that  the  present
analysis  of  the  zig-zag  shaped  Liassic  faulting  of  the  East-
ern  Pontides  (Fig. 1)  is  an  appropriate  approach  for  the  in-
terpretation  of  faults  in  the  field.

The  Eastern  Pontide  magmatic  arc  was  rifted  in  NW,  E-W

and  NE  multi-directions  during  the  Early  Jurassic.  As  the
characteristic  red  pelagic  limestones  of  the  Ammonitico
Rosso  deposited  at  the  same  stratigraphic  level  in  the  zig-
zag  shaped  rift  basins,  it  is  considered  that  the  openings  of

the  rift  system  with  multi-directions  were  synchronous.  Dis-
tributions  of  the  poles  to  the  Liassic  neptunian  dikes  filled
and  covered  with  Ammonitico  Rosso  imply  that  extension-
al  deformation  of  the  Liassic  rift  basins  occurred  in  a  three-
dimensional  strain  field  rather  than  multiple  phases  of  the
faulting.  Extensional  block  tilting  and  dip  direction  of  the
Liassic  sediments  in  NW-SE,  N-S,  NE-SW  directions  testify
that  Liassic  rifting  occurred  by  three  pairs  of  conjugate  nor-
mal  faults  parallel  to  the  multi-direction  rift,  or  three-direc-
tional  deformation  is  responsible  for  the  Liassic  rifting.

Acknowledgments:  We  thank  Mehmet  Arslan  for  correct-
ing  the  English  of  the  manuscript.  Field  studies  of  this
work  were  supported  by  funds  from  Karadeniz  Technical
University  research  Grands  21.112.005.4.

References

Adamia  S.A.,  Chkhotua  T.,  Kekelia  M.,  Lordkipanidze  M.,  Shav-

ishvili I. & Zakariadze G. 1981: Tectonics of the Caucasus and
adjoining  regions:  Implications  for  the  evolution  of  the  Tethys
ocean. J. Struct. Geol. 3, 437—447.

Beauchamp W., Barazangi M., Demnati A. & ElAlji M. 1996: Intra-

continental  rifting  and  inversion.  Missour  basin  and  Atlas
Mountains,  Morocco.  AAPG  Bull.  9,  80,  1459—1482.

Bekta   O.  1986:  Paleostress  trajectories  and  polyphase  rifting  in

arc—back  arc  of  eastern  Pontides.  Bull.  Miner.  Res.  Explor.
Inst.  Turkey
  103,  104,  1—15.

Bekta  O. 1987: Volcanic belts as markers of the Mesozoic-Cenozo-

ic  active  margin  of  Eurasia.  Discussion.  Tectonophysics  141,
345—347.

Bekta   O.  &  Çapkônoûlu  .  1997:  Neptunian  dikes  and  block  tec-

tonics  in  the  Eastern  Pontide  Magmatic  Arc,  NE  Turkey:  Im-
plications for the kinematics of the Mesozoic basins. Geosound
30,  451—461.

Bekta  O., Pelin S. & Korkmaz S. 1984: Mantle uprising and poly-

genetic ophiolite fact in the back-arc basin of the Eastern Pon-
tides. TJK Ketin Symposium 175—188.

Bekta  O.,  en C., Atôcô Y. & Köprüba ô N. 1999: Migration of the

Upper  Cretaceous  subducted  related  volcanism  towards  the
back-arc  basin  of  the  Eastern  Pontide  magmatic  arc  (NE  Tur-
key).  Geol.  J.  34,  95—106.

Bekta  O., Çapkônoûlu  . & Akdaû K. 2001: Successive extensional

tectonic  regimes  during  the  Mesozoic  as  evidenced  by  neptu-
nian dykes in the Pontide magmatic arc, Northeast Turkey. Int.
Geol.  Rev.
  34,  95—106.

Chorowicz J., Dhont D. & Adôyaman Ö. 1998: Black Sea Pontid re-

lationship:  interpretation  in  terms  of  subduction.  Third  Interna-
tional Turkish Geology Symposium, Abstracts, 
Ankara, 1—258.

Colby  J.V.  &  Susanne  U.J.  1998:  Three-dimensional  strain  pro-

duced  by  50 My  of  episodic  extension,  Horse  Prairie  basin
area, SW Montana, U.S.A. J. Struct. Geol. 20, 12, 1747—1767.

Cooper  M.A.  &  Williams  G.D.  1989:  Inversion  tectonics.  Spec.

Publ.  Geol.  Soc.  London  44,  1—375.

Dewey J.F., Pitman W.C., Ryan W.B.F. & Bonnin J. 1973: Plate tec-

tonics  and  evolution  of  Alpine  system.  Geol.  Soc.  Amer.  Bull.
84,  3137—3180.

Freund R. & Merzer A.M. 1976: The formation of rift vallleys and

their  zigzagfault  patterns.  Geol.  Mag.  113,  6,  561—568.

Gibbs  A.  1987:  Development  of  extension  and  mixed  mode  sedi-

mentary  basins.  Structural  concepts  and  techniques  II.  AAPG
Treatise Petroleum Geology, Reprint Ser.
 27—42.

background image

346

EYÜBOƒLU, BEKTA ,  EREN, MADEN, ÖZER and JACOBY

Hancock  P.L.  1985:  Brittle  microtectonics:  Principles  and  practice.

J. Struct. Geol. 7, 3, 4, 437—457.

Hatcher R.D. 1981: Thrusts and nappes in the Northern American Ap-

palachian  Orogen.  In:  McClay  K.R.  &  Price  N.J.  (Eds.):  Thrust
and nappe tectonics.  Blackwell Sci. Publ., Oxford, 495—499.

Letouzey  J.,  Werrer  P.  &  Marty  A.  1990:  Fault  reactivation  and

structural inversion: Backarc and intraplate compressive defor-
mations:  Example  of  the  eastern  Sunda  shelf  (Indonesia).  Tec-
tonophysics  
183,  341—362.

Lonergan L. & Cartwright J.A. 1999: Polygonal faults and their  influ-

ence  on  deep  water  sandstone  reservoir  geometries,  Alba  field,
United Kingdom Central North Sea. AAPG Bull. 83, 3, 410—432.

Lonergan L., Cartwright J.A. & Jolly R. 1998: The geometry of po-

lygonal in Tertiary mudrocks of the North Sea. J. Struct. Geol.
20,  25,  529—548.

Mandal  N.  &  Chattopadhyay  A.  1995:  Modes  of  reverse  reactiva-

tion  of  domino  type  normal  faults:  experimental  and  theoreti-
cal  approach.  J.  Struct.  Geol.  17,  8,  1151—1163.

Mitra  S.  1993:  Geometry  and  kinematic  evolution  of  inversion

structures.  AAPG  Bull.  77,  7,  1159—1191.

Moustafa  A.R.  1996:  Internal  structure  and  deformation  of  an  ac-

commodation  zone  in  the  northern  part  of  the  Suez  rift.  J.
Struct.  Geol.
  18,  1,  93—107.

Nieto-Samaniego  A.F.  1999:  Stress,  strain  and  fault  patterns.  J.

Struct.  Geol.  21,  1065—1070.

Oertel  G.  1965:  The  mechanism  of  faulting  in  clay  experiments.

Tectonophysics  2,  343—393.

Ravnas R. & Steel R.J. 1998: Architecture of marine rift-basin suc-

cessions. AAPG Bull. 82, 1, 110—146.

Reches  Z.  1983a:  Faulting  of  rocks  in  three-dimensional  strain

fields:  I  failure  of  rocks  in  polyaxia,  servo-control  experi-
ments.  Tectonophysics  95,  111—132.

Reches  Z.  1983b:  Faulting  of  rocks  in  three-dimensional  strain

fields. II. Theoretical analysis. Tectonophysics 95, 133—156.

Ring U. & Betzler C. 1995: Dip analysis as a tool estimating region-

al  kinematics  in  extensional  terranes.  Discussion.  J.  Struct.
Geol.
  17,  5,  751—754.

Scheidegger  A.E.  1983:  Interpretation  of  fracture  and  physiograph-

ic patterns in Alberta, Canada. J. Struct. Geol. 5, 53—59.

Schlische  R.W.  1995:  Geometry  and  origin  of  fault-related  folds  in

extensional settings.  AAPG  Bull.  79,  11,  1661—1678.

Scott D.L., Braun J. & Etheridge M.A. 1995: Dip analysis as a tool

estimating  regional  kinematics  in  extensional  terranes.  Reply.
J. Struct. Geol. 17, 5, 755—756.

engör  A.M.C.,  Yôlmaz  Y.  &  Ketin  ù.  1981:  Remnants  of  a  pre-

Late Jurassic ocean in Northern Turkey: Fragments of a Permi-
an-Triassic Paleotethys. Geol. Soc. Amer. Bull. 91, 599—609.

Tikoff  B.  &  Fossen  H.  1999:  Three-dimensional  reference  defor-

mations and strain facies. J. Struct. Geol. 21, 1497—1512.

Williams  G.D.,  Powell  C.M.  &  Cooper  M.A.  1989:  Geometry  and

kinematics of inversion tectonics. In: Cooper M.A. & Williams
G.D.  (Eds.):  Inversion  tectonics.  Spec.  Publ.  Geol.  Soc.  Lon-
don
  44,  3—15.

Winterer E.L. & Sarti M. 1994: Neptunian dikes and associated fea-

tures  in  southern  Spain:  Mechanics  of  formation  and  tectonic
implications.  Sedimentology  41,  1109—1132.

Yôlmaz  C.  2002:  Tectono-sedimentary  records  and  controlling  fac-

tors  of  the  Mesozoic  sedimentary  Basin  in  the  Gümü hane-
Bayburt region. Geol. Bull. Turkey 45, 1, 141—164.

Yôlmaz  C.  2006:  Platform-slope  transition  during  rifting:  The  mid-

Cretaceous  succession  of  the  Amasya  region,  Northern  Anato-
lia, Turkey. Int. J. Asian Earth Sci. 27, 194—206.

Yôlmaz  C.,  Özgür  S.  &  Taslô  K.  1996:  Polygenic  rifting  phase

records  of  the  Mesozoic  sediments  in  the  Gümü hane  region,
NE  Turkey.  49

th

  Geological  Congress  of  Turkey,  Geol.  Bull.

Turkey  11,

 

170—175.