Fiziksel jeoloji deformasyon Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 1 X. KIVRIMLAR, FAYLAR VE KAYAÇLARIN DEFORMASYONU X.1. G İR İŞ Modern jeolojinin öncüleri olan 18. ve 19. yüzyıl yerbilimcileri, tortul kayaçların ço ğunun önce deniz tabanında yatay bir şekilde çökeldiklerini, daha sonra katıla ştıklarını anladılar. Fakat bu ba şlangıçta yatay olan kayaçların ( Şekil X.1, X.2) e ğim kazanmaları ( Şekil X.3, X.4), bükülmeleri veya kırılmaları kar şısında şu soruları sordular: kayaçlar hangi kuvvetlerin etkisi altında kalarak deforme oldular? Arazide gözlemlenen deformasyon şekillerinden, kayaçların geçmi şi anla şılabilir mi? Bugünün yerbilimcileri olarak bizler de, “tüm kayaç çe şitlerinin nasıl deforme olduklarını, ve bu deformasyonun plaka tektoni ği ile olan ili şkileri nelerdir?” sorularına yanıt arıyoruz. Bu bölümde bu sorulara cevaplar aramaya çalı şaca ğız. Şekil X.1. Geni ş alanlarda yayılım gösteren yatay tabakalı birimler Şekil X.2. Yatay konumdaki sedimanter kayaçların yakın . görünümü (Yeniceoba-Konya GB’sı, E.Özsayın). Şekil X.4. E ğim kazanmı ş tabakalar. Şekil X.5. Yüksek e ğim kazanmı ş tabakalar (Yeniceoba- Konya batısı, E.Özsayın) Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 2 Yerküre üzerindeki kayaçların u ğradı ğı deformasyon havadan çekilen foto ğraflar incelendi ğinde çok belirgin olarak görülebilmektedir ( Şekil X.6 ve X.7). Şekil X.6. Yeryüzündeki deformasyonu (kıvrımlar) gösteren, dü şey yönde Şekil X.7. Yerkabu ğunda olu şmu ş en önemli çekilmi ş bir hava foto ğrafı. yapılardan olan ve deprem üreten bir fayı . gösteren, e ğik çekilmi ş hava foto ğrafı. X.2. ARAZ İ VER İLER İN İN YORUMU X.2.1. Do ğrultu ve E ğim Bir arazi parçasının geçirdi ği deformasyonları anlamak için, kayaçların üzerlerinin açık oldu ğu (yani örtülü olmadı ğı) mostralardan bilgi toplanır. Tabakalı bir tortul kayaç kıvrımlandı ğı zaman, yer bilimci ço ğu kez bu kıvrımı parçalarını ayrı ayrı mostralarda gözlemler, ölçümler alır ve yorumlar. Böyle bir durumda, ba şlangıçta yatay olan bir tabakanın, bükülme (kıvrımlanma) sırasında aldı ğı konumu ölçmek önemli olur. Böyle bir konum iki ölçümle belirlenir: do ğrultu ve e ğim. Do ğrultu (strike): bir kayaç tabakasının yatay düzlemle arakesiti olan do ğrunun yönelimidir (direction). Şekil X.8A da do ğrultu yatay konumdaki su yüzeyi ile tabakanın arakesitidir. Şekil X.8B de ise kırmızı kumta şlarının do ğrultusu D-B’dır. Yönelim: yatay bir do ğrunun kuzey yönü ile yaptı ğı dar açıdır. E ğim: do ğrultuya dik olan e ğim, bir tabakanın yatay düzlemden ne kadar saptı ğını (dar açı) gösterir. Şekil X.8A da e ğim 50°, Şekil X.8B’de ise e ğim güneye do ğru 45°’dir. Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 3 A B Şekil X.8. Bir tabakanın do ğrultu ve e ğimi. X.2. 2. Jeolojik harita alma ve kesit hazırlama Arazi verilerini yansıtmada kullanılan uygun bir araç, yerbilimcilerin mostraların yerlerini, mostra kayaçlarının türlerini ve kayaç tabakalarının doğrultu ve e ğimlerini i şaredikleri jeolojik haritalardır. Jeolojik geçmi şi anlamada önemli di ğer bir araçta, jeolojik kesit almadır. Kesit, kesitin alındı ğı yerde yeryüzü dü şey olarak kesilebilse ve bu kesite kar şıdan bakılsa nelerin görülebilece ğini yanıtan bir çizimdir. Bu anlamda do ğal kesitler, dik yarlarda, maden ocaklarında veya yol yarmalarında izlenebilir. Bir jeolojik kesit, jeolojik haritada bulunan verilerden itibarende olu şturulabilir. Şekil X.9’da, ba şlangıçta yatay olarak çökelmi ş, ve daha sonra sıkı şma ile kıvrımlanmı ş tortul tabakalardan olu şmu ş bir arazi parçasının haritası, ve bu haritadan yola çıkılarak hazırlanmı ş bir kesit görülmektedir. Özellikle kesitten anla şılaca ğı gibi, Şekil X.9’daki kıvrımlanmı ş tabakaların büyük bir kısmı erozyona u ğramı şlardır. Yerbilimci, bu durumda önemli bir kısmı zaman içinde erozyonla yok olmu ş olan mostra kayaçlarının deforme olmu ş tabakalarını nasıl çizer? Şekil X.9. Bir jeolojik harita ve bu haritadan h a z ırlanan kesit Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 4 Yerbilimci, burada gözlemlenen tortul kayaçların, önce yatay halde çökelmi ş olduklarını (law of original horizantality), ve bu kayaçların daha sonra bükülerek bu hale geldiklerini dü şünecektir. Üst üste gelme kuralı (law of superposition) gere ğince, en ya şlı kayacın üzerine giderek gençle şen kayaçların çökeldikleri hatırlandı ğında, jeolog, mostra kayaçlarının en ya şlısı (ve en altta olanı) olanı (1 numaralı tabaka) ile bu tabakanın üstüne gelen daha genç tabakaların izlerini, e ğim açılarına göre çizecektir. 1 numaralı formasyonun her iki tarafında da aynı formasyonlar bulunmaktadır. Bu tabakaların erozyon öncesinde devamlı oldukları varsayılırsa, erozyona u ğramı ş bu tabakaların geometrisi, kesikli çizgiler sayesinde ve e ğim açıları temel alınarak, çizilir. Bu haritalama ve kesit alma i şlemleri, bu arazi parçasının bir zamanlar denizel bir ortamı yansıttı ğını göstermektedir. Denizde çökelen tortul kayaçlar, daha sonra yer kabu ğundaki kuvvetlerle sıkı şarak, ve bükülerek kıvrımlanmı şlardır. Mostra kayaçları, deniz yüzeyinin üzerine çıkarak (veya deniz çekilerek), erozyona maruz kalmı şlar, ve mostra ortamından ayrılarak ba şka kesimlere do ğru ta şınmı şlardır. X.3. KAYAÇLAR NASIL DEFORME OLURLAR ? X.3.1. Deformasyona neden olan kuvvetler Sert ve sa ğlam görünen kayaçlar, uzun zaman aralıkları içinde ve yer kabu ğundaki kuvvetlerin etkisi altında deforme olurlar. Bu kuvvetler 1) bir cismi sıkı ştıran ve boyunu azaltan sıkı şma kuvvetleri (compressive forces); 2) bir cismi çeken, boyunu uzatan ve koparmaya çalı şan çekme kuvvetleri, (tensional forces) ve 3) bir cismi, birbirine ters yönlerde sıkı ştıran kesme (makaslama kuvvetleri: shearing forces) olabilirler. Kesme kuvvetlerini dü şünmede, iki el ayası arasına sıkı ştırılmı ş bir iskambil destesinin, eller birbirlerine göre ters yönlerde ve paralel hareket ettirildikleri zaman yapacakları birbirleri üzerindeki kayma hareketleri yardımcı olabilir. Şekil X.10’da, bu üç kuvvet cinsinden itibaren geli şebilecek jeolojik yapılar (kıvrım ve fay cinsinden) gösterilmi ştir. Plaka tektoni ği kuramına göre, bu üç kuvvet cinsi, birbirlerinden uzakla şan, veya yakla şan, veya birbirlerine göre yanyana kayarak hareket eden plakalarda olu şurlar. Sıkı şmalı yapılar Gerilmeli yapılar Kesme/Makaslama yapıları Kıvrımlanma Uzama ve incelme Kesme/Makaslama Faylanma Faylanma Faylanma Şekil X.10. De ği şik türde kuvvetlerin etkisi altında geli şen kıvrım ve fay yapıları. Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 5 X.3.2. Bir kayacın bükülmesi (kıvrımlanması) veya kırılmasını (faylanmasını) neler denetler ? Her ne kadar jeoloji, arazi verilerine dayansa da, jeolojik olaylar aynı zamanda laboratuvar ortamında da incelenirler. Yerbilimciler özellikle bir kayaç formasyonunun niçin bir yerde kıvrımlanma ile ve niçin ba şka bir yerde kırıklanma, veya faylanma ile deforme oldu ğunu laboratuvar deneyleri ile anlamaya çalı şmı şlardır. Bu deneylerde, yeryüzeyine yakın kısımlarla, 30 kilometre kadar derin kısımlara yakın basınç ve sıcaklık koşulları, kayaç örneklerine uygulanabilmektedir. Böyle bir deneyde, ara ştırmacılar, silindirik bir mermer parçasını iki madeni piston arasına koyarak sıkı ştırmı şlardır. Aynı zamanda, mermer parçasının çevresine de sıkı ştırıcı kuvvetler uygulamı şlardır. Yer kabu ğunun sı ğ kesimlerine denk dü şecek bir şekilde, dü şük çevre basınçlarında sıkı ştırılan mermer parçası kırılarak deforme olmu ştur. Tersine, kabu ğun derin kısımlarına kar şılık gelebilecek şekilde yüksek çevre basınçları uygulanan kayaç parçası ise, yava şça, düzenli bir şekilde ve kırılmadan deforme olmu ştur (plastik deformasyon). Bu son deneyde, kayaç, bükülebilir, esnek bir şekilde davranmı ştır. Şekil 10. 5‘de bu deneylere ait fotograflar verilmi ştir. A B C Şekil X.11. A) Deney öncesi mermer silindiri; B) Elastik Şekil X.12. Elastik ve plastik deformasyon gösteren deformasyon; C) Plastik deformasyon. cisimlerin gerilim (stress)-yamulma (strain) grafi ği X.3.3. Do ğal ko şullarda kırılganlık ve süneklilik Di ğer malzemelerin büyük bir kesiminde oldu ğu gibi kayaçta, uygulanan kuvvetler altında maruz kaldı ğı deformasyona göre kırılgan/gevrek (brittle) veya sünekli/sünümlü (ductile) olarak sınıflandırılabilir. Artan kuvvetler etkisi altında, gevrek bir malzeme, fazla şekil de ği şikli ğine u ğamadan aniden kırılır; sünekli bir cisim ise yumu şak ve devamlı bir şekilde plastik deformasyon geçirir ( Şekil X.12). Oda sıcaklı ğında cam, gevrek bir malzeme, seramik kili ise sünekli bir malzemedir. Mermer sı ğ kabuk derinliklerinde kırılgan, derin kesimlerde ise sünekli davranı ş gösterir. Do ğal ko şullar tabiidir ki, deneylerin yürütüldü ğü laboratuvar ko şullarından daha karma şıktır. Do ğada, tektonik kuvvetler milyonlarca yıl boyunca uygulanırken bir laboratuvar deneyi bir kaç saatte bitirilebilir. Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 6 Buna ra ğmen, deneyler bize do ğada deformasyonun nasıl olabilece ği konusunda kıymetli bilgiler verirler. Arazide, kıvrım ve fayları gördü ğümüzde, bunların sırası ile sünekli ve kırılgan kayaçlara ait deformasyonlar oldu ğunu söyleriz. Aynı kayaç, kabu ğun sı ğ kesimlerinde gevrek, derin kesimlerinde ise sünekli davranabilir. X.4. KAYAÇLAR NASIL KIVRIMLANIRLAR? Kıvrım, önce düzlemsel olan bir yapının – örne ğin bir tortul kayaç tabakası – bükülmesine verilen isimdir. Yer kabu ğu içinde kuvvetler yatay veya dü şey olabilirler. Kıvrımlanma, bu kuvvetler altında olu şan da ğ kuşaklarında geli şir. Henüz erozyonun tamamen etkilemedi ği genç da ğ sistemlerinde, kilometrik boyutlarda büyük kıvrımlar gözlenebilir. Daha küçük ölçeklerde ise, santimetre boyutunda kıvrımlarda gözlemlenebilirler. Kayaçların maruz kaldıkları kuvvetlerin büyüklü ğüne, uygulama süresine ve kayaçların deformasyona gösterdikleri dirençlere göre kıvrımlanma hafif veya şiddetli olabilir. X.4.1. Kıvrım türleri Tabakalı kayaçlar, sıkı şma kuvvetlerine de ği şik şekillerde kıvrımlanarak yanıt verebilirler. Kıvrımlar yukarıya doğru kavisli bir şekilde iseler antiklinal, a şa ğıya do ğru, veya çukur şeklinde iseler senklinal adını alırlar ( Şekil X.13). Bir kıvrımın her iki tarafına kanat denir. Eksen düzlemi, bir kıvrımın iki kanadı arasında ve kıvrımı mümkün oldu ğu kadar simetrik bir şekilde ikiye bölen sanal bir düzlemdir. Eksen düzleminin kıvrımın tabakalarla arakesiti olan do ğru parçasına ise kıvrım ekseni denir. Kıvrım ekseni yatay veya dalımlı olabilir. En ya şlı kaya birimleri En genç kaya birimleri Eksen düzlemi Kanat Kanat Eksen A Senklinal Antiklinal B Şekil X.13. A) Kıvrım ekseni yatay olan bir kıvrımın elemanlarını gösteren diyagram. B) Yatay eksenli antiklinal ve senklinalin dü şey ve yatay düzlemde görünümünü gösteren blok diyagram. Her kıvrım, Şekil X.13’de gösterildi ği gibi dü şey bir eksen düzlemi etrafında simetrik iki kanada sahip de ğildir. Artan yatay kuvvetler etkisi ile, bir kıvrımın bir kanadı di ğerine göre daha e ğimli hale gelebilir: bu kıvrıma asimetrik kıvrım denir ( Şekil 10.8). Devam eden deformasyonla bir kanad, önce dü şey hale gelip daha sonra da dü şeyin de di ğer tarafına do ğru e ğim kazanmı şsa, bu şekildeki bir kıvrıma devrik kıvrım denir ( Şekil 10.8). Böyle bir kıvrımın her iki kanadı da aynı e ğim yönündedir. Fakat böyle bir kıvrımda, altta kalan kanatta yeralan formasyonların sırası, ilk konumlarının tersidir, yani ya şlı kayaçlar genç kayaçların üstüne gelmi şlerdir. Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 7 Asimetrik antiklinal Devrik kıvrımlar Şekil X. 14. De ği şik tür kıvrımlar Yatık kıvrım Dalımlı Dalımlı antiklinal senklinal Şekil X.15. Dalımlı kıvrım Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 8 Şekil X.16. Devrik antilinal Şekil X.17. Çift dalımlı antiklinalin havadan görünümü Şekil X.18. De ği şik tip kıvrımların blok diyagramları Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 9 A B Şekil X.19. Dom, her yöne dalımı olan, yuvarlak şekilli bir antiklinal türüdür (A). Yine yuvarlak şekilli olan senklinal ise havza (basin) adını alır (B). Bir domun havadan görünümü (C) C X.5. KAYAÇLAR NASIL KIRILIRLAR: KIRIK VE FAYLAR Bir kayaç kuvvetler etkisi altında kırıldı ğı zaman, olu şan yapılar çatlaklar ve faylardır. İkisinin arasındaki farkı anlamak için, kırılmı ş kayaç yüzeylerine bakılır. E ğer yüzeyler biribirlerine göre paralel olarak hareket etmemi şlerse (hareket yoksa) buna çatlak, hareket varsa fay denir. Her iki yapının incelenmesi, yöredeki kayaçların geçirmi ş oldukları deformasyonla ilgili bilgiler verir. X.5.1. Eklemler Çatlak (joint) de denen eklemler (fractures) kabuk içindeki kuvvetlerle olu ştukları gibi (tektonik kırıklar), tektonik olmayan eklemler de vardır. Erozyonla a şınıp giden tabakalarda azalan çevre basıncı ile, kalan kayaçlar kırıklanabilirler. Ayrıca volkanik kayaçlarda da lavların so ğuma ve büzülme yüzünden çatladıkları bilinmektedir. Bir formasyon de ği şik yerlerinden kırıklandı ğı ve çatlaklar geli şti ği zaman, bu çatlaklar boyunca kaya bünyesine sızan hava ve su kayacın ayrı şmasına neden olur. X.5.2. Faylar Kıvrımların varlı ğı genellikle sıkı şmaya delalet ederse de, faylar hem sıkı şma, hem çekme hem de kesme kuvvetleri altında olu şabilirler. Bu kuvvetler özellikle plaka sınırlarında etkin ve şiddetlidirler. Çarpı şan plakaların sınırlarında geli şen da ğ ku şaklarında veya birbirlerinden uzakla şan plakaların arasındaki rift vadilerinde fayları bulmak do ğaldır. Kuzey Anadolu fayı gibi faylarında ise, iki plaka yanyana önemli Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 10 ölçülerde kayabilirler (atım: yüzlerce kilometre olabilir). Plakaların iç kesimlerinde de kuvvetler etkin olabilirler, ve plaka sınırlarından uzak ve plaka içindeki yerlerde faylanmalar olu şturabilirler. Fayın olu ştu ğu kırık yüzeyine fay yüzeyi denir. Tabakalarda oldu ğu gibi, fay yüzeyinin de do ğrultu ve e ğimi vardır. Bu yüzeyin her iki tarafında bulunan fay bloklarının birbirlerine göre fay yüzeyi üzerinde yaptıkları hareketlerin, do ğrultu veya e ğim yönüne yakınlı ğına göre sırası ile do ğrultu atımlı veya e ğim atımlı faylar tanımlanır. Do ğrultu atımlı bir fayda (strike-slip fault), fay hareketleri yataydır. Bir fayın atımının hem e ğim hem de do ğrultu yönünde bile şenleri varsa, bu faya verev atımlı (oblik atımlı) fay denir. E ğim atımlı faylar, sıkı şma kuvvetleri neticesinde olu şmu şsa ters fay, çekme kuvvetleri ile olu şmu şsa normal fay adını alır. Ters fayda, fay yüzeyinin üzerinde yeralan jeolojik formasyonlar altta yeralanlara göre yukarı doğru çıkmı şlardır. Normal bir fayda ise, fay yüzeyi üstündeki formasyonlar alttakilere göre a şa ğıya doğru ilerlemi şlerdir (ötelenmi şlerdir). Do ğrultu atımlı bir fayın bir tarafı, di ğerine göre sola do ğru gitmi şse faya “sol yönlü do ğrultu atımlı fay” denir, sa ğa do ğru gitmi şse faya “sa ğ yönlü do ğrultu atımlı fay” denir. Bir ters fayın açısı çok dü şük ise (0°-10°), bu faya örtü fayı veya nap (fransızca nappe; ingilizce thrust fault) adı verilir. Örtü fayları, önemli deformasyon geçirmi ş da ğ ku şaklarına (örne ğin Toroslar, Alpler) has yapılardır. Normal e ğim-atımlı fay Ters e ğim-atımlı fay Do ğrultu-atımlı fay Verev-atımlı fay Örtü fayı/ şaryaj/nap Şekil X.20. De ği şik türde kuvvetlerin etkisi altında geli şen kıvrım ve fay yapıları. Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 11 Şekil X.21. Alüvyon çökelleri içinde geli şmi ş bir normal fay Şekil X.22. Soma kömür ocaklarında gözlenen kıvrım ve (Cihanbeyli batısı, E.Özsayın) faylar (E.O.Tarı) Normal faylarla sınırlı çöküntü alanlarına graben, yüksekte kalan kesimlere de horst adı verilir ( Şekil X.23). Çekme kuvvetlerinin etkisi ile bir plakanın ikiye ayrılması durumunda olu şan ve kenarları normal fayla sınırlı çöküntü alanlarına ise rift adı verilir. Kızıldeniz bu yapının güncel örne ğidir. ( Şekil X.24). Kızıldeniz Horst Graben Şekil X.23. Horst ve grabenin görünümü Şekil X.24. Rift’e örnek: Kızıldeniz Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 12 X.6. JEOLOJ İK GEÇM İŞİ ANLAMA Genellikle bir bölgenin jeolojik geçmi şi ardı şık deformasyon evreleri ve di ğer jeolojik i şlevlerle ilgilidir. Batı Amerika’nın “Basin and Range” bölgesine ait kesitlerde ( Şekil X.25) karma şık bir geçmi şe ait bulgular ve yorumlar vardır. Yer bilimci, bugüne ait olarak sadece (E) kesitini görmekte, veya yorumlamaktadır. Di ğer kesitler (A-D kesitleri), bugün gördü ğünün eskiden nasıl olabilece ği sorusuna yanıtlarla olu şturulmu ş bir geriye bakı şı yansıtmaktadır. Buna göre, önce bir okyanusal ortamda olu şan çökelme (A), ardından bir sıkı şma ve kıvrımlanma-faylanma (B) ve erozyon (C), bir volkanik etkinlik (D) ve günümüze yakın zamanlarda çekme kuvvetleri ile kabu ğun bloklara yarılması olayları gerçekle şmi ş olabilir. A B C D E Şekil X.25. Batı Amerika’nın bir bölümüne ait jeolojik geçmi şi gösteren kesitler. Günümüzün genç sırada ğlarını olu şturan Alpler, Toroslar ve Himalayaların günümüzden birkaç on milyon yıllık geçmi şleri ile ilgili olarak daha fazla bilgimiz olmasına kar şın, birkaç yüz milyonluk veya daha eski da ğ kuşaklarına ait bilgilerimiz daha azdır. Bunun nedeni ise, erozyonun etkisi sonucu, bu eski ku şakların yeniler gibi belirgin da ğlar ve yapılar bırakmamalarıdır. Geriye sadece kıvrım ve fayların bir kısmını içeren parçalar kalmı ştır ve yerbilimci, bunların üzerinde çalı şarak geçmi şi çözmeye çalı şmaktadır. Şekil X.26. Dünya üzerinde genç orojenik hareketlerin yo ğunla ştı ğı Alp-Himalaya ve Pasifik çevresi ku şaklar. Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 13 Şekil X.27. Güney Amerika’da And Da ğlarının olu şumunu açıklıyan şematik diyagramlar. Şekil X.28. Hindistan ve Asya Levhalarının çarpı şarak Himalayalar’ın olu şumunu açıklıyan şematik diyagramlar. Fiziksel Jeoloji I, Ders Notları, Deformasyon, Kadir Dirik 2006 14 Şekil X.29. Şekil X.30. Şekil X.31. Şekil X.32. Şekil X.33.