Quantitative analysis of fluvial response to block rotation; Almacık block case

Abstract

Block rotations are common in the strike-slip fault systems. Blocks delimited by right lateral strike-slip faults display clockwise rotations and blocks delimited by left lateral strike-slip faults display anticlockwise rotations. This deformation has been determined by using structural and paleo-magnetic properties of the rocks. In this study, for the first time response of fluvial systems was considered to identify direction and amount of rotation. Since the fluvial systems are very sensitive against internal and external neotectonic deformations, they might be utilized in order to identify block rotations along with structural and paleo-magnetic data. This fluvial response approach is applied to the Almacık Block located east of the Marmara region. Almacık Block is delimited by active faults of the northern and southern strands of the North Anatolian Fault System and consists of rocks from Paleozoic to Eocene metamorphic, volcanic and sedimentary rocks. The block is displaced, uplifted and rotated in the neo-tectonic period. It is a east to west trending spindle shaped tectonic block with 80 km length and 18 km width. The main drainage divide of the block is close to southern flank and roughly parallel to the long axis. Top surface of the block is remnants of a paleo-surface. It preserves initial direction of the parent rivers of current drainage network. We proposed that if a drainage basin in an homogenous and isotrope media, its response to block rotation would give rise to asymmetry on the crosssection of the main valley of drainage basin. Of course this response depends on erosional capability of the basins and rate of rotation. Three models were proposed as 1- ErosionRotation. In order to test the models, two geomorphic indices were applied on the basins. They are Asymmetry Factor and Basin Azimuth Analysis. Asymmetry Factor is the first index that we applied in order to test existence of fluvial response to block rotation. It is usually used to identify tilting of footwall of normal dip-slip faults. In this study, it was used to quantify asymmetry of the basins instead of tilting. Surface measurements of the main basins and right half were used to calculate asymmetry factor. We applied this index to 55 different basins of northern catchment and found %77 right asymmetry and %23 left asymmetry whereas on 24 different basins of southern catchment display %83 right asymmetry and %17 left asymmetry. Those values are consistently proved that drainage basins response to block rotation as they response to other tectonic deformations. Basin Azimuth analysis were applied to identify amount of rotations. It is based on angular relationships between former and present fluvial systems to North Anatolian Fault System. It is generally known that former drainage system that is observed on the paleo-surfaces from south to north, roughly orthogonal to the North Anatolian Fault System. Following the initiation of the North Anatolian Fault in the area those former drainage systems were perturbated and younger drainage systems, like Mudurnu Valley, started to develope. In this analyze whole of the drainage system was primarily evaluated. The rose diagram of it indicates orientation between 10-20º. Since some margins of the block has different surface orientation this orientation values has to be checked out on margins especially orthogonal to North Anatolian Fault. The Mudurnu valley is the best place to test it and we evaluated to southern and northern slope of the valley. The northern slope of the valley coincides the Almacık Block southern slope of the valley coincides Kapıorman Mountain. Hence, we can compare behaviour of the drainage basins on two block of the fault. Rose diagram of the northern slope (Almacık Block) clearly indicates 20º-25°clockwise rotation of the block with respect to southern slope (Kapıorman Mountain) of the valley. Both results reveal that fluvial systems are sensitive to block rotation and Almacık Block is rotated clockwise about 20-25º since the North Anatolian Fault initiated between the latest Pliocene to Present.

Özet

Doğrultu-atımlı fay sistemlerinde diri faylarla sınırlandırılmış kabuksal bloklar düşey eksenli rotasyona maruz kalırlar. Bu çalışmada fluviyal sistemlerin düşey eksenli rotasyona olan tepkileri ve bu tepkileri kullanarak rotasyonun yönü ve miktarı tanımlanmaya çalışılmıştır. Araştırma Marmara Bölgesi doğusunda yer alan Almacık Bloku üzerinde yapılmıştır. Almacık Bloku Kuzey Anadolu Fay Sistemi içinde sistemin kuzey ve güney kolları arasında yer alan tamamen doğrultu-atımlı faylarla sınırlanmış mercek şekilli tektonik bir bloktur. Çalışmada ilk olarak Almacık Bloku’nu sınırlayan diri faylar haritalanmış, bunların kinematik özellikleri, segmentasyonları ile aktivite sınıflamaları yapılarak blokun neotektonik özellikleri ortaya konmuştur. Bunu takiben blok üzerinde yer alan akarsu şebekesi ve havzaları üzerinde sayısal yükseklik modelleri ve coğrafi bilgi sistemleri kullanılarak Asimetri Faktörü ve Vadi Yönelimi analizleri yapılmıştır. Ayrıca blokları sınırlayan fayların uzun dönem kayma miktarlarına bağlı olarak blokların rotasyon miktarının belirlenmesine yönelik yeni bir yaklaşım (tanjant yaklaşımı) geliştirilerek Almacık ve Armutlu Blokları üzerinde uygulanmıştır. Asimetri Faktörü analizleri akarsu havzalarının asimetrilerini nicel bir şekilde ifade etmeye imkan verir. Vadi Yönelimi analizi ise havzaların kaynak ve ağız kısımları arasındaki genel yönlenmeyi gösterir. Ana akış yönlerini karakterize eden vadi yönelim çizgileri Almacık Bloku üzerinde yer alan tüm havzalar için çizilmiş ve bunların gül diyagramları yapılarak yönlenme yoğunlukları gösterilmiştir. Yapılan Asimetri Faktörü analizleri sonucunda blokun saat yönündeki rotasyonuna akarsuların tepki gösterdikleri ve bunun akarsuların havzalarında sağ yönlü asimetriye neden olduğu görülmüştür. Vadi yönelimi analizleri ise akarsu havzalarının da blokla beraber saat yönünde rotasyona maruz kaldığını ve Almacık Bloku’nun Kuzey Anadolu Fayı’na bağlı olarak En Geç Pliyosen- Günümüz zaman aralığında 20°-25º saat yönünde döndüğünü göstermektedir.