Sedimentological-stratigraphic evolution and lake level changes of Lake Van

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Eurasia Institute of Earth Sciences, 2017Van Gölü konumu gereği iklime duyarlı bir bölgede, Doğu Anadolu yüksek platosu, üzerinde yer almaktadır. Arap plakasının Avrasya levhasıyla çarpışması sonucunda platonun yükselmesi yaklaşık 12 Myıl'da başlamıştır. Göl; batıda ve kuzeyde Kuvaterner volkanları, güneyde Paleozoyik Bitlis Masifi ile çevrilidir. Doğuda ise yığışım karmaşığına ait birimler ve Plio-Kuvaterner çökelleri yer almaktadır. Ayrıca bölge, Kuzey Atlantik, Sibirya yüksek basınç ve orta enlem subtropikal yüksek basınç sistemlerinin kesiştiği bir noktada, Doğu Anadolu ve Akdeniz arasındaki iklime hassas bir bölgede yer almaktadır. Bulunduğu bu konum itibari ile iklim çalışmaları açısından önem arz etmesinin yanında gölün varvlı çökelleri ile paleoiklim, tektonik ve volkanoloji çalışamaları bakımından da bulunduğu bölgenin karmaşık yapısına ışık tutması açısından ilgi odağı olmuştur. Van Gölü Havzası, doğu-batı uzanımlı Muş depresyonunda Arap, Avrasya levhalarının çarpışması ile şekillenmiştir. Paleotektonik olarak sınıflandırılan bu birimlerin üzerine Miyosen-Kuvaterner yaşlı Neotektonik döneme ait birimler gelmektedir. Alt Miyosen-Pliyosen'de denizin çekilmesi ile bölge aşınma etkisinde kalmış ve bu dönemde genç volkanizma ürünleri bölge yüzeyini kaplamaya başlamıştır. Temelde yer alan birimlerin üzerine, göl içerisinde uyumsuzlukla gelen Pleyistosen-Kuvaterner çökelleri gelmektedir. Bu birimler içerisinde ise, Kuvaterner'de aktif olan Nemrut, Süphan ve İncekaya volkanlarına ait tefra birimleri yer almaktadır. Gölün oluşum yaşı volkanizma ve jeolojik çalışmaların yanı sıra ICDP PALEOVAN projesi kapsamında yapılan çalışmalar ile GÖ 600 kyıl olduğu ve Nemrut Volkanının faaliyete geçmesi ile volkanik bir set gölü olarak oluştuğu anlaşılmaktadır. Yapılan çalışmalarda, KB-GD sıkışma rejimi altında doğrultu atımlı fayların da etkisiyle şekillenen, başlangıçta Muş Havzası ile bağlantısı olan göl, ilk önce tatlı su gölü olarak oluşmuş, daha sonra Nemrut Volkanı'nın faaliyetleri sonucu gölün dışarı akışı kesilerek, volkanizma, kayaç ayrışması ve buharlaşmanın etkisi ile bugünkü kapalı, acı-alkali göl halini almıştır. Van Gölü, 607 km3 hacim, 3570 km2'lik alan ve 450 metrelere varan derinliği ile Türkiye'nin en büyük gölüdür. Van Gölü, 450 m derinliğindeki Tatvan Havzası, 260 m derinliğinde Kuzey Havzası (NB), batıda kuzeydoğudaki kuzey-kuzeydoğu yönünde yönelim gösteren Ahlat (AR) ve Kuzey Sırtı, kuzeydeki Erciş Körfezi ve Erek Fanı, doğuda Doğu Şelfi ve Doğu Fanı gibi birkaç morfolojik bölgeden oluşmaktadır. Bu tez çalışmasında, gölün sedimanter, tektonik ve paleoiklimsel evrimini anlamak için, göl içerisinde piston karot ve karotlu sondaj çalışmaları yanında sismik yansıma ve batimetri verileri toplanmış ve yorumlanmıştır. Tez çalışması kapsamında değerlendirilen 4-5 m uzunluğundaki piston karotlar Van İlinin batısında Doğu şelfi olarak adlandırılan bölgeden alınmıştır. Sondaj karotları ise ICDP PALEOVAN projesi kapsamında gölün kuzeybatısında yer alan NB olarak adlandırılan bölgede 245m su derinliğinden ve AR olarak adlandırılan bölgede 375m su derinliğinden alınmıştır. Göl tabanı çökellerinden alınan NB ve AR karotların uzunluğu göl tabanından itibaren sırası ile 145 m ve 220 m'dir. Alınan bu çökel karotlarda, çok sensörlü karot tarayıcı (Multi Sensor Core Logger – MSCL) ile yapılan ölçümlerden, karot boyunca p-dalgası hızı, manyetik geçirgenlik, gama yoğunluk ve özdirenç gibi fiziksel özellikleri hesaplanmıştır. P-dalga hızları ve gama yoğunlukları kullanılarak üretilen yapay sismogramlar yardımıyla çökel karotları ile sismik kesitler deneştirilmiş ve gölün sedimentolojik ve tektonik evrimi ile ilişkilendirilmeye çalışılmıştır. μ-X-Ray Florescene (XRF) tarayıcı ile çökel karotların derinlik boyunca element analizleri yapılarak Ca/Fe, Ca/Ti gibi iklimden etkilenen element oranları ile göl su seviyesi ve iklim değişimleri ile ilişkisi çalışılmıştır. Bunun yanı sıra K, Zr, Na, gibi elementlerin gama yoğunluk ve manyetik geçirgenlik verilerinin birlikte değerlendirilmesi ile çökel istifteki volkanizma ürünü çökelimlerin tespitine yönelik çalışmalar yapılmıştır. XRF tarayıcıdan elde edilen radyografi görüntülerinden tez çalışması kapsamında MATLAB yazılımı kullanılarak geliştirilen algoritma ile mevsimsel değişimlere bağlı olarak çökelen laminaların sayımı yapılarak, yıllık çökelimi oluşturan varvların kalınlığı hesaplanmış ve karot boyunca, yine karot çökelleri içerisinden alınan bitki parçası örneklerinden yaptırılan radyokarbon ve tefra örneklerinden alınan 40Ar/39Ar tarihlendirme analizleri ile, karot istiflerininin kronolojisi oluşturulmuştur. Bu kronoloji Grönland buzul karotları (NGRIP, intGRIP) ve denizel izotop dönemleri (MIS) ile desteklenmiştir. Kronolojiye bağlı jeokimyasal-sedimentolojik verilerin spektral sinyal analizi yapılarak, buradan iklime ait döngüsellikler belirlenmiş ve geçmiş iklim modellemesi yapılmıştır. Spektral analizin yanı sıra değişik periyotlarda çökel kalınlıkları grafiklenerek çökelim hızındaki farklılıklardan kurak/soğuk ve nemli/ılıman iklim dönemlerinin belirlenmesine çalışılmıştır. Oluşturulan bu iklim modelinin, tez çalışması kapsamında değerlendirilen diğer verilerden elde edilen bulgular ile karşılaştırılması yapılarak, göl su seviyesi değişimleri ve bu değişimin üzerinde iklimin etkisi tartışılmıştır. Verilerin değerlendirilmesi sonucu oluşturulan iklim modeli ve göl su seviyesi değişimleri, Van Gölü'ndeki ve literatürdeki diğer çalışmaların sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Toplanan sismik yansıma ve batimetri verilerinden gölün batimetri haritası oluşturulmuş. Sismik yansıma verilerinin yorumlanması ile göl çökellerinin GÖ 600 kyıl'dan bu yana Tatvan Havzası'nda ve yaklaşık GÖ 90 kyıl'dan bu yana Kuzey Havzası'nda süreklilik gösterdiği sonucuna ulaşılmıştır. Çok kanallı sismik yansıma kesitleri ile oluşturulan yaş modeli korelasyonu ile günümüz göl su seviyesinin yaklaşık 200 m altında D1 deltasının GÖ 20-17 kyıl, 105m altında D1a deltasının G.Ö 65-60 kyıl, 150m altında D2 deltasının GÖ 115-106 kyıl, 225 m altında D3 deltasının GÖ 166-142 kyıl, 300 m altında D4 deltasının GÖ 195-169 kyıl, 375m altında D5 deltasının GÖ 270-234 kyıl ve 450m altında D6 deltasının 400-350 kyıl aralığında çökeldikleri belirlenmiştir. Yüksek çözünürlükte sismiklerde ise, günümüz göl su seviyesinin 60 m altında GÖ 4-3 kyıl göl seviyesine ait klinoform ile, 30 m, 20 m ve 15 m altında tarihlendirilemeyen; ancak GÖ 3 kyıl'dan sonrasında, olasılıkla Yunan Karanlık veya Demir Çağı Soğuk Dönemi, Avrupa Karanlık Çağı ve Küçük Buzul Çağı dönemine ait olan düşük göl seviyesine ait delta ve kıyı düzlükleri (taraçalar) tanımlanmıştır. Van Gölü içerisinde sualtı kanal sistemleri, Doğu Şelfi'nde ve Erciş Boğazı'nda oldukça gelişmiş bir yapı göstermektedir. Kara üzerinde yer alan akarsu drenaj sistemi ile bağlantılı olarak göl içerisinde 100 m'den daha fazla su derinliklerine kadar uzanırlar. Genel olarak kanallar 50 m kadar derin ve 500 m genişliğindedir. Şelf üzerinde ve eğimli alanlarındaki sualtı kanal sistemleri, Van Gölü su seviyesinin günümüze kıyasla, G.Ö 15 kyıl'da 200m ve Younger Dryas (YD) döneminde 70m gibi göl su seviyesinin daha düşük olduğu dönemlerde gelişmiştir. Varv kalınlıklarından yıllık çökelim hızları hesaplanmıştır. Kuzey Havzada göl çökelleri türbidit ve tefra ardalanmalı şekilde çökelmiştir. Burada tefra ve kütle akması birimleri hesaba katılmadan elde edilen Holosen ve en geç Pleyistosen dönemindeki çökelme hızları; 5,8-12,65 kyıl arasında 0,43 mm/yıl ile en düşük, 12,65-13,89 kyıl arasında 3,72 mm/yıl ile en yüksek çökelme hızlarına sahip dönemlerdir. Holosen'deki ortalama çökelim hızı ise 1,54 mm/yıl'dır. Kuzey Havzası'ndaki çökelim hızı, Tatvan Havzasındaki ve Doğu Deltasındaki çökelimden kabaca iki kat daha hızlıdır. Gerek AR sondajından gerekse kısa karotlardan elde edilen çökelim hızları yaklaşık 0,4-0,7 mm/yıl arasındadır. Varv kalınlıklarının spektral dekompozisyonu ile iklimsel periyodların belirlenmesi ve bu periyodlar ile oluşturulan geçmiş iklim modellerinin literatürde yer alan Bond, Heinrich (H), Dansgaard-Oeschger (DO), güneş aktivitesi minimumları ve tarihsel olaylar ile uyumu Van Gölü'ndeki çökelimin iklimsel dinamikler ile uyumlu olduğunu göstermektedir. Aynı zamanda bu uyum, birim zamanda çökel istifin kalınlığının bilinmesi ile geçmiş iklim modelinin oluşturulabileceğini göstermiştir. İklim modelinden elde edilen sonuçlara göre; GÖ 82-81 kyıl, GÖ 71-69 kyıl, GÖ 62-60 kyıl, GÖ 58-GÖ 55 kyıl, GÖ 38-35kyıl, GÖ 18-16 kyıl, GÖ 5-4,8 kyıl, 4,4-4,2 kyıl, GÖ 2,7-2,6 kyıl, GÖ 1,6-1,2 kyıl (MS 450-800), 0,7-0,45 kyıl (MS 1300-1550), MS 1790-1840 ve MS 1880-1950 göreceli en soğuk dönemler; GÖ 87-82 kyıl, GÖ 65-62 kyıl, GÖ 47-43 kyıl, GÖ 32-30 kyıl, GÖ 22-21 kyıl, GÖ 8-5 kyıl, GÖ 4,8-4,4 kyıl, GÖ 3,2-3,15 kyıl, GÖ 2,6-2,5 kyıl, GÖ 1,8-1,65 kyıl (MS 200-450), GÖ 1,2-0,95 kyıl (MS 800-1050), MS 1550-1790, MS 1840-1880 ve MS 1950'den günümüze göreceli sıcak dönemler olarak iklim modelinden elde edilmiştir. Tektonik rejimin sürekliliği bölgede sıkışan havzaların daralarak D-B ve KB-GD doğrultulu kıvrımlanmasına ve volkanizma ile beraber havzaların bölünmesine sebep olmuştur. Van Gölü içerisinde yer alan Kuzey Sınır Fayı (KSF) boyunca oluşan AR ve Kuzey Sırt (KS), gölün kuzeyinde yer alan havza ile Tatvan Havzası'nı birbirinden ayırmaktadır. Muş Havzası ile Van Gölü Havzası'nı ise, Üst Miyosen'de Avrasya Levhasının altına dalan okyanus kabuğunun kopması ile açılan pencereden giren magma sonucu Kuvaterner başlarında geliştiği öne sürülen Nemrut Volkanı ayırmaktadır. Havzayı güneyden sınırlayan Güney Sınır Fayı (GSF) boyunca benzer özellikteki volkanik kraterlerin yer alması, magmanın yüzeye ulaşmasında bu fayın etkisinin olduğunu göstermektedir. KB-GD yönlü sıkışma rejimi altında, genel olarak KB-GD yönlü normal fay sistemi gelişmiştir. Bu fay sistemi boyunca karbonat kayaç birimlerinin yer aldığı Adilcevaz ve Tatvan açıklarında bikarbonatça zengin yer altı suyu ile beslenerek, sismik kesit ve batimetri verilerinde de açık bir şekilde gözlemlenen, boyları 30 m'ye varan mikrobiyolitler oluşmuştur. Gölün güney şelfinde, sismik ve batimetri verilerinden KB-GD doğrultulu düşey bileşene sahip sol yanal atımlı bir fay belirlenmiştir. Bu fay büyük olasılıkla 9 Kasım 2011'de meydana gelen Mw= 5,7 büyüklüğündeki Edremit depreminin kırığıdır. Ayrıca Erciş Boğazı'ndan güneye yönelen kanal sistemlerinin de fay kontrollü geliştiği anlaşılmıştır. Erciş Boğazı'nda yer alan sismik kesitte gözlenen fayın düşey atım hızı 0,43 mm/yıl olarak hesaplanmıştır.Lake Van is a terminal lake located at an altitude of 1648 m above sea level (masl) on the tectonically active East Anatolian Plateau in eastern Turkey. The uplift of the plateau started around 12 Ma, as a result of the collision of the Arabian plate with the Eurasian plate. The lake is surrounded by Quaternary volcanoes in the west and north, the Paleozoic Bitlis Massif in the south and Plio-Quaternary sediments and rocks of accretionary complex in the east. It is also situated in a climatologically sensitive region at the crossroads of North Atlantic, Siberian high pressure and mid-latitude subtropical high pressure systems near the boundary between the continental Eastern Anatolian and continental Mediterranean zones. Because of its special location in a tectonically active and climatically sensitive region and its varved sediments, Lake Van has been the subject of intensive paleoclimate, tectonic and volcanologic studies. The Lake Van basin was formed in the east-west oriented Muş depression that evolved as a result of the collision of the Arabian and the Eurasian plates during the Cretaceous. The Paleotectonic period was proceeded by the Neotectonic period during the Miocene-Quaternary. The Lower Miocene carbonate sedimentation was followed by clastic Pliocene sedimentation. The region was affected by intensive volcanism with formation of the volcanoes during the Quaternary, such as Süphan, Nemrut, Tendürek and İncekaya. Nemrut Volcano started forming about 600 ka BP and played an important role in formation of Lake Van basin in the eastern part of the Muş Basin. The lake's basin was also influenced of the strike-slip faults under the NW-SE compressional regime that created the E-W and NW-SE trending folds. According to the recent ICDP PaleoVan project results, Lake Van was initially a freshwater lake at the beginning but became brackish-alkaline as a result of weathering and evaporation. Lake Van is the largest Lake in Turkey with a volume of 607 km3, area of 3570 km2 and a maximum depth of ca 450 m. It consists of several morphological parts, such as the 450 m-deep Tatvan Basin, 260 m-deep Northern Basin (NB), the NEE-trending Ahlat (AR) and Northern ridges in the west, Erciş Gulf and Erek Fan in the north, and Eastern Shelf and Eastern Fan in the east. For this thesis, Lake Van's varved sedimentary record was studied to understand its sedimentary, tectonic and paleoclimatic evolution, using seismic reflection, bathymetric and core data. Up to 5 m-long piston cores from the Eastern Shelf offshore west of Van city and two ICDP PaleoVan project drill cores from the northwestern part of the lake were used. The drill cores were recovered at 245 m water depth in the North Basin (NB) and 375 m water depth in the Ahlat Ridge (AR). The drill cores from the NB and AR provided 145 and 220 m-long sedimentary sections below the lake floor, respectively. In these sediment cores, physical properties such as p-wave velocity, magnetic susceptibility, gamma density and resistivity were measured using a Geotek Multi Sensor Core Logger (MSCL). Elemental geochemical analyses of sedimentary cores were carried out by μ-X-Ray Fluorescence (μ-XRF) Itrax scanner. Elemental ratios such as Ca/Fe, Ca/Ti were used to assess the role of carbonate (endogenic) and clastic sedimentation episodes and relate them to climate and lake level changes. The μ-XRF elemental data were also used to identify tephra units as the records of volcanic activity. μ-XRF elemental data such as K and Zr, together with gamma density and magnetic permeability, were utilized in tephra identification and correlation. The digital X-Ray radiography of the cores were obtained using Itrax XRF core scanner. Seasonally deposited laminae were counted from digital radiographic images using a MATLAB algorithm that was developed under the scope of this thesis. With the algorithm, the numbers and thicknesses of the annually deposited varves were determined. The chronologies of the core sequences were established by the 40Ar/ 39Ar dating of tephra units, radiocarbon dating of plant fossils and by correlation with the North Greenland Ice Core (NGRIP, intGRIP) and marine isotope stage (MIS) isotope records and their time scales. Using spectral signal analysis of varve thickness data, we determined the climate cyclicity and past climate variations. In addition to spectral analysis, varve thicknesses were plotted for different periods to determine the arid/cold and humid/warm climate intervals. The past climate reconstruction was compared with the seismic stratigraphic data and findings of other studies to assess the lake water level changes and their causal relationship to the climate. From the collected seismic reflection and bathymetry data, bathymetric map of the lake was created. This map, together with seismic data, revealed morphological, sedimentological, tectonic and volcanic features, such as wave-cut terraces and notches, submerged fluvial channels, delta clinoforms, berms, active faults and volcanic craters. MSCL p-wave velocity and gamma density were used to obtain synthetic seismograms from the age-modelled cores, which were then utilized in core-to-seismic correlation and dating some seismic reflector surfaces. This allowed us to discuss the lake level changes, sedimentological and tectonic evolution of the lake on a temporal scale. The erosional and depositional features such as wave-cut terraces and notches, submerged fluvial channels, delta clinoforms and berms are indicative of past lake level still stands. Correlation of these features on the seismic reflection lines with the core chronostratigraphy indicates the following paleoshorelines (i.e., the lake level still stands) developed during the period 400-17 ka BP and labelled as D1-D6: D1 at 200 m during 20-17 ka BP, D1a at 105 m during 65-60 ka BP, D2 at 150 m 115-106 ka BP, D3 at 225 m during 166-142 ka BP, D4 at 300 m during 195-169 ka BP, D5 at 375 m during 270-234 ka BP and D6 at 450 m during 400-350 ka BP. In addition to the older depositional features, a clinoform observed at the 60 m below the present lake water-level is dated 4-3 ka BP. Other more recent lake level terraces could not be dated because of the absence of insufficient number of high resolution seismic lines. However, these younger terraces are most likely related to the cold periods of Greek Dark Ages or Iron Cold Stage, Medieval Dark Ages and Little Ice Age. Submerged channel-network systems are well developed on the eastern shelf and Erciş Strait. They connect with the river drainage system on land and extend to water depths of more than 100 m. The channels are as deep as 50 m and as wide as 500 m. Submerged channel-network systems on the shelf and slope areas were developed during the major low-stand periods of Lake Van, the last two of which occurred during 15 ka BP and the YD with water levels at 200 mbls and 70 mbls, respectively. Annual sedimentation rates were calculated from the varve thicknesses. In the NB, lake sediments are interbedded with mass flow (turbidite) and tephra units. Ignoring the tephra and mass flow units, the sedimentation rates during the latest Pleistocene-Holocene were calculated. The lowest rates with 0.43 mm/year occurred between 5,8 and 12,65 ka BP years and the highest rates with 3,72 mm/year between 12,65 and 13,89 ka BP. The average sedimentation rate in the NB for the Holocene is found as 1,54 mm/year, which is roughly twice as fast as sedimentation in the Tatvan Basin and Eastern Fan. The sedimentation rate for the AR varies between 0,4 and 0,7 mm/year. The results of climatic periods determined from the spectral decomposition of varve thicknesses of the Van Lake sediment show compatibility with the climate events in the North Atlantic, such as the Bond, Heinrich (H), Dansgaard-Oeschger (DO) events as well as the solar activity minima and the historical records. Thus, the method based on varve thickness is a viable technique in paleoclimatic reconstructions. According to the results of such a reconstruction from Lake Van, we identify the following relatively cold periods: 82-81 ka BP, 71-69 ka BP, 62-60 ka BP, 58-55 ka BP, 38-35 ka BP, 18-16 ka BP, 5-4,8 ka BP, 4,4-4,2 ka BP, 2,7-2,6 ka BP, 1,6-1,2 ka BP (AD 450-800), 0,7-0,45 ka BP (AD 1300-1550), AD 1790-1840 and AD 1880-1950, and the followingwarm periods are: 87-82 ka BP, 65-62 ka BP, 47-43 ka BP, 32-30 ka BP, 22-21 ka BP, 8-5 ka BP, 4,8-4,4 ka BP, 3,2-3,15 ka BP, 2,6-2,5 ka BP, 1,8-1,65 ka BP (AD 200-450), 1,2-0,95 ka BP (AD 800-1050), AD 1550-1790, AD 1840-1880 and from AD 1950 to today. Widespread volcanic activity occurred in and around the lake during the Quaternary. Magma entered the window opened by the break of the oceanic crust below the Tauride block during Upper Miocene. Volcanic activity appears to be localized along the South Boundary Fault (SBF) with the presence of numerous volcanic crater and crater-like structures located along the fault that may have facilitated the passage of magma to the surface. Under the NW-SE compressional regime, NW-SE trending normal fault system developed. This fault system conveyed the carbonate-rich groundwaters in offshore Adilcevaz, to form up to 30 m-high microbialites on the shelf area. The microbialites have chimney- or three-like morphology and are clearly observed on the seismic lines and the high resolution (multi-beam) bathymetry map. A NW-SE trending, left lateral strike-slip fault with a vertical component was observed in seismic lines and the bathymetry map in the southeastern shelf of the lake. This fault is most likely the source of the Mw 5,7 Edremit Earthquake of September 9th, 2011. There is a fault control on the submerged channel system in the south from the Erciş Strait. The vertical slip rate on the fault in Erciş Strait is calculated as 0.43 mm/year.DoktoraPh.D