Mineralogical and geochemical properties of non-marine sedimentary units in Temelli Basin (Polatlı-Ankara)

Abstract

Study area located in south-west of Ankara in Central Anatolia, is a fault-controlled graben basin. Neogene aged clastic, clayey, dolomitic, tuffitic and evaporitic rocks form dominant lithology in the region. Four deep drillings were made in the field. The basin consists of a quite thick sequence of fluvial and lacustrine units. Fluvial sediments made up of detrital units such as poorly consolidated conglomerate, sandstone, mudstone, siltstone and claystone. Lacustrine sediments commonly made up of fine-grained clastics (mudstone, claystone), carbonates (clayey limestone, marl) and evaporites (sulfates and chlorides). The composition of some levels is almost pure, consisting of one or two evaporite minerals such as halite and anhydrite, while in some levels clay minerals, zeolite and other silicate minerals are present together. Evaporite and non-evaporite units show facies development in vertical and lateral directions. Subhedral lenticular, bar shaped glauberite, cubic halite, rhomboedric dolomite, prismatic celestine, anhydrite and gypsum crystals were observed in SEM studies. Ca, Na, S ions dominate the major element in the evaporate samples. The positive correlation of SiO2 with K2O, Al2O3, Fe2O3 and TiO2 indicates the presence of smectite, illite, and feldspar. The high differences (528.8-10061.4ppm) in strontium contents between carbonate and sulfate levels reflect hydrologically unstable conditions and sedimentation in shallow waters. LRE element enrichment relative to HRE elements and Eu anomaly indicated that the basin is upper continental crust origin and fed from a volcanic source.

Keywords

• Evaporite
• Analcime
• Non-marine
• Central Anatolia
• Neogene Basin

Temelli havzasındaki (Polatlı-Ankara) karasal sedimanter birimlerin mineralojik ve jeokimyasal özellikleri

Abstract

Çalışma alanı, Orta Anadolu'da Ankara'nın güneybatısında yer alan, fay kontrollü bir graben havzadır. Bölgedeki baskın litolojiyi Neojen yaşlı kırıntılı, killi, dolomitik, tufitik ve evaporitik kayaçlar oluşturur. Sahada dört derin sondaj yapılmıştır. Havza oldukça kalın, akarsu ve gölsel birimler içeren bir istifden oluşur. Akarsu tortuları, zayıf pekişmiş konglomera, kumtaşı, çamurtaşı, silttaşı ve kiltaşı gibi kırıntılı birimlerden oluşur. Gölsel tortular genellikle ince taneli kırıntılılardan (çamurtaşı, kiltaşı), karbonatlardan (killi kireçtaşı, marn) ve evaporitlerden (sülfatlar ve klorürler) oluşur. Bazı seviyelerin bileşimi neredeyse saf olup, halit, anhidrit gibi bir veya iki evaporit mineralinden oluşurken, bazı seviyelerde kil mineralleri, zeolit ve diğer silikat mineralleri bir arada bulunur. Evaporit ve evaporit olmayan birimler yanal ve düşey yönde fasiyes gelişimi gösterir. SEM çalışmalarında subhedral merceksi, çubuk şekilli globerit, kübik halit, romboedrik dolomit, prizmatik sölestin, anhidrit ve jips kristalleri gözlenmiştir. Ca, Na, S iyonları evaporit örneklerinde majör element olarak baskındır. SiO2 ile K2O, Al2O3, Fe2O3 ve TiO2'nin pozitif korelasyonu simektit, illit ve feldispatın varlığını gösterir. Karbonat ve sülfat seviyeleri arasındaki stronsiyum içeriklerindeki yüksek farklar (528.8-10061.4ppm) hidrolojik olarak duraysız koşullar ve sığ sularda çökelmeyi yansıtmaktadır. ANT elementlerine göre HNT element zenginleşmesi ile Eu anomalisi havzanın üst kıtasal kabuk kökenli olduğunu ve volkanik bir kaynaktan beslendiğini göstermektedir.

Keywords

• Evaporit
• Analsim
• Karasal
• Orta Anadolu
• Neojen Havza

References

1. [1] Ünalan G, Yüksel V, “Eski Bir Graben Örneği: Haymana-Polatlı Havzası”. Türkiye Jeoloji Bülteni, 21, 165-169, 1978.
2. [2] Görür N, Tüysüz O, Şengör AMC. “Tectonic Evolution of the Central Anatolian basins”. International Geology Review, 40, 831-850, 1998.
3. [3] Ercan T. “Orta Anadoludaki Senozoyik Volkanizması”. Bulletin of the Mineral Research and Exploration, 107, 120-140, 1986.
4. [4] Kocadere B. Malıköy (Polatlı-Ankara) Sıcak ve Mineralli Sularının Hidrojeokimyasal İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 109, 2009.
5. [5] Demirtaş R, Adil F. “Ankara İli, Polatlı İlçesi, Temelli Beldesi, İ28-b1 ve İ28-b4 Paftaları İçinde Kalan Alanın Arazi Kullanımına Esas Jeolojik Etüt Raporu”. Ankara, Türkiye, 52, 2010.
6. [6] Temel A, Yürür T, Alıcı P, Varol E, Gourgaud A, Bellon H, Demirbağ H. “Alkaline series related to Early-Middle Miocene intra-continental rifting in a collision zone: An example from Polatlı, Central Anatolia, Turkey”. Journal of Asian Earth Sciences, 38(2010), 289-306, 2010.
7. [7] Esat K. Ankara Çevresinde Orta Anadolu’nun Neotektoniği ve Depremselliği, Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 160, 2011.
8. [8] Küçükuysal C. Paleoclimatological Approach to Plio-Quaternary Paleosol-Calcrete Sequences in Bala and Gölbaşı (Ankara) by Using Mineralogical and Geochemical Proxies, Doktora Tezi, Middle East Technical University, Ankara, Türkiye, 271, 2011.

9. [9] Hoşgör İ. Haymana-Polatlı Havzası Paleosen Mollusklarının Taksonomik Tanımlanması, Paleoekolojisi, Paeocoğrafyası ve Bentik Foraminiferlerle Biyostrartigrafik Deneştirilmesi, Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 145, 2012.
10. [10] Bilgin AZ, Uğuz MF, Sevin M, Parlak O, Pekgöz M, Elibol H, Erdem Y, Özden U A. “Ayaş-Temelli-Polatlı (Ankara) Dolayının Jeolojisi”. MTA Genel Müdürlüğü, Ankara, Türkiye, 11215, 2009.
11. [11] Bilgin A Z. “Türkiye Jeoloji Haritaları Ankara İ-28 Paftası”. MTA Genel Müdürlüğü, Ankara, Türkiye, 208, 2014.
12. [12] Kaya İS. Temelli-Yenikent-Anadolu Otoyolu Bağlantı Yolunun Jeolojik ve Jeoteknik Değerlendirilmesi, Doktora Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, 255, 2015.
13. [13] Altay T, Yağmurlu F, Şentürk M, Murat A. “Temelli (Ankara) Neojen Havzasındaki Sedimanter Birimlerin Jeolojisi ve Mineralojisi ile İlgili İlk Verilerin Değerlendirilmesi”. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 17(3), 1096-1108, 2017.
14. [14] Akıllı H, Mutlu H. “Polatlı ve Haymana (Ankara) sıcak sularının kökenine yönelik kimyasal ve izotopik sınırlamalar”. Yerbilimleri, 39(1), 41-64, 2018.
15. [15] Gülyüz E, Özkaptan M, Kaymakci N, Persano C, Stuart FM. “Kinematic and thermal evolution of the Haymana Basin, a fore-arc to foreland basin in Central Anatolia (Turkey)”. Tectonophysics, 766, 326-339, 2019.
16. [16] Hoşgör İ, Pacaud JM. “New pareorine gastropod species from the Danian (Paleocene) of the Haymana-Polatlı Basin, Central Turkey”. Bollettino della Società Paleontologica Italiana, 61(3), 279-287, 2022.
17. [17] Güney R, Özerk ZR, Izladı E, Erden S, Aka E, Apatay E, Eryılmaz E, Yıkmaz B, Özdemir SA, Gündüz S, Can T, Çelik İ, Gürer A, Aykaç S, Arısoy MÖ, Köse EB, Demirci BB. “Evaporate salt exploration by two-dimensional (2D) seismic reflection method: Ankara-Polatlı region, Central Turkey”. Bulletin of the Mineral Research and Exploration, 170(170), 1-17, 2022.
18. [18] Özer S, Sasaran L. “Taxonomic revision of the canaliculate radiolitid (rudist, bivalve) genus Lattenbergites Lupu, 1987 from the Upper Cretaceous of the central and eastern Mediterranean Tethys: palaeobiogeographic distribution”. Cretaceous Research, 152, 105684, 2023.
19. [19] Erol O. “Ankara güneydoğusundaki Elma Dağı ve çevresinin jeolojisi ve jeomorfolojisi üzerinde bir araştırma”. Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü, Ankara, Türkiye, D, 9, 1956.
20. [20] Çalgın R, Pehlivan H, Ercan T, Şengün M. “Ankara Civarının Jeolojisi”. Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü, Ankara, Türkiye, 6487, 1973.
21. [21] Akyürek B, Bilginer E, Akbaş B, Hepşen N, Pehlivan Ş, Sunu O, Soysal Y, Dağer Z, Çatal E, Sözeri B, Yıldırım H, Hakyemez Y. “Ankara-Elmadağ-Kalecik dolayının jeolojisi”. Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü, Ankara, Türkiye, 7298, 1982.
22. [22] Akyürek B, Bilginer E, Akbaş B, Hepşen N, Pehlivan Ş, Sunu O, Soysal Y, Dağer Z, Çatal E, Sözeri B, Yıldırım H, Hakyemez Y. “Ankara-Elmadağ-Kalecik dolayının temel jeolojik özellikleri”. Türkiye Jeoloji Kurumu Bülteni, 20, 31-46, 1984.
23. [23] Türkecan A, Dinçel A, Hepşen N, Papak i, Akbaş B, Sevin M, Özgür İB, Bedi Y, Mutlu G, Sevin D, Ünay E, Saraç G, Karataş S. “Bolu-Çankırı (Köroğlu Dağları) arasındaki Neojen yaşlı volkanitlerin stratigrafisi ve petrolojisi”. Türkiye Jeoloji Bülteni, 6, 85-103, 1991.
24. [24] Uğuz MF, Turhan N, Bilgin AZ, Umut M, Şen AM, Acarlar M. “Kulu (Konya), Haymana (Ankara) ve Kırıkkale dolayının jeolojisi”. MTA Genel Müdürlüğü, Ankara, Türkiye, 10399, 1999.
25. [25] JCPDS. Mineral Powder Diffraction File Databook, Joint Committee on Powder Diffraction Standards. 1nd ed. Swarthmore, PA, 1993.
26. [26] Semiz B. “Pamukkale (Denizli) bölgesi killerinin karakteristik özellikleri ve seramik sektöründe kullanılabilirlikleri”. Pamukkale Üniveristesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 24(6), 1237-1244, 2018.
27. [27] Condie KC. “Chemical composition and evolution of the upper continental crust; contrasting results from surface samples and shales”. Chemical Geology, 104, 1-37, 1993.
28. [28] Boynton WV. Geochemistry of Rare Earth Elements: Meteorite Studies. Editors: Henderson P. Rare Earth Element Geochemistry, 63-114, Amsterdam, Elsevier, 1984.
29. [29] McLennan SM. “Rare earth elements in sedimentary rocks: İnfluence of provenance and sedimentary processes”. Review of Mineralogy, 21, 169-200, 1989.
30. [30] Eugster HP, Hardie LA. Saline Lakes. Editors: Lerman A. Lakes: Chemistry, Geology, Physics, 237-293, New York, NY, Springer-Verlag, 1978.
31. [31] Müller G, Iron G, Förstner U. “Formation and diagenesis of inorganic Ca-Mg carbonates in the lacustrine environment”. Naturwissenschaften, 59, 158-164, 1972.
32. [32] Last WM. “Lacustrine dolomite-an overview of modern, Holocene and Pleistocene occurrences”. Earth-Science Reviews, 27, 221-263, 1990.
33. [33] Murray RC. “Origin and diagenesis of gypsum and anhydrite”. Journal of Sedimentary Research, 34(3), 512-523, 1964.
34. [34] Holliday DW. “The petrology of secondary gypsum rocks: a review”. Journal of Sedimentary Petrology, 40, 734-744, 1970.
35. [35] Shearman DJ. “Origin of evaporites by diagenesis”. Transactions of the Institutions of Mining and Metallurgy, 75, 208-215, 1966.
36. [36] Holliday DW. “Secondary gypsum in middle Carboniferous rocks of Spitsbergen”. Geological Magazine, 104(2), 171-176, 1967.
37. [37] Hay RL. “Zeolites and zeolitic reactions in sedimentary rocks”. Geological Society of America, 130 (Special Paper), 85, 1966.
38. [38] Surdam RC, Eugster HP. “Mineral reactions in the sedimentary deposits of the Lake Magadi region, Kenya”. Geological Society of America Bulletin, 87, 1739-1752, 1976.
39. [39] Roy PD, Caballero M, Lozano R, Ortega B, Lozano S, Pi T, Israde I, Morton O. “Geochemical record of late Quaternary paleoclimate from lacustrine sediments of paleo-lake San Felipe, western Sonora desert, Mexico”. Journal of South American Earth Sciences, 29, 586-596, 2010.
40. [40] Gude AJ, Sheppard RA. “A zeolitic tuff in lacustrine facies of the Gila Conglomerate near Buckhorn, Grant County, New Mexico”. United States Geological Survey Bulletin, 1763, 22, 1988.
41. [41] Mees F, Stoops G, Van Ranst E, Paepe R, Van Overloop E. “The nature of zeolite occurrences in deposits of the Olduvai Basin, Northern Tanzania”. Clays and Clay Minerals, 53(6), 659-673, 2005.
42. [42] Hardie LA. “The origin of the recent non-marine evaporite deposit of Saline Valley, Inyo Country, California”. Geochimica et Cosmochimica Acta, 32, 1279-1301, 1968.
43. [43] Ortí F, Gündogan I, Helvaci C. “Sodium sulphate deposits of Neogene age: The Kirmir Formation, Beypazari Basin, Turkey”. Sedimentary Geology, 146, 305-333, 2002.
44. [44] Grokhovskii LM. “Glauberite as the source of sodium sulfate”. Lithology and Mineral Resources (New York), 12/3, 356-360, 1978.
45. [45] Rosell I, Ortí F, Kasprzyk A, Playà E, Peryt TM. “Strontium geochemistry of miocene primary gypsum: messinian of southeastern spain and sicily and badenian of poland”. Journal of Sedimentary Research, 68, 63-79, 1998.
46. [46] Matano F, Barbieri M, Di Nocera S, Torre M. “Stratigraphy and strontium geochemistry of Messinian evaporite-bearing successions of the southern Apennines foredeep, Italy: Implications for the Mediterranean 'salinity crisis' and regional palaeogeography”. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 217, 87-114, 2005.
47. [47] Sholkovitz E, Szymezak R. “The estuarine chemistry of rare earth elements: comparison of the Amazon, Fly, Sepik and Gulf of Papua systems”. Earth and Planetary Science Letters, 178, 299-309, 2000.
48. [48] Johannesson KH, Zhou X. “Origin of middle rare earth elements enrichments in acid waters of a Canadian High Arctic Lake”. Geochimica et Cosmochimica Acta, 61, 153-165, 1999.
49. [49] Aström M. “Abundance and fractionation patterns of Rare Earth Elements in streams affected by acid sulphate soils”. Chemical Geology, 175, 249-258, 2001.
50. [50] Sholkovitz ER. “Chemical evolution of rare earth elements: fractionation between colloidal and solution phases of filtered river water”. Earth and Planetary Science Letters, 114, 77-84, 1992.
51. [51] Dupré B, Gaillardet J, Rousseau D, Allègre CJ. “Major and trace elements of river-borne material: The Congo basin”. Geochimica et Cosmochimica Acta, 60, 1301-1321, 1996.
52. [52] Gaillardet J, Dupre´ B, Alle`gre JC, Ne´grel P. “Chemical and physical denudation in the Amazon River Basin”. Chemical Geology, 142, 141-173, 1997.
53. [53] Steinmann M, Stille P. “Strongly fractionated REE patterns in salts and their implications for REE migration in chloride-rich brines at elevated temperatures and pressures”. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences, Paris, Série II A, 327, 173-180, 1998.
54. [54] Steinmann M, Stille P, Mengel K, Kiefel B. “Trace element and isotopic evidence for REE migration and fractionation in salts next to a basalt dyke”. Applied Geochemistry, 16, 351-361, 2001.
55. [55] McLennan SM. “Rare earth elements in sedimentary rocks: influence of provenance and sedimentary processes”. Reviews in Mineralogy, 21, 170-199, 1989.
56. [56] Pourret O, Davranche M, Gruau G, Dia A. “New insights into cerium anomalies in organic-rich alkaline waters”. Chemical Geology, 251, 120-127, 2008.
57. [57] Rudnick RL, Gao S. “Composition of the Continental Crust”. Treatise on Geochemistry, 3, 1-64, 2003.