Abstract - ETH E-Collection

Diss.ETH Nr. 11340
Die Thermalwässer der Armutlu-Halbinsel
und deren
Beziehung zu Geologie
(NW-Türkei)
und aktiver Tektonik
ABHANDLUNG
zur
Erlangung
des Titels
DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN
der
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH
vorgelegt von
Thomas Eisenlohr
Dip. Natw. ETH Zürich, Geologe
geboren am 13. September 1964
von
Zürich.
Angenommen
im
Antrag
von:
Prof. Dr. C. Schindler, Referent
PD Dr. W. Balderer, Korreferent
Prof Dr. E. Yüzer, Korreferent, Istanbul Technical
1995
University
-2-
ZUSAMMENFASSUNG
interdisziplinären MARMARA-Projektes wurden die Thermalquellen
Armutlu-Halbinsel (Bursa, NW-Türkei) und ihre geologische Umgebung untersucht.
Im Rahmen des
vorwiegend
Die Halbinsel besteht
aus
metamorphen
der
Gesteinen. Die ältesten Serien stellen
amphibolit-metamorphe Gneise und Amphibolite dar. Darüber folgt eine mächtige grünschiefer-metamorphe Serie aus Metavulkaniten (v.a. Epidot-Chlorit-Schiefer) und Metasedimenten (v.a. quarzitische Konglomerate). Ultramafische Gesteine, hervorragend erhal¬
tene
Pillow-Strukturen und Radiolarite in dieser Serie deuten auf ozeanische Kruste. Im SE
der
Halbinsel
wird
abgeschlossen. Über
die
Serie
durch
einer Diskordanz
hydrogeologisch bedeutenden Marmorzug
folgen schwächer metamorphe Flyschgesteine und
einen
Kaya & Kozur (1987) als oberer Jura bis untere Kreide
unmetamorphen Gesteine sind Kalke, Radiolarite und Flysche der
rekristallisierte Kalke, welche
datierten. Die ältesten
erfolgte
eine granitische bis granodioritische Intrusion und deren Heraushebung. Die Hauptphase
eines regionalen, andesitischen Vulkanismus lässt sich anhand mächtiger Einschaltungen
von Flyschgesteinen ins Eozän datieren.
Evaporite im SE der Halbinsel deuten auf
flachmarine Verhältnisse im Oligozän. Die aus Mergeln, Sanden, Kiesen und FlachwasserKalken bestehenden neogenen Gesteine sind bereits an tektonische Senken gebunden und
weisen starke Wechsel in Mächtigkeit und Fazies auf.
oberen Kreide. In der Zeit zwischen der oberen Kreide und dem mittleren Eozän
strukturgeologischer Untersuchungen war die Unterscheidung verschiedener De¬
formationsphasen möglich. Die jüngste duktile Deformationsphase zeichnet sich durch eine
ausgeprägte SE-Vergenz aus. Eine Überschiebung bringt amphibolit-metamorphe Gesteine
auf schwach metamorphe Tonschiefer. Diese Phase kann in die untere bis anfangs obere
Kreide datiert werden (früh-alpin). Stratigraphische Beobachtungen deuten auf eine N-S
gerichtete Extensionskomponente bereits im Eozän. Über das Oligozän und den Beginn des
Miozäns fehlen Informationen bezüglich der tektonischen Spannung. Ab dem mittleren
Miozän gelangt das Untersuchungsgebiet in den Einflussbereich der North Anatolian
Anhand
Faultzone (NAF). Deren dextrale Scherdeformation wird einerseits konzentriert durch E-W
streichende, dextrale Bruchzonen und andererseits in den Zonen dazwischen durch konju¬
gierte Bruchsysteme (Riedelbrüche) aufgenommen. Im Pliozän verstärkte sich der Einfluss
der ägäischen Extensionstektonik auf Westanatolien (Mercier, 1989). Die aufgespaltenen
Äste der NAF bilden im Marmara-Meer ein komplexes System von transtensiven Gräben
(pull-apart basins) und Horsten (z.B. Armutlu-Halbinsel). Auf der Halbinsel treten NW-SE
auf.
Die
sehr
streichende
(SW-Teil
absenkend)
häufig
Abschiebungen
Bewegungskomponente des fehlenden, konjugierten Systemes, wird vermutlich durch prä¬
existente Blattverschiebungen aufgenommen.
Thermalquellen der Armutlu-Halbinsel wurden durch Feldmessungen, chemische
Analysen, Gasanalysen und Isotopenanalysen (2H, 3H, 180,34S, 13C, He, Ne) untersucht. Sie
lassen sich generell in zwei Gruppen unterteilen:
Die
75°C
bzw.
Yalova und Armutlu weisen
Temperaturen zwischen 60 und
und einen von Na-, Ca- und SCU-dominierten Chemismus auf (NaCaS04(Cl)-Typ
NaCaSCuHCOnCl-Tvp). Da das Sulfat (rund 700 mg/L) aufgrund seiner Isotopen-
1) Die Thermalquellen
Zusammensetzung
von
aus
Sulfidmineralien
(Metallsuflide)
der
metamorphen
und
-3-
magmatischen Gesteine stammen muss, können beide Wässer als kristalline Tiefenwässer
interpretiert werden. Extrem tiefe HCO3 und CC^-Gehalte im Wasser von Yalova
schliessen einen Kontakt mit karbonatischen Gesteinen
aus.
Das Wasser
von
Armutlu
Gegensatz dazu durch eine intensive, zusätzliche Karbonat-Lösung aus.
Wasserisotope deuten auf eine Infiltration von Niederschlagswasser oder
Schmelzwasser mit einer Zusammensetzung, wie sie auch heute beobachtet wird. Im
Untergrund dürfte das Wasser vorwiegend entlang von Klüften in den kristallinen
Gesteinen (Gneise, Amphibolite, Granite und Vulkanite) fliessen. Die Riesszeit ist
aufgrund der Tritium-Konzentrationen sicher grösser als 40 Jahre. Die anhand
verschiedener Geothermometer ermittelten Reservoir-Temperaturen liegen bei 70 bis 100°C
für Yalova und 100 bis 130°C für Armutlu. Der Aufstieg erfolgt konzentriert entlang
tektonischer Störungszonen. Die Quellaustritte sind an Intersektionen von Brüchen und
Klüften gebunden. In Armutlu treten oberflächliche Mischungen mit Bachwasser auf.
zeichnet sich im
Die stabilen
2) Die schwach mineralisierten Quellen
von
Gemlik, Orhangazi, Sogucak und Keramet
und werden chemisch durch die Karbonatlediglich
Lösung dominiert (CaHCO*-Tvt> bis CJMg(Na)HCO_3(Cl)-Typ). Aufgrund der
hydrogeologischen Untersuchungen können diese ergiebigen Quellen als Basisabflüsse von
Karstsystemen der Berge nördlich von Gemlik interpretiert werden. Mit Hilfe der stabilen
Wasser-Isotope konnten die mittleren Infiltrationshöhen der Wässer abgeschätzt werden. Im
Untergrund folgen die Niederschlagswässer den verkarsteten Marmoren und lösen Calcit
und untergeordnet Dolomit. Chemische Gleichtgewichts-Berechnungen zeigen, dass die
erwärmten Quellen von Gemlik und Orhangazi ein geringfügiges und die stärker
mineralisierten Quellen Keramet und Sogucak ein grosses Potential zur Kalkausfällung
aufweisen. Die beiden Travertin-bildenden Quellen Sogucak und Keramet dürften durch
aufsteigendes CÜ2-Gas beeinflusst werden. Die Tritium-Analysen und die numerischen
Modellierungen deuten bei allen Quellen auf eine Mischung zwischen älterem, erwärmtem
Wasser der tieferen Karstbereiche und jungem, kaltem Karstwasser, das entlang von
offenen Karstkanälen in diese Zonen gebracht wird. Mischungen mit hochmineralisiertem
Tiefenwasser spielen, abgesehen von den Quellen Keramet und Sogucak, eine sehr
untergeordnete Bedeutung. Der Aufstieg der Wässer erfolgt entlang von Bruchzonen. Bei
einigen Quellen treten Mischungen mit untiefem Grundwasser auf.
sind
zwischen 20 und 37°C
Da im Marmara-Gebiet ein
warm
generell erhöhter Wärmfluss ausgeschlossen
werden kann
(Überprägung einer grossräumigen
Anhäufung von Thermalquellen verantwortlich sein.
Geodätische Messungen und Erdeben-Herdlösungen deuten auf eine starke NE-SW
gerichtete Extensions-Komponente im heutigen regionalen Spannungsfeld (Schindler et al.,
1995). Dadurch werden die tiefreichenden, EW-streichenden Blattverschiebungen der NAF
aufgerissen, was zu Zonen erhöhter hydraulischer Durchlässigkeit führt.
(Pfister, 1995),
muss
die neotektonische Konstellation
Scherzone durch Extension) für die
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ABSTRACT
Within the framework of the
MARMARA-project the thermal Springs of the Armutlu
peninsula (Bursa, NW-Turkey) and their geological surroundings have been investigated.
The Armutlu
peninsula mainly consists of metamorphic rocks. The oldest units are amphibolite metamorphic gneisses and amphibolites. On top of these a thick greenschist meta¬
morphic sequence of meta-volcanites (mainly epidot-chlorite schists) and meta-sediments
(mainly quartzites) occurs. Ultramafic rocks, perfectly preserved pillow structures and
radiolarites within
investigated
greenschists.
area
this
a
sequence indicate oceanic crust. In the eastern part of the
hydrogeologically important marble unit follows on top of the
discordantely overlain by a low grade metamorphic flysch unit,
by Kaya & Kozur (1987) as Upper Jurassic to Lower Cretaceous. The
oldest non-metamorphic rocks are limestone, radiolarite and flysch Sediments of the Upper
Cretaceous. A granite pluton intruded into the metamorphic complex during the time
between the Upper Cretaceous (end of ductile deformation) and the Lower Eocene (rock
boulders in dated flysch). An andesitic volcanism was established in the investigated area
after a significant uplift of the rocks. Interbedded flysch Sediments allow a dating of the
main volcanic activity as belonging to the Eocene. Evaporitic Sediments in the southeastern
part of the peninsula indicate a coastal facies during the Oligocene. The Neogene rocks
consist of marls, shallow water limestone, lignite, sand and gravel which are characterized
by a big spatial variability in thickness.
which
was
The latter is
dated
By the means of structural investigations it was possible to distinguish several different
phases of ductile and brittle deformation. The youngest, early alpine ductile event is best
preserved. It caused an intensive stretching and thrusting in a southeastern direction of the
low grade metamorphic rocks. North of Kumla amphibolite metamorphic rocks are thrust
on top of low grade metamorphic slates. A certain N-S orientated component of the regional
stress field can be assumed during the Eocene. There are no structural informations
available on the peninsula for the Oligocene and the early Miocene. The North Anatolian
Fault zone (NAF) developed along northern Turkey mainly during middle Miocene
(Sengör, 1985). In the Marmara region the NAF is characterised by a rather wide shear
zone. The dextral shear defomation takes place on the one hand along E-W orientated
dextral faults (Strands of the NAF) and on the other hand along conjugated strike-slip faults
(Riedel faults) between these. NE-SW orientated sinistral faults on the peninsula can be
explained by a clock wise block rotation of 15 to 40°. The influence of the Aaegean
extensional regime increased in western Anatolia during the Pliocene (Mercier, 1989).
Between the different Strands of the splitt NAF a complex System of pull-apart basins and
horst-zones wase established in the Marmara region. The Armutlu peninsula represents
such a horst-zone. On the peninsula NW-SE trending normal faults, which lower the southwestern part, occur frequently. The movement of the missing conjugated System is most
probably taken over by pre-existing strike slipe faults. The geodetic measurements and the
analysis of fault piain Solutions of the micro-earthquakes indicate a strong extensional
component in the regional stress field today. Therefore an opening of the deep reaching
strike-slip faults can be expected. This would cause vertical zones of high hydraulic
permeability.
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1) The thermal Springs of Yalova and Armutlu reach temperatures between 60 and 75 °C.
Cheraically the waters can be classified as NaCaSO^CD-type (Yalova) and a
NaCaSOaHCO^Cl-tvpe (Armutlu). The isotopic composition of sulphate shows that the
sulphur can only originate from sulphide minerals of crystalline rocks. Therefore both
spring waters can be interpreted as deep waters of crystalline rocks. The very low HCO3
and CO2 Contents in the water of Yalova exclude the possibility of a contact with carbonate
rocks. In Opposition to that the water of Armutlu is strongly influenced by Solution of
carbonatic rocks. The stable water isotopes indicate a possible recharge with recent rain and
snow melting. In the Underground the water follows most probably joints and fault zones in
crystalline rocks. Several different geothermometers indicate reservoir temperatures of 70 to
100°C in Yalova and 100 to 130°C in Armutlu. Since the tritium concentration is below
detection limit the residence time of the water has to be
longer
than 40 years. The
to the surface. On the surface the
upflowing thermal water follows tectonical fault zones
Springs occur mainly at intersections of faults and joints.
are
affected
by
the
mixing
Some of the
2.) The Springs of Gemlik, Orhangazi, Sogucak and Keramet
37°C
as
warm
in Armutlu
are
only
between 20 and
and low-mineralised. Due to the
in Yalova
recent water
Springs
with creek water.
or
high discharges the emitted energy is as high
Armutlu. The stable water isotopes show that these Springs are part of the
cycle.
The infiltration
ted in the mountain
area
areas
of the
Springs
of Gemlik and
north of Gemlik in altitudes of 600 to 900
Orhangazi
m
are
situa-
a.s.1. and 300 to
respectively. The waters can be classified as bottom outlets of karstic
Systems. In the Underground the water follows the karstified marble unit solving calcite
(and dolomite). Therefore chemical composition of all waters is dominated by the ions Ca2+
and HCO3" (CaHCOj-type to CaMg(Na)HCCh(ClVtvpel The Springs Sogucak and Keramet
are
higher mineralised and precipitate travertine. According to chemical balance
calculations the warm Springs of Gemlik and Orhangazi show a slight potential of calcite
precipitation which may be the reason for the very low mineralisation. Tritium analysis and
numerical finite dement modeling have shown that within the deeper part of the karstic
Systems a mixing between hot stagnant water and cold young water occurs. The latter is
injected along high permeable karstic Channels. From the karstic System the water follows
tectonic fault zones to the surface. At the Springs of Gemlik ilipinar and Orhangazi ilipinar
superfical mixing processes take place.
600
3.)
m
At
more
a.s.l.
Adliye (S of Gemlik) a
highly mineralised than
water can
which
are
cold mineral water
spring occurs. The NaCl-type of water is
the sea water. The isotopic investigations showed that this
be explained neither by recent nor by fossil sea water. Most likely salt deposits,
solved by meteoric water, occur in the evaporites of this regions.
occurence
of thermal
Springs
the
peninsula
major faultzones (Yalova, Armutlu) or karstic features (Gemlik, Orhangazi, Sogucak, Keramet). Since
the geothermal heat flow is not generally increased in the Marmara region (Pfister, 1995)
the occurence of such a high number of thermal Springs must be explained by tectonical
fracturing of the Underground. The superimposing of the deep reaching strike slip faults of
the NAF by a strong NE-SW orientated extension causes zones of high hydraulic permeability which are necessary for the upflow of the thermal water.
The
on
is related to intersections of