DOKUZ EYLÜL UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES MINERALOGIC AND PETROGRAPHIC INVESTIGATION OF SKARN ALTERATION ZONES RELATED TO THE EVCİLER GRANITOID, KAZDAĞ NORTHWESTERN ANATOLIA by Yeşim YÜCEL ÖZTÜRK September, 2006 İZMİR MINERALOGIC AND PETROGRAPHIC INVESTIGATION OF SKARN ALTERATION ZONES RELATED TO THE EVCİLER GRANITOID, KAZDAĞ NORTHWESTERN ANATOLIA A Thesis Submitted to the Graduate School of Natural and Applied Sciences of Dokuz Eylül University In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Geological Engineering, Economic Geology Program by Yeşim YÜCEL ÖZTÜRK September, 2006 İZMİR ii Ph.D. THESIS EXAMINATION RESULT FORM We have read the thesis entitled “MINERALOGIC AND PETROGRAPHIC INVESTIGATION OF SKARN ALTERATION ZONES RELATED TO THE EVCİLER GRANITOID, KAZDAĞ NORTHWESTERN ANATOLIA” completed by Yeşim YÜCEL ÖZTÜRK under supervision of Prof. Dr. Cahit HELVACI and we certify that in our opinion it is fully adequate, in scope and in quality, as a thesis for the degree of Doctor of Philosophy. Prof. Dr. Cahit HELVACI Supervisor Prof. Dr. Hüseyin YILMAZ Prof. Dr. Kadir YURDAKOÇ Committee Member Committee Member Jury Member Jury Member Prof. Dr. Cahit HELVACI Director Graduate School of Natural and Applied Sciences ii iii ACKNOWLEDGMENTS I would like to express my sincere gratitude to my supervisor, Prof. Dr. Cahit Helvacı, for his patience, support, guidance and helpful suggestions during the preparation of this thesis. I extend my thanks to Prof. Dr. Muharrem Satır for providing the use of his laboratories in the Institute of Geochemistry, Tübingen University, Germany and for his encouraging suggestions, which have improved significantly the content and clarity of the stable isotope study. I thank to Dr. Heinrich Taubald, Gabriele Stoschek, Bernd Steinhilber and Gisela Bartholomä for the isotope analyses, and Dr. Thomas Weinzel for the microprobe analyses. My special thanks are extended to Prof. Dr. Yücel YILMAZ who made constructive comments during the field studies. I am indepted to Prof. Dr. Hüseyin YILMAZ who made great contributions for understanding of the skarn mineralization processes of the study area. I am also grateful to Prof. Dr. Sinan ÖNGEN for his contributions. I acknowladge Prof. Dr. Erdin BOZKURT for his helpful suggestions and Dr. Cüneyt AKAL for his helpful suggestions during the field studies. This thesis was supported by two research project grants, (Project number 101Y018) from the Scientific & Technological Research Council of Turkey (TÜBİTAK) and (Project number 0922.01.01.17) from Dokuz Eylül University Scientific Research Projects (BAP) . Lastly, I must thank to my parents Mestinaz and Cemil Yücel, my brother Oğuzkan Yücel and my husband Hasan Öztürk for their continuous support and encouragement throughout the preparation of this thesis. Yeşim YÜCEL ÖZTÜRK iii iv MINERALOGIC AND PETROGRAPHIC INVESTIGATION OF SKARN ALTERATION ZONES RELATED TO THE EVCİLER GRANITOID, KAZDAĞ NORTHWESTERN ANATOLIA ABSTRACT The purpose of this study is determination of the petrographic features, geology and alteration-mineralization style of the Evciler district with the aid of analytical data obtained by the electron probe microanalyses of the skarn mineral assemblage of Evciler, and establishment of the results of a stable isotope study of the skarn- forming minerals at the Evciler location. Stable isotope analyses of oxygen, hydrogen were made of appropriate mineral phases from the Evciler skarn with two broad objectives; (1) to derive estimates of fluid temperature from oxygen isotope geothermometry on appropriate mineral pairs, and (2) to model the isotopic composition and origin of skarn forming fluids (at each successive stage). This study also draws attention to the similarities of this occurrence with the other skarns of the world, some of which are well known for their ore potential. Alteration and mineralization in the Evciler district (Kazdağ, Çanakkale) are related to I-type, magnetite-series, metaluminous and calc-alkaline body, which intrudes the Kazdağ Massif. Correlations between skarns and Evciler granitoid within the study area are evaluated using Harker-type diagrams with major and trace elements. The Evciler granitoid exhibits characteristic distribution patterns of the plutons associated with Au-Cu, and Fe skarns. The skarn zones in the study area are both calcic exoskarn and endoskarn and have an oxidized mineralogy dominated by garnet, clinopyroxene, epidote, amphibole and chlorite. Skarn at Evciler contain up to 80 percent sulfides (pyrrothite, pyrite, and chalcopyrite) and massive pyrrothite-bearing mineralization body replaces prograde skarn and marble. The garnet-pyroxene skarn represent early skarn formation (prograde stage) and are composed of the anhydrous minerals, predominantly pyroxene with garnet. Epidote-amphibole skarn represent late skarn- forming phases (retrograde stage) and replace early mineral assemblages. iv v Microprobe analyses indicate that clinopyroxene has diopside-rich, whereas garnet composition has andradite-rich composition (typical for Au-Cu, Fe sulfide associations). Stable isotope compositions of anhydrous and hydrous minerals from Evciler skarn indicates that garnet-pyroxene skarn was produced by predominantly magmatic fluids during initial skarn forming metasomatism in the study area and amphibole- epidote rich skarn was formed by magmatic water mixed with meteoric water. However, the delta-deuterium values of late amphibole and epidote indicate both magmatic and lighter values for Evciler skarn deposit that could be explained by mixing with meteoric water. We concluded that the isotopic evolution of the hydrothermal fluid can be accounted for by circulation of meteoric water through a convention system heated by the Evciler granitoid, causing exchange of oxygen isotopes with the granitoid and country rock, and possibly involving some admixture of magmatic water. Keywords. Skarn, geochemistry, stable isotope, Evciler, Kazdağ, Northwestern Anatolia. v vi EVCİLER GRANİTOİDİNE (KAZDAĞ, KUZEYBATI ANADOLU) BAĞLI GELİŞEN SKARN ALTERASYON ZONLARININ MİNERALOJİK VE PETROGRAFİK İNCELEMESİ ÖZ Çalışmanın amacı, Evciler skarn mineral topluluğunun, elektron mikroprob analizleri ile saptanan analitik verileri ile birlikte, Evciler bölgesinin petrografik özellikleri, jeolojisi ve alterasyon-mineralizasyon tipini tespit etmek ve Evciler lokasyonunda gözlenen skarn oluşturan minerallere ait duraylı izotop çalışmalarının sonuçlarını ortaya koymaktır. Evciler skarnından alınan mineral fazlarından oksijen, hidrojen duraylı izotop analizleri, (1) mineral çiftleri ile oksijen izotop jeotermometrisinden akışkan sıcaklığının tahmin edilmesi ve (2) skarn oluşturan akışkanların (her bir evre için) izotopik bileşimi ve kökeninin modellenmesi için gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma aynı zamanda, cevher potansiyeli açısından iyi bilinen Dünya’daki diğer skarn yatakları ile bu bölgedeki skarn oluşumunun benzerliklerini ortaya koymaktadır. Evciler bölgesindeki (Kazdağ, Çanakkale) alterasyon ve mineralizasyon, Kazdağ Masifi’ne sokulmuş, I-tipi, magnetit-serili, metaluminyumlu, kalk alkalen kütle ile ilişkilidir. Çalışma alanında, Evciler granitoidi ve skarnlar arasında korelasyonlar, major ve iz elementlerle birlikte Harker-tip diyagramlar kullanılarak, değerlendirilmiştir. Buna göre Evciler granitoidi Au-Cu, ve Fe skarnları ile birlikte bulunan plutonların karakteristik dağılım özelliklerini göstermektedir.. Çalışma alanında skarn zonları, kalsik ekzoskarn ve endoskarn şeklindedir ve granat, klinopiroksen, epidot, amfibol ve kloritce baskın okside bir mineralojiye sahiptir. Evciler bölgesinde gözlenen skarn, %80’nin üzerinde sulfid (pirotin, pirit, ve kalkopirit) içermektedir ve masiv pirotin içeren mineralizasyon kütlesi, prograd evre skarnını ve mermeri ornatmaktadır. Granat-piroksen skarnı, erken skarn oluşumunu temsil etmektedir (prograd evre) ve granatla birlikte piroksence baskın susuz minerallerden oluşmaktadır. Epidot-amfibol skarnı ise geç skarn oluşum fazını temsil etmektedir (retrograd evre) ve erken mineral topluluklarını ornatmaktadır. vi vii Mikroprob analizler, klinopiroksenin diyopsitce zengin, buna karşın granatın andraditce zengin bileşime sahip olduğuna işaret etmektedir (Au-Cu, Fe sülfid toplulukları için tipik). Evciler skarnından alınan susuz ve sulu minerallerinin duraylı izotop bileşimleri, çalışma alanında ilk skarn-oluşturan metasomatizma boyunca, granat-piroksen skarnın baskın olarak magmatik akışkanlardan geliştiğine ve amfibol-epidotca zengin skarnın ise meteorik su ile karışmış magmatik su ile oluştuğuna işaret etmektedir. Bununla birlikte, geç evre amfibol ve epidota ait delta-döteryum değerleri Evciler skarnı için, hem magmatik ve hem de meteorik su ile karışım şeklinde açıklanabilen daha hafif değerlere işaret etmektedir. Bu şekilde, hidrotermal akışkanın izotopik evriminin, granitoid ve yan kayaç ile oksijen izotop değişimine neden olan, Evciler granitoidi tarafından ısıtılan bir sistem içinde, bir miktar magmatik suyun da karışımını içeren, meteorik su sirkülasyonu ile açıklanabileceği sonucu ortaya konmaktadır. Anahtar Kelimeler. Skarn, jeokimya, duraylı izotop, Evciler, Kazdağ, Kuzeybatı Anadolu. vii viii CONTENTS Page THESIS EXAMINATION RESULT FORM .............................................................. ii ACKNOWLEDGEMENTS ........................................................................................iii ABSTRACT...............................................................................................................