geniş bandlı istasyonların kullanılması ile lokal büyüklük

GENİŞ BANDLI İSTASYONLARIN KULLANILMASI İLE LOKAL BÜYÜKLÜK HESAPLAMALARI VE
SÜRE BÜYÜKLÜĞÜ İLE KARŞILAŞTIRMALAR
Ethem Görgün 1, Mustafa Aktar1
[email protected], [email protected]
Öz: Bu çalışmada Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma
Enstitüsü (BÜ-KRDAE) tarafından işletilen geniş bandlı istasyonlar kullanılarak, 200 adet
deprem için lokal magnitüd (ML) değerleri hesaplanmıştır. Bu hesaplamalarda toplam 7
adet istasyondan sağlanan, yaklaşık 1560 adet dalga formu analiz edilmiştir. Çalışmanın ilk
bölümünde, hesaplanan büyüklük değerlerinin saçılması ve dolayısıyla kendi içerisindeki
tutarlığı test edilmiştir. Bu amaçla uzaklık ve büyüklüklere bağlı ML sapmalarının istatiksel
analizi yapılmıştır. İkinci aşamada ise, bulunan ML değerleri, aynı depremler için BÜKRDAE ve TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Yer ve Deniz Bilimleri Araştırma
Enstitüsü
(TÜBİTAK-YDBAE)
tarafından
belirlenmiş
olan
büyüklüklerle
karşılaştırılmıştır. BÜ-KRDAE tarafından hesaplanan MD değerleri ile uyumsuzluk, buna
karşın TÜBİTAK-YDBAE ile uyumluluk gözlenmiştir. Bu sonuçlar süreye bağlı bulunan
magnitüd ile lokal magnitüd arasındaki ilişkiyi de göz önüne sermektedir. Çalışmanın
amacı 17 Ağustos 1999 Gölcük Depremi sonrası BÜ-KRDAE 'de ortaya çıkan magnitüd
vermede yaşanan sıkıntıların sona erdirilmesine katkı sağlamaktır Çalışma amacına ulaşmış
ve BÜ-KRDAE geniş bandlı istasyonlardan lokal magnitüd verebilen bir duruma gelmiştir.
Anahtar Kelimeler: Lokal Büyüklük, Süreye bağlı büyüklük, Sentetik Wood-Anderson Sismogramı, Geniş Bandlı
Sismometre.
1
Giriş
Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü (BÜ-KRDAE) tarafından işletilen geniş
bandlı istasyonların kaydettiği Batı Türkiye ve çevresindeki depremlerin lokal büyüklükleri (ML), yapay (sentetik) biçimde Wood-Anderson kayıtlarına dönüştürülmek suretiyle hesaplanmıştır. Değişik türdeki geniş bandlı istasyonlar, bu
iş için geliştirilmiş Seismic Analysis Code (SAC) kodları ve unix-shell programları yardımıyla Wood-Anderson
sismometresi kayıtlarına çevrilmiştir. Uzaklıkları 8 ile 785 km olan 200 depremin 1560 kaydındaki en büyük genlikler,
Wood-Anderson yapay sismogramlardan okunmuştur. Bu depremler bölgede ortalama 7 istasyonda kaydedilmiş olup ve
yerel büyüklükleri ML = 1.0 ile 6.4 arasında değişmektedir. ML büyüklüğü yatay ve düşey bileşenlerden elde edilmiştir.
Her deprem için ML değeri tüm istasyonlardan elde edilenlerin ortalaması olarak kabul edilmiştir. Herbir ML büyüklüğünün her istasyondaki saçılma oranı analiz edilmiş ve bu saçılmanın büyüklük ve uzaklığa bağlı olup olmadığı tartışılmıştır. Bu şekilde istasyon büyüklük düzeltme değerleri de bulunmuştur. Elde edilen ML büyüklükleri, BÜ-KRDAE
tarafından kullanılan süreye bağlı büyüklük (MD) hesaplamaları ile karşılaştırılmıştır. Aralarında önemli bir fark gözlenmiş ve MD hesaplamaları için bazı iyileştirme önerileri sunulmuştur. Benzer biçimde hesaplanan bu ML değerleri,
TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Yer ve Deniz Bilimleri Araştırma Enstitüsü (TÜBİTAK-YDBAE) tarafından
farklı istasyonların dalga formları kullanarak hesaplanan ML değerleriyle karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmalar sonucunda, bu çalışmada bulunan büyüklüklerin TÜBİTAK-YDBAE tarafından bulunan değerlerle örtüşmekte olduğu, BÜKRDAE Ulusal Deprem İzleme Merkezi (UDİM) tarafından bulunan süreye bağlı büyüklük değerleriyle önemli ölçüde
sapmalar gösterdiği belirlenmiştir.
Kullanılan Veriler
BÜ-KRDAE tarafından işletilen 7 adet geniş bandlı istasyon verileri kullanılmıştır. Bu istasyonların dağılımı Şekil 1’de
gösterilmektedir. Dağılıma bakacak olduğumuzda istasyonların genel de Türkiye’nin batısında toplandığı görülmektedir. Bunun başlıca nedeni olarak bu çalışmanın yapıldığı zamanda sadece bu bölgedeki istasyonların sağlıklı çalışması
gösterilebilir. Günümüzde ise çok daha fazla geniş bandlı istasyon çalışır durumdadır ve kesintisiz veri toplanmaktadır.
2005 yılı itibarıyla, tüm Türkiye’deki yaklaşık 20 tane genişbandlı istasyondan ML hesaplanmakta ve kataloglanmaktadır.
1
Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü, Jeofizik Anabilim Dalı.
Çalışmada kullanılan istasyonların isimleri ve uluslarası kodları şöyledir; Kandilli (ISKB), Çatalca (CTTX), Marmara
Adası (MRMX), Mürefte (MFTX), Yalova (YLVX), Edirne (EDRB), Balıkesir (BALB). Bu istasyonlardan sayısal
telemetri ile veri ileten MRMX, MFTX, YLVX ve CTTX’in örnekleme aralığı saniyede 100 örnek; telefon bağlantısı
ile çalışan ISKB, EDRB ve BALB’nin ise saniyede 50 örnektir. İstasyonların teknik özelliklerine bakacak olursak
telemetrik istasyonlarının yarı geniş bandlı istasyonlar olarak isimlendirildiğini söyleyebiliriz. Bundan çıkaracağımız
anlam bu istasyonların kaydedebildiği en büyük peryodların 40 sn civarında olmasıdır. Diğer üç istasyonun peryodları
120 saniyeye kadar çıkabilmektedir. Ancak lokal olaylarda, her iki tip sismometre de uyumlu sonuç vermektedir. Bu
geniş bandlı istasyonlardan toplanan 200 depreme ait 1560 tane dalga formu kullanılmıştır. Bu veriler otomatik olarak
analiz edilmiş ve sonuçlar süreye bağlı büyüklük değerleri ile karşılaştırılmıştır. Şekil 1’de merkez üsleri saptanan depremlerin yerleri görülmektedir. Şekil 2’de bu çalışmada kullanılan depremlerin magnitüd aralıklarına göre dağılımı görülmektedir. Çalışmada yurtdışı merkezli depremler de kullanılmıştır. Depremlerin lokal büyüklüklerinin uzaklığa göre
değişimi ise Şekil 3’te görülmektedir. Buradaki noktaların çeşitliliği bir istasyona ait deprem verisinin her üç bileşen
için lokal magnitüd değerleriyle gösterilmesinden kaynaklanmaktadır. Şekil 4’te ise ISKB geniş bandlı istasyondan alınan 23.03.2002 tarihinde ve 02:36:11.04 (GMT) zamanında olan ML=4.4 büyüklüğündeki kayıdın orjinal sismogramı
ve sentetik Wood-Anderson sismogramı kayıtları görülmektedir.
Şekil 1. Çalışmada Kullanılan Geniş Bandlı İstasyonların ve Depremlerin Dağılımı. İstasyonlar Siyah Ügenler Olarak
Gösterilmiştir.
77
EVENT NUMBER
80
70
60
46
50
50
40
23
30
20
3
10
1
0
1.0-1.9 2.0-2.9 3.0-3.9 4.0-4.9 5.0-5.9 6.0-7.0
ML
Şekil 2. Çalışmada Kullanılan Deprem Sayısının Büyüklük Aralıklarına Göre Değişimi.
8.00
7.00
6.00
ML
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
DISTANCE (km)
Şekil 3. Lokal Magnitüdlerin Uzaklığa Göre Değişimi
Şekil 4. Çalışmada Kullanılan ISKB İstasyonuna Ait Bir Sismogram Örneği. Birinci Sıra Sentetik Wood-Anderson
Kayıdı, İkinci Sıra ise Orjinal Güralp Inc. Sismometresi ile Kaydedilen Sismogramı Göstermektedir.
Kullanılan Yöntem
Kullanılan yöntem Charles Richter’in (Richter, 1935) 1935 yılında ortaya attığı Lokal Magnitüd skalasına dayanmaktadır. Richter’e göre 100 km uzaklıkta 1 mm genlikli bir depremin büyüklüğü 3.0 kabul edilir. Bu yöntemde kullanılan
Wood-Anderson sismometresinin doğal periyodu 0.8 saniye, damping katsayısı 0.8, büyütmesi de 2800 olarak belirtilmiştir. Richter bu sismometre kayıtlarını kullanarak yatay bileşenlerden lokal büyüklük değerlerini hesaplamıştır. Bunun için kayıtlardaki en büyük genliğin logaritması alınarak uzaklık düzeltmesiyle toplanmış ve sonuca ulaşılmıştır. Bu
işlem şöyle ifade edilmektedir.
ML= LogAmax -LogA0
(1)
Burada Amax ile ifade edilen sismogramdaki maksimum genliktir. A0 ise uzaklık düzeltmesini ifade etmektedir. A0 değeri uzaklığın fonksiyonu olarak ifade edilir. Ayrıca bu formüle istasyon düzeltmesi ve bölgesel yapıdan kaynaklanan
değerler de ilave edilebilir. LogA0 olarak ifade edilen uzaklığa bağlı düzeltmeler 600 km’ye kadar yapılmıştır. Çünkü
bu kilometreden sonra değerler satürasyona uğramaktadır. Bunu Şekil 5’te ayrıntılı bir şekilde görmekteyiz. Richter
eğrisi sinyal genliğinin yerkabuğundan kaynaklanan etkilerinden ileri gelen, saçılma, elastik olmayan atenüasyon, istasyon-kaynak arasındaki yapı gibi, bazı koşullardan etkilenir. Bu etkiler sonucunda 600 km’den sonra bu eğri düz bir hal
alır ve LogA0 hiçbir değişikliğe uğramaz..Bu nedenle, Lokal büyüklük 30 km ile 600 km arasında en iyi sonucu vermektedir. Bu çalışmada Richter tarafından belirlenen eğri bir polinom ile gösterilmiştir. Şekil 5’te kırmızı ile görülen
ikinci eğri bu çalışmada kullanılan polinom denklemlerinden elde edilmiştir. Richter özgün eğrisine daha duyarlı biçimde yakınsamak amacıyla, 200 km uzaklığın altındaki ve üzerindeki mesafeler için farklı polinom kullanılmıştır. Burada
iki ayrı uzaklık için en uygun polinomu çakıştırma işlemi yapılmış ve aşağıdaki değerler bulunmuştur.
uzaklık < 200 km p(x) = 0.00000040224x3 -0.00019236x2 + 0.0334x + 1.2650
uzaklık > 200 km p(x) = -0.0000059628x2 + 0.0082x + 2.1173
(2)
(3)
Şekil 5 orjinal Richter (mavi) değerleriyle, bu çalışmada bulunan değerleri göstermektedir.
Bu çalışmada denklem (1)’e bağlı kalınmış, geniş bandlı istasyonları Wood-Anderson sentetik sismogramına çevirerek
maksimum genliği ve uzaklık düzeltme değerini hesaplanmıştır.. Bu işlem için Seismic Analysis Code (SAC) programı
kullanılmış ve veriler Wood-Anderson sismogramına çevrilmiştir. Bu işlemler tamamen otomatik olarak Linux-shell
programlama diliyle yapılmaktadır. Önceleri Linux ortamında kullanılan program şu anda Windows işletim sisteminde
de başarı ile kullanılmakta ve Ulusal Deprem İzleme Merkezi (UDİM) tarafından yurtiçi ve yurtdışı depremlerin lokal
büyüklüklerinin hesaplanmasında kullanılmak üzere referans olarak seçilmiştir. Burada kullanılan otomatik hesaplama
yönteminin diyagramı Şekil 6’da ayrıntılı olarak gösterilmiştir. İlk aşamada deprem verileri EARTHWORM sistemi
yardımıyla SAC formatında çekilmektedir (Dean and Kömec, 2003). Bu çekilen veriler ham verilerdir. Bu veriler iki
dosya ile güncellenmektedir. Bunlardan biri sta.dat dediğimiz, istasyonların alet etkisine ait (pole ve zero) bilgilerinin
olduğu dosyadır. Bu dosya yardımıyla alet etkisi giderilmektedir. Diğer bir dosya ise Şekil 6’da görülen event.dat dosyasıdır. Bu dosya depremin enlem, boylam ve zaman bilgilerini içermektedir. SAC verisi güncellendikten sonra bu
programın içinde olan yazılım komutları kullanılarak geniş bantlı sismometrelerde (Güralp Inc.) kaydedilen
sismogramlar sentetik Wood-Anderson sismogramı’na (Şekil 6) dönüştürülmektedir. Daha sonra belli uzaklıklara kadar
hesaplanan -LogA0 değerleri bulunur ve en büyük genlikle toplanarak lokal magnitüd değerini verir. Bu değerler istasyon bazında hesaplanmaktadır. Her istasyonun ML değerleri hesaplanarak bu değerlerin aritmetik ortalaması alınır ve
genel değere ulaşılır. Her depreme ait tek değer bulunduktan sonra istasyonların bu genel değerden ne kadar farklı olduğunu bulabilmek için her istasyonun magnitüd değeri bu değerden çıkartılır.
Şekil 5. Richter Atenüasyon Eğrisi (Mavi) ile Çalışmada Bulunan Atenüasyon Eğrisinin (Kırmzı)Karşılaştırılması
*.SAC (ham veri)
EVENT. DAT
GO.SH
STA.DAT
*.SAC (veri içeriğinin güncellenmesi)
İstasyonun Alet Etkisinin Giderilmesi
Güralp Sismogramı’ndan Sentetik Wood-Anderson Sismogramı’na dönüşüm
Uzaklığa bağlı A0 değerlerinin elde ettiğimiz yaklaşık atenüasyon formülünden bulunması,
AMAX yani maksimum genlik değerlerinin dalga formundan elde edilmesi [ML=LOG
AMAX(mm) – LOG A0(∆)]
ML Hesaplanması
Magnitüd çıktı dosyası
Şekil 6. Otomatik Lokal Magnitüd Hesaplama Adımları
İstasyon düzeltmesi=Ēistasyon=
1
N
N
∑
(ML–MListasyon)
(4)
i =1
Formül (4 )’te istasyon düzeltmesinin nasıl bulunduğu görülmektedir. Burada,
ML = genel ortalamadan elde edilen değer,
MListasyon = istasyon bazında elde edilen değer,
Ēistasyon = Herbir istasyondaki hata değerini ifade eder.
Bu işlemden sonra ise herbir istasyona ait varyans değerleri bulunur.
1
Varyans= σ =
N
2
N
∑
(E – Ēistasyon)2
(5)
i =1
Bu formülde, Ēistasyon = istasyon düzeltmesi, E=ML – MListasyon olarak tanımlanmıştır.
Şekil 7’de ISKB geniş bandlı istasyonu için hata değerleri bulunmuş ve magnitüd değerlerine göre çizdirilmiştir. Ayrıca
Şekil 8’de de aynı istasyonun uzaklığa bağlı hata değerleri hesaplanmış ve çizdirilmiştir.
1.0
ML-ML ISKB
0.5
0.0
-0.5
-1.0
0
1
2
3
4
5
6
7
ML
Şekil 7. ISKB İstasyonundaki Lokal Büyüklük Değerlerinin Genel Büyüklük Değerlerine Göre Saçılması
M L -M L ISKB
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
DISTANCE (km)
Şekil 8. . ISKB İstasyonundaki Lokal Büyüklük Değerlerinin Uzaklık Değerlerine Göre Saçılması
0.40
0.30
ERROR VALUES
0.20
0.10
0.00
-0.10
-0.20
-0.30
-0.40
-0.50
-0.60
-0.70
1.0-6.0
1.0-2.0
2.0-3.0
3.0-4.0
4.0-5.0
5.0-6.0
MAGNITUDE
Şekil 9. ISKB İstasyonu İçin Belirtilen Magnitüd Aralıklarında Ortalama Hata Değerlerinin Hesaplanması.
VARIANCE VALUES
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
1.0-6.0
1.0-2.0
2.0-3.0
3.0-4.0
4.0-5.0
5.0-6.0
MAGNITUDE
Şekil 10. ISKB İstasyonu İçin Belirtilen Büyüklük Aralıklarındaki Varyans Değerleri.
Şekil 9 ve Şekil 10 bize göstermiştir ki, magnitüd değerleri büyüdükçe ortalama hata ve varyans değerlerinde bir artış
olmaktadır. Ancak burada unutulmaması gereken en önemli konu özellikle 5.0 değerinden büyük magnitüd sayısı oldukça az olduğudur. ISKB istasyonu hata ve varyans değerleri bakımından oldukça iyi bir sonuç vermiştir.
Sonuçlar
Çalışmanın sonucunda kendi bulduğumuz lokal büyüklük değerleriyle UDİM’de kullanılan süreye bağlı büyüklük (MD)
değerleri karşılaştırıldı. Bu karşılaştırma Şekil 11’de görülmektedir. Bu karşılaştırma sonucunda ortaya lokal büyüklük
ile süreye bağlı büyüklük arasında önemli bir fark bulunmuş ve bu ilişki aşağıdaki doğrusal denklemle ifade edilmiştir:
MD-BU KOERI = 0.54 * ML + 1.62
(6)
bağıntısı bulunmuştur. Bu sonuca göre MD’nin sadece 2.5 ile 4.0 değerleri arasında kullanılabileceği ortaya çıkmıştır.
Bu değerlerin altında ve üstünde süreye bağlı magnitüd değerleri (MD) güvenilir sonuç vermemektedir. Öte yandan, bu
çalışmada bulunan ML büyüklük değerleri, TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Yer ve Deniz Bilimleri Enstitüsü
tarafından bulunan lokal büyüklük değerleri ile örtüşmektedir. Şekil 12’de bu açıkça görülmektedir. Bu iki Lokal
magnitüd ölçümleri, 1.0 ile 6.5 değerleri arasında oldukça yakın sonuçlar verebilmektedir.
Ayrıca Yatay bileşenlerden elde edilen değerlerle düşey bileşenlerden elde edilen değerler karşılaştırılmış ve düşey bileşenlerin ortalama 0.2 birim daha küçük sonuçlar verdiği görülmüştür. Bu da bize göstermiştir ki lokal büyüklüğü tek
düşey bileşenli istasyonlardan da hesaplamak mümkündür, ancak güvenilir sonuçlar için 0.2 birim ilave etmek gereklidir.
7.0
6.0
y = 0.5415x + 1.6214
MD BU KOERI
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
ML Thesis
Şekil 11. MD –ML Karşılaştırması
Gelecek ile ilgili olarak ise mevcut kullanılan geniş bandlı istasyonların her biri için bir formül geliştirilebilir. Bu çalışma yalnızca BÜ-KRDAE istasyonları için değil, şu an uluslararası işbirliğine gittiğimiz ve verilerini kullandığımız diğer
ülke istasyonları için de yapılabilir.
7.0
6.0
ML TUBITAK
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
ML Thesis
Şekil 12. Tübitak Tarafından Hesaplanan ML Değerlerinin Çalışmada Bulunan ML Değerleriyle Hesaplanması
Teşekkür
Bu çalışmanın ortaya çıkmasındaki katkılarından dolayı verilerin toplanması bağlamında emeği geçen tüm Boğaziçi
Üniversitesi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü çalışanlarına teşekkürlerimizi bildiririz.
KAYNAKLAR
1. Aktar, M. and Bicmen, F., Seismic Data Acquisition in Remote Regions, Cahiers du Centre Europeen de
Geogdynamique et de Seismologie, Vol.I, p:11-17, 1989.
2. Childs, D. and Kömeç A. (2003). The Kandilli Observatory Real-Time Automated Seismic Data Proc
essing
System, EarthWorm application in Turkey, ORFEUS Electronic Newsletter.
3. Langston, C.A., Brazier, R., Nyblade, A.A. and Owens, T.H. (1998). Local Magnitude Scale and Seismicity Rate
for Tanzania, East Africa. Bull. Seism. Soc. Am., 88, 712-721.
4. Lee, W.H.K., Bennett, R.E. and Meagher, K., (1972). A method of estimating magnitude of local earthquakes from
signal duration. Geol. Surv. Open-File Rep. (U.S.), 28.
5. Kim, W.Y. (1998). The ML Scale in Eastern North America. Bull. Seism. Soc. Am., 88, 935-951.
6. Richter, C. F. (1935). An Instrumental earthquake magnitude scale, Bull. Seism. Soc. Am. 25, 1-32.
7. Richter, C. F. (1958). Elementary Seismology, W. H. Freeman & Co., San Francisco, 768 pp.
8. Tapırdamaz, M.C., Özalaybey, S., Aktar, M. (1998). Investigation of ML-MD Magnitude Relationship in the
Cilician Microearthquake Network. The Second Assembly of Active Tectonic Research Group, İstanbul Technical
University, İstanbul.