marmara bölgesi`nin 3-boyutlu p dalgası hız yapısı

MARMARA BÖLGESİ’NİN 3-BOYUTLU P DALGASI HIZ YAPISI
Şerif BARIŞ1, Junichi NAKAJİMA2, Yoshimori HONKURA3, Akira HASEGAWA2, Akihiko ITO4,
S. Balamir ÜÇER5
[email protected], [email protected], [email protected]
Öz: Bu çalışmada, 1985-2002 yılları arasında Marmara Bölgesi’nde kaydedilmiş tüm
depremlerden elde edilen faz okumaları birleştirilerek depremlerin yeniden lokasyonu tek
boyutlu hız-kabuk modeli ile yapılmıştır. Elde edilen bu veriden kötü çözümler
ayıklanarak, tomografi çalışması yapılacak veri 10X10X0.5 km3 lük bloklardan en az bir
ışın geçecek şekilde 3949 adet deprem seçilmiştir. Bu veriye ait 59313 P dalgası varış
zamanları değerlendirilmiştir. Elde edilen seçilmiş veriye pseudo-bending ışın izleme
yöntemi uygulanarak Zhao ve diğerleri, 1992 tarafından geliştirilen TOMOG3D adlı
algoritma kullanılarak sismik hız tomografisi uygulanmıştır. Bu çalışmada enlem, boylam
ve derinlik için optimum grid aralığı belirlenmiş ve en uygun grid aralığı yaklaşık olarak
35x25x5 km olarak seçilmiştir. Elde edilmiş veriye çeşitli sentetik testler yapılarak
Marmara Bölgesi’nin 0-15 km derinliğe kadar iyi çözünürlüğe sahip P dalgası hız yapısı üç
boyutlu olarak elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, Kuzey Anadolu Fay Zonu’nun
batı kesimi hız yapısı kuvvetli yanal ve düşey değişim göstermiştir. Ayrıca bu bölgede
mikrodepemlerin dağılımı ile hız değişimleri arasında kesin bir ilişki saptanamamıştır. Bu
sonucun bölgenin karmaşık tektonik ve jeolojik yapısından kaynaklandığı düşünülmektedir.
Büyük atımla meydana gelen 17 Ağustos 1999 Kocaeli depreminin ve bazı büyük artçı
depremlerin ya yüksek hıza sahip bölgelerde veya yüksek hız ile düşük hız zonlarının
kesiştiği bölgelerde olduğu belirlenmiştir. Bu sonuç son zamanlarda başka bölgelerde elde
edilen sonuçlarla uyum içerisindedir. Elde dilen düşük hızlı bölgeler sedimenter birimlere
veya alüvyon bölgelere karşılık gelmektedir. Düşük hız zonlarının olduğu bölgelerde düşük
özdirenç ve gravite değerleri elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar manyetotellürik, gravite
ve rezistivite sonuçları ile uyum içerinde olduğundan dolayı sonuçların güvenilir olduğu
sonucuna varılmıştır. Bu nedenle bu çalışmadan elde dilen sonuçlar diğer jeolojik, tektonik
ve kabuk yapısı ve benzeri çalışmalarda güvenle kullanılabilir. Büyük depremlerin ve orta
büyüklükteki artçı depremlerin genellikle yüksek hıza sahip olduğu bölgelerde meydana
geldiği göz önünde bulundurulursa Marmara Denizi içerisinde bazı bölgeler, Istanbul
Boğazı’na yakın bölgeler ve İznik-Mekece Fayı civarı muhtemel yamulma enerjisinin
biriktiği ve ileride kırılarak açığa çıkabileceği potansiyel deprem üretecek bölgeler olarak
nitelendirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Marmara Denizi, Kuzey Anadolu Fay Zonu, Sismik Tomografi, Sismik Hız Yapısı, Depremsellik
Giriş
Marmara Bölgesi, Kuzey Anadolu Fay Zonu’nun batı kesiminde yer alan aktif tektonizmaya sahip ve potansiyel olarak
sismik boşluk olarak nitelenen son derece önemli bir bölgedir. Bu bölgede oluşabilecek büyük bir deprem çok büyük
can ve mal kayıplarına sebebiyet verebilecektir. Çeşitli bilimsel çalışmalar yapılan bu bölgede bu güne kadar veri ve
deprem istasyonun yetersiz olması sebebiyle sismik tomografi çalışması yapılamamıştır. Gerek 17 Ağustos 1999
Kocaeli Depremi ve 12 Kasım 1999 Düzce depremlerinin artçı deprem etüdlerinden elde edilen sayısal veri, gerekse bu
bölgede kurulan sayısal deprem istasyonlarının sayıları ve toplanan veri miktarının yeterli olduğu düşünülerek bu
bölgenin 3-Boyutlu sismik hız yapısı belirlenmeye çalışılmıştır. Bugüne kadar yapılmış çalışmalar genellikle bu
bölgenin sığ yapısını anlamaya yönelik olmuştur. Bu çalışmada amaç üst kabuğun hız yapısını ayrıntılı olarak
belirlemektir. Bu çalışmada 5-17 km arasında olduğu belirlenen sismojenik zonun derinlik-hız yapısı ve bu yapının
heterojen yanal değişimleri anlaşılmaya çalışılacaktır. Bu bölgede 1976 yılında kurulan MARNET ağı veri toplayan ilk
deprem ağı olmuştur. 1993 yılında kurulan IZINET deprem ağı ise Doğu Marmara’nın depremselliğini ayrıntılı olarak
belirlemeye çalışmıştır. Bu çalışmada Marmara Bölgesinde farklı amaçlar için yapılmış tüm depremsellik çalışmaları,
anılan ağlara ait veriler ile artçı deprem etüdleri ile toplanmış tüm veri birleştirilerek hız yapısına temel teşkil edecek
veri tabanı oluşturulmuştur.
208
Kullanılan Veri
3-Boyutlu sismik tomografi çalışmasının uygun çözünürlükte yapılabilmesi deprem istasyonlarının sıklığı, toplanan
verilerin yeteri sayıda olması, çalışılan bölgede istayon-veri dağılımının düzenli olması ve faz okumalarının okuma
kalitesi önem kazanmaktadır. Marmara Bölgesi’nde kurulan ilk ağ çok seyrek istasyon dağılımına sahip olduğundan
dolayı gerek çözünürlüğün çok az olması, gerekse sayıca az olan depremlerin sismik tomografi amacıyla kullanılması
mümkün değildi. Bu çalışmada, bölgede yapılmış tüm depremsellik projeleri, MARNET, IZINET ve ISTNET deprem
ağları tarafından toplanan depremler ile farklı araştırmacılar ile birlikte topladığımız artçı deprem verileri ve TUBITAk
tarafından elde edilmiş verilerin bazıları bir araya getirilmiştir. Bu amaç için öncelikle deprem katalogları
oluşturulmuştur. Burada seçilen bir katalog diğer deprem katalogları ile karşılaştırılmış, ortak olan çözümler tek bir
kayıt olarak nitelendirilmiş farklı oluş zamanına ait depremler farklı depremler olarak kataloga eklenmiştir. Daha sonra
bu kataloğa göre farklı network veya çalışmalardan elde edilmiş aynı depreme ait fazlar birleştirilmiştir. Bu faz
okumaları tek bir kabuk-hız modeli kullanılarak HYPO71PC programı ile depremlerin lokasyonu yapılmıştır. Elde
edilmiş lokasyonlardan en kötü çözüme sahip veriler ayıklanarak, bu veri sismik tomografi için veri seçiminde
kullanılmak üzere uygun formata dönüştürülmüştür. Seçilen bölge için en uygun veri setini belirlemek
amacıyla10x10x0.5 km3 lük bloklardan en az bir ışın geçecek şekilde tüm veri işleme sokularak 120000 blok için 3949
adet deprem sismik tomografide kullanılmak üzere seçilmiştir. Bu depremler arasından en uzak 200 km ye sahip
depremlerin tüm P faz okumalarına sismik tomografi yöntemi uygulanmıştır.
Kullanılan Yöntem
Bu çalışmada bölgenin 3-boyutlu hız tomografisini elde etmek amacıyla Zhao ve diğerleri, 1992, tarafından geliştirilmiş
yöntem uygulanmıştır. Bu yöntem pseudo-bending yöntemi kullanan ışın izleme yöntemi ile LSQR algoritmasına
dayanan eşlenik gradyent çözümü kullanarak büyük miktarlardaki varış zamanlarının bilinmeyen paramaetrelerini ters
çözümle bulmaktadır. Daha sonra doğrusal olmayan bir problemi doğrusal ters çözüm tekniği kullanarak iterasyonlarla
çözmektedir. Her iterasyonda hız yapısı ve depremlerin kaynak parametreleri eş zamanlı olarak belirlenmektedir. Bu
yöntemlere ait ayrıntılar Aki and Lee (1976), Zhao(1991), Zhao et al. (1992), Zhao and Kanamori(1992) ve
Thurber(1993) te verilmektedir. Bu tomografik ters çözümde her tabakadaki hızın hem yanal hem de düşey olarak
değişimine olanak vermektedir. 3-Boyutlu hız yapısı belirlenmesi için bölgenin 3-boyutlu gridlenmesi yapılmıştır. Her
grid düğümünde yer alan hız ve odak parametreleri bilinmeyen parametreler olarak kabul edilmiştir. Herhangi bir
noktadaki hız bu noktayı çevreleyen 8 adet grid düğümünde bulunan hız değerlerinin doğrusal interpolasyonu ile
hesaplanmıştır. İstasyon dağılımı ve depremselliğin bölgelere göre uzaysal olarak farklı yoğunluk göstermesi
sebebiyle eşit aralıklı grid aralığı seçilmeyip, yatay ve düşey yönde değişken grid aralığı belirlenmiştir. Marmara
Bölgesi’nin doğusunda grid aralığı daha sık (yaklaşık 25 km), orta bölümde seyrek (yaklaşık olarak 55 km), batı
bölümünde ise çok seyrek (yaklaşık 110 km) olarak belirlenmiştir. Derinlik için kullanılan grid aralığı 0-20 km
derinliklerde 5 km, 20-40 km arasında ise 10 km olarak belirlenmiştir. Gerek grid aralığının uygunluğu, gerekse elde
edilecek tomografi sonuçlarının çözünürlüğünü belirlemekl amacıyla chekerboard resolution test ve restoring resolution
test adlı sentetik testler uygulanmış ve en uygun grid aralığı ile hız yapısının en iyi çözünürlüğe sahip olan grid alanları
belirlenmiş ve elde edilen iyi çözünürlüğe sahip bölgelerde hız yapısı değerlendirilmiştir.
Sonuç
Elde edilen 3-Boyutlu hız yapısı bölgenin karmaşık tektonik yapısına uygun olarak kuvvetli yanal ve düşey değişimler
göstermiştir. Bu bölge için yapılmış hemen hemen tüm depremsellik çalışmalardan elde edilen deprem listeleri ve
bunlara ait varış zamanları derlenerek bir veri tabani oluşturulmuştur. Marmara bölgesi için bu depremlerin yeniden
lokasyonu yapılmış ve bu veriden en uygun veri seti tomografi çalışması için giriş verisi olarak seçilmiştir. Seçilmiş
veri seti kullanılarak bölgedeki istasyon ve deprem dağılımına en uygun grid aralığı çeşitli sentetik testler yapılarak
belirlenmiş ve 5 iterasyonla sismik hız yapısı 3-boyutlu olarak belirlenmiştir. Tomografik ters çözüm sonucu bölge için
yeni bir hız-kabuk yapısı belirlenerek, depremler yeniden lokasyona tabi tutulmuştur. Bölgede başlangıç hız-kabuk
modeline göre düşük hız zonları ile yüksek hız zonları belirlenmiş ve bunların depremlerin dağılımı ile karşılaştırmaları
yapılmıştır. Bölge için 0, 5, 10, ve 15 km derinlikteki kesitler için hız yapıları iyi çözünürlükle belirlenmiş ve sonuçlar
ayrıntıları ile tartışılmıştır. Ayrıca bölgede daha önce yapılmış manyetotellürik, gravite, rezistivite ve manyetik profil
sonuçları ile tomografi sonucu elde edilen hız değerleri aynı profiller için interpolasyon yöntemiyle elde edilerek hız
yapısı diğer jeofizik ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen düşük hız zonları genellikle kabuğun en üst 5 km
lik kesiminde yer alan sedimanter tabakalar, ovalar veya alüvyon zonlarla büyük uyum göstermiştir. Aynı zamanda
sismik hız yapısından fay zonuna paralel ve dik doğrultularda profiller elde edilerek Kuzey Anadolu Fay Zonu’nun
derinlik-hız yapısı ile büyük depremler ve artçı şokların derinlik-hız yapısıyla olan ilişkisi belirlenmeye çalışılmıştır.
Mikrodepremlerin düşük veya yüksek hız zonlarındaki dağılımında belirgin bir düzen tespit edilememiştir. Diğer
209
yandan 17 Ağustos Kocaeli depremi ve bazı büyük artçı depremlerin çoğunun yüksek hıza sahip bölgeler ile yüksek
hız-düşük hız geçiş zonlarının arasında meydana geldiği belirlenmiştir. Bu sonuç Nakamura ve diğerleri 2002,
tarafından da elde edilen sonuçlarla uyum göstermektedir. Büyük depremlerin yüksek hız zonlarında veya buna çok
yakın bölgelerde olduğu, yamulma enerjisinin bu bölgelerde yoğunlaştığı ve kırılmanın bu noktalarda başladığı göz
önünde bulundurulursa Marmara Denizi içerisinde, Istanbul Boğazı’na yakın bölgelerde ve Iznik-Mekece fayı üzerinde
yaklaşık 5-15 km derinliklerde yüksek hız zonlarının varlığı dikkat çekmiştir. Ancak, bu sonuç eldeki verilerin
güncellenerek, S dalgası hız tomografisinin ve Vp/Vs değerlerinin dağılımı ile yinelenmesinde fayda vardır.
KAYNAKLAR
1. Aki, K. and W. H. K. Lee, Determination of three-dimensional velocity anomalies under a seismic array using first
P arrival times from local earthquakes, A homogeneous initial model, J. Geophys. Res., 81, 4381-4399, 1976.
2. Nakamura, A., A. Hasegawa, A. Ito, S. B. Ucer, S. Baris, Y. Honkura, T. Kono, S. Hori, R. Pektas, T. Komut, C.
Celik, and A. M. Isikara, P-wave velocity structure of the crust and its relationship to the occurrence of the 1999 Izmit,
Turkey earthquake and aftershocks, Bull. Seism. Soc. Am., 92, 330-338, 2002.
3. Thurber, C. H., Local earthquake tomography: velocities and Vp/Vs - theory, in Seismic Tomography: Theory and
Practice, 563-583. Edited by H. M. Iyer and K. Hirahara, Chapman & Hall, London, 1993.
4. Zhao, D., A tomographic study of seismic velocity structure in the Japan islans, Ph.D. Thesis, Tohoku Univ.,
Sendai, Japan, 301pp., 1991.
5. Zhao, D. and H. Kanamori, The 1992 Landers earthquake sequence: earthquake occurrence and structural
heterogeneities, Geophys. Res. Let., 20, 1083-1086, 1993.
6. Zhao, D., A. Hasegawa and S. Horiuchi, Tomographic imaging of P and S wave velocity structure beneath
northeastern Japan, J. Geophys. Res., 97, 19909-19928, 1992.
210