anadolu`da kontrollü sismik kaynak kullanarak kabuk yapısı

ANADOLU’DA KONTROLLÜ SİSMİK KAYNAK KULLANARAK KABUK YAPISI ARAŞTIRMALARI
Tolga BEKLER1, Cemil GÜRBÜZ1, Doğan KALAFAT2, Nafi TOKSÖZ3
[email protected]
Öz: Anadolu’da kabuk yapısının araştırılmasında, yerel ve bölgesel sismik ağların
kalibrasyonunda ve dalga yayınım özelliklerinin belirlenmesine yönelik kırılma çalışmaları
dört bölgede yapılmıştır. Marmara, Orta Anadolu, Doğu Anadolu ve Güneydoğu Anadolu
bölgelerinde gerçekleştirilen bu çalışmalarda kontrollü sismik kaynak olarak taş
ocaklarından ve kuyu içi dinamit atışlarından yararlanılmıştır. Doğu Marmara bölgesindeki
sismik kırılma çalışmalarından, Armutlu yarımadasının doğu kesimi için 5 – 6 km
derinliklerde yüksek hızlı bölgeye (5.6 – 5.8 km/s) ve İznik Gölü’nün kuzeybatı
uzanımında düşük hız (4.0-4.2 km/s) zonuna rastlanmıştır. Doğu Marmara bölgesi için Pn
dalga hızı ortalama 7.7- 7.9 km/s olup ortalama kabuk kalınlığı 32-35 km olarak
bulunmuştur. Keskin ( Orta Anadolu) çalışmasında 90 geçici istasyon kurulmuş ve bunlara
ilave olarak sabit deprem kayıt istasyonlarından faydalanılarak üç ayrı profilde sismik
kırılma verileri toplanmıştır. Orta Anadolu için ortalama kabuk kalınlığı 36 – 40 km, Pg
ve Pn dalga hızları ise 6.2 - 6.7km/s ve 7.9 - 8.0 km/s olarak hesaplanmıştır. Yanal
değişimler içeren kabuğun kuzeybatı Anadolu’da doğuya göre ince olduğu gözlenmiştir.
Ağrı’daki bir galeri patlatmasından yararlanılarak kabukdaki sismik hızlar sırasıyla 3.8, 6.4
ve 7.6 km/s ve kabuk kalınlığı 41 km elde edilmiştir. Arap-Anadolu lehvası gibi tektonik
açıdan oldukça karmaşık bir yapıyı KB-GD doğrultulu ve uzunluğu 220 km olan bir profil
ile kesilerek
sismik kırılma verileri toplanmıştır. Elde edilen verilerin
ilksel
değerlendirilmesinden ortalama kabuk hızı 6.15 km/s ve Pn dalga hızı 7.70 km/s ve 38-42
kabuk kalınlığı hesaplanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Kabuk Yapısı, Yapay Patlatma, Sismik Kırılma, Ters Çözüm
Giriş
Yer kabuğunun yapısının araştırılması çeşitli yöntemleri arasında ağırlıklı olarak patlatma sismolojisi ve deprem
sismolojisi yöntemleri kullanılmaktadır. Depremlerin oluş yerlerinin dağılımı ve oluş zamanı ile lokasyonlarının tam
doğrulukla bilinememesi nedeniyle patlatma sismolojisi en çok kullanılan yöntemdir. Bu nedenle özellikle yerel sismik
kırılma çalışmalarından elde edilen sismik hız modellerinden büyük ölçüde yaralanılmaktadır. Sismik kırılma ve geniş
açılı sismik yansıma çalışmaları ile yer kabuğunun yapısı ayrıntılı olarak araştırılabilmektedir. Bu çalışmalar kaynağın
türü, gücü ve çalışma alanına göre üst kabuk ve alt kabuğu kapsamaktadır. Bu çalışmada da elde edilen veriler düz ve
ters çözüm yöntemleriyle değerlendirilmiş ve iki boyutlu yeraltı kabuk modeli çıkarılmıştır.
Türkiyede kabuk yapısına yönelik aktif kaynak kullanılarak çalışmalar Marmara bölgesinde başlamıştır (Gürbüz ve diğ.,
1980). İzleyen yıllarda deprem kayıtları , yapay patlatmalar ve taş ocakları kullanılarak çeşitli çalışmalar vardır (
Kalafat ve diğ., 1987; Bekler ve diğ., 1997; Bekler, 2002). Bu çalışmalar sonucunda ağırlıklı olarak üst kabuk hakkında
bilgi alınabilmiştir. Nakamura ve diğ. (2002) Kocaeli ve çevresi için sadece bölgede meydana gelen depremlere ait P
ve S dalgalarının varış zamanlarından sismik görüntüleme ile hız yapısını çıkarmışlardır. Bu çalışmada 5 km
derinliklerde yüksek ve düşük hızlı anomaliler modellemişlerdir. Karahan ve diğ. (2001) Türk-Alman ortak projesi
kapsamında, Adapazarı yöresinde birbirini hemen hemen dik kesen 110 km uzunluklu iki sismik profil atmışlar ve
çalışmadan orta kabuğun 25 km derinliklere kadar uzandığı ve hızın 6.5 km/s sonucu verilmiş, ancak Moho’ya olan
derinlik, profil uzunluğunun ve sismik sinyalin yetersizliği nedeniyle modellenememiştir.
Orta doğu ve doğu Akdeniz bölgesinin tektoniği ve kabuk yapısı oldukça karmaşıktır. Bu bölgenin tektoniği Hindistan,
Arap plakası, Afrika, Anadolu ve Avrasya plakaları tarafından kontrol edilmektedir (McKenzie, 1972; Sengor and
Yilmaz, 1981; Kasapoglu and Toksöz, 1983; Jackson and McKenzie, 1984; Reilinger et al., 1997). Bölgede Bitlis
Bindirme zonu, Anadolu levhasının sınırlarını oluşturan Kuzey Anadolu ve Doğu Anadolu fay zonları yer almaktadır.
1
2
3
B.Ü. Kandilli Rasathanesi ve DAE, Jeofizik Anabilim Dalı, Istanbul
B.Ü. Kandilli Rasathanesi ve DAE,Ulusal Deprem İzleme Merkezi, Istanbul
MIT Earth Research Lab. Boston-ABD
239
5° x 5° uzaysal örneklenmeli (Mooney et al., 1998) bölgesel kabuk kalınlığı haritası Orta Doğu ve Anadolu’daki
değişken yerel kabuk kalınlığını temsil etmede yetersizdir. Kabuk kalınlığı yanında depremlerin lokasyonunda sismik
hızlarda önemli bir rol oynar. Bölge bazında Pn hızlarında hızlı ve önemli bir değişim söz konusudur (Hearn and Ni,
1994). Sandvol ve diğ.(1998) alıcı fonksiyonların ters çözümünden orta Anadolu’da Kabuk kalınlığını 37 km
bulmuşlardır. Zor ve diğ. (2003) alıcı fonksiyonu analizinden doğu Anadolu platosu altında ortalama kabuk kalınlığını
46 km ve ortalama kabuksal S dalgası hızını 3.7 km/s vermişlerdir. Gürbüz ve diğ. (2004) Ağrı’da bir galeri
patlatmasından elde edilen kayıtlardan 41 km kabuk kalınlığı ve 7.6 km/s Pn hızını hesaplamışlardır.
Yöntem
İki ve üç boyutlu modellemenin temeli, esas parametre olan sismik P dalga hızlarının çalışma bölgesi altında kabuktaki
dağılımını modellemektir. İki boyutlu modelleme aşamasında, kayıt istasyonuna ilk gelen P dalgası varışları
kullanılarak düz ve ters modelleme yapılmaktadır. Düz modelleme de, tabakalı ortama ait hız ve derinlik bilgisi
gözlemsel (observed) ve kuramsal (theoretical) P dalgası seyahat süreleri arasındaki farkın minimum olması için gerekli
olan hız-derinlik modelinin oluşturulması esasına dayanır. Bu aşamada iki noktalı sismik ışın izleme (2-D ray tracing)
ilk kaba modeli bulunmasında başlangıç değerler olarak düz çözümü oluşturan bir yaklaşımdır (Iwasaki, 1988). Sismik
P dalgası seyahat süresi ters çözümünde (travel time inversion) başlangıç olarak yatay tabakalı ortam belli derinlik ve
hız bilgilerini içerdiği hücrelere (node) bölünür ve her iki yada tek bir parametre (hız veya derinlik) çözüm boyunca
değiştirilir (layer-velocity adjustment) ve terslenir. Ters çözümde Zelt ve Smith (1992) tarafından geliştirilen
RAYINVR adlı özel bir kod sonuçta hız ve derinlik modelinin çıkarılmasında araç yazılım olarak kullanılacaktır. Bu
tekniğin esası, tanımlı hücrelerin düşey pozisyonları ve modelin P hızları ile ilgili olarak seyahat sürelerinin kısmi
türevlerinin analitik hesabı üzerine kuruludur. Bu kısmi türevler ışının izleme süresince hesaplanır. Hem sismik hızların
hem de arayüzeyleri tanımlayan hücrelerin aynı anda yada bağımsız olarak yenilenmesi ile model parametrelerini
tanımlamak için sönümlü en küçük kareler ters çözümü yapılır (damped least squares inversion). Eldeki mevcut
verilerin ilk P dalgası varışları bu yöntem ile değerlendirilmiştir.
Veri Seti
Genel olarak bakıldığında oluşturulan veri setleri, Marmara, Orta Anadolu, Doğu ve Güneydoğu Anadolu bölgelerini
kapsar (Şekil-1). Marmara bölgesinde; Hereke’deki taş ocakları kullanılarak Adapazarı yönelimli 50 km lik bir hat,
Gebze-Kestel (Bursa) arasında gerek dinamit ve gerekse taş ocağı kullanılarak 70 km’lik terslemeli bir hat; ve son
olarak kuzey-güney uzanımlı ve Kuzey Anadolu Fay Zonu’nun iki uzantısını doğu Marmara’da kesen 180 km’lik bir
sismik kırılma çalışması yapılmıştır. Orta Anadolu’daki çalışmada ise Keskin (Kırıkkale) merkezli kuzey, güneydoğu
ve güney batı uzanımlı üç profil atılmıştır. 1999-2001 yılları arasında Doğu Anadolu’da kurulan 29 sismik istasyondan
oluşan çalışma sırasında 12 tonluk bir patlatma brodband istasyonlar tarafından kayıt edilmiştir. Bu çalışmadan
kabuğun tabanından kırılarak gelen Pn dalgaları okunabilmiştir. Son olarak da Güneydoğu Anadolu’da Gaziantep’in 35
km güneydoğusunda 1 ton dinamit patlatılmış ve kaynakdan 220 km uzaklığa kadar olan sismik izlerde Pg ve Pn fazları
da izlenebilmiştir. Verilerin elde edilmesinde farklı özellikli sabit ve taşınabilir sismik kayıtçılar ve doğal frekansı 1 – 2
Hz olan düşey ve farklı frekans aralıklı geniş-bandlı sismometreler kullanılmıştır. Çalışmalarda kullanılan kaynak ile
ilgili bilgiler Tablo-1’ de verilmektedir.
Yer
Zaman
Orta Anadolu
23 Kasım 2002
Doğu
Anadolu
5 Haziran 2001
Gaziantep
12 April 2004
Doğu
Marmara
19-20 Kasım
2000
Koordinat
39.7242 K
33.6355 E
39.8032 K
43.1673 D
36.8002 K
37.7308 D
40.7685 D
29.4587 E
23 Haziran
40.1723 N
1998
29.2313 E
20 Haziran
40.7977 N
Hereke
2000
29.6261 E
Tablo 1. Sismik çalışmalarla ilgili olarak kaynak bilgileri
Gebze-Kestel
240
Oluş
Zamanı
Sismik Kaynak
21:10:04:80
Dinamit, 1.220 T
14:10:58:80
Amonyum Nitrat,
12 T
20:51:15.97
Dinamit, 1 T
23:30:30:43
Dinamit, 0.3 T
12:48:25.55
Dinamit ve AN 6 T
09:41:59.65
Taş Ocağı, AN 1-2
T
KARA DENİZ
EGE DENİZİ
Marmara Denizi
Hereke
Gebze-Kestel
Doğu Marmara
Orta Anadolu
Gazi Antep
Doğu Anadolu
AK DENİZ
Şekil 1. Anadolu’da kontrollü kaynak kullanılarak yapılan sismik kırılma çalışmalarının yerleri. Sismik kaynak
yerleri yildiz ile, çalışmalarda konuşlandırılan istasyonlar farklı sembollerle gösterilmiştir.
Sonuçlar
Doğu Marmara, Orta ve Doğu Anadolu ile Güneydoğu Anadolu’ daki sismik kırılma çalışmaları bu bölgelerin altındaki
kabuk yapısı ve sismik hızlar için önemli bilgiler sağlamıştır. Özellikle sismik hızların büyük oranda yanal değişimleri
Anadolu’daki aktif tektonizmaya bağlı faylanmalardan kaynaklanmış olabilir. Doğu Marmara bölgesi için de Pn dalga
hızı ortalama 7.7- 7.9 km/s olup, ortalama kabuk kabuk kalınlığı 32-35 km olarak bulunmuştur. Orta Anadolu için
ortalama kabuk kalınlığı 36 – 40 km, Pg ve Pn dalga hızları 6.2 - 6.7km/s ve 7.9 - 8.0 km/s olarak hesaplanmıştır.
Ağrı’daki çalışmadan sismik hızlar sırasıyla 3.8, 6.4 ve 7.6 km/s ve 41 km kabuk kalınlığı elde edilmiştir. Arap Anadolu lehvası gibi tektonik açıdan oldukça karmaşık bir yapıyı 220 km KB-GD açılımlı kesen Guneydoğu sismik
kırılma çalışmasının ilksel değerlendirilmesinden ortalama kabuk hızı 6.15 km/s, Pn dalga hızı 7.70 km/s ve 38-42
kabuk kalınlığı hesaplanmıştır.
Teşekkür
Veri toplama ve arazi çalışmalarında gösterdikleri çabalardan, B.Ü, KRDAE Jeofizik ABD ve UDİM
çalışanlarına, desteklerinden dolayı, Tübitak YDABAG, TPAO ve Deprem Araştırma Dairesine, MIT ve LLNL
ekibine teşekkür ederiz.
KAYNAKLAR
1. BEKLER, T., H. S. KULELI, C. GURBUZ, E. ZOR, G. HORASAN, 1997. Some Evidence of Crustal Structure in
Western Turkey by the Reflectivity Method (S3A-3), AGU Spring Meeting Supplement (EOS), Abstracts, Vol. 78, No.
17, April 29, Baltimore.
2. BEKLER, T., 2002. Crustal Structure of Eastern Marmara Region using seismic Refraction Experiments and
Earthquake Data, Ph.D. Thesis, Bogazici University, KOERI, Department of Geophysics.
3. JACKSON, J. AND D.P. MCKENZIE, 1984. Active tectonics of the Alpine-Himalayan Belt between western
Turkey and Pakistan, Geophys. J. R. Astron. Soc., 77, 185–246.
4. GÜRBÜZ , C., S.B.ÜÇER VE H.ÖZDEMIR ,1980. Adapazarı yöresinde yapılan yapay patlatma ile ilgili ön
değerlendirme sonuçları. Deprem Araştırma Enstitüsü Bül., No:31,s73 - 88.
241
5. GURBUZ, C., TURKELLI, N., BEKLER, T., GOK, R., SANDVOL E., SEBER, D., BARAZANGI, M., 2004.
Seismic event location calibration and attenuation using the Eastern turkey broadband seismic network: Analysis of
Agri dam explosion, BSSA, Vol.94, No.3, pp.1166-1171
6. HEARN, T.M. AND J.F. NI, 1994. Pn velocities beneath continental collision zones: the Turkish-Iranian plateau,
Geophys. J. Int., 117, 273–283.
7. IWASAKI, T. (1988). Ray Tracing Program for study of velocity structure by ocean bottom seismographic
profiling, Zisin, (Japonca), Vol. 41, pp. 263 – 266.
8. KALAFAT, D., GÜRBÜZ, C., ÜÇER, S.B., 1987. Batı Türkiye' de Kabuk ve Üst Manto Yapısının Araştırılması,
Deprem Araştırma Bülteni, Sayı 59, 43-64.
9. KARAHAN, A.E., BERCKHEMER, H ve BAIER, B.,2001. Crustal structure at the western end of the North
Anatolian Fault Zone from deep seismic sounding, Annali Di Geopfisica, 44, 1, 49-68.
10. KASAPOGLU, K.E. AND M.N. TOKSÖZ, 1983. Tectonic consequences of the collision of the Arabian and
Eurasian plates: finite element models, Tectonophysics, 100, 71–95.
11. MCKENZIE, D.P., 1972. Active tectonics of the Mediterranean region, Geophys. J. Roy. Astr. Soc., 30, 109–185.
12. MOONEY, W.E., G. LASKE, AND G. MASTERS, 1998. CRUST 5.1: A global crustal model at 5° x 5°, J.
Geophys. Res., 103, 727–747, 1998.
13. NAKAMURA, A., HASEGAWA, A., ITO, A., UCER, B., BARIŞ. S., HONKURA, Y., KANO, T.,HORİ, S.,
PEKTAŞ, R., KOMUT, T., ÇELİK, C., and IŞIKARA, A.,2002. P-wave velocity structure of the crust and its
relationship to the Occurrence of the 1999 Izmit, Turkey, Earthquake and Aftershocks, Bulletin of Seismological
Society of America, 92, 1, 330-338.
14. REILINGER, R.E., S.C. MCCLUSKEY, M.B. ORAL, R.W. KING, M.N. TOKSÖZ, A.A. BARKA, I. KINIK, O.
LENK, AND I. SANLI, 1997. Global Positioning System measurements of present-day crustal movements in the
Arabia-Africa-Eurasia plate collision zone, J. Geophys. Res., 102, 9983–9999.
15. SANDVOL, E., K. AL-DAMEGH, A. CALVERT, D. SEBER, M. BARAZANGI, R. MOHAMAD, R. GOK, N.
TURKELLI, ve C. GURBUZ, 2001. Tomographic imaging of Lg and Sn propagation in the Middle East, Pure Appl
Geophys., 158, 1121-1163.
16. ŞENGÖR, A.M.C. ve Y.YILMAZ, 1981. Tethyan evolution of Turkey:a plate tectonic approach, Tectonophysics,
75, 181–241.
17. ZOR, E., SANDVOL, E., GÜRBÜZ, C., TÜRKELLİ, N., SEBER, D., 2003. the Crustal structure of the East
Anatolian plateau (Turkey) from receiver functions, GRL, Vol.30, No.24, 8044.
18. ZELT, C. A. ve SMITH, R. B. (1992). Seismic traveltime inversion for 2-D crustal velocity structure, Geophys. J. Int.,
108, 16-34.
242