Girit-Kıbrıs yayları ve Ölü Deniz fay zonu çevresinde oluşan depremlerin kaynak mekanizması parametreleri, kayma dağılımları ve tarihsel tsunami simülasyonları
Source mechanism parameters and slip distributions of the Crete-Cyprus arcs, Dead Sea transform fault earthquakes and historical tsunami simulations
Yazar: SEDA YOLSAL
Danışman: PROF. DR. TUNCAY TAYMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering
Dizin: Anadolu = Anatolia ; Deprem katalogları = Earthquake catalogs ; Deprem kaynağı = Earthquake source ; Deprem parametreleri = Earthquake parameters ; Sismik dalgalar = Seismic waves ; Sismogram = Seismogram ; Sismoloji = Seismology ; Sismotektonik = Seismotectonics ; Tsunami = Tsunami

Özet:
Tektonik açıdan oldukça aktif bölgelerden biri olan Doğu Akdeniz Bölgesi, dalma batma zonları, çarpışma ve açılma rejimlerinin dinamik yapısının araştırılıp öğrenilmesi için önemli olanaklar sunmaktadır. Bölgenin aktif tektoniği ve deformasyonu, Afrika, Arabistan ve Avrasya levhaları arasındaki çarpışmanın bir sonucudur. Afrika levhasının kuzeye doğru hareketi ile Avrasya levhasının altında dalma batmaya uğramasıyla oluşan Hellenik ve Kıbrıs Yayları bölgedeki ana tektonik sınırları oluşturmaktadır. Karmaşık deformasyon yapılarından dolayı, bölge geçmişten günümüze kadar şiddetli ve yoğun deprem aktivitesine maruz kalmaktadır. Tarihsel dönem boyunca, Akdeniz kıyılarını etkileyen ve oldukça fazla hasara ve yıkıma neden olan depremler ve bunlarla ilişkili tsunamilerden bir çoğu detaylı kaydedilmiş ve araştırılmıştır. Ana fay zonları boyunca kaynaktaki kırılma işlemlerini ve potansiyel deprem kaynaklarının yapısı ve gelişimlerini belirlemek tsunami modellemelerine önemli katkılar sağlamaktadır. Doğu Akdeniz Bölgesi için rapor edilen kuvvetli tsunami depremleri, bölgedeki tsunami yaratan depremlerin oluşma sıklığının yaklaşık 150-200 yıl olduğunu göstermektedir. Sürecin hayli uzun olması tsunami riskinin unutulmasına neden olmaktadır. Bu nedenle, güvenilir tsunami deprem kataloglarının sınıflandırılması bölgenin tsunami risk analizinin yapılmasında, erken uyarı sistemlerinin geliştirilmesinde ve matematiksel simülasyonlar ile depremlerin incelenmesi aşamalarında oldukça önemlidir.Bu tez çalışmasının yapılmasındaki esas amaç Doğu Akdeniz Bölgesi'nin güncel deformasyonunu ve aktif tektonik yapısının, kaynak mekanizması çözümleri, fay düzlemi üzerinde gerçekleşen kayma dağılımları ve yırtılma süreçleri modelleri ve tsunami yaratan tarihsel depremlerin dalga simülasyonlarını içeren teorik ve gözlemsel araştırmalar ile daha iyi bir şekilde yorumlanabilmesini sağlamaktır. Ayrıca jeoloji, jeodezi (GPS ve InSAR), paleosismoloji ve jeofizik (gravite, manyetik, sismik kırılma ve yansıma vb.) araştırmalar ile ortaya atılan değişik tektonik modeller bölgenin aktif tektoniğinin yorumlanması sırasında kullanılmıştır. Bu amaçla, Doğu Akdeniz Bölgesinde oluşan 53 adet (Mw ³ 5.0) depreme ait kaynak mekanizması çözümleri saptanmış ve daha sonra bu depremlerden 35 tanesinin kayma dağılımı modelleri belirlenmiştir. Ayrıca 7 adet tarihsel depreme ait tsunami dalga simülasyonları yapılarak dalgaların deniz içerisinde yayılımları, batimetriden kaynaklanan etkiler ve kıyılarda gözlenen yapay su seviyesi değişimleri belirlenmiştir. Çalışmanın birinci aşamasında, deprem episantırına 30-90° uzaklıklarda yer alan telesismik GDSN istasyonlarında kaydedilen uzun periyotlu P ve SH ve geniş-bantlı P dalgaları kullanılarak fayın doğrultu, dalım ve kayma açıları, depremin odak derinliği, kaynak zaman fonksiyonu ve sismik momenti belirlenmiştir. Ters çözüm işleminde nokta kaynak yaklaşımı kullanılarak doğrudan gelen (P ve S) ve yansıma fazlarından oluşan (pP, sP veya sS) yapay P ve SH dalgaları, genlik ve şekil bakımından gözlemsel veriler ile karşılaştırılmış ve minimum hatayı veren kaynak parametreleri saptanmıştır. Telesismik istasyonlar odak küresi üzerindeki azimutal dağılımlarına göre ağırlıklandırılmıştır. En küçük hatalı kaynak mekanizması çözümleri, yakın alan istasyonlarda kaydedilen P dalgası ilk hareket yönleri kullanılarak kontrol edilmişlerdir. İkinci aşamada, modellenebilmesi için yeterli büyüklükte olan depremlerin fay düzlemi üzerinde gerçekleştirdikleri kayma dağılımları ve yırtılmanın zaman içerisindeki davranışı çoğunlukla geniş-bantlı telesismik P kayıtları kullanılarak yapılmıştır. Sadece Gökova depremleri için yakın alan ivme kayıtları telesismik verilerle birlikte ters çözümde kullanılabilmiştir. Öncelikle fay düzlemi olarak seçilen düzlem M´N sayıda alt-düzleme bölünmüş ve her bir parça için L sayıda üçgenden oluşan kaynak zaman fonksiyonu tanımlanmıştır. Başlangıç modeli olarak, tezin birinci aşamasında belirlenen kaynak mekanizması parametreleri (doğrultu dalım ve kayma açıları, deprem odak derinliği) kullanılmıştır. Çok sayıda ters çözüm yapılarak, fay düzlemi üzerindeki kayma dağılımı, kırılmanın zaman içerisindeki davranışı, kırılan alanın boyutları (fay uzunluğu ve genişliği), moment oran fonksiyonu, maksimum ve ortalama yerdeğiştirme miktarları ve gerilme düşümü gibi dinamik deprem parametrelerine ulaşılmıştır. Bu parametreler kullanılarak depremlerin sismik momentleri ve faylanmanın boyutları arasındaki ilişki özellikleri belirlenmiştir.Tsunami dalgalarının deniz içerisindeki yayılımları ve kıyılarda olan etkileri en doğru olarak yüksek çözünürlüklü batimetri verilerinin ve uygun matematiksel modellerin kullanılması ile elde edilmektedir. Tsunami dalga simülasyonlarında matematiksel modellerin geliştirilebilmesi için önemli parametreler, fay geometrisi (odak derinliği, doğrultu, dalım ve kayma açıları), odakta ve yüzeyde meydana gelen yerdeğiştirme miktarı, faylanan alanın boyutları (fay uzunluğu ve genişliği), sismik moment (enerji), lokasyon (kıyının episantıra uzaklığı), kıyı geometrisidir (su derinliği ve kıyı eğimi). Bu çalışmada doğrusal olmayan sığ su teorisine dayalı matematiksel modeller ile Doğu Akdeniz Bölgesinde tsunami dalgalarına neden olduğu rapor edilen 7 adet tarihsel depremin tsunami dalga simülasyonu yapılmıştır. Bu depremler 365, 08 Ağustos 1303 ve 21 Temmuz 1494 Girit, 1481 ve 1948 Rodos? Oniki Adalar, 1222 Kıbrıs ve 1822 Suriye depremleridir. Simülasyonlar sonucunda Doğu Akdeniz Bölgesinde deprem kaynaklı tsunami dalgalarının deniz içerisindeki yayılımlarının zamana bağlı değişimleri belirlenmiştir. Tarihsel depremlere ait kaynak parametreleri, mevcut arazi gözlemleri, levha sınırlarında gelişen tektonk yapılar ve telesismik P ve SH dalgalarının ters çözüm ile modellenmesi sonucunda belirlenen güncel kaynak mekanizması parametrelerinin kullanılmasıyla geliştirilmiştir.Tez kapsamında saptanan kaynak mekanizması ve kayma dağılımı sonuçlarına göre Girit-Hellenik Yayı ve Kıbrıs Yayı bölgelerinin aktif tektoniği üzerine yapılan yorumlar şu şekilde özetlenebilir: [1] Bölgede normal ve doğrultu atımlı faylanma mekanizması ile meydana gelen depremler, Ege Denizi ve çevresindeki tektonik rejimi yansıtack şekilde sığ kabuk yapısı içerisindeki açılma tektoniğinin sonucu gelişmektedir, [2] Hellenik Yayı'nın dış kesiminde gözlenen ters faylanma mekanizmaları Ege ve Doğu Akdeniz litosferlerinin arasındaki yaklaşma hareketi ile ilişkilidirler, [3] Kıbrıs Yayı boyunca meydana gelen depremler, bölgenin karmaşık yapısını gösteren süregelen deformasyon nedeniyle doğrultu atımlı, ters ve normal faylanmaları bir arada sergilemektedir, [4] Kıbrıs Yayı'nın güney batısındaki depremlerin kaynak mekanizması çözümlerinin çoğu ters faylanma bileşenine sahip sağ-yanal doğrultu atımlı faylanma mekanizması ile oluşmaktadır. Beklenildiği üzere, Kıbrıs Yayı boyunca oluşan ters faylanmalar ise yay boyunca olan yaklaşma hareketinin ve yayın tipik geometrisinin bir göstergesidir ve [5] Mevcut gözlemsel veriler ve yorumlanan bulgular Akdeniz kıyılarında potansiyel tsunami riskine sahip genç ve eğimli tektonik yapıların bulunduğunu ortaya koymaktadır.Rodos ? Oniki Adalar Bölgesi ve Gökova Körfezi'nin aktif tektoniği hakkında elde edilen sonuçlar şu şekilde özetlenebilir: [1] Rodos adasının batısında Karpathos adası yakınlarında oluşan depremler, sığ odaklı ve açılma tektoniğini gösteren normal faylanma mekanizmaları ile meydana gelmektedirler, [2] Ancak doğuda Ptolemeus, Pliny ve Strabo hendeklerini kapsayan bölgede ise daha derin odaklı ve sol yanal doğrultu atımlı faylanma mekanizması sonucu oluşan depremler bulunmaktadır, [3] Kaynak mekanizması çözümlerinden elde edilen T (açılma) eksenleri doğrultuları, bölgedeki açılma hareketinin D-B ve KB-GD yönlü olduğunu göstermektedir, [4] Gökova Körfezi depremlerine ait deprem kaynak parametreleri ise bölgenin genel tektoniği ve jeolojisiyle uyumlu olarak D-B doğrultulu normal faylanma mekanizmalarını işaret etmektedir. Çözümlerde küçük miktarlarda doğrultu atımlı faylanma bileşenleri de mevcuttur, [5] Fay düzlemi üzerinde meydana gelen kayma dağılımlarından, körfezdeki depremlerin genel olarak kısa süren, basit ve dairesel kırılmalar ile meydana geldikleri ve gerilme düşümü değerlerinin 5-10 bar arasında değiştiği belirlenmiştir ve [6] Ayrıca, Doğu Hellenik yayı üzerinde meydana gelen ve tsunamiye neden olduğu rapor edilen tarihsel depremlerin (1303 ve 1481) tsunami dalga simülasyon sonuçları, bu bölgedeki büyük, sığ odaklı ve dalım atımlı depremlerin Girit, Rodos adaları, GB Türkiye, Kıbrıs-Levant Havzası ve Nil Deltası kıyılarında oldukça etkili olduğunu göstermiştir.Ölü Deniz Fay Zonu bölgesinin güncel aktif tektonik yapısı hakkında elde edilen bulgular ise şu şekilde özetlenebilir: [1] Kaynak mekanizması çözümleri bölgenin genel tektonik yapısı ve jeolojisi ile uyumlu bir şekilde, depremlerin sol yanal doğrultu atımlı faylanma mekanizmaları ile meydana geldiğini göstermektedir ve [2] Ölü Deniz Transform Fayı'nın güney kesimi (Akaba Körfezi vb.) içerisinde oluşan depremlerden bazıları sığ odak derinlikli ve normal faylanma mekanizması ile meydana gelmiştir. Bu da Akaba Körfezi'nin kuzeydeki sol yönlü doğrultu atımlı faylanma mekanizması ile güneydeki Kızıldeniz açılma rejimi arasında kalan geçiş bölgesi olduğunu ortaya koymaktadır.Geçmişte oluşan yıkıcı tsunami depremleri ve yapılan tsunami dalgası simülasyon çalışmaları sonuçları göz önünde bulundurularak Doğu Akdeniz kıyılarının tsunami açısından büyük risk taşıdığını söylemek mümkündür. Ede edilen sonuçlardan kıyı batimetri ve topoğrafyasının ve deniz tabanı karmaşıklığı (deniz dağları ve volkanlar vb.) gibi parametrelerin dalganın deniz içerisinde ilerlemesini oldukça önemli miktarlarda etkileyerek dalgaların kırılma, saçılma, yansıma ve kıyı büyütmelerine uğramasına neden olduğu açıkça görülmektedir. Bu nedenle, gelecekte özellikle kıtasal şelf alanlarının ve deniz içi dağların oldukça detaylı olarak gösterildiği yüksek çözünürlüklü batimetri haritalarının hazırlanmasının Doğu Akdeniz kıyıları için tsunami risk analizlerinin yapılmasında çok gerekli olduğunu önermekteyiz.

Abstract:
The Eastern Mediterranean region which is one of the most tectonically active area offers an excellent opportunity to study the dynamic processes of subduction zones, collisional and extensional processes. The kinematics of the deformation and active tectonics of the region result from the interaction between the African, Arabian and Eurasian Plates. Cyprus and Hellenic arcs that are formed by the northward subduction of the African Plate under the Eurasian Plate are major tectonic boundaries of the Eastern Mediterranean Region. Due to the complex deformational processes, this region is characterized by intense seismic activity with strong earthquakes in historical and recent times. Throughout the recorded history, earthquakes and also related tsunamis have been the most damaging natural disasters affecting the Eastern Mediterranean coasts and many of them are rather well documented and studied. The understanding the geometry and evolution of potential source (seismogenic) regions and the source rupture processes along the main fault zones have crucial implications on the tsunami generation. Identified strong tsunami events in Eastern Mediterranean reflect an apparent recurrence interval to be about 150-200 years, and due to large tsunami recurrence, the memory of tsunamis is short lived. Thus, the compilation of reliable tsunami databases is of great importance for evaluating the tsunami risk assessments, early warning operations and numerical simulations for the region of interest.The aim of this thesis is to get a better understanding of the recent deformation and dynamics of the Eastern Mediterranean region through theoretical and observational studies including the source mechanism solutions, slip distributions and rupture propogations on the fault planes and historical tsunami wave simulations. Furthermore various tectonic models as indicated by geology, geodesy (GPS, InSAR etc.), paleoseismology, geophysics (gravity, magnetic, seismic refraction and reflection etc) are used to conclude the overall tectonism of the region. For this purpose, I have obtained the source mechanism parameters of 53 earthquakes (Mw³ 5.0) and slip distribution modelling of 35 earthquakes to clarify our understanding of the tectonic process and structural features in the Eastern Mediterranean region. Furthermore, I have simulated 7 historical tsunami earthquakes to obtain the tsunami wave propagations and wave heights along the Eastern Mediterranean coasts. At the first step, teleseismic long-period P and SH, broad-band P-waveforms recorded by GDSN stations in the distance range of 30-90° have been used to obtain the strike, dip and rake angles of the fault plane, seismic moment and source time functions of recent earthquakes. I compared the shapes and amplitudes of these P and SH waveforms, for which signal amplitudes were large enough, with synthetic waveforms generated by combining direct (P, S) and reflected (pP and sP or sS) phases from a point source embedded in a given velocity structure. In the inversion teleseismic seismograms were weighted according to the azimuthal distribution of stations. The solutions were also constrained by P-wave first motion polarities of near-field stations. Second, I have determined the slip distributions and rupture histories of these earthquakes using high frequency broad-band teleseismic P waveforms to provide a detailed image of the slip history during the rupture process. However, near field strong motion data are used in the inversion for only Gökova earthquakes with the teleseismic broad-band data. Before the inversion, the fault plane were divided into M´N subfaults and source time function for each sub-faults is described by L triangles. Initial model of the slip distribution is formed by using the earthquake source mechanism parameters (strike, dip and rake angles and focal depth) determined by waveform modelling in this thesis. After the several inversions, total fault area, rupture propagation in time, slip distribution directions for each sub-fault, moment rate function, maxmimum and average displacement on the fault plane and stress drop values were determined for Eastern Mediterranean earthquakes. By using the earthquake source rupture parameters, we have also obtained the self-similarity properties between the seismic moment and fault dimensions.Tsunami propagation can be also accurately evaluated by using the high resolution bathymetry data and convenient mathematical models . Futhermore, the other important parameters of numerical models for tsunami simulations are faulting geometry (source depth, strike, dip, rake angles), amount of slip on the centroid and the fault surface, fault area, seismic moment (energy), location (distance from shore and centroid depth) and beach geometry (water depth and beach slope). I have simulated tsunami wave propagations of 7 historical tsunami earthquakes in the Eastern Mediterranean region using the non-linear shallow water mathematical models. They are 365, 1303 and 1494 Crete, 1481, 1948 Rhodes-Dodecanese, 1222 Cyprus and 1822 Syria earthquakes. Tsunami wave simulations present the time histories of water surface fluctuations and water particle velocities generated by these earthquakes. The related parameters for historical earthquakes studied are adapted by an analogy of current plate boundaries, reported field observations and earthquake source mechanisms obtained by inversion of teleseismic P- and SH- waveforms.The characteristics of active tectonics of Crete-Hellenic Arc and Cyprus Arc regions can be summarized as: [1] Normal and strike slip faults that are due to the known expansion of the Aegean Sea are observed in the inner part of the shallow crustal layer, [2] Thrust faults dominate in the outer part of Hellenic trench due to the convergence between the Aegean and the Eastern Mediterranean lithospheres, [3] Earthquake source mechanisms along the Cyprus Arc exhibit the characteristics and structural complexities associated with strike-slip, thrust and normal faulting as a result of ongoing deformation, [4] At the southwestern part of Cyprus, most of the mechanisms show right-lateral strike-slip faulting with thrust component. As expected, thrust mechanisms along the Cyprus arc mirror its convergent nature and typical curved geometry too, and [5] Existing observations and interpreted results indicate that there are younger tectonic-slope failure features within the lower part of the continental slope that are prone location to tsunami risk along the neighbouring shore-lines of Mediterranean Sea.The characteristics of active tectonics of the Rhodes ? Dodecanese and Gulf of Gökova regions can be summarized as: [1] Earthquake source parameters indicate shallow seismic activity and normal faulting in the region between the Rhodes and Karpathos islands, [2] However, towards the east, it is seen that dominant source mechanisms are sinistral strike slip faulting with deeper focal depths, [3] Also, T (tension) axes directions obtained from earthquake source mechanisms indicate E-W and NW-SE extension direction in the region, [4] Earthquake slip distributions indicate generally simple rupture with a short duration on the fault plane for Rhodes earthquakes, [5] Obtained source mechanism parametres indicate E-W oriented normal fault mechanisms with a strike-slip component in the Gulf of Gökova and they are in a good agreement with the regional geology and tectonic structure of the region studied, and [6] On the other hand, numerical tsunami simulations present that the damaging historical tsunamis (e.g: 1303 and 1481 as such) in the eastern Hellenic arc are able to threaten the coastal plains of the Turkey, Cyprus-Levantine, and Nile Delta regions as confirmed by our simulations, and thus special care should be considered in the evaluation of the tsunami risk assessment of the region. Overall results exhibit that the coastal topography, sea bottom irregularities (sea mounts, volcanoes etc.) and near-shore bathymetry are crucial components in tsunami wave simulations in order to affect the wave propagation, reflection, refraction, diffraction effects and coastal amplifications.The characteristics of active tectonics of the Dead Sea Transform Fault Zone region can be summarized as: [1] Earthquake source mechanism solutions indicate left-lateral strike slip faulting with normal component that is in a good agreement with the tectonic structure and geology of the region, and [2] At southern part of the transform (i.e. Gulf of Aqaba) some moderate earthquakes show normal faulting with strike slip component. It indicates that the Aqaba Gulf is a transition zone between the left-lateral strike slip faulting and Red Sea spreading center.Assuming the probability of occurrence of destructive tsunamigenic earthquakes, tsunami wave simulations provide us to evaluate tsunami hazard at coastal plains of the eastern Mediterranean Sea region. Obtained results indicate that the coastal topography, sea bottom irregularities (sea mounts, volcanoes etc.) and near-shore bathymetry are crucial components in tsunami wave simulations in order to affect the wave propagation, reflection, refraction, diffraction effects and coastal amplifications. Thus, we tentatively suggest that future oceanographic and marine geophysical research should further aim to improve the resolution of bathymetric maps, particularly for the details of continental shelf, and those of seamounts.