Mikrotremör verisi kullanarak jeotermal alanların araştırılması
Exploration of geothermal areas by using microtremor data
Yazar: SERHAT TEKEBAŞ
Danışman: PROF. DR. EŞREF YALÇINKAYA
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeofizik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering
Dizin: Jeofizik = Geophysics ; Jeotermal = Geothermal ; Manisa-Alaşehir = Manisa-Alaşehir ; Mikrotremor = Microtremor ; Sismik = Seismic

Özet:
Bu tez çalışmasında Manisa-Alaşehir jeotermal sahasında mikrotremör verilerinin jeotermal alanlarda üreteceği sonuçların araştırılması amacıyla tek istasyon ve dizilim mikrotremör ölçümleri yapılmıştır. Dizilim ölçümleri Alaşehir Grabeni'ni enine kesen bir hat boyunca 9 ayrı lokasyonda, tek istasyon ölçümleri ise jeotermal faaliyetleri kapsamında işletilen 12 sondaj noktasında gerçekleşmiştir. Arazi çalışmaları 2017 yılında Ağustos ve Kasım aylarında 2 ayrı etapta tamamlanmıştır. Dizilim ölçümlerinde kayıt süreleri dizilimin yarıçapına ve hedeflenen araştırma derinliğine bağlı olarak 1-2 saat uzunluğunda, sondaj kuyularında ise akşam 18:00-20:00 civarında başlayıp, ertesi sabaha kadar yaklaşık 12-15 saat süreli ölçümler şeklinde gerçekleşmiştir. Mikrotremör dizilim kayıtları üç bileşen f-k ve SPAC yöntemleri ile analiz edilmiş, Rayleigh ve Love dalgalarına ait dispersiyon eğrileri elde edilmiştir. SPAC yöntemi ile elde edilen dispersiyon eğrileri kullanılarak ters çözüm ile düşey zemin profilleri elde edilmiştir. Hem dizilim hem tek istasyon kayıtları üç bileşen sismometrelerle (Güralp CMG 6TD) gerçekleştirildiğinden tüm noktaların H/V analizleri yapılmıştır. 
Mikrotremör kayıtlarının frekans içeriği güç yoğunluğu spektrumu ile analiz edilmiş, jeotermal bir sahada alınan kayıtların Peterson eğrileriyle uyumluluğu incelenmiştir. Aynı zamanda verilerin kalitesinin de denetlendiği güç yoğunluğu spektrum analizine göre; MTF-1, MTF-2, PYD ve A-86 ölçümlerinde 50 Hz şebeke frekansında bir gürültü tespit edilmiştir. Dizilim analizleri ile belirlenen dispersiyon eğrilerinin frekans aralığı 0.25-27 Hz olduğundan, bu gürültü dispersiyon seçimini olumsuz etkilememiştir. H/V grafiklerinde ise yüksek saçılmalara neden olan gürültüler, verilerden atılarak H/V grafikleri hesaplanmıştır. Güç yoğunluğu spektrumlarında sivri doruklar şeklinde gözlenen 1.77 Hz frekans değerine sahip endüstriyel kaynaklı bir gürültü tespit edilmiştir. Zaman-frekans analiziyle bu gürültünün sürekliliği ortaya çıkarılmış ve sönüm analizi ile endüstriyel kaynağının yaklaşık 102 devir/dk dönüş periyotuna sahip bir makine gürültüsü olduğu tespit edilmiştir. H/V grafiklerinin analizi esnasında 1.77 Hz doruğu, bir zemin rezonans frekansı olarak yorumlanmamıştır. 
H/V eğrilerinde tespit edilen birincil doruk zemin temel rezonans frekansı (f0) olarak tanımlanır ve zemin tabakalarının kalınlığı ile ortalama S-dalga hızına bağlıdır. Menderes Masifi metamorfik birimlerin üzerinde yapılan ölçümlerde rezonans frekans değerleri 2.58-9.83 Hz frekans aralığında değişmektedir.  Graben dolgusu üzerinde yer alan dizilim mikrotremör noktaları H/V analizleri neticesinde f0 değerleri 0.23 Hz ile 1.16 Hz arasında yer aldığı tespit edilmiştir. Neojen-Kuvarterner graben dolgusu üzerinde rezonans frekansı güneyden kuzeye 1.16 Hz (ALK), 0.42 Hz (DEPO), 0.38 Hz (TST), 0.32 Hz (CAG), 0.23 Hz (PYD), 0.24 Hz (GRS) ve 0.63 Hz (TGR) olarak belirlenmiştir. ALK noktasından DEPO noktasına 1.16 Hz'den 0.42 Hz'e düşen zemin rezonans frekansı, bu bölgede derinliğin aniden arttığını göstermektedir. Grabenin kuzeyinde ise GSR noktasında ölçülen 0.24 Hz olan f0 değeri TGR noktasında 0.63 Hz olarak ortaya çıkmaktadır. Bu durumda kuzey kenardaki kalınlık değişiminin, güneye göre daha yumuşak olduğu söylenebilir. Bu durum graben geometrisi ile uyumlu olup, literatürdeki zemin profilleri ile uyum sağlamaktadır. H/V grafiklerinde f0'dan büyük frekanslarda ortaya çıkan diğer doruklar yüzeye yakın diğer hız değişimlerini temsil etmektedir. Alaşehir Grabeni dizilim noktalarına ait H/V sonuçları tabaka kalınlıkları açısından değerlendirildiğinde, grabenin güneyinden kuzeyine doğru jeolojiye uygun olarak artan bir sediman kalınlığı tespit edilmiştir. H/V grafiklerinde f0 doruğunun haricinde, güneyde DEPO noktasında (0.80 Hz), kuzeye doğru TST (0.86 Hz), CAG (0.82 Hz), PYD (0.86 Hz) ve GRS (0.86 Hz) noktalarında ikinci bir doruk (f1 frekansı) gözlenmiştir. H/V analizi sonucu elde edilen tüm rezonans frekans dorukları SESAME kriterlerine göre denetlenmiş ve belirgin doruk kriterlerini sağladığı görülmüştür. Literatürde yer alan ampirik bağıntılar ile yapılan sediman kalınlık hesaplamalarının Alaşehir Grabeni'ne ait sondaj, sismik yansıma ve jeolojik çalışmalarla uyumsuz olduğu gözlenmiştir. Sondaj verileri ve H/V sonuçları kullanılarak Alaşehir Grabeni için yapılan regresyon analizinin literatürdeki ampirik bağıntılara göre daha yüksek sediman kalınlığı hesapladığı tespit edilmiştir. Tabaka kalınlığı (H), zemin titreşim frekansı (f0) ve kayma dalga hızı (Vs) arasındaki ilişki (f0 = Vs/4H) göz önünde bulundurulduğunda; Alaşehir Grabeni için Vs hızlarının beklenenden yüksek olması halinde literatüre uygun sediman kalınlığı sonuçları üretebileceği görülmüştür. 
Dizilim mikrotremör verilerinden elde edilen dispersiyon eğrileri tek başına ters çözüme tabi tutulduğunda araştırma derinliğinin sınırlı kaldığı, yalnızca BH-A ve BH-S noktalarına ait çözümlerin taban kayasına ulaştığı görülmüştür. Dispersiyon eğrisinin yanında H/V eğrilerinin de ters çözüme dahil edilmesi ile yapılan birleşik ters çözüm sonucunda, sahada daha önceki sondaj ve sismik yansıma verilerinden elde edilmiş jeolojik kesitlerle birbirine yakın sonuçlar elde edilebildiği görülmüştür. Buna göre çalışma sahasında alüvyon için 250-600 m/s, Kaletepe Formasyonu için 500-750 m/s, Salihli Üyesi için 650-1350 m/s, Hamamdere Üyesi için 700-2100 m/s ve Menderes Masifi Metamorfik taban kayası için 2000-3200 m/s kayma dalga hız değerleri belirlenmiştir. 
Bu çalışma ile mikrotremör verileri kullanarak Alaşehir Grabeni'nin basen geometrisi, kayma dalgası hız değişimine bağlı düşey zemin profilleri başarılı şekilde tespit edilebilmiştir. H/V verileri kullanılarak, literatürde yer alan ampirik bağıntılarla Alaşehir Grabeni için sondaj verileri ile uyuşan bir sediman dolgu kalınlığı hesaplanamaması Alaşehir Grabeni'ne özel bir durumdur. Hidrotermal çözeltinin kayaçlarla olan etkileşimi sonucunda silisleşme, karbonatlaşmaya bağlı gelişen ikincil çimentolaşmanın sediman içinde Vs hızlarında artışa sebep olduğu, bu nedenle sediman kalınlık hesaplamalarının literatürden farklı olduğu düşünülmektedir. Bu durum jeotermal sahalarda yapılan mikrotremör analizlerinde dikkate alınması gereken önemli bir detay olarak belirlenmiştir. Jeotermal alanların araştırılmasında sondaj maliyetlerinin oldukça yüksek olduğu düşünüldüğünde, başarıya katkı sunacak her çalışma önem kazanmaktadır. Bu açıdan değerlendirildiğinde, mikrotremör yöntemleri jeotermal sahalarda yapıyı çözümlemeye yönelik bir yöntem olarak uygulanmasının önemi büyüktür. Yüksek maliyetli sismik yansıma ve sondaj çalışmaları öncesinde hızlı, düşük maliyetli ve kolay uygulanabilir bir yöntem olması nedeniyle, özellikle jeotermal ve petrol sahaların araştırılmasında katkı sağlayacağı açıktır.

Abstract:
In this thesis, single station and array microtremor measurements were applied in order to investigate the results of the microtremor data in the Manisa-Alaşehir geothermal field. Array measurements were made at 9 different locations along a line crossing the Alaşehir Graben, and single-station measurements were applied at 12 drilling points which are operated within the scope of geothermal activities. Field studies were completed in 2 separate phases in August and November of 2017. In the array measurements, the recording times were 1-2 hours long depending on the radius of the array and the targeted research depth, and the measurements in the boreholes started around 6:00-8:00 p.m. and lasted for about 12-15 hours until the next morning. Microtremor array recordings were analyzed with three component f-k and SPAC methods, dispersion curves of Rayleigh and Love waves were obtained. By using the dispersion curves obtained by the SPAC method, vertical ground profiles were obtained by inversion. Since both array and single station recordings were performed with three-component seismometers (Güralp CMG 6TD), H/V analyses of all points were performed.
The frequency content of the microtremor recordings was analyzed with the power spectral density, and the compatibility of the recordings taken in a geothermal field with the Peterson curves was examined. According to the power spectral density analysis, in which the quality of the data is also controlled; In the measurements of MTF-1, MTF-2, PYD, and A-86, an electrical network noise was detected at 50 Hz frequency. Since the frequency range of the dispersion curves determined by the array analysis is 0.25-27 Hz, this noise did not adversely affect the dispersion selection. On the other hand, the noise that cause high scattering in the H/V curves are removed from the data and the H/V curves are calculated. An industrial origin noise with a frequency value of 1.77 Hz, is observed as sharp peaks in the power density spectrum, has been detected. The continuity of this noise was revealed by time-frequency analysis, and it was determined that its industrial origin was machine noise with a rotation period of approximately 102 rpm. During the analysis of the H/V curves, the 1.77 Hz peak was not interpreted as a soil resonance frequency.
The primary peak detected in the H/V curves is defined as the fundamental soil resonance frequency (f0) and related to the thickness of the soil layers and the average S-wave velocity. In the measurements made on the Menderes Massif metamorphic units, the resonance frequency values change in the frequency range of 2.58-9.83 Hz. As a result of the H/V analysis of the array microtremor data on the graben fill, f0 values were detected between 0.23 Hz and 1.16 Hz. The resonance frequencies on the Neogene-Quarternary graben fill are from south to north 1.16 Hz (ALK), 0.42 Hz (DEPO), 0.38 Hz (TST), 0.32 Hz (CAG), 0.23 Hz (PYD), 0.24 Hz (GRS), and 0.63 Hz (TGR) were determined. The soil resonance frequency decreasing from 1.16 Hz to 0.42 Hz from the ALK to the DEPO array station shows that the thickness suddenly increases in this region. In the north of the graben, the f0 value, which is 0.24 Hz measured at the GSR array station, appears as 0.63 Hz at the TGR array station. In this case, it can be said that the thickness variation on the northern edge is less than on the south. This situation is compatible with the graben geometry and is compatible with the soil profiles in the literature. Other peaks appearing at frequencies greater than f0 in H/V curves represent another velocity changes near the surface. When the H/V results of the Alaşehir Graben array measurement points are evaluated in terms of layer thicknesses, an increasing sediment thickness following the geology has been determined from the south to the north of the graben. In the H/V curves, apart from the f0 peak, a second peak (f1 frequency) was observed at the DEPO array point (0.80 Hz) in the south, the TST (0.86 Hz), CAG (0.82 Hz), PYD (0.86 Hz) and GRS (0.86 Hz) array points towards the north. All resonance frequency peaks obtained as a result of H/V analysis were controlled according to SESAME criteria and it was seen that they verified the clear peak criteria. It has been observed that the sediment thickness calculations made with the empirical formulas in the literature are inconsistent with the drilling, seismic reflection, and geological studies of the Alaşehir Graben. It was determined that the regression analysis for the Alaşehir Graben using the drilling data and H/V results calculated higher sediment thickness than the empirical relations in the literature. Considering the relationship (f0 = VS/4H) between the layer thickness (H), soil resonance frequency (f0), and shear wave velocity (VS); It has been observed that if the VS velocities are higher than expected for the Alaşehir Graben, it can produce sediment thickness results following the literature.
When the dispersion curves obtained from the array microtremor data were inversed alone, it was observed that the investigation depth was limited and only the solutions of the BH-A and BH-S array points reached the bedrock. As a result of the joint inversion made by including the H/V curves besides the dispersion curve, it has been seen that similar results can be obtained with the geological sections obtained from the previous drilling and seismic reflection data in the field. Accordingly, in the study area, 250-600 m/s for alluvium, 500-750 m/s for Kaletepe Formation, 650-1350 m/s for Salihli Member, 700-2100 m/s for Hamamdere Member, and 2000-3200 m/s for Menderes Massif Metamorphic basement rock shear wave velocity values were determined.
In this study, the basin geometry of Alaşehir Graben, vertical ground profiles depending on shear wave velocity variation were successfully determined using microtremor data. It is a special case for Alaşehir Graben that a sediment fill thickness cannot be calculated using the H/V data, which is in agreement with the drilling data for the Alaşehir Graben, using the empirical formulas in the literature. Silicification, as a result of the interaction of the hydrothermal solution with the rocks, secondary cementation due to carbonation causes an increase in Vs velocities in the sediment, therefore, it is thought that the sediment thickness calculations are different from the literature. This situation has been determined as an important detail to be taken into account in microtremor analyses in geothermal fields. Considering that drilling costs are quite high in the exploration of geothermal fields, every study that will contribute to success gains importance. From this point of view, the application of microtremor techniques as a method for analyzing the structure in geothermal fields is of great importance. It will contribute especially to the exploration of geothermal and oil fields, as it is a fast, low-cost, and easy-to-apply method when compared to high-cost seismic reflection and drilling studies.