İstanbul kenti için yer tepkisi ve 3 boyutlu (3-B) kayma dalga hiz (Vs) yapısının belirlenmesi
Determination of ground response and 3 dimensional (3-D) shear-wave velocity structure beneath Istanbul city
Yazar: SAVAŞ KARABULUT
Danışman: DR. STEFANO PAROLAI ; PROF. A.OĞUZ ÖZEL
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering

Özet:
Son 30 yıllık zaman periyodunda dünyada ve ülkemizde meydana gelen depremler sırasında birçok mühendislik yapısında farklı nedenlerden dolayı hasarlar meydana gelmiştir. Bu hasarların en önemli sebeplerinden biri de lokal zemin etkilesi (Local Site Effect) olmuştur. 17 Ağustos 1999 İzmit-Gölcük (Mw:7.4) ve 12 Kasım 1999 Düzce (Mw:7.2) depremleri sırasında, deprem merkezi ve yakın civarında büyük can ve mal kayıpları meydana gelmiştir. Bu iki deprem sırasında resmi rakamlara göre 18.243 kişi hayatını kaybetmiş ve 28.729 kişi yaralanmıştır. Tahmini kayıp 16 milyar dolar civarındadır. İzmit depremi sırasında İstanbul'un farklı ilçelerinde meydana gelen hasar dağılımı da oldukça farklı olmuştur. Avcılar ilçesine yaklaşık uzaklığı 100 km. uzaklıkta olan bu depremin, neden özellikle bu ilçe sınırlarında hasar yarattığı birçok çalışmaya konu olmuştur. Bu farklılık nedeniyle, Kuzey Anadolu Fayı (KAF) üzerinde bir deprem olması durumunda, Marmara Bölgesindeki illerde ve özellikle İstanbul'da yerel zemin etkisinin oluşturacağı hasarlar uzun süredir tartışılmakta ve çalışılmaktadır.Bu tez çalışması kapsamında konu olarak seçilen İstanbul'un Avrupa Yakası'nda bu etkinin belirlenmesi amacıyla gerekli olan 3-B kayma dalga hız?derinlik yapısı belirlenmeye çalışılmıştır. Bu amaçla belirlenen ölçü noktalarında tek istasyon ve dizilim mikrotremor ölçümleri alınmıştır.İlk aşamada, dört farklı kurum ve üniversitenin toplamış olduğu tek istasyon mikrotremor (H/V) ölçüm sonuçları irdelenmiş ve toplanan bu veriler kullanılarak çalışma alanı için ?Zemin Hakim Frekans Haritası? hazırlanmıştır. Hazırlanan bu harita bölgenin jeoloji haritası ile karşılaştırılmış ve yüksek frekans değerlerinin gözlendiği alanların anakayanın yüzeylendiği alanlara karşılık geldiği görülmüştür. Anakayanın yüzeylendiği alanlar sedimanter alanlara göre görece olarak daha yüksek frekans değerlerine sahiptir. Bu çalışma kapsamında belirlenen anakaya-sediman geçiş sınırının literatürde İstanbul Horst'u olarak isimlendirilen peneplenin başlangıcı olabileceği düşünülmüştür.Çalışmanın ikinci kısmını oluşturan mikrotremor dizilim ölçümleri kullanılarak mühendislik ve sismolojik anakaya derinlikleri belirlenmeye çalışılmıştır. Deprem mühendisleri için deprem tehlikesine karşı güvenilir yapı yapılmasında bir tehtid unsuru olan lokal zemin etkisinin veya zemin büyütmesinin tespitinde kayma dalga hızı önemli paramatrelerden biridir. Bu parametre sismik kırılma, kuyu içi jeofiziği ve yüzey dalgası analizi gibi birçok farklı jeofizik çalışmalar ile elde edilebilmektedir. Genel olarak yüzey dalgası yöntemlerinin hızlı olması, maliyetinin düşük olması ve şehir içinde kullanımının daha kolay olmasından dolayı sıklıkla tercih edilmektedir. Çalışma kapsamında yüzey dalgası analiz teknikleri kullanılarak, 2008-2010 yılları arasında 25 farklı noktada mikrotremor dizilim ölçümleri toplanmıştır. Ölçümlerde, Uzaysal Otokorelasyon (SPAC) olarak bilinen yöntem kullanılmıştır. Bu yöntemin tercih edilmesinin nedeni ise daha az sayıda alıcı kullanılmasıdır. Yöntem için 4 adet 3 bileşen CMG-6TD sismometre kullanılmış ve GPS kullanılarak eş zamanlı kayıtlar alınmıştır. Daha sonra, SESAME projesi kapsamında geliştirilen SESAREY programı kullanılarak, değiştirilmiş uzaysal otokorelasyon yöntemi (Modified Spatial Auto-correlation Method) ile her bir kaydın düşey bileşenleri (vertical component) kullanılarak otokorelasyon katsayıları hesaplanmıştır. Yüzey dalgalarını kullanan araştırmacılar daha çok Rayleigh dalga formu ile ilgilenirken, son yıllarda anakaya derinliğininin daha doğru tespit edilebilmesi için sıklıkla kullanılan Rayleigh dalgası ve H/V oran eğrisinin Ortak Ters Çözümü (Joint Inversion)'de kullanılarak kayma dalga hızı derinlik profil ve modelleri hazırlanmıştır. Böylece sadece teorik ve gözlemsel dispersiyon eğrileri arasındaki uyumla birlikte, gözlemsel ve hesaplanan H/V oran eğrileri arasındaki uyumda kontrol edilmiştir. Her iki analiz sonucu elde edilen modellerin genel olarak birbiriyle uyumlu olmasına rağmen, ortak analiz sonuçlarına göre anakayanın daha derinde olduğu görülmüştür. Ayrıca, çalışma alanı için Rayleigh dalgası ve Ortak analiz sonuçları kullanılarak mühendislik (NEHRP sınıflamasına göre, B türü yapılar) ve sismolojik anakaya derinlikleri (NEHRP sınıflamasına göre, A türü yapılar) belirlenmiş ve her iki dalga formu ve kaya türü için sediman kalınlık değeri ile zemin hakim titreşim frekansı arasındaki ilişkileri tanımlayan dört ayrı bağıntı geliştirilmiştir. Bu tür bağıntılar pratik mühendislik uygulamalarında anakaya derinliğin tespitinde oldukça kullanışlıdır.Mühendislik anakayası için geliştirilen sediman kalınlık-frekans bağıntısı kullanılarak, çalışma alanı için 2 boyutlu (2-B) sediman kalınlık haritaları (Ortak analiz ve Rayleigh dalgası analiz sonuçları için) hazırlanmıştır. Mühendislik anakayası için geliştirilen bağıntı da, 0.9-10 Hz frekansları arasında elde edilen sediman kalınlık değerlerinin birbiriyle uyumlu olduğu, sismolojik anakaya için ise 0.3-0.9 Hz frekansları arasında benzer bir uyum olduğu görülmüştür. Ayrıca geliştirilen bu bağıntılar, literatürde aynı bölge için geliştirilmiş bağıntı ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırılma sonucunda; 1 Hz'in üzerindeki frekanslarda mühendislik anakayası için genel bir uyum olmasına karşın, 1 Hz'in altındaki frekanslarda ise sismolojik anakaya için geliştirilen bağıntı ile azalan frekans ile uyumun azaldığı görülmüştür. Uyumun en iyi gözlendiği frekans aralığı 0.3-1.0 Hz'dir. 2-B sediman kalınlık haritalarında; çalışma alanının kuzeydoğusundan, güneybatısına doğru sediman kalınlığının arttığı gözlenmiştir. TEM otoyolunun geçtiği güzergah ile Haliç'in kuzeydoğusu anakaya-sediman geçiş sınırı olarak düşünülmüştür. Genel olarak: Beyoğlu, Bayrampaşa'nın Kuzeyi, Haliç, Başakşehir ve anakayanın derinliği, 0-50 metre arasında değişmektedir. Bahçeşehir, Halkalı, Bağcılar, Güngören, Topkapı ve Fatih semtlerinde ise 100 metre derinlikte mühendislik anakayasına ulaşılmıştır. Çalışma alanının daha güney kısımlarında ise genel olarak 200 metre derinliğinden sonra mühendislik anakayasına girildiği saptanmıştır. Avcılar, Ambarlı Limanı, Haramidere, Kıraç ve Gürpınar merkezde ise mühendislik anakayası 200 metreden daha derindedir. Bu bilgi ortamın jeolojisi ile de uyumludur. Sınır olarak tanımlanan alanlarda, Paleozoyik yaşlı Trakya Formasyonu (Grovak), Eosen yaşlı Kırklaeli formasyonu (Kireçtaşları) ve Oligosen yaşlı Gürpınar Formasyonları yüzeylenmiştir.Mikrotremor dizilim ölçümleri sonuçlar kullanılarak 10 farklı profil boyunca farklı doğrultularda 2-B'lı kayma dalga hız modelleri/kesitleri hazırlanmıştır. Avcılar'dan Kuzey'e doğru (İ.Ü. Veterinerlik Fak. Çiftliği) anakayanın daldığı görülmüştür. Literatürde Avcılar'da anakayanın doğu ve güney yönüne doğru daldığı belirtilmiş olsa da, bu çalışmadan elde edilen bulgulara göre kuzey'e doğru da daldığı görülmüştür. Bu yapısıyla, Avcılar'ın bir havzanın kurulu olduğu düşünülmüştür. Küçükçekmece Gölünün kuzeyinde alınan kesitte ise, Yarımburgaz'dan Küçükçekmece gölünün batısına doğru anakayanın oldukça yüksek eğimle daldığı görülmüştür. Bu bilgi jeolojik yapı ile de uyumludur. Yarımburgaz'da Eosen yaşlı kireçtaşları yüzeylenmişken, Veterinerlik Fak. Çiftliğinin olduğu alanda Gürpınar formasyonun derinliği 600 metre derinliğe (Uzun açılımlı Düşey Elektrik sondajı çalışması sonuçlarıyla da uyumludur) kadar ulaşmaktadır. Anakayanın daldığı diğer doğrultular ise şu şekildedir: Sefaköy'den Yeşilköy'e (KB-GD doğrultulu),Topkapı ve Kağıthane'den Haliç'e doğru, Cevizlibağ'dan Merter'e doğru, Y.T.Ü'den Merter'e, Bahçelievler'den Ataköy'e, CNR'den Merter'e, ve Avcılar'dan CNR'a doğrudur. Bu veriler D.S.İ tarafından hazırlanan jeolojik kesitlerle, çalışma alanında yapılmış önceki çalışmalarla da karşılaştırılmıştır. Sediman kalınlık haritasında olduğu gibi, Marmara Denizi'ne komşu alanlarda (çalışma alanının güney-güneybatısı; Avcılar, Yeşilköy, Ataköy, Yedikule, Zeytinburnu, Küçükçekmece) anakaya derinliğinin arttığı görülmüştür. Tüm ölçüm noktalarında anakayasına ulaşılmıştır.Dizilim mikrotremor ölçümlerinde kullanılan alıcı sayısı kadar, kullanılan dizilime ait yarıçap (?r?)ve alıcılar arasındaki uzaklıklarda penetrasyon derinliğini etkilemektedir. Genel olarak alıcılar arasındaki uzaklığın yeteri kadar uzak olmadığı durumlarda derinlerden bilgi alınamaması, anakayaya ulaşılamamasına ve yanlış yorum yapılmasına neden olabilmektedir. Bu kapsamda literatürde önerilen dizilim yarıçapı-dalga boyu ilişkilerinin geçerliliği, bu çalışma kapsamında toplanan veriler ile irdelenmiştir. Sonuç olarak, dizilim yarıçapının 1.5r-6.25r katı kadar derinlikten bilgi alınabileceği belirlenmiştir.Son olarak ise her iki analiz sonucuna göre sismolojik anakaya için geliştirilen bağıntılar kullanılarak, 3-B sismolojik anakaya derinlik haritaları hazırlanmıştır. Bu harita hazırlanırken çalışma alanının tamamında toplanmış 215 nokta mikrotremor ölçümlerine ait zemin hakim frekans değerleri kullanılmıştır. Çalışma alanında topoğrafik yükselikler 0-200 metre arasında değişmekte olup, genel olarak güney'den kuzey'e doğru yükseklik artmaktadır. 2-B kayma dalga hız modellerinde anakayanın daldığı yönler gösterilmiş olsa da, 3-B haritalarda anakayanın dalım yönü daha detaylı olarak incelenmiş ve basenlerin olduğu alanlar gösterilmiştir. Yedikule, Yeşilköy, Zeytinburnu, Avcılar, Ambarlı, Haramidere, Kıraç ve Gürpınar'da kalın sediman havzaların varlığı belirlenmiştir. Küçükçekmece gölünün kuzey-güney ve kuzeydoğu-güneybatı'ya dalan anakayanın ortasında kaldığı görülmüştür. 17 Ağustos Gölcük depremi sırasında Avcılar'da meydana gelen hasarın yanında, bahsedilen bölgelerde de yerel olarak hasarların olduğu düşünüldüğünde sonuçların anlamlı olduğu düşünülmüştür. Ayrıca, İ.B.B. Deprem ve Zemin İnceleme Müdürlüğünce tamamlanan Mikrobölgeme çalışmaları kapsamında hazırlanan anakaya üst sınır kontur haritası ile bu çalışma kapsamında hazırlanan harita karşılaştırılmış, Paleozoyik yaşlı birimler ile Eosen yaşlı Kireçtaşına ait sınırların da benzer alanlarda görüldüğü belirlenmiştir. Tüm bu sonuçlar D.S.İ tarafından derin su sondaj kuyu verileri kullanılarak hazırlanan 2-B'lu jeolojik kesitlerle, daha önce çalışma alanında toplanmış dizilim mikrotremor ölçüm sonuçlarıyla ve geniş açılımlı Düşey Elektrik Sondaj çalışmaları sonucundan elde edilmiş bilgilerle de karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır.Elde edilen hız bilgileri ve jeolojik gözlemler ışığında, çalışma alanı içinde Paleozoyik yaşlı sismolojik anakaya, Eosen yaşlı mühendislik anakayasını yansıtan sınırlar belirlenmiştir. Özellikle Küçükçekmece ve Büyükçekmece gölleri arasında kalan alanda yer alan çukurların, bölgenin tektonik yapısının aydınlatılmasında önemli bir veri tespit edilmiştir. Daha önceki çalışmalarda göller arasındaki bölgeden geçtiği düşünülen Batı Karadeniz Fayının çukurlukların bulunduğu alanlara karşılık geldiği düşünülmüştür. Marmara Denizinden geçen Kuzey Anadolu Fay hattının oluşturduğu üç büyük çukurluktaki gibi bu bölgenin de sağ yönlü doğrultu atımlı faylanmanın etkisi ile şekillendiği düşünülmüştür. Çukurların olduğu alanların ise normal atımlı faylanmanın etkisi ile oluştuğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
During the last 30 years, while earthquakes have occurred in our country and the world, extensive damage has occurred due to various reasons on the many engineering constructions. One of the important reasons for the damage is Local Site Effect. During the 17 August 1999 İzmit-Gölcük (Mw: 7.4) and 12 November 1999 Düzce (Mw: 7.2) earthquakes, many deaths and losses of goods occurred in these earthquake?s epicenters and nearby areas. 18.243 people died and 28.729 people were injured during these earthquakes according to the official figures. Approximation of loss is around 16 million dollars. During the İzmit earthquake, different damage occurred in various districts of İstanbul. There is academic research related to why the earthquake caused the biggest damage in Avcılar, which is 100 km away from the epicenter. Due to this disparity, in case of an earthquake on the North Anatolian Fault Zone (KAF), regional site effect and damage mitigation, in the Marmara area, especially İstanbul have been discussed and researched for a long time.As a part of this thesis, 3 B shear wave velocity-depth structures are handled holistically with the purpose of determining the impact of the damages in İstanbul?s European side. With this aim, microtremor measurements were taken at the station points. Microtremor studies are divided into two groups; single station and array.In the first phase, single station microtremor (H/V) measurement results, which were collected by four different institutions and universities, are analyzed and with the help of these data, a complete fundamental frequency map has been prepared for study area. This map was compared with regional geological map and higher frequency area indicated that is near to surface of bedrock. The preparation of this map is helpful in determining the bedrock, and for these areas a bedrock boundary frequency value is specified. This boundary values is thought to be the start of the Peneplain boundary of Istanbul Horst, which is outlined in previous studies.With the usage of microtremor array measurements, which constitutes this study?s second part, determination of depth of engineering and seismological bedrock is attempted. For earthquake engineers, in the construction of safe buildings against earthquake risk, Shear wave velocity is one of the important parameters in the determination of local site effect or soil amplification. This parameter is obtained by a number of different geophysics methods such as seismic refraction, borehole geophysics, and surface wave analysis. Generally, the surface wave method is often chosen because it is faster, costs less, and its usage is easier inside the city. Therefore, between the years 2008-2010, microtremor array measurements were taken data total of 25 different points. Spatial autocorrelation (SPAC) method was used in the measurements; it requires an array of fewer seismometers than the other method. For this method, using 4 sismometers of 3 components by using CMG-6TD type, synchronous with GPS records were taken and related. Then, autocorrelation coefficients were calculated for vertical component of each record with Modified Spatial Auto-correlation method using Sesarray program developed under SESAME project. Researchers interested in surface wave in recent years, are mostly dealing with Rayleigh waveform, in this study, Joint Inversion of Rayleigh wave and H/V spectral ratios are interested too, as if it use together, determine the depth of the bedrock more accurately. Thus, by using Joint Inversion was check conformity both between theoretical and observational dispersion curves and observational and calculated H/V ratio. Although models compatible with each other that obtained from result of the both analysis, according to the result of a joint analysis, bedrock was deeper than that. The depth of engineering (According to NEHRP soil classification is ?B? class) and seismological (According to NEHRP soil classification is ?A? class) bedrock determined by using the results of both analysis. New relations have been developed between fundamental frequency and sediment thickness for both bedrock. Such relations are very useful in determining the depth of bedrock with practical engineering application.In the study area, 2 Dimensional (2-D) sediment thickness maps were prepare by using sediment thickness-frequency relations developed in the engineering bedrock. Sediment thickness value were close to each other between 0.9-10 Hz relations developed in the engineering bedrock, for seismological bedrock thickness were close to each other that were between 0.3-0.9 Hz. In addition, the equation developed in the literature are compared with the same correlation was developed for this region. Thickness value obtained from this study with equation developed in the literature were similar frequency above 1 Hz for the engineering bedrock, increasing frequency were decreasing similarity for frequency below 1 Hz. Frequency range is that between 0.3-1.0 Hz well-matched. 2-B of sediment thickness map was examined to show that sediment thickness incerasing from northeast side to southwest side in study area. Northeast of the Golden Horn with the North of the TEM highway is considered to be the bedrock-sediment boundary zone. In general, the depth of bedrock has been changed 0-50 meters in Beyoglu, Northern part of Barampasa, Başakşehir.The depth of engineering bedrock is reached at 100 m in Bahçeşehir, Halkalı, Bağcılar, Güngören, Topkapı ve Fatih. The central part of the study area, the depth of 200 meters was entered to engineering bedrock. The more southern part of study area where in Avcılar, Ambarlı Port, Haramidere, Kıraç and Gürpinar, bedrock is deeper than 200 meters. This knowledgement is also compatible with the regional geology of. Defined as the bedrock border areas where is near surface the Thrace Formations in Paleozoic age (Grovak) and Kırklaeli formation in Eocene age (Limestones) and Gurpinar Formation in Oligocene age (Claystone, Sandstone).2-B cross-sections of shear wave velocity models were prepared along 10 different profiles in different directions by using microtremor array measurements. Towards the north (I.U. Faculty of Veterinary Medicine Farm) from Avcılar, bedrock was dipping. In the literature indicated that the bedrock was dipping direction of the east and south in Avcılar, though, was also dipping in towards the North by results obtained from this study. Avcılar placed on Basin/Basin edge. In the cross-section prepared for north of Lake of Kucukcekmece, bedrock dipping with very high slope towards to the west of Kucukcekmece Lake from Yarımburgaz.This information is also compatible with the geological structure. While bedrock (limestone formation in Eocene age) is surface in Yarımburgaz, the depth of bedrock is 600 meters in I.U.Vet. Fac. Farm (Gurpinar Formation). This result compared with Vertical Electrical Sounding data. All of them is similar to each other. In the other directions to dipping of bedrock are as follows: from Sefaköy to Yeşilköy (NW-SE trending), from Topkapi Palace and the Golden Horn towards Kagithane, from Cevizlibağ' to Merter direction, from Y.T.U to Merter, from Bahçelievler to Ataköy, from CNR to Merter, and from Avcılar to CNR. This data was compared by geological sections obtained from General Directorate of State Hydrualic Works (D.S.I.) and with results of previous field studies. Sediment thickness, as in the neighboring areas of the Marmara Sea (south-southwest of the study area, Avcılar, Yesilkoy, Atakoy, Yedikule, Zeytinburnu, Kucukcekmece), have increased the depth of bedrock. All measuring points were reached to bedrock.As the radius ("r") of array to number of seismometer to use to array microtremor measurements, the depth of penetration was affects to wavelength. In general, distance between seismometers is not far enough for the interesting depth, knowledge which absence to there and comment may be wrong to determination of ground response. In this context, validity of the radius-wavelength relations the proposed on literature, the data collected under this study are compared and discussed. As a result, depth information can be determined from 1.5r to 6.25r times of array radius.Finally, according to the results of both analysis using equations developed for seismological bedrock, depth map of 3-D seismological bedrock prepared. The preparation of this map for the study area was using the result (fundamental frequency) of 215-point microtremor measurements. Topographic altitudes in the study area change between 0-200 meters, the height generally increases from the South towards the North. 2-D shear wave velocity models was shown dipping direction of the bedrock, 3-D maps was also shown the bedrock dip direction in more detail and the areas where look like as basins. Presence of thick sedimentary basins determined in Yedikule, Yesilkoy, Zeytinburnu, Avcilar, Ambarli, Haramidere, Kıraç and Gurpinar. Kucukcekmece Lake central part of dipping bedrock to the north-south and from northeast to Southwest. Damage occurred in the mentioned regions as well as damage occurred in Avcilar on August 17, Golcuk earthquake, the results were considered significant. In addition, bedrock map prepared in this study compared with contour map of upper limit of bedrock prepare with microzonation project completered under the İ.M.M. Department of Earthquake Risk Management and Urban Development. Borders of the limestone formation in Eocene age with grovak units in Paleozoic age were seen in similar areas. All of these results compared and interpreted with geologic 2-D cross-section prepared by D.S.I. (the deep-water drilling wells) , result of array microtremor measurement collected in the study area and the model of Vertical Electrical Sounding studies.In light of created velocity information and geological observations, in the study area, seismologic bedrock to Paleozoic age, engineering bedrock to Eocene age; similarly, Kırklareli limestones and Oligocene age clay stone units were determined within the boundaries of the observed areas. In particular, holes in areas between Küçükçekmece and Büyükçekmece lakes areimportant data to clarify the areas? tectonic structure. In the former studies, this area is considered to correspond to holes in the area of the West Black Sea fault which passes through the lakes? area. Likewise, three big craters which occur by the North Anatolian fault line, which passes throughthe Marmara Sea, are thought to be an effect of the right lateral strike fault in the region. These craterous areas are considered to have occurred by normal strike fault effect.