Kuzeydoğu Akdeniz bölgesindeki diri fayların kinematiğinin GPS gözlemleri ve elastik yarı uzaysal yer değiştirme modeli ile belirlenmesi
Determination of the kinematics of active faults in the Northeastern Mediterranean region by GPS observations and elastic half-space dislocation model
Yazar: ALİ ÖZKAN
Danışman: DOÇ. DR. HASAN HAKAN YAVAŞOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Türkiye'nin en önemli neotektonik ve sismojenik yapılarından birisi olan sol yanal doğrultu atımlı Doğu Anadolu Fay Zonu (DAFZ) Erzincan'ın doğusunda Karlıova'dan başlayarak Hatay'a kadar uzanan ve daha güneyde Ölü Deniz Fayı ile birleşen aktif bir fay zonudur. Arabistan ve Afrika plakalarının kuzeye doğru farklı hızlardaki bağıl hareketleri, Bitlis-Zagros Bindirme Kuşağı boyunca gelişen kıta-kıta birleşmesi ve Anadolu plakasının batıya kaçışına bağlı olarak DAFZ üzerinde ve çevresinde önemli sismik aktiviteler meydana gelmektedir.
DAFZ'nin güneyinde Kahramanmaraş üçlü kavşak noktası ile Hatay üçlü kavşak noktası arasındaki Karasu Fayı (KF) ile Kıbrıs Yayı'nın etkisi altındaki Toprakkale, Yumurtalık, Karataş-Osmaniye (KOF) Fayları Kuzeydoğu Akdeniz bölgesinin karmaşık tektonik yapısı içerisinde yer alan depremsellik açısından önemli fay segmentleridir. Bu faylar 2012 ve 2018 yıllarında güncellenen Türkiye Diri Fay Haritasında diri fay sınıfında değerlendirilmiştir. Buna karşın bölgedeki diri fayların kinematiğini araştırmak için yapılan jeodezik çalışmaların sınırlı kalması bu fayların davranışlarının anlaşılmasını ve deprem potansiyellerinin ortaya konulmasını güçleştirmektedir. Bu nedenle, söz konusu diri faylara ait güncel kayma hızları ve kilitlenme derinlikleri gibi fay kinematiğini yansıtan parametrelerin jeodezik yöntemler kullanılarak yüksek doğrulukla belirlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla kullanılan en etkin yöntem fayların geometrisine ve karakteristiğine uygun olarak tesis edilmiş jeodezik ağlar üzerindeki sürekli istasyon ve kampanya noktalarında GPS gözlemleri gerçekleştirmektir.
Bu doktora tez çalışmasında, Kuzeydoğu Akdeniz bölgesinde büyük deprem üretme potansiyeli yüksek diri faylar geniş bir jeodezik ağ kullanılarak izlenmiş ve toplanan GPS verilerinin modellenmesi sonucunda blokların dönme hızları, fay kayma hızları, fay kilitlenme derinlikleri ile blok içi yamulma hızları yüksek doğruluk ve uzaysal çözünürlükle belirlenmiştir. Bu amaçla, uygun geometri ve dağılım dikkate alınarak kampanya GPS gözlem noktaları ile sürekli GPS istasyonlarından (TUSAGA-Aktif ve kamu kurumlarına ait CORS ağlarının istasyonları) oluşan geniş bir jeodezik ağ tasarlanmıştır. Bu spesifik gözlem ağı, aynı zamanda bünyesinde Kuzeydoğu Akdeniz bölgesinde gerinim biriktiren önemli diri fayları dik kesen profiller barındırmaktadır. Bu profiller yardımıyla söz konusu diri fayların kinematik özellikleri hakkında önemli bulgulara ulaşılmıştır.
GPS verilerinin GAMIT/GLOBK yazılımı ile işlenmesi neticesinde çalışma bölgesi ve civarı için kampanya gözlem noktaları ve sürekli GPS istasyonlarının ITRF2008 datumunda tanımlandığı güncel GPS hız alanı elde edilmiştir. Bu GPS hız alanının literatürdeki diğer hız alanı çözümleri ile entegrasyonu sağlanarak ITRF2000 referans sisteminde Avrasya levhası sabit bütünleşik bir yatay GPS hız alanı tanımlanmıştır. Hız alanı çözümlerinin ortak bir referans sisteminde birleştirilebilmesi için 6 parametereli (3 öteleme ve 3 dönüklük) bir dönüşüm modeli kurulmuştur. Ayrıca, literatürdeki çalışmalarından derlenen Euler kutup parametrelerine bağlı olarak Arabistan levhası sabit GPS hız alanı üretilmiş ve  böylece blok modelleme için uygun bir veri seti oluşturulmuştur.
Bu çalışmada diri fayların kinematik özelliklerinin blok modeller ile tanımlanabilmesi için TDEFNODE yazılımından yararlanılmıştır. Blok modellemede, en basit geometriden daha karmaşık olana doğru, veri ile uyumlu blok modelin test edilmesine dayalı bir strateji benimsenmiştir. Buna göre, Kuzeydoğu Akdeniz bölgesindeki diri fayların kinematik özelliklerini araştırmak için belirli bir model alanında 5 bloktan oluşan bir blok model tanımlanmıştır. Blok modellemeye ilişkin izlenen adımlar ve elde edilen sonuçlar detaylı olarak açıklanmıştır.
Blok modelleme sonuçları ve fay uzunluklarına bağlı olarak faylar üzerindeki gerinim birikimleri ve olası deprem büyüklükleri hesaplanmıştır. Doğu Anadolu Fayı'nın Gölbaşı-Türkoğlu segmenti üzerinde 1114 depreminin (M ≥7.8) ardından başlayan gerinim birikimi ~6.8 metre olarak belirlenmiştir ve 7.2 ile 7.6 büyüklüklerinde olası depremlere yol açabileceği tahmin edilmektedir. 1513 depremi (M ~7.4) sonrasında Karataş-Osmaniye Fayı'nda başlayan deformasyonun büyüklüğü günümüzde fayın farklı bölgelerinde ~1.3-2.1 metre değerlerine ulaşmıştır ve bu bölgelerde 6.8 ile 7.2 büyüklükleri arasında olası depremlere neden olabileceği değerlendirilmektedir. Karasu Fayı üzerinde ise 1822 (M 7.4) ve 1872 (M 7.2) depremleri göz önünde bulundurulduğunda ~0.4-0.6 metre gerinim birikiminin büyüklüğü 6.6-7.2 aralığında olası depremlere neden olabileceği öngörülmektedir.
Bu doktora tez çalışması sonucunda Kuzeydoğu Akdeniz bölgesindeki önemli diri fayların sahip olduğu büyük ölçekli deprem oluşturma potansiyeli ortaya konulmuştur ve tez çıktılarının ulusal deprem eylem planları, sismik risk analizleri, deprem hasar tahmin çalışmaları ile kentsel dönüşüm planlarına katkılar sunması beklenmektedir.

Abstract:
East Anatolian Fault Zone (EAFZ), one of the most important neotectonic and seismogenic fault systems, is a left-lateral strike-slip active fault zone extends from Karliova in the east of Erzincan to the Hatay region where it reaches the Dead Sea Fault Zone in the further south. East Anatolian Fault Zone (EAFZ) has an intense seismic activity depending on the northward relative motions of Arabian and African plates with varying velocities, continental collision occuring along Bitlis-Zagros Fold and Thrust Belt and the westward motion of Anatolian Plate. 
In terms of seismicity, Karasu Fault (KF) between Kahramanmaras Triple Junction and Hatay Triple Junction on the south of the EAFZ, Toprakkale, Yumurtalık and Karatas-Osmaniye (KOF) Faults interacting with Cyprus Arc are considerable segments within the complex structure of the northeast of Mediterrenean region. These faults were evaluated as active faults in Active Fault Map of Turkey updated in 2012 and 2018. On the other hand, the fact that few geodetic studies conducted to investigate the kinematics of active faults in the region makes it difficult to understand the behaviours of these faults and reveal their earthquake potentials. Therefore, it has been required to estimate the parameters of fault kinematics such as recent fault slip rates and fault locking depths along these active faults using geodetic methods with a high degree of accuracy. The most efficient method used for this purpose is to perform GPS observations on permanent stations and campaign sites within geodetic networks formed according the geometry and distinctive features of relevant faults. Within the scope of GPS data process, the campaign GPS data set obtained in 2009, 2010, 2011 and 2019 were integrated with the data acquistions from the permanent GPS stations located around the northeastern Mediterranean region. Besides, eighteen permanent GPS stations from the IGS global network were involved in order to tie our local network with a global one and also to estimate more accurate orbital and Earth orientation parameters. The whole GPS data set was processed using the GAMIT/GLOBK software. The GAMIT stage consists of the estimations of orbital and Earth orientation parameters, station coordinates and zenith delay parameters of the atmosphere at each station. The second stage includes Kalman filtering embedded in GLOBK scripts to define a reference frame with a consistent set of coordinates and velocities.
During this PhD thesis, active faults that have high potential to generate major earthquakes in the northeastern Mediterranean region had been monitored using a large-scaled geodetic network and block rotation rates, fault slip rates, fault locking depths and internal block strain rates were estimated with high accuracy and sptatial resolution by modeling the GPS data gathered accordingly. To obtain these parameters, considering proper geometry and distribution, a wide geodetic network consisting of campaign observation sites and permanent GPS stations (within Turkish National Permanent GPS Network-Active and local CORS networks belonging to public institutions) was designed. This particular observation network contain also profiles perpendicular to the major active faults accumulating strain in the northeastern Mediterranean region. With the help of these profiles, significant indications about the kinematic features of these active faults have been obtained.
As a result of processing GPS data with GAMIT/GLOBK software, recent GPS velocity field comprising campaign observation sites and permanent GPS stations defined in ITRF2008 datum was derived for the study area and its surroundings. By combining this GPS velocity field with the other velocity field solutions in the literature, an integrated horizontal GPS velocity field with reference to the Eurasia-fixed reference frame in ITRF2000 was defined. A 6-parameter (3 translations and 3 rotations) transformation model was established to be able to integrate velocity field solutions within a common reference frame. The accuracy of the transformation was assessed using the wrms parameter depending on the common GPS observation sites. Furthermore, GPS velocity field in Arabia-fixed reference frame was derived based on the Euler pole parameters provided from the studies in the literature, and thus an appropriate data set for blok modeling was generated.
In this study, TDEFNODE software was used to define the kinematic features of the active faults by means of block models. In block modeling, from the simplest geometry to more complex one, a strategy based on testing the block model fitting to the data was adopted. Thus, a block model consisting of 5 blocks was defined in a particular model area in order to investigate the kinematic features of the active faults in the northeastern Mediterranean region. The steps followed and the results obtained regarding the block modeling were explained in detail. More specifically, the block model introduced in this dissertation demonstrates a left-lateral strike-slip motion with a slip rate of 7.48±0.59–7.57±0.58 mm/year while no significant normal/reverse fault components in the Gölbaşı-Türkoğlu segment of the East Anatolian Fault. Additionally, the results that have been reached for the Karataş-Osmaniye Fault indicate a left-lateral strike slip with a rate of 2.48±3.74-4.84±4.01 mm/year and a reverse faulting with a vertical slip rate component of 3.52±4.11-4.40±5.31 mm/year. On the other hand, the Karasu Fault shows a normal faulting with a slip rate of 2.63±2.07-2.72±4.16 mm/year and a left-lateral strike slip in a similar pattern with Karataş-Osmaniye Fault ranging in rates of 2.64±1.57-4.09±1.58 mm/year. After modeling of GPS data, the fault slip rates estimated by the inversion process allow us to calculate the possible magnitudes of earthquakes with the help of empirical equations and even to forecast on which fault segments of the probable destructive earthquakes may occur.
Depending on the block modeling results and fault lengths, the strain accumulations on the faults and probable earthquake magnitudes were calculated. The strain accumulation that began after the 1114 earthquake (M ≥7.8) on the Gölbaşı-Türkoğlu segment of the East Anatolian Fault was determined as ~6.8 meters and it is forecasted that it may cause probable earthquakes with the magnitudes of 7.2 to 7.6. The measure of the deformations initiated on the Karataş-Osmaniye Fault after the 1513 earthquake (M ~7.4) has reached to ~1.3-2.1 meters on the different parts of the fault and it is considered that it may cause probable earthquakes with a range between 6.8 and 7.2 in magnitudes. Considering the 1822 (M 7.4) and 1872 (M 7.2) earthquakes, it is predicted that ~0.4-0.6 meters of strain accumulations on the Karasu Fault may cause probable earthquakes with a magnitude range of 6.6-7.2.
In this PhD thesis, major earthquake potential of the main active faults in the northeastern Mediterranean region has been demonstrated and the outcomes of the thesis are expected to contribute to the national earthquake strategy and action plan, seismic risk analysis, earthquake loss assessment studies and urban transformation plans.