Marmara Denizi ve çevresinin üç boyutlu hız yapısının tomografik görüntülemesi
Tomographic imaging of the three-dimensional velocity structure of the Marmara Sea and its surrounding
Yazar: ADİL TARANCIOĞLU
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ARGUN KOCAOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeofizik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering
Dizin: Kabuk hız yapısı = Crustal velocity structure ; Marmara Denizi = Marmara Sea ; Sismik tehlike = Seismic hazard ; Sismik tomografi = Seismic tomography

Özet:
Bu çalışmada Yerel Deprem Tomografisi yöntemi kullanılarak Marmara Denizi'nde 3-boyutlu tomografik P-dalgası hızları (Vp), P-dalgası hızının S-dalgası hızına oranları (Vp/Vs) ve derinlikleri 22 km'ye ulaşan depremlerin hassas konumları belirlenmiştir. Geniş bir alanda dağılım gösteren Deniz Tabanı Sismometreleri'nin (DTS) sağladığı önemli katkı ile belirlenen derin depremler ve tomografik kesitler bu bölgede yapılmış olan ve genellikle sınırlı bir derinlik veya alanı temsil eden çalışmalardan ayrılmaktadır. Elde edilen 3-boyutlu Vp, Vp/Vs modelleri ve deprem dağılımına dayalı olarak Ana Marmara Fayı'nın (AMF) segmentlerinin sınırları, bu segmentlerin deprem potansiyelleri, derin hız anomalileri ve bu anomalilerin bölgeyi etkilemiş olan tektonik süreçlerle ilişkileri ortaya konmuştur.
Kullanılan veriler Marmara Denizi'nde 2001 ve 2006 yıllarında Deniz Tabanı Sismometreleri (DTS) ile gerçekleştirilen çalışmalarda ve aynı dönemde kıyı şeridinde yer alan kara istasyonlarında toplanan pasif (deprem) ve aktif (hava tabancası atış kayıtları) kaynaklı verilerden sağlanmıştır. Veri setini 52 DTS ve 14 kara istasyonu ile toplanan veriden seçilen 434 depreme ait 3852 adet P ve 2643 adet S faz okuması ile 557 hava tabancası atışına ait 4744 adet P faz okumasından oluşmuştur. Hava tabancası atışlarına ait kayıtlar kullanılarak DTS'lerin hassas konumları belirlenmiş ve ilgili varışlara ait seyahat zamanı düzeltmeleri yapılmıştır.
Tomografide kullanılacak başlangıç modelinin seçimi için detaylı çalışmalar yapılmıştır. 1-boyutlu Marmara-V ve bu modelin Marmara Denizi için yayınlanmış 3-boyutlu tomografik hızlar ile birlikte kullanıldığı hibrit Marmara B&V başlangıç modellerinin ve ters çözüm parametrelerinin tomografik sonuçlara etkisi değerlendirilmiş, tomografik hızların güvenilirlikleri farklı rezolüsyon testleri ile araştırılmıştır. P ve S seyahat zamanı rezidüellerinden 3-boyutlu final model için hesaplanan rms hata başlangıç modeline göre yaklaşık %80 oranında azalmıştır. Tomografik hızların güvenilir olduğu alanlar farklı ölçütlere bağlı olarak (dama tahtası testleri, ağırlıklandırılmış türevler toplamı, çözünürlük matrisi diagonali, vb.) belirlenmiştir.
3-boyutlu tomografik model ile hesaplanan deprem konumları ilksel konumlarına göre düşeyde 5 km'ye ulaşan değişimler göstermiş, bu değişime boylam ve enlemde ortalama 2.3 km ve 0.6 km'lik konum farklılıkları eşlik etmiştir. Buna göre depremler 0-5 km ve 8-22 km aralığında olmak üzere düşeyde 2 segment şeklinde ayrılmaktadır. Marmara Denizi'nde AMF boyunca deprem derinlikleri doğuda 18 km, batıda ise 22 km derinliğe kadar ulaşmaktadır.
Marmara Denizi'nde yapılmış olan farklı çalışmalarda profiller boyunca belirlenen sismik kırılma/yansıma kesitleri ile aynı profiller için bu çalışmada hesaplanan 2- boyutlu tomografik kesitler karşılaştırılmıştır. Bu değerlendirmelere göre; Marmara Denizi'nde büyük basen temellerinin yaklaşık 5.0 km/s Vp hızları ile temsil edildiği belirlenmiştir. Çınarcık Baseni (ÇB), Orta Basen (OB) ve Tekirdağ Baseni (TB) için kalınlıklar 6 km'ye kadar ulaşmaktadır. Basenlerin yüzeyi ile temeli arasında hesaplanan tomografik hızlar genel olarak 1.5 ile 5.0 km/s aralığındadır. Tomografik hızlar açısından TB, Batı Yükselimi (BY) ve OB alanlarında 3 km'den derinde yanal hız değişimi azalmaktadır. Bu durum BY'nin sığ derinlikler için ve daha çok deniz tabanı morfolojisi açısından farklılık oluşturduğunu, daha derinde TB ve OB ile benzer yapıda olduğunu işaret etmektedir.
Hesaplanan tomografik hızlar ve depremlerin dağılımı birbiri ile uyumlu bir geometri sergilemektedir. Buna göre; genellikle düşük Vp hızlarının veya düşük-yüksek hız geçişlerinin görüldüğü alanlarda depremler yoğunlaşmaktadır. Tomografik kesitler ve deprem dağılımı bir arada değerlendirildiğinde, deprem etkinliğinin yoğun olduğu, dar (∼10 km), düşük Vp hızlarına (4.3–5.3 km/s) ve yüksek Vp/Vs oranına (∼2.0) sahip yapılar belirlenmiştir. Bu yapılar AMF'nin yüzey izi ile uyumlu, genel olarak 8 km derinlikten kabuğun daha derin kısmına doğru düşeye yakın bir geometri ile uzanan ve doğrultu atımlı AMF'nin makaslamasına bağlı olarak gelişen iki farklı segment olarak tanımlanmıştır.
TB ile OB arasındaki alanda kalan AMF batı segmenti (AMF-BS) yaklaşık 50 km uzunluğundadır. En yoğun deprem aktivitesinin yer aldığı bu segmentte deprem derinlikleri 22 km'ye ulaşmaktadır. ÇB boyunca yaklaşık KB-GD geometriye sahip AMF doğu segmenti (AMF-DS) boyunca deprem derinlikleri 18 km'ye ulaşmaktadır. Bu segmentte AMF-BS'ye göre daha az sayıda deprem belirlenmiştir. Her iki segmentte belirlenen depremlerin derinlik dağılımı hafif güneye eğimli dike yakın (AMF-BS için 800-850, AMF-DS için yaklaşık 750) fay düzlemini işaret etmektedir. Tomografik kesitlerde her iki segment üzerinde orta kabukta (~ 5-10 km derinliklerde) yüksek Vp hızlarına (~6 km/s) ve düşük depremselliğe sahip potansiyel asperite yapıları olarak değerlendirilebilecek anomaliler belirlenmiştir.
Bu iki segment arasında kalan ve yaklaşık uzunluğu 50 km olan AMF orta segmenti (AMF-OS) diğer iki segmente kıyasla homojen dağılım gösteren yüksek Vp hızlarına (6.0-6.5 km/s) ve düşük Vp/Vs oranlarına (~1.7) sahiptir. Segment üzerinde meydana gelen deprem sayısındaki belirgin azalma dikkat çekicidir. Bu bölgede yapılan deniz tabanı ölçümlerinden belirlenen sınırlı kayma hızları da göz önüne alındığında, bu segmentin yüksek makaslama direncine sahip muhtemel kilitli bir segment olduğu ve AMF-OS'nin bariyer tipinde davranış sergilediği değerlendirilebilir. Bununla birlikte segmentin geometrik yapısı, homojen hız dağılımı, düşük depremselliği gibi özellikleri bir arada değerlendirildiğinde, komşu segmentlerde meydana gelebilecek büyük bir depremin (M > 7.0) bu segmenti kırması durumunda segment üzerinde kırılma hızının süper-kesme hızlarına ulaşması muhtemeldir. Kuzey Anadolu Fayı'nda 1999 yılında meydana gelen İzmit ve Düzce depremlerinde benzer yüzey geometrisine sahip segmentlerde de gelişen süper-kesme hızındaki kırılmalar göz önüne alındığında, Marmara Denizi'nde meydana geleceği öngörülen deprem(ler) için oluşturulan senaryolarda bu tip yaklaşımların yer alması, sismik tehlikenin doğru şekilde ortaya konmasında önemli katkılar sağlayabilir.
Son olarak, AMF segmentlerinin üzerinde de yer alan, geniş etki alanı ve geometrisiyle değerlendirildiğinde farklılık gösteren iki düşük hız zonu (~5.0 km/s) belirlenmiştir. Bunlardan BY altında 11-14 km derinlikleri arasında belirgin olarak görülen düşük hız zonu (DHZ1) akışkanlar yönünden zengin bir zon olarak değerlendirilmiştir. Farklı çalışmalarda BY bölgesinde deniz tabanında belirlenen derin kaynaklı gaz ve akışkan çıkışları bu yaklaşımı desteklemektedir. Diğer düşük hız zonu (DHZ2) ise OB-OY altında 9-11 km derinlik aralığındadır. DHZ2, Marmara Denizi'nde varlığı farklı yayınlarda önerilmiş olan İntra-Pontid Kenet Kuşağı boyunca ofiyolitik melanj ürünü olarak oluştuğu öngörülen serpantinit ile ilişkilendirilmiştir.

Abstract:
In this study, precise earthquake locations and three-dimensional (3-D) tomographic Vp and Vp/Vs models for depths down to 22 km in the Marmara Sea region are revealed using Local Earthquake Tomography method. This study stands out because of the depth extent of earthquakes located and tomographic sections obtained by using data recorded at Ocean Bottom Seismometer (OBS) stations covering a wider area for a longer time period compared to the earlier studies that provided limited spatial coverage both horizontal and vertical directions. Based on the 3-D Vp, Vp/Vs models and the earthquake distribution obtained, deep velocity anomalies and their relation to the tectonic processes in the region are discussed, and the segments of the Main Marmara Fault (MMF) are investigated in terms of their earthquake generation potential.
The seismological data set consists of passive (earthquake) and active (air-gun shot) source data which were provided from the experiments carried out in the Marmara Sea in 2001 and 2006 using OBS stations and earthquakes recorded by the land stations on the coastline. The data set includes 3852 P and 2643 S arrival times from 434 earthquakes and 4744 P arrival times from 557 air-gun shots recorded by 52 OBSs and 14 land stations. Precise locations of the OBSs are determined using the records of air-gun shots and travel time corrections are made for the first arrivals included in the data set.
Detailed analyses are carried out for the selection of the initial model used in the tomographic inversion. The first initial model (called the Marmara-V model) is obtained from the one-dimensional (1-D) Vp and Vs models using the OBS data set. The second initial model is a hybrid one (called the Marmara-B&V model) and is created using the Marmara-V model together with the previously published 3-D velocity model estimated for the upper crust. The analyses results suggest that the Marmara-V model produces the most reliable tomographic imaging for the region. The effect of inversion parameters (on the tomographic images) such as ray path coverage, model dimensions, distribution of grid nodes, damping parameter is investigated and inversion iterations are analyzed using the quality control parameters such as travel time residuals, data and model variances, rms error and χ2 values. The rms error calculated from the P and S travel time residuals for the 3-D tomographic model decreases by approximately 80 percent compared to the initial model. The reliability of the tomographic velocities is investigated by using various metrics such as derivative weighted sum (DWS), diagonal elements of the resolution matrix (RDE), single-parameter sensitivity and checkerboard resolution tests.
Earthquake locations obtained with the 3-D tomographic model indicate an increase of about 5 km in the hypocenter depths which is accompanied by average variations of 2.3 km in longitude and 0.6 km in latitude. Furthermore, the distribution of earthquake locations indicates two clusters in the ranges of 0-5 km and 8-22 km, respectively. Overall, hypocenter depths along the MMF reach down to 18 km in the east and 22 km in the west.
Comparison of tomographic depth sections created from the 3-D model and the 2-D seismic refraction/reflection sections obtained from previous studies shows that major basin boundaries in the Marmara Sea area are represented by a Vp of about 5.0 km/s. Thicknesses of the Çınarcık Basin (ÇB), Central Basin (CB) and Tekirdağ Basin (TB) reach up to 6 km, and the Vp values between the top of the basin and its lower boundary are generally in the range of 1.5 to 5.0 km/s. Other than the differences in velocities at the shallow depths under the Western High (WH) caused by differences in the sea bad morphology, the TB, WH and CB are characterized by relatively uniform low velocity structures at depths greater than 3 km.
Tomographic velocities and distribution of earthquake locations show that earthquakes generally concentrate in regions with low Vp or low-to-high Vp transitions beneath the Sea of Marmara. Tomographic sections and earthquake distributions indicate about 10-km-wide narrow structures characterized by high seismicity, low Vp values of about 4.3–5.3 km/s and high Vp/Vs ratios of about 2.0. These structures coinciding with the surface trace of the MMF and generally extending from a depth of 8 km to the deeper parts of the crust almost vertically are defined as two distinct segments developed due to shear caused by the strike-slip motion of the MMF.
Of these segments, the E-W trending western segment (MMF-WS) extends about 50 km between the TB in the west and CB in the east. This segment along which the highest seismicity is observed become evident at tomographic sections for the depths of 8-9 km, and at this segment hypocenter depths reach down to 22 km. Hypocenter depth distribution along this segment indicates a near-vertical (800 - 850) plane dipping to the south. High Vp velocities observed near the western boundary of the MMF-WS is in agreement with the Ganos Monoclinal defined as the extension of the Ganos Mountains into the Sea of Marmara. In addition to the sudden velocity variation observed in this area, the expansion and dispersion of the E-W trending linear feature of seismicity can be interpreted as the western boundary of the MMF- WS. In the eastern segment (MMF-ES), coinciding closely with the NW-SE trending surface trace of the MMF in the ÇB, hypocenter depths reach down to 18 km and lower seismicity is observed compared to MMF-WS. Lower velocities observed in the south of this segment and locations of shallow earthquakes are generally in agreement with the geothermal fields in the Armutlu Peninsula. The shear zone along this segment is characterized by low Vp anomalies (4.3-5.3 km/s) between the depths of 8 and 15 km, and appears to have an about 10 km width. Tomographic velocities as well as earthquake locations suggest that the fault along this segment is dipping to the south with an angle of about 750. This supports that the MMF-ES extends along the axis of ÇB at depth. From tomographic sections, anomalies observed along both segments, which are marked by high Vp velocities of about 6 km/s and low seismicity in the middle crust (at depths of ~5-10 km) may be interpreted to be potential asperities having high deformation energy.
The 50-km-long MMF middle segment (MMF-MS) lies between the MMF-WS and MMS-ES and is characterized by higher and more uniformly distributed Vp values of about 6.0-6.5 km/s and relatively lower Vp/Vs ratios of about 1.7 compared to the western and eastern segments. Furthermore, the seismicity along this segment is drastically low compared to the other two segments. It is clear that the MMF-MS exhibits both structural and rheological differences when interpreted in terms of tomographic velocities and seismicity. Based on its high shear strength and a lack of detectable geodetic slip for this region, it can be concluded that the MMF-MS is likely to be in a locked state and acting as a barrier. On the other hand, the linear geometry, vertically homogeneous velocity distribution and low seismicity of the MMF-MS makes it to be a potential site for super-shear rupture. Rupture of a large earthquake (M> 7.0) nucleating on either neighboring segments can propagate to this segment producing super-shear rupture velocities. The super-shear ruptures developed in the Izmit (17 August 1999, Mw=7.4) and Düzce (12 November 1999, Mw=7.2) earthquakes on the segments of the North Anatolian Fault having similar surface geometries to the MMF-MS. Thus, updating earthquake scenarios for the Marmara Sea region may be necessary for the evaluation of seismic hazard.
Finally, two low velocity zones (LVZs) (~ 5.0 km/s) with different widths and geometries are determined on the MMF segments. Of these LVZs, the LVZ1 is identified prominently at the depths of 11-14 km below the WH and is interpreted to be a fluid rich zone. The deep-source gas and fluid outlets observed at the seabed in the WH reported in previous studies support this finding. The LVZ2, which is found to be located between the Central High and CB at the depths of 9-11 km, may be associated with the serpentinite that is thought to have developed as an ophiolitic mélange product of the Intra-Pontide Suture zone reported previously.