27 Eylül 2021 Girit depremi ve artçıları için derin öğrenmeye dayalı detaylı sismik kataloğun oluşturulması
A deep learning-based construction of detailed seismic catalog for the 27 September 2021 Crete earthquake and its aftershocks
Yazar: ZEYNEP NİHAL BALKAYA
Danışman: PROF. DR. MEHMET SİNAN ÖZEREN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Katı Yer Bilimleri Ana Bilim Dalı / Jeodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering

Özet:
Helen Dalma Batma Zonu ve Girit'de son yıllarda arka arkaya 6 ve üzeri büyüklüklerde depremlerin sık olmuş olması bu çalışmanın çıkış noktasını oluşturmaktadır. 27 Eylül 2021'de adada meydana gelen Mw 6.0 büyüklüğündeki depremi ve sonrasındaki artçıları incelemek amacıyla bir katalog oluşturulmaya karar verilmiştir. Girit Adası ve Helen Dalma Batma Zonu çevresinde 26 Eylül 2021 ve 31 Ocak 2022 tarihleri aralığında gerçekleşen depremler için derin öğrenmeye dayalı bir dedektör ve faz seçici olan EQTransformer ve kaynak konumu için faz tespitlerinin tutarlılığına dayanan bir kod olan REAL kullanılarak hassas bir deprem kataloğu oluşturulmuştur. 
Sismolojide sismik aktiviteyi izlemek için pek çok adım kullanılır. Geçmişte manuel olarak gerçekleştirilen bu adımlar günümüzde faz gelişlerini tespit etmek için tasarlanan algoritmalarla otomatik olarak gerçekleştirilmektedir. Sürekli sismik veriler içinde sismik olayın başlangıç zamanını tanıma, P ve S dalgalarının varış zamanını belirleme sismolojide çok önemlidir ve veri kümelerinin çok büyük olması sismolojiyi derin öğrenme uygulamalarına çok elverişli hale getirir. 
27 Eylül 2021'de Girit adasında Arkalochori yakınlarında ada içinde aletsel dönemde kaydedilmiş en büyük deprem meydana geldi. Aletsel büyüklüğü Mw 6.0 olan ve adadaki normal faylardan Kastelli Fayı yakınlarında meydana gelen deprem 1 ölüme ve adada hasara neden oldu. Ana şoku aynı gün içinde 4 ve üzeri büyüklükte birçok artçı şok takip etti. Ertesi gün 5.3 Mw büyüklüğünde en büyük artçı şok yaşandı ve ilk birkaç gün yüzlerce deprem meydana geldi.  
Bu çalışmada daha ayrıntılı bir katalog oluşturmak ve dolayısıyla artçı depremleri daha detaylı tesbit etmek amacıyla ada ve çevresinde yer alan Hellenic Unified Seismological Network'e ait HC, HI, HL, HT ve GE ağlarına ait yedisi ivmeölçer, biri kısa periyot ve yirmi geniş bant olmak üzere toplamda yirmi sekiz istasyondan gelen sürekli dalga formlu MiniSEED formatında olan veriler için derin  sinir ağı temelli yapay zeka tabanlı bir deprem sinyali dedektörü ve P ve S faz seçici olan EQTransformer kullanıldı. Bu işlemden sonra ise REAL (Rapid Earthquake Association and Location) ile daha önceden EQTransformer ile seçilmiş olan P ve S fazları birbirleriyle ilişkilendirilerek depremler tesbit edildi. Girit'e ait 1 boyutlu hız modeli ile bu tesbit edilen depremlerin yerleri Hypocenter programı ile konumlandırıldı. Sonrasında depremlerin lokal büyüklükleri (ML) hesaplandı ve böylece 23°-28.5° boylam; 34.5°-36.5° enlemlerini kapsayan 128 günlük bir katalog oluşturuldu. Böylelikle NOA ve ISC kataloglarına göre çok daha hassas bir deprem kataloğu elde edildi. 
Çalışmada EQTransformer ile oluşturulan katalogda 23°-28.5° boylam; 34.5°-36.5° enlemlerini kapsayan 128 günlük zaman aralığında bulunan deprem sayısı 14958'dir. Aynı zaman ve koordinat aralığı için bu sayı NOA kataloğunda 6341, ISC kataloğunda ise 6360'dır. Sonraki tüm kıyaslamalar ISC kataloğu ile yapılmıştır. EQTransformer ile oluşturulan katalog ve ISC kataloğunun ortak olarak bulmuş oldukları deprem sayısı 4004'dür. Yalnızca EQTransformer ile oluşturulmuş olan katalogda bulunan deprem sayısı 10954'dür. Sadece ISC kataloğunda bulunan depremlerin sayısı ise 2356'dır. 2'den küçük depremleri bulmada EQTransformer'ın oldukça başarılı olduğu görülmüştür. EQTransformer ile oluşturulan katalogda 2'den küçük depremlerin sayısı 10724'dür. Bu sayı ISC kataloğu için 3316'dır. 
Adadaki deprem ve artçılarını incelemek amacıyla EQTransformer ile oluşturulan katalog 34.9°-35.5° enlem ve 24.8°-25.8° aralığında daraltıldı. Bunun sonucunda EQTransformerın bulmuş olduğu deprem sayısı 13325, aynı koordinatlarda ISC kataloğundaki deprem sayısı ise 4818 oldu. Bu depremlerin EQTransformer ile oluşturulan katalogda bulunanların 10035'i 2'den daha küçüktür. ISC kataloğunda ise 4818 depremden 2832'si 2'den küçüktür. 3'den büyük depremlerin her iki katalogda ortak olarak daha kolay yakalanabildiği görülmüştür. Ada içinde her iki katalogda ortak olarak bulunan deprem sayısı ise 3601'dir. Depremlerin derinlik dağılımına baktığımızda ise ağırlıklı olarak 0-10 km'de meydana geldiğini ve ilk 20 km'de olduğunu görürürüz. 
27 Eylül 2021'de saat 6:17'de meydana gelen Girit adasındaki deprem çözülen odak mekanizma sonuçlarına göre 25.25° boylam ve 35.18° enleminde, 4.1 km derinlikte, doğrultusu 229°, eğimi 43° ve atım açısı -73° bulunmuştur. Buna göre diğer çalışmalara benzer olarak Kastelli Fayı'nın Avli segmentinde Heraklion-Messara Havzasının yönelimine benzer olarak GGB-KD-GB-KD gidişli, neredeyse doğrultu atımlı normal fay olduğu sonucuna varılır. Bulunan sismisite dağılımı ile fayın yönelimi benzerlik göstermektedir. Böylelikle daha hassas bir deprem kataloğu oluşturulmuş ve ada içindeki ilk gün ve sonraki gün olan bazı depremlerin odak mekanizma çözümleri yapılmıştır.

Abstract:
One of the most interesting regions in the Eastern Mediterranean is the Hellenic Arc. Its complex velocity structure, complex seismicity and poor station distribution make it difficult to understand, despite many studies conducted to date. The Hellenic Arc, located in the Aegean and Eastern Mediterranean, is an old subduction zone; It was formed by the subduction of the Mediterranean plate under Greece (Aegean) and Western Turkey (Anatolia) due to the African-Eurasian convergence. The Mediterranean Oceanic Crust subducts northward beneath Crete at a rate of 35 mm per year, resulting in extension in the Aegean and western Turkey and crustal spreading along the East African Rift system. 
These tectonic movements determine the high seismicity of the region. Historically, major earthquakes have occurred in the region: an 8.4 magnitude earthquake in Western Crete in 365 BC raised the western coast of the island by 10 meters; In 1303, a magnitude 8 earthquake occurred in the east of the island. In 1956, the 7.4 magnitude Amargos earthquake created a huge tsunami in the Aegean. However, approximately 80% of the subduction process occurs aseismically.
There have been frequent earthquakes in recent years in Hellenic Subduction Zone and Crete with magnitudes 6.0 and above. Following the 6.0 magnitude earthquake happened on 27 September 2021 in the island, there was anomalously high rate of seismicity both inland and offshore. The goal of this study was to create a catalog to examine the 6.0 magnitude earthquake and its aftershocks. A high-precision earthquake catalog for the aftershock sequence was generated utilizing a deep learning-based detector and picker, EQTransformer and associated by a code that relies on consistency of the phase detections for a source location; Rapid Earthquake Association and Location (REAL), focusing on seismic events around the Crete Island and the Hellenic Subduction Zone on 26 September 2021 and 31 January 2022.  
There are many steps followed in seismology to monitor seismic activity. These steps, which were performed manually in the past, are now performed automatically with algorithms designed to detect phase arrivals. Recognizing the onset time of a seismic event and determining the arrival time of P and S waves within continuously developing seismic data is very important in seismology, and the very large size of the datasets makes seismology very suitable for deep learning applications. 
The largest earthquake recorded during the instrumental era occurred in the island of Crete near Arkalochori on 27 September 2021. The earthquake of instrumental magnitude 6.0 Mw, which occurred near the Kastelli Fault - one of the normal faults on the island - created damage and killed 1 person in the island. The main shock was followed by 26 aftershocks of magnitude 4 and above on the same day. The next day, there was the largest aftershock of 5.3 Mw, and hundreds of earthquakes occurred in the first few days. 
The current study used an a deep neural network-based and artificial intelligence-based earthquake signal detector EQTransformer, which is a P and S phase picker, for data in continuous waveform MiniSEED format collected from a total of 28 stations, including 7 accelerometers, 1 short period, and 20 broad band belonging to the HC, HI, HL, HT, and GE networks of the Hellenic Unified Seismological Network on the island and its surroundings, in order to create a more detailed catalog and thus to detect aftershocks in more detail. After this, REAL (Rapid Earthquake Association and Location) was used to associate P and S phases previously picked with EQTransformer and the earthquakes were identified. With the 1-dimensional velocity model of Crete, the locations of the detected earthquakes were located using the software HYPOCENTER. Then, the local magnitudes (ML) of the earthquakes were calculated and a 128-day catalog covering longitudes 23°-28.5° and latitudes 34.5°-36.5° was created. Thus, a much more sensitive earthquake catalog was obtained compared to the NOA and ISC catalogs. 
The number of earthquakes in this coordinates and time range in the catalog with EQTransformer is 14958. For the same time and time coordinates, this number is 6341 in the NOA catalog and 6360 in the ISC catalogue. All subsequent comparisons were made with the ISC catalogue. The earthquake numbers that EQTransformer catalog and the ISC catalog have in common are 4004. The number of earthquakes in the catalog created only with EQTransformer is 10954. The number of earthquakes in the ISC catalog alone is 2356. EQTransformer was found to be quite successful in detecting earthquakes smaller than magnitude 2. The number of magnitude less than 2 earthquakes in the working catalog with EQTransformer is 10724. This number is 3316 for the ISC catalog.
In order to examine the earthquake and its aftershocks on the island, the catalog created with EQTransformer was narrowed to the range of 34.9°-35.5° latitude and 24.8°-25.8°. As a result, the number of earthquakes found by EQTransformer was 13325, and the number of earthquakes in the ISC catalog at the same coordinates was 4818. 10035 of these earthquakes in the catalog created with EQTransformer are smaller than 2. In the ISC catalogue, 2832 of 4818 earthquakes are smaller than 2. It has been observed that earthquakes larger than 3 can be captured more easily in common in both catalogues. The number of earthquakes on the island common to both catalogs is 3601. When we look at the depth distribution of earthquakes, we see that they mainly occur at 0-10 km and in the first 20 km.
When we look at the depth distributions of earthquakes, we encounter many earthquakes at 0 km in the catalog created with EQTransformer. This may be because the speed model may not have fully adapted to the region, and there may be errors in the P and S picks. When we look at the residual values, we see that the P residuals are quite good, while there may be some extreme values in the S values. From here we conclude that EQTransformer is more successful in P picks. At the same time, it is thought that the complex tectonic and velocity structure of Crete may have caused the distribution of P and S residues to be wide, and since a one-dimensional velocity model was used, this velocity model may not have covered every region in the selected study area. It may be better to divide a region with such a complex velocity structure into at least a few parts and evaluate the results that way.
According to the resolved focal mechanism results of the earthquake on the island of Crete, which occurred at 6:17 on September 27, 2021, it was found at 25.25° longitude and 35.18° latitude, at a depth of 4.1 km, with a strike of 229°, dip 43° and a rake angle of -73°. Accordingly, similar to other studies, it is concluded that the Avli segment of the Kastelli Fault is a SSW-NE-SW-NE trending, almost strike-slip normal fault, similar to the orientation of the Heraklion-Messara Basin. The seismicity distribution found and the orientation of the fault are similar. Thus, a more precise earthquake catalog was created and focal mechanism solutions of some earthquakes on the first day and the next day within the island were made.
During the time period chosen for the study, there were three earthquakes with a magnitude of 6.0 on the island on September 27, a magnitude 6.4 earthquake off the coast of Crete on October 12, and a magnitude 6.0 earthquake off the coast of Crete on October 19. The earthquakes have no relationship with each other. It is thought to be related to the seismicity of the Hellenic arc and Crete. The aftershocks of the earthquake on the island can be observed both in the ISC catalog and in the catalog created with EQTransformer. However, especially the aftershocks of the earthquake on October 19 could not be observed because they were in a region not covered by the station distribution, off the southeastern coast of Crete. Poor station distribution makes it difficult to interpret the region seismologically. 
Although the seismicity distribution found in the study is more dense than the ISC catalogue, it is similar. It is compatible with the focal mechanism solutions and the tectonic structure in the region.