Sapanca Gölü'ne ait yüksek çözünürlüklü sismik verilerin işlenmesi, gölün yapısal ve stratigrafik yorumlanması
Processing and interpretation of high-resolution marine seismic reflection profiles for recognition of faulting and sediment classification: Lake of Sapanca Turkey
Yazar: ESRA GÖNÜL
Danışman: PROF. DR. HÜLYA KURT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeofizik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, sağ yanal atımlı Kuzey Anadolu Fayı (KAF)'nın batıya uzanımındaki kuzey kolu üzerinde yer alan Sapanca Gölü'ne ait yüksek çözünürlüklü sığ sismik (Compressed High-Intensity Radiated Pulse, CHIRP) ve sonar verileri kullanılarak yapısal ve stratigrafik yorumlamalar gerçekleştirilmiştir. Veriler "Sapanca Gölü ve Civarının Aktif Tektoniğinin Jeofizik Yöntemlerle Araştırılması" başlıklı bir TÜBİTAK-1001 projesi (Proje No: 117Y130) kapsamında 2018 yılının kasım ayında toplanmıştır.
Sapanca Gölü, Türkiye'nin kuzeybatısında, İzmit ile Sakarya illeri arasında yer almaktadır. KAF'a bağlı tektonik kökenli bir oluşum gösteren göl bir tatlı su havzasıdır. Yaklaşık doğu-batı doğrultusunda 15.8 km ve kuzey-güney doğrultusunda 5.5 km uzunluğunda olan gölün en derin yeri yaklaşık 54 metredir. Göle genelde güneyinden olmak üzere toplam 12 adet nehir dökülmektedir. Gölün KAF Zonunun (KAFZ) üzerinde yer alması ve sınırlarını tanımlayan komşu morfolojik yapılar, bölgenin tektonik olarak karmaşık bir yapıda olduğunu göstermektedir.
Türkiye'deki tektonik rejim üç ana unsur tarafından yönetilmektedir; Ege-Kıbrıs Arkı, sağ yanal KAF ve sol yanal Doğu Anadolu Fayı (DAF). Ege-Kıbrıs Arkı, güneydeki Afrika Levhasının kuzeydeki Anadolu Levhası altına daldığı yaklaşan bir levha sınırıdır. Sağ yanal KAF ve sol yanal DAF, Anadolu Levhasının Arap ve Avrasya levhaları arasındaki çarpışma bölgesinden batıya doğru ilerlediği kıtalararası yanal atımlı faylardır. 1600 m uzunluğa sahip ve sağ yanal doğrultu atım özelliğine sahip KAF, Türkiye'nin kuzey kesiminin son tektonik ve morfolojik gelişimini yöneten en önemli unsurdur. KAFZ, çoğunlukla doğrultu atım bileşenli büyük depremler üreten, dünyanın sismik olarak en aktif fay bölgelerinden biridir. 17 Ağustos 1999-İzmit (Mw=7.4), 12 Kasım 1999-Düzce (Mw=7.2), 22 Temmuz 1967-Mudurnu (Mw=7.1) ve 26 Mayıs 1957-Abant (Mw=7.0) depremleri göle yakın alanlarda olan ve geçen yüzyılın önemli depremleridir. KAFZ'nin kuzey kolunda gerçekleşen, İzmit depreminin yüzey kırıkları Sapanca Gölü'nden geçen segmentler içermektedir. Mudurnu depreminin göl içinde kırık yaratıp yaratmadığı konusunda tartışmalar devam etmektedir.
Sapanca Gölü'nde yapılacak olan jeolojik ve jeofizik çalışmaların KAF'ın bu bölgedeki etkileri hakkında önemli bilgiler sunacağı muhakkaktır. Gölün denizaltı tektonik özelliklerini inceleyen önceki araştırmacılar esas olarak Sapanca Gölü'nü bir çek-ayır havza olarak tanımlayıp, KAF fay geometrisinin bu bölgede çek-ayır ve/veya step-over özellik gösterdiğini belirtmişlerdir. Gölün oluşumuna dair bu çalışmalar tek ışınlı batimetri ve kısıtlı sayıda sığ derinlikli sismik verilere dayanarak yapılmıştır. Ancak bu tez çalışmasında kullanılan CHIRP ve sonar verilerinin dâhil olduğu TÜBİTAK-1001 projesinde toplanan multibeam batirmetrik verilerin göle ait yapısal yorumlamalarda oldukça büyük katkısı olmuştur. Tez kapsamında kullanılan CHIRP verilerinin toplandığı hatlar KAF'ın olası D-B doğrultusuna dik olacak şekilde seçilmiş toplam 55 km uzunluklu 28 adet hattan oluşmaktadır. Sonar verileri de multibeam verilerinin olmadığı alanlarda fayın takibini sağlayabilmek amacıyla gölün kıyıya yakın alanlarında toplanmıştır.
CHIRP, deniz ve göl tabanı altındaki çökellerin yüksek çözünürlükte görüntülenmesi için kullanılan taban altı profili görüntüleme sistemlerinden (Sub-Bottom Profiling, SBP) biridir. SBP geniş frekans aralıklarında çalışan ve sığ yansıma profilleri elde etmek amacıyla kullanılan sismik yansıma yöntemlerinden birisidir. Akustik bir dalganın oluşumu ve tespiti, sismik yansıma yöntemlerinin ortak temel prensibidir. Aynı prensibe dayanarak, bu verilerde, kaynak su kolonundan deniz tabanına geçecek kısa bir ses darbesi (atış) üretilir ve enerji, farklı akustik empedans değerlerine ait tabakalar arasındaki ara yüzeylerden geri yansır. Yansıyan enerji bir hidrofon veya hidrofon dizisi tarafından algılanır ve zamana karşı yan yana görüntülenen izler olarak kaydedilir. Çeşitli farklı çalışma frekansları, çözünürlük ve nüfuz derinliği değerlerine sahip taban altı profili görüntüleme sistemleri vardır. CHIRP sistemi, sıkışma (pressure) dalgaları üretmek için kaynak imzası bilinen akustik sweep sinyalini kaynak olarak kullanır. CHIRP veri setindeki hatların uzunluğu ve konumu, morfoloji ve aynı proje kapsamında toplanan çok ışınlı batimetri verilerinde gözlemlenen değişimler göz önünde bulundurularak, su derinliği ve veri toplarken kullanılan teknenin operasyon özelliklerine bağlı olarak toplanmıştır.
Yandan taramalı sonar sistemleri, araştırma gemisinin bir veya her iki tarafında yüksek frekanslı ses dalgaları üreten alıcı-verici transdüserlerin kullanılmasıyla deniz tabanının tarandığı bir akustik inceleme yöntemidir. Araştırma gemisine doğru eğimli olan kayaç yüzlekleri ve çökel yüzey formları gibi deniz tabanı yüzey yapıları, transdüsere doğru akustik enerjiyi yansıtır. Gemiden uzağa eğimli olan yapılar söz konusu olduğunda ise, akustik enerji transdüserlerden uzağa yansır. Transdüserlere yansıyan sinyaller kaydedilir ve bu kayıtlar, deniz tabanında var olan yapıların biçim ve yönelimleri veya kayaç yüzleklerinin biçimleri hakkında bilgi sağlar. Bu bilgiler, CHIRP gibi sığ sismik yansıma araştırmalarından elde edilen yeraltı bilgilerinin tamamlanmasında çok yararlıdır.
Bu tez kapsamında gerçekleştirilen veri işlem çalışması İstanbul Teknik Üniversitesi, Jeofizik Mühendisliği Bölümü, Nezihi Canıtez Sismik Veri İşlem Laboratuvarı'nda bulunan ECHOS® (Emerson) sismik veri işlem yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sismik veri işlem, yeraltı ara-yüzeylerinin daha iyi görüntülerinin elde edilmesi için fizik ve matematik esaslara dayanan hesaplama teknikleri kullanılarak sismik verilerin iyileştirilmesi olarak tanımlanabilir. Veri işlem aşamalarında, en uygun parametreler seçilerek işlenmiş sismik verilerin ortaya çıkardığı yeraltı görüntülerine dayanarak yapılar doğru bir biçimde yorumlanabilmektedir. Testler sonucunda belirlenen en uygun veri işlem parametreleri, çalışma alanı nispeten küçük olduğundan ve elde edilen veri karakteristikleri oldukça benzer olduğundan, her hat için aynı kabul edilerek kullanılmıştır. Veri işlem basamakları, uygulama sırasına göre, filtreleme (minimum faz dönüşümü), iz dengeleme, dekonvolüsyon ve migrasyon işlemleridir.
Sismik kesitlerde, KAF kendisini göl tabanında küçük ölçekli kıvrım ve daha derine doğru fayın iki tarafındaki çökel tabakalarında seviye farklılıkları yaratan düşey bir süreksizlik olarak ortaya koymaktadır. KAF olarak sismik kesitlerde belirlenen düzensizlikler sonar verilerinde de çizgisel yapılar olarak gözlemlenmektedir. Bu çalışma kapsamında üretilen fay haritası incelendiğinde KAF'ın, göle doğusundan girip B-KB yönelimi ile batıya doğru uzandığı görülür. KAF'ın oluşturduğu bu fay geometrisi, fayın Sapanca Gölü'nde releasing bend (ayrılma tümseği) karakteristiği ile geliştiğini gösterir. Göl tabanından itibaren yaklaşık 15 m kalınlığa ulaşan çökel tabakaları üzerinde fayın etkisi gözlemlenebilmektedir.
Taban altı çökel tabakalarının ve haritalanan fayın bu tabakalara etkisini belirlemek için veri işlem sonucunda elde edilen sismik kesitler stratigrafik açıdan yorumlanmış ve üç ana sismik birim seviyesi belirlenmiştir. Bu birimlerin litolojik açıdan da tanımlanması için gölde daha önce yapılmış çalışmalardan elde edilen yaklaşık 6 m derinlikli karot bilgileri kullanılmıştır. Göl tabanından alındığı noktanın üzerinden geçen kesit ile ilişkilendirilen karot bilgileri sonucunda yansıma karakterleri ile karottaki çökel yapıların uyum sağladığı gözlemlenmiştir. Göl tabanı altında çökellerin genellikle siltli-killi birimlerden oluştuğu ve derinleştikçe çökelmenin laminasyonlu yapıdan kaotik yapıya geçtiği gözlemlenmiştir. Göl içerisinde su seviyesi değişiminin sismik birimlerin göle giren çökel malzemeye bağlı olarak artış gösterdiği belirlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, structural and stratigraphic interpretations were performed using high resolution shallow seismic (Compressed High-Intensity Radiated Pulse, CHIRP) and sonar data collected in Lake Sapanca that located on the northern branch of the right lateral strike North Anatolian Fault (NAF) to the west. The data were collected in November 2018 within the scope of a TÜBİTAK-1001 project (Project No: 117Y130) titled "Investigation of Active Tectonics of Lake Sapanca and Surrounding with Geophysical Methods".
Lake Sapanca, located between the provinces of Sakarya and Izmit in the northwest of Turkey. The lake that showing a tectonic origin connected to the NAF is a freshwater basin. The deepest part of the lake, which is about 15.8 km-long in the east-west direction and 5.5 km-long in the north-south direction, is about 54 meters. Lake basin is feed by a total of 12 streams which mostly located south of the lake. The location of the lake on the NAF Zone (NAFZ) and the neighboring morphological structures that define its boundaries indicate that the region is tectonically complex.
Tectonic regime in Turkey is governed by three main elements; Aegean-Cyprus Arc, right lateral (dextral) NAFZ and left lateral (sinistral) Eastern Anatolian Fault Zone (EAFZ). The Aegean-Cyprus Arc is a convergent plate boundary, where the African Plate in the south subducting beneath the Anatolian Plate in the north. The right lateral North Anatolian Fault Zone and the left lateral Eastern Anatolian Fault Zone are transcontinental strike-slip faults, in which the Anatolian Plate moves west from the collision zone between the Arab and Eurasian plates. With a length of 1600 m and right-lateral strike-slip feature, North Anatolian Fault (NAF) is the most important factor governing the recent tectonic and morphological development in the northern part of Turkey. NAFZ is one of the most seismically active fault zones in the world, producing major earthquakes with mostly strike-slip components. August 17, 1999-Izmit, November 12, 1999-Düzce, July 22, 1967-Mudurnu and May 26, 1957-Abant earthquakes are important earthquakes of the past century, near the lake. The surface ruptures of the Izmit earthquake in the northern branch of NAFZ includes segments passing through Lake Sapanca. Discussions continue on whether the Mudurnu earthquake caused ruptures in the lake basin.
It is certain that geological and geophysical studies in Lake Sapanca will provide important knowledge about the effects of NAFZ in this region. Previous researchers that examined the submarine tectonic characteristics of the lake mainly defined Lake Sapanca as a pull-apart basin and stated that the NAF fault geometry shows pull-apart and/or step-over features in this region. These studies were based on a single-beam bathymetry and a limited number of shallow depth seismic data collected from the lake. However, multi-beam bathymetric data collected in the TÜBİTAK-1001 project, which includes the CHIRP and sonar data used in this thesis, has contributed significantly to the structural interpretations of the lake. CHIRP data set used in the thesis consist of 28 lines with a total length of 55 km, orientations of lines selected to be perpendicular to the possible W-W direction of the NAF. Sonar data were also collected in areas near the shore of the lake in order to follow the fault in areas where there is no multi-beam data.
CHIRP is one of the sub-bottom profiling systems (SBP) that used for high-resolution imaging of sediments under the sea and lake floor. SBP is a seismic reflection methods used to obtain shallow reflection profiles that have wide frequency ranges. The generation and detection of an acoustic wave is the common basic principle of seismic reflection methods. Based on the same principle, in this data, a short sound pulse (shot) is produced that will proceed from the water column to the seafloor. The energy that travels from source to structure is reflected back from the interfaces between the layers of different acoustic impedance values. The reflected energy is sensed by a hydrophone or hydrophone array and recorded as traces that are displayed side by side against time. There are several types of sub-bottom profiling systems with various different operating frequencies, resolution and penetration depth values. High-resolution acoustic reflection systems. The CHIRP system uses the acoustic sweep signal as a source to generate pressure waves. The length and location of the lines in the CHIRP dataset were collected, depending on the water depth and the operating property of the boat used to collect the data, based on morphology and changes observed in the multi-beam bathymetry data collected within the same project.
Side-scan sonar systems are an acoustic survey method in which the seabed is scanned using transceiver transducers that produce high-frequency sound waves on one or both sides of the research vessel. Sea floor surface structures, such as rock outcrops and sedimentary surface forms, which are inclined towards the research vessel, reflect acoustic energy towards the transducer. In the case of structures that are inclined away from the ship, acoustic energy is reflected away from the transducers. The signals reflected in the transducers are recorded and these records provide information about the shapes and orientations of structures existing on the sea floor or the shapes of rock outcrops. This information is very useful in completing subsurface information obtained from shallow seismic reflection studies such as CHIRP.
The data processing performed in the scope of this thesis was carried out using ECHOS® (Emerson) seismic data processing software located in the Nezihi Canıtez Data Processing Laboratory in the Department of Geophysical Engineering of Istanbul Technical University. Seismic data processing can be defined as improving seismic data by using computational techniques based on physics and mathematics to obtain better images of subsurface interfaces. By processing data with the optimum data processing parameters, data ensure the correct interpretation of subsurface structures. Optimum data processing parameters determined as a result of the tests that performed were used considered to be the same for each line since the working area is relatively small and the data characteristics obtained are quite similar. Data processing steps that performed on the data set according to the order of application are filtering (minimum phase transformation), trace balancing, deconvolution, and migration processes.
In seismic sections, NAF emerges as a vertical discontinuity that creates small-scale fold at the bottom of the lake and alignment differences in the sedimentary layers on both sides of the fault. Discontinuities determined in seismic sections as NAF are also observed as linear structures in sonar data. When the fault map that produced as a part of this study analyzed, the NAF can be seen as a structure that enters the lake from the east and extends to the west with the B-NW orientation. The fault geometry of the NAF shows that the fault evolved in Lake Sapanca with the characteristic of releasing bend. The effect of the fault can be observed on sediments, which have reached a thickness of about 15 m from the lake floor. It has been determined that the water level change in the lake increases depending on the excessive sedimentary material entering the lake.