Kafkasya, Doğu Anadolu ve Kuzeybatı İran depremlerinin kaynak mekanizması özellikleri ve yırtılma süreçleri
The source mechanism properties and rupture histories of the Caucasian, Eastern Anatolian and North Western Iranian earthquakes
Yazar: ONUR TAN
Danışman: PROF. DR. TUNCAY TAYMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2004
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering

Özet:
Dünyadaki kıtasal çarpışmaların en genç ve aktiflerinden olan Arabistan- Avrasya çarpışması Doğu Anadolu, Kafkaslar ve Kuzeybatı Iran üzerinde oldukça etkilidir. Kıtasal çarpışma, Güney Doğu Anadolu ve Kafkaslar başta olmak üzere bindirmelere neden olurken Doğu Anadolu'da ve Kuzeybatı İran'da büyük depremler üretebilen doğrultu atımlı faylanmalar oluşturmuştur. Güncel araştırmalardan Arabistan Levhası'nın ~18 mm/yıl'lık bir hızla kuzeye hareket ettiğini buna karşın Kafkaslar üzerinde 6-10 mm/yıl'lık bir kısalmanın olduğu bilinmektedir. Kafkaslardaki bu kısalmanın ne kadarının sismik aktivite ile karşılandığı yetersiz gözlemsel veri nedeniyle kesin olarak bilinememektedir. Kuzey Anadolu ve Doğu Anadolu fay zonları (KAF ve DAF) boyunca Anadolu Bloğu batıya hareket etmesiyle ortaya çıkan hız miktarı ise faylar üzerinde sırasıyla 24 ve 9 mm/yıl civarındadır. GPS hızları, sıkışma nedeniyle batıya kaçmanın her iki fay zonu üzerinde eşit olarak karşılanmadığını göstermektedir. Hazar Denizi 'ne yakın kesimlerde ise hız bilgileri henüz güvenilir olarak elde edilememiştir. Aktif deformasyon nedeniyle meydana gelen depremsellik ana fay zonlarını göstersede 1960'dan sonraki büyük sayılabilecek az sayıda deprem vardır. Buna karşın tarihsel kayıtlarda çok sayıda büyük deprem rapor edilmiştir. Bu çalışmada güneyde Palmira Kıvrım Zonu'ndan kuzeyde Kafkaslar'a kadar uzanan (34°-44°K- 35°-51°D) ve Arabistan-Avrasya kıtasal çarpışmasının tamamının gözlendiği bölgede 1980 sonrasında meydana gelen depremlerin kırılma mekanizması özellikleri incelenmiştir. Depremlerin incelenmesinde sismolojide kabul görmüş iki tür cisim dalgası ters çözüm yaklaşımı kullanılmıştır. Bunlardan ilki depreme ait kırılmanın yönelimini, derinliğini ve açığa çıkardığı enerjinin belirlenmesini sağlayan odak mekanizması çözümü yöntemidir. Diğer yöntem ise Türkiye ve civarındaki depremlere bugüne kadar uygulanmayan kayma dağılımı modellemesidir. Toplam 40 orta ve büyük ölçekli (7.0^MW^5.4) deprem, uzun periyot ve geniş-bant P ve SH cisim dalgaları analiz edilerek incelenmiştir. Türkiye-Gürcistan sınırını ve Ermenistan'ın tamamım içine alan Küçük Kafkaslar, KB-GD uzanımlı ve bindirme bileşeni içeren sağ yönlü Pampak-Sevan Fayı ile GB-KD uzanımlı sol yönlü Kuzey Doğu Anadolu Fayı (KDAF) arasında kalmaktadır. Her ne kadar bindirme bileşeni bölgenin yükseldiğini gösterse de iki fay zonu arasında kalmasından dolayı bölgenin kuzeybatısında açılma sisteminin sismolojik ve morfolojik belirtileri vardır. Büyük Kafkaslar'da ise dağ sırasına paralel faylanma mekanizmaları gözlenmektedir. Ancak doğu ve batısı arasında önemli sismik etkinlik farkı bulunan bölgede sıkışma sistemine dik ters faylanmalara da rastlanmaktadır. Depremlere ait parametreler incelendiğindebatıdan, doğuya doğru faylanma yönelimlerinin saat yönünde döndüğü görülür. Bunun ana nedeni KDAF üzerindeki sol yanal hareketin güneyden gelen tektonik kuvveti tüm bölgenin üzerine değil çok büyük oranda Doğu Büyük Kafkaslar'a iletmesidir. Özellikle Dağıstan civarındaki depremler yataya çok yakın güneye dalımlı faylar üzerinde gelişmektedir. Kura-Bakü civarında ise eski dalma-batma zonunun etkisiyle üst kabukta normal faylamalar gözlenmektedir. Elde edilen faylanma mekanizmalarının karakteristiği Doğu Anadolu'dan başlayan ve gravite çalışmalarına dayanılarak Büyük Kafkaslar 'ı ikiye böldüğü düşünülen Borjomi-Kazbeg Fayı'nın varlığı ile çelişmektedir. Faylanma mekanizmaları Doğu Anadolu'da gözlenen KDAF'ın Tiflis (Gürcistan) civarında sonlandığım, daha kuzeyde ise yanal atımlı faylanmanın izlerinin olmadığım göstermektedir. Yapılan ters çözüm sonuçlarına göre iki önemli büyük sarsıntı olan Spitak ve Racha depremlerinin, önceki çalışmalarda belirtilenin aksine, karmaşık kırılma mekanizmalarına sahip olmadığı, aksine fay alanında tek düze bir hareketin meydana geldiği bulunmuştur. Bunun yanında Spitak depreminde kırılmasının güneydoğuya ilerlediği sonucu arazi gözlemleriyle de uyumludur. Son dönemde Doğu Anadolu'da meydana gelen depremlere ait faylanma mekanizmaları, D AF üzerindeki sol yanal atımın Karhova-Pülümür arasında baskın olduğunu, daha güneybatıda Malatya Fayı ile kesişmenin olduğu Sürgü civarlarında, hem normal hem de ters faylanmaların geliştiğini göstermektedir. Fay zonunun en ucundaki 1998 Adana depreminin ise daha önceki çalışmaların aksine çok daha sığ derinlikte ve daha küçük bir alanı kırarak meydana geldiği belirlenmiştir. Pülümür'den Bingöl'e uzanan zon boyunca son on yılda meydana gelen depremler KAF üzerindeki faylanma yönehmlerine göre daha güneye dönüktür. Son dönemdeki bu deprem aktivitesi yeni bir deformasyon zonunun göstergesidir. Karlıova yakınlarındaki depremler ise KAF'ın sağ yanal özelliğini gösterirken, üçlü birleşmenin hemen doğusunda bindirme bileşeni önemli oranda artmaktadır. Benzer özellik Van Gölü'nün güney sınırındaki depremlerde de bulunmaktadır. Hakkari civarından başlayarak Basra Körfezi boyunca devam eden Zagros Dağları üzerideki depremler hem sağ yanal atımlı hem de bindirme özelliğine sahipken, Urmiye Gölü'nün batısındaki küçük ve orta büyüklükteki depremler normal faylanma gösterirler. D-B yönlü bu açılma sistemi, Karlıova'dan Tebriz'e doğru uzanan benzer sağ yanal faylanmalarla Zagros'daki Güncel Ana Fay üzerinde daha farklı doğrultudaki sağ yanal hareketin ilişkisinden kaynaklanıyor olabilir. Kuzey Zagros'daki KB-GD bindirmelere ait kayma vektörleri daha batıda Arabistan Levhası'nın kuzeyindeki derin odaklı Palmira depremleri ile aynı doğrultuya sahiptir. Çok az depremsellik göstermesine rağmen Palmira Kıvrım kuşağı üzerindeki yanal hareket sağ yönlü değil sol yönlüdür. Güncel Kuzeybatı İran depremleri ise ağırlıklı olarak Hazar Denizi yakınlarındadır. Tebriz gibi iç kısımlarda büyük tarihsel depremler bilinmesine karşın yakın tarihte bir hareket gözlenmemiştir. Savaları ve Tales civarlarıdaki yanal atımlı faylanma mekanzimaları Iran Bloğu'nun güneydoğuya hareketinin sonucu olarak meydana gelmişler ve bunlar çevredeki diğer depremlerden farklı olarak daha karmaşık kırılma özelliğine sahiptirler.Doğu ve Batı Büyük Kafkasya depremlerine ait kayma vektörleri ve sıkışma (P) eksenleri iki bölgenin farklı kuvvet sistemi altında olduğunu gösterir. Batı K-G sıkışma altında iken doğuda K30°D yönlü bir kuvvet sistemi mevcuttur. Erzincan-Karlıova ve Pülümür-Bingöl arasındaki depremlerin ortalama kayma vektörleri arasında da ~20°lik bir fark bulunmuştur. DAF ile Palmira üzerideki vektörler ise ayın doğrultuya (~60°) sahiptirler ve Arabistan levhasının etkin olduğunu betimlemektedir. İncelenen bölgedeki depremlerin dalga şekli ters çözümü ile belirlenen derinlikleri genelde 20 km'yi geçmemektedir ve bu bölge için sismojenik zonun kalınlığının bu olduğunu gösterir. Meydana gelen 80 civarındaki orta ve büyük depremden yararlanarak bölge için Ms-M0 ilişkisi beklenmiştir. Ayrıca sismik moment ile faylanmanm boyutları arasında bir grup ilişki değerleri de bulunmuştur. Yeni formülasyonlar kullanılarak tarihsel depremlerin parametreleri için daha gerçekçi yaklaşımlar yapılabilecektir. Son 80 yıl içinde meydana gelen depremlerin sismik moment toplamları bölgedeki K-G deformasyonun daha önce belirlenenden çok daha az bir kısmının (1 mm/yıl) sismik hareketle oluştuğunu göstermektedir.

Abstract:
The Eurasia-Arabia continental collision region, including surrounding areas of eastern Turkey, Caucasus and Iranian plateau, is indeed one of the most seismically active and rapidly deforming regions within the continents. The wide range of deformation processes occurring in this relatively confined region means that the eastern Mediterranean provides a unique opportunity to improve our understanding of the complexities of continental collision, including strike-slip faulting and crustal extension, as well as the associated seismicity and volcanism. The Arabia-Eurasia continental collision is mainly forming fold-belts along major thrust faults in southeastern Anatolia and the Caucasus while originating major strike-slip faults in eastern Anatolia and northwestern Iran capable of generating major destructive earthquakes. The current status of plate interactions determined using global positioning system confirms that plate kinematics and dynamics in the eastern Mediterranean and Caucasus. Thus, Arabian plate is moving northerly at a rate of ~18 mm/yr whereas there is a shortening of 6-10 mm/yr along the Caucasus. However, it is not certain how much of this shortening taken by seismic activity due to insufficient time-period of observations and lack of reliable data. The continental collision in eastern Anatolia and the. northward subduction of the African plate beneath western Turkey and the Aegean region is further causing extension of the continental crust in the overlying Aegean extensional province. Eastern Turkey is instead experiencing crustal shortening and thickening due to northward motion of the Arabian plate relative to Eurasia. The resulting combination of forces: the "pull" from the subduction zone to the west and "push" from the convergent zone to the east, is causing the Turkish plate to move westward, bounded by strike-slip fault zones: the NAFZ to the north and the East Anatolian Fault Zone (EAFZ) to the south, and GPS horizontal velocities are ~24 mm/yr and ~9 mm/yr, respectively. Thus, there is a clear evidence of distributed deformation over the region. Furthermore, there are not much reliable GPS observations along the coastal planes of Caspian Sea and surrounding regions. Although the interplay between dynamic effects of the relative motions of adjoining plates controls large-scale crustal deformation and the associated earthquake activity on the major fault zones in the region, there are a few big earthquakes occurred since 1960's. On the other hand, there are many reported great earthquakes in historical records. In this thesis I have studied the source mechanism properties and rupture histories of earthquakes occurred since 1980 along the Eurasia- Arabia continental collision region stretching form Palmyrides fold-belt to surrounding areas of easternTurkey, Caucasus and Iranian plateau. The two conventional teleseismic body-waveform inversion methods are used. The former one is used to obtain the overall source mechanism parameters in order to retrieve strike, dip, rake, focal depth, source time function, seismic moment and other relevant parameters. The latter one is used to further analyze the details of rupture histories and slip distribution on the fault plane occurred during the fracture process as this method has not been widely used on earthquakes in the region. In this thesis, I have studied source mechanisms and rupture histories of 40 moderate to large earthquakes (7.0^MW^5.4) using body-waveform modelling, and have compared the shapes and amplitudes of teleseismic long-period P-, SH-, and broadband P-waveforms recorded by GDSN stations in the distance range of 30-90°, for which signal amplitudes were large enough with synthetic waveforms. The solutions were also constrained by P-wave first motion polarities of near-field stations. They all exhibit the characteristics and structural complexities associated with strike-slip, thrust and normal faulting as a result of ongoing crustal deformation. The Lesser Caucasus stretches from Anatolia- Georgia border to throughout of Armenia usually exhibiting NW-SE trending thrust fold-belts and right-lateral motion with thrust component on active Pampak-Sevan Fault (PSF) and SW-NE trending main active faults of North Eastern Anatolian Fault Zone (NEAFZ) in the direction of ~N45°E. There are seismological and morphological evidences of continental extension in northwestern area due to being trapped in along two major active fault zones even if the Eurasia- Arabia continental collision causes the region to be uplifted significantly. On the other hand the major fault lines are aligned parallel to the strike of the mountain belt along the greater Caucasus with the variable seismic activity at the eastern and western regions, but with an occasional faulting orthogonal to the main faulting features. However, the Lesser Caucasus is not capable of generating destructive earthquakes as the Greater Caucasus. It is further obvious to notice the change of geometry of fault strike in clock-wise orientation when moving from western to eastern part of greater Caucasus along with close examination of individual fault parameters obtained. The main reason for this crustal deformation and resulting rotation is due to the left-lateral strike-slip motion on the North East Anatolian Fault Zone (NEAFZ) to be distributed over the eastern greater Caucasus rather than the entire region. The differences on the strike angles (~15°) and slip vector orientations (~20°) between the both ends of the NEAF indicate that is bounded by block rotations clockwise trending from SW to NE. Especially those earthquakes occurred in the vicinity of Dağıstan show very shallow angle southerly dipping sub-horizontal fault planes. Besides, there are normal faulting earthquakes within the upper crust around Kura-Bakü region most likely developing above a fossilized subduction zone. The overall source mechanism properties of the earthquakes studied contradicts with the existence of Borjomi-Kazbek fault thought to be present in the light of regional gravity field observations in the eastern Anatolia, Caucasus and surrounding regions. The faulting mechanisms and relevant parameters indicate that the NEAF zone disappears around Tbilisi (Georgia), and there are no further evidences of strike-slip motion beyond this region, and this is the northeastern end of the right-lateral strike-slip zone