Elazığ - Sivrice ve Gezin civarının yeraltı yapısının gravite verileri kullanılarak modellenmesi
Modelling of the subsurface structures of Elazığ - Sivrice and Gezin region by using gravity data
Yazar: NEDİM GÖKHAN AYDIN
Danışman: PROF. DR. TURGAY İŞSEVEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeofizik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering
Dizin: Gravite =   ; Havza modellemesi = Basin modelling ; Talwani modelleme yöntemi = Talwani modelling method ; Üç boyutlu modelleme = Three dimensional modelling

Özet:
Doğu Anadolu Fay Zonu, Anadolu Levhası ile kuzeye doğru hareket eden Arap Levhası'nın çarpışmasıyla gelişmiş sol yanal doğrultu atımlı fay zonudur. Karlıova Üçlü Eklemi'nden başlayarak batı-güneybatı yönünde Kahramanmaraş'a ilerleyen ve buradan itibaren güney-güneybatıya doğru Hatay dolaylarında Ölüdeniz Fay Zonu ile birleşir. Fay zonu üzerinde geçmişte pek çok yıkıcı deprem meydana gelmiştir. Fay zonunun üretebileceği deprem potansiyelini gözler önüne seren en yakın örnek 6 Şubat 2023 tarihinde gerçekleşen Kahramanmaraş depremleridir.
Doğrultu atımlı faylar üzerinde gelişen pek çok tektonik ve jeomorfolojik yapı bu fayların doğasına ve karakterine dair önemli ipuçları sunmaktadır. Fayların güzergahları boyunca oluşmuş büklümler, bindirmeler, çek-ayır havzalar gibi süreksizlik noktaları genellikle fay segmentlerinin sınırları olarak tanımlanır. Dolayısıyla söz konusu segment sınırları, doğrultu atımlı faylar üzerinde stresin en yoğun biriktiği bölgelerdir. Bu süreksizlik yapılarından biri olan çek-ayır havzalar, fayda meydana gelmiş bir sıçrama neticesinde oluşmuş genişleme bölgelerinde normal faylarla çevrelenen çukurluk bölgeler halinde şekillenir. Boyutları onlarca kilometreyi bulabilen havzayı sınırlayan faylar buradaki sıçramayı aşana kadar gelişimini sürdürür ve sonra atımlar ve morfolojik süreçler ile birlikte yavaşça yok olmaya başlarlar. Diğer bir deyişle çek ayır havzaların gelişiminin hangi aşamasında oldukları ile bulundukları bölgedeki stres birikimleri arasında bir ilişki olmalıdır.
Bu tez çalışmasında Elazığ'daki Hazar Gölü ve civarında Doğu Anadolu Fay Zonu'nun yerel segmentleri üzerinde gelişmiş çek-ayır havzanın yanal sınırlar ve taban kaya derinliklerinin üç boyutlu geometrisi belirlenmeye çalışılacaktır. Söz konusu havzanın büyük ölçüde göl ve akarsu çökelleri ile dolu olması tabanı oluşturan ofiyolitik ve metamorfik taban kayalar ile belirgin bir yoğunluk kontrastı oluşturmakta ve bu nedenle gravite yönteminin kullanılması için elverişli hale getirmektedir. Ancak, Hazar Gölü ve çevresinde mevcut gravite verileri örnekleme aralığının çok geniş olması ve verilerin büyük kısmının interpolasyon ile doldurulmuş olması dolayısıyla havza modellemesi yapılabilmesi için yeterli çözünürlüğe sahip değildir. Söz konusu veri açığının kapatılması ve buradaki çek-ayır havzanın gravite yöntemi ile modellenmesi bu tez çalışmasının birincil amacıdır.
Gravite verilerinin modellenmesi için çeştili yaklaşımlar mevcuttur. İki boyutlu kesitlerin modellenmesine yaygın olarak kullanılan bir yöntem olan Talwani yöntemi yeraltı yapılarının geometrilerinin tanımlanarak düz çözüm yoluyla bu yapıların geometrilerinin belirlenmesi şeklinde çalışır. Aynı yaklaşım üç boyutlu ortamlarda da çalışıyor olsa da yeraltındaki yapıların çok sayıda küçük modelleme elemanları ile ifade edildiği iteratif yöntemler daha sık kullanılmaktadır. Bu yöntemlerden biri Cordell-Henderson prizmalara ayırma yöntemi olup, yeraltındaki yapıların aynı genişlikte düşey dikdörtgen prizmalardan oluştuğu varsayılarak her bir prizmanın bir referans derinliğinden itibaren yüksekliklerinin hesaplanması ile çalışır. Gravite verileri gridlendiğinde veri noktaları arasındaki mesafe homojen olacağından modelleme elemanlarının geometrilerinin denk olması pratiklik sağlamaktadır. Ancak, sahada toplanan verilerin çoğunlukla muntazam bir karelaj izlemesi mümkün olmadığından, çalışılan saha içerisinde toplanan gravite verileri noktalarının dağılımları da homojen olmayacaktır. Bu durum interpolasyonla doldurulan sanal veri bölgelerine sebebiyet vereceği gibi, uygun seçilmeyen prizma genişlikleri dolayısıyla veri bulunmayan bölgeler için fazladan hesaplama yapılmasına da neden olabilmektedir. Söz konusu problemlere çözüm üretebilmek adına tez çalışması kapsamında alternatif bir modelleme yaklaşımı arayışına gidilmiş ve veri sıklığına duyarlı şekilde modelleme elemanı boyutlarının değiştiği bir modelleme yaklaşımı geliştirilmiştir. Cordell-Henderson yönteminde olduğu gibi yine prizmaların yüksekliklerinin değiştirilmesi ile iteratif olarak hesaplama yapılabilen yöntem modelleme elemanı sayısını veri sayısına göre ayarladığından gereksiz hesaplamalardan kaçınmakta ve çok daha hızlı ve tutarlı sonuçlar üretebilmektedir. Yöntem tez çalışması içerisinde "Düşey Prizmatik Polihedronlara Ayırma" olarak isimlendirilmiştir.
Gerekli ön çalışmaların ve planlamaların tamamlanmasının ardından Hazar Gölü'nün batısındaki Sivrice ilçesi ile doğusundaki Gezin ilçesi dolaylarında saha çalışması yapılarak yeni gravite verileri toplanmıştır. Her iki ilçenin çevresinde ortalama 500 metre aralıklı dağınık noktalar şeklinde 300'e yakın noktada ölçümler yapılarak toplamda 600 noktaya yakın yeni veri elde edilmiştir. Sahaya ait önceki verilerde görülemeyen pek çok yapının gravite anomalileri elde edilmekle kalınmamış, aynı zamanda bölgedeki verilerin çözünürlükleri de en az beş katına çıkarılmıştır. Gerekli düzeltme ve indirgemelerin uygulanmasının ardından her iki çalışma sahası için ayrı ayrı Bouguer gravite anomalileri üretilmiş ve böylelikle yeraltı yoğunluk dağılımları, dolayısıyla da havzanın geometrisi ile ilgili yorumlama yapılabilecek haritalar çizilmiştir. İlk bulgular havza derinliğinin Gezin'den Sivrice'ye göre çok daha yüksek olduğu ve geçmiş verilerde seçilemeyen havza sınırlarının yeni veriler ile belirgin bir şekilde görülebildiği şeklindedir.
Havzanın yanal sınırlarının izlenebilmesi için verilere ayrı ayrı yatay türevlerin genliği, analitik sinyal, tilt açısı gibi yaygın kullanılan sınır analizi teknikleri ile birlikte yakın zamanda geliştirilip yayına dönüştürülen (Aydın ve İşseven, 2023) Kayan Ortalama Farkları sınır analizi yöntemi de uygulanmıştır. Tüm yöntemlerden elde edilen sonuçlar daha sonra ampirik bir yaklaşım ile birleştirilerek havza sınırlarını işaret etmesi en muhtemel hatlar belirlenmiştir.
Yanal sınırların belirlenmesinin ardından havzanın her iki sahasının altındaki geometrisinin belirlenmesi için uygulanacak ilk yöntem olan düşey prizmatik polihedronlara ayırma yöntemine geçilmiştir. Üretilecek olan modellerin düşey derinlik limitleri 350 metre ve 50 metre olarak belirlenmiş, her bir modelleme elemanının yoğunluk kontrastı aynı, sabit ve 0.2 g/cm3 olarak tanımlanmıştır. Her iki saha için de toplamda 5 iterasyon yapılarak modeller üretilmiş, modellerden hesaplanan gravite anomalileri ile gözlenen gravite anomalileri arasındaki RMS uyumsuzluğu 0.1 mGal'in altında bulunmuştur. Gezin sahasındaki havza derinliği (ortalama 200-250 metre arası) gravite anomalilerini destekler şekilde Sivrice'dekine (100-150 metre arası) kıyasla çok daha yüksek çıkmıştır.
Bir sonraki adımda gravite anomalileri üzerinden kesitler alınarak Talwani yöntemi ile iki boyutlu modelleme yapılmıştır. Bu amaç doğrultusunda yeni verilerin toplandığı bölgelere odaklanan toplamda 16 kesit belirlenmiştir. Kesitlerin bulunduğu doğrultularda karşılaşılan jeolojik birimler tespit edilerek modelleme ortamına aktarılmıştır ve herbirine farklı yoğunluk kontrastı değerleri atanmıştır. Jeoloji haritasıyla uyumlu olacak şekilde her kesit düz çözüm ile ayrı ayrı modellenmiş ve 0.1 mGal RMS uyumsuzluğu hedeflenmiştir. Modellemede kullanılmak üzere hazırlanan yazılım, içerisine tanıtılan jeolojik birimlerin geometrilerinin el ile çizilmesine ve gerektiğinde Monte Carlo yöntemi ile modelin detaylı düzeltmelerinin yapılmasına imkân vermektedir. Kesitlerin modellemesinin tamamlanmasının ardından üretilen model geometrileri üç boyutlu eksen üzerine aktarılarak iki-buçuk boyutlu model görüntüleri elde edilmiştir. Ardından her bir yapı bu üç boyutlu ortamda interpole edilerek üç boyutlu blok modeller haline getirilmiştir. Bu yaklaşım kullanılarak Sivrice'de gnays, levha-dayk karmaşığı ve bazaltlardan oluşan temel kaya geometrisi ile Gezin'de ofiyolitlerden oluşan havza tabanının üç boyutlu görüntüleri üretilmiştir.
Tez kapsamındaki son çalışma olarak Sivrice ve Gezin sahaları için üretilen taban modelleri, Hazar Gölü'nün altında göl batimetrisiyle uyumlu bir geometriye sahip olduğu varsayılan bir yüzey ile birleştirilerek tüm havzanın üç boyutlu görüntüsü elde edilmiştir. Üretilen model sahada varlığı bilinen faylarla ve ortamın rölyefiyle uyumlu olup, evrimini tamamlama aşamasında olan bir çek-ayır havzayı işaret etmektedir. Ortamdaki faylar ve derinliklerin ortalama dağılımları kullanılarak yapılan bir yorumlama ile havzanın farklı bölgelerinde meydana gelmiş atım miktarları da tespit edilmiştir.
Çalışmanın tamamlanmasıyla havza taban kaya geometrisi ve DAFZ'nin bölgedeki etkileri ile ilgili belirgin ve çarpıcı sonuçlar elde edilmiştir. a) Havzanın Sivrice'deki batı sınırı Hazar Gölü'ne oldukça yakındır ve bunun muhtemel nedeni taban kayadaki değişim ile birlikte Doğu Anadolu Fayı'nın yan kollarının ana fay koluna bu bölgede bağlanıyor olmasıdır. b) Gezin'deki doğu sınır ise gölden çok daha geride olan Kartaldere'den daha doğuya uzanmaktadır. c) Gezin'deki taban derinliği Sivrice'dekinden çok daha fazladır. Bu durum aynı zamanda Gezin'de biriken sediman miktarının daha yüksek olduğu anlamına gelmektedir. d) Hazar Gölü'nün doğu kenarındaki derin havza yapısı göl tabanının asimetrik bir şekle bürünmesine neden olmaktadır. Gezin'deki sediman kalınlığının fazla olduğu göz önüne alındığında bu derin yapının aslında Gezin'in altına doğru devam ettiği çıkarımı yapılmaktadır. e) Sivrice tarafından göl içerisine akarsular aracılığıyla aktif olarak sediman taşınımı olduğu, Gezin tarafındaki akarsuların göle ulaşamadığı, Gezin'deki sediman kalınlığının birincil nedeninin bu olduğu çıkarımı yapılmıştır. f) Çalışmanın en sonunda üretilen blok modelde Doğu Anadolu Fayı'nın göl içerisindeki sıçramayı ve dolayısıyla çek-ayır havzayı tek parça olarak yarıp geçtiği ve çalışma sahası boyunca farklı miktarlarda atımın izlerini bıraktığı görülmüştür. Buna göre en yüksek atım Gezin tarafında olup 9 kilometrenin üzerindedir. Sivrice'deki atım 6 kilometre civarındadır. Göl içerisinde ise doğuda 3 kilometre, batıda 2 kilometre civarında atım mümkün görünmektedir. g) Doğu Anadolu Fayı'nın bölgeden tek parça halinde geçiyor olması burada bir segment sınırı olarak tanımlanan Hazar Gölü'nün artık bir süreksizlik olmadığını ve burada birikmesi beklenen stresin yan segment sınırlarına aktarıldığını göstermektedir. Bu durum özellikle üzerinde bir sismik boşluk olduğu bilinen Pütürge Segmenti için kritik önem arz etmektedir.
Yapılan tüm çalışmalar bölgede varlığının son dönemlerinde olan çek-ayır havzanın geometrisini göstermekle kalmamış, bu gibi yapıların fay karakteri ile ilgili verdiği ipuçlarına dikkat çekerek bölgenin jeofizik önemini vurgulamıştır.

Abstract:
The East Anatolian Fault Zone is a left-lateral strike-slip fault zone situated in Turkey, resulting from the westward movement of the Anatolian Plate against the Arabian Plate. Originating from the Karlıova Triple Junction, the fault extends in a west-southwest direction to Kahramanmaraş, where it then curves south-southwest, ultimately connecting with the Ölüdeniz Fault Zone near Hatay. Throughout its history, the fault has been associated with numerous devastating earthquakes. A recent example illustrating the seismic potential of this fault is the Kahramanmaraş earthquakes of 2023, which inflicted significant damage on the surrounding settlements.
Numerous tectonic and geomorphological structures that emerge on strike-slip faults offer valuable insights into the characteristics and nature of these faults. Discontinuities such as bends, thrusts, and pull-apart basins, commonly identified as the boundaries of fault segments, play a pivotal role in understanding these geological features. Consequently, it is accurate to assert that segment boundaries represent regions where stress accumulates most intensely along strike-slip faults.
Pull-apart basins, a distinctive form of discontinuity structure, manifest as depressions encircled by normal faults within extensional zones, resulting from a fault jump. These basins can span tens of kilometers in size and evolve continuously until the fault surpasses the jump, establishing a straight main branch. As they reach maturity, these basins gradually undergo fragmentation due to fault slips and erosional processes. The disappearance of a pull-apart basin signifies the loss of its functionality as a discontinuity, and this factor should be duly considered when assessing stress accumulation along the fault.
This thesis aims to determine the three-dimensional geometry of a pull-apart basin formed along the East Anatolian Fault, specifically around Lake Hazar in Elazığ, Turkey. The distinctive feature of this basin is its predominant filling with lake/fluvial sediments, resulting in a notable density contrast with the underlying ophiolitic and metamorphic bedrock. This contrast makes the region particularly conducive to employing the geophysical gravity method.
However, the existing gravity data in the vicinity of Lake Hazar suffer from insufficient resolution for effective basin modeling. The large sampling interval of the data and extensive use of interpolation limit its suitability for detailed analysis. Consequently, the primary objective of this thesis is to bridge the data gap, enhancing the resolution, and subsequently model the pull-apart basin using the gravity method.
Various approaches exist for modeling gravity data. The Talwani method, widely employed for modeling two-dimensional sections, involves manually defining the geometries of underground structures and refining them through forward solutions. While this method can also be extended to three-dimensional environments, iterative techniques that express underground structures with numerous small modeling elements are more commonly used. One such method is the Cordell-Henderson method, which operates by calculating the heights of vertical prisms from a reference depth, assuming that underground structures consist of identical vertical rectangular prisms.
However, the challenge arises when field-collected gravity data does not follow a uniform grid. The Cordell-Henderson method may lead to either virtual data regions filled by interpolation or additional computations for regions lacking data due to improperly selected prism widths. To address these issues, an alternative modeling approach was developed in the thesis study. This innovative method adapts the dimensions of modeling elements based on data frequency, utilizing Voronoi diagrams of data points to create "vertical prismatic polyhedra." Like the Cordell-Henderson method, the heights of these polyhedra are calculated iteratively.
Named the "Separation into Vertical Prismatic Polyhedra" in the thesis study, this method proves advantageous by adjusting the number of modeling units according to the distribution of the data points. This adaptive feature helps in avoiding unnecessary calculations, resulting in a faster and more consistent modeling process, thereby offering a promising solution to the challenges encountered in gravity data modeling.
Following the completion of essential preliminary studies and planning, a comprehensive fieldwork initiative was undertaken to collect new gravity data around the Sivrice district to the west of Hazar Lake and the Gezin district to the east. Approximately 300 measurements were conducted at scattered points, maintaining an average separation distance of 500 meters around both districts, resulting in nearly 600 new data points. This effort not only revealed gravity anomalies associated with numerous structures previously unseen in the field's existing data but also substantially enhanced the data resolution in the region by a factor of at least five.
Upon applying necessary corrections and reductions, separate Bouguer gravity anomalies were generated for each study area. Anomaly maps were then plotted, enabling interpretation regarding underground density distributions and, consequently, the basin's geometry. Preliminary observations suggest a significantly greater basin depth in Gezin compared to Sivrice, and the introduction of the new data has unveiled previously unseen horizontal basin boundaries, demonstrating a marked improvement over past data interpretations.
To identify the horizontal boundaries of the basin, various commonly used boundary analysis methods, such as horizontal gradient magnitude, analytical signal, tilt angle, and theta map, were employed. Additionally, a recently developed and published boundary analysis method known as "Moving Average Differences (MAD)" was applied to the data. The outcomes derived from all these methods were then combined using an empirical approach to pinpoint the lineaments most likely to signify the basin boundaries. This comprehensive approach ensures a robust analysis by considering multiple techniques and leveraging the strengths of each method to enhance the accuracy of identifying significant basin features.
After establishing the horizontal boundaries, the initial method employed to determine the basin's geometry in both areas was the vertical prismatic polyhedra method. The models were constrained with depth limits set at 350 meters and 50 meters, and each modeling unit's density contrast was uniformly defined as 0.2 g/cm³. Through a meticulous process involving a total of 5 iterations for both areas, the models were computed. The Root Mean Square (RMS) mismatch between the gravity anomalies derived from the models and the observed gravity anomalies was consistently below 0.1 mGal.
Notably, the basin depth in the Gezin area, averaging between 200-250 meters, surpassed that in Sivrice, which ranged between 100-150 meters. This observation aligns with the gravity anomalies and underscores the effectiveness of the vertical prismatic polyhedra method in delineating variations in basin depths across the study areas.
In the subsequent phase, vertical cross-sections were extracted over the gravity anomalies, and two-dimensional modeling was conducted using the Talwani method. A total of 16 cross-sections were delineated, focusing on the region where the new data were gathered. The geological units encountered along these sections were identified and transposed into the modeling environment, with distinct density contrast values assigned to each unit. Each section underwent individual modeling with a forward solution closely aligned with the geological map, targeting an RMS mismatch of 0.1 mGal.
The modeling software employed in this study enables manual drawing of the geometries of introduced geological units. In cases requiring detailed adjustments, the Monte Carlo module embedded within the software allows for precise corrections to be made. Following the completion of section modeling, the resultant model geometries were transferred onto a three-dimensional axis, facilitating the generation of quasi-3D model images. Subsequently, each structure was interpolated within this environment, leading to the transformation into three-dimensional block models. This approach facilitated the computation of three-dimensional representations of the basement rock geometry comprising gneiss, plate-dyke complex, and basalts in Sivrice, and the basement rock geometry featuring ophiolites in Gezin.
In the final phase of this thesis, the basement geometry models derived for the Sivrice and Gezin areas were integrated with a surface assumed to mimic the lake bathymetry under Lake Hazar. This synthesis yielded a comprehensive three-dimensional model of the entire basin. The resultant model aligns seamlessly with the known faults in the field and accurately reflects the local topography. Its current state suggests a pull-apart basin in an advanced stage of evolutionary development. Further insights into the evolution of the basin were gleaned by interpreting the distributions of faults and average depths in the surrounding environment, allowing for the determination of the magnitude of slip that occurred in various parts of the basin. This holistic approach contributes to a nuanced understanding of the dynamic geological processes shaping the study area.
Upon the completion of the study, the findings yielded clear and compelling insights into the basin geometry and the influence of the East Anatolian Fault in the region. a) The proximity of the western border of the Sivrice basin to Lake Hazar suggests a probable connection between the side branches of the East Anatolian Fault and the main fault branch in this region, following the variations in bedrock geology. b) In Gezin, the eastern border extends toward the east of Kartaldere, situated much farther from the lake. c) The basin depth in Gezin significantly exceeds that in Sivrice, indicating a thicker accumulation of sediments in Gezin. d) The deep basin structure on the eastern edge of Lake Hazar contributes to the asymmetrical shape of the lake bathymetry, suggesting the continuation of this deep structure towards the bottom of Gezin. e) Inferred active sediment transport into the lake from Sivrice through streams and the inability of streams on the Gezin side to reach the lake explain the primary reason for the observed difference in sediment thickness on both sides of the lake. f) The block model generated at the conclusion of the study reveals that the East Anatolian Fault traverses the pull-apart basin jump with a single strand, leaving distinct traces of varying slip amounts across the study area. The highest slip, exceeding 9 kilometers, occurs on the Gezin side, while Sivrice experiences a slip of approximately 6 kilometers. Within the lake, a potential shift of around 3 kilometers to the east and 2 kilometers to the west is conceivable. g) The continuous passage of the East Anatolian Fault through the region as a single entity signifies that Lake Hazar, initially considered a segment boundary, is no longer a discontinuity. Stress accumulation is transferred to the adjacent segment boundaries, which is particularly critical for the Pütürge Segment, known to have a seismic gap.
The comprehensive studies undertaken not only elucidated the geometry of the Lake Hazar pull-apart basin in its advanced evolutionary stage but also underscored the geophysical significance of the region. By highlighting the insights provided by these structures into fault character, the research emphasizes the valuable contribution of such investigations in unraveling the geological complexities of the area. The findings not only deepen our understanding of the basin's dynamics but also contribute to the broader field of geophysics by providing crucial clues about fault characteristics in the region.