Yeryüzü hareketlerinin sentetik açıklı radar interferometrisi ve hidroloji verileriyle analizi: Afyon-Akşehir ve Küçük Menderes graben örnekleri
Analysis of ground movements with synthetic aperture radar interferometry and hydrology data: The case studies of Afyon-Akşehir and Küçük Menderes grabens
Yazar: MÜMİN İMAMOĞLU
Danışman: PROF. DR. FUSUN BALIK ŞANLI ; PROF. DR. ZİYADİN ÇAKIR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry

Özet:
Son yirmi yıl boyunca, Türkiye'nin batısında yer alan Ege Bölgesi'nin farklı noktalarında, herhangi bir yıkıcı deprem olmaksızın çökme, çatlama ve kırılma gibi yüzey deformasyonları gözlemlenmiştir. Bu yüzey deformasyonları, tektonik hareketlere ve/veya yer altı suyunun aşırı kullanılmasına bağlanmıştır. Ege Bölgesi'nde gerçekleşen yüzey deformasyonlarının detaylı zaman-mekânsal analizi ile oluşum mekanizmalarının anlaşılmasına katkı sağlamak adına Afyon-Akşehir Grabeni ve Küçük (K.) Menderes Grabeni çalışma alanları olarak seçilmiştir.
Birinci vakada, Afyon-Akşehir Grabeni ve Bolvadin bölgesi, Sentinel-1 sentetik açıklıklı radar (SAR) verileri ve çok zamanlı interferometrik SAR (InSAR) yöntemi ile analiz edilmiştir. Ekim 2014 ile Ekim 2018 arasında, yükselen ve alçalan yörüngelerde elde edilen Sentinel-1 tek bakışlı kompleks (SLC) veriler Persistent Scatterer Interferometry (PSI) yöntemi ile işlenmiştir. Deformasyon hız haritaları ve  zaman serileri üretilmiş sonuçlar jeoloji, yer altı su seviyesi ve Bolvadin yakınında yer alan Eber Gölü'nün su yüzey alanı ile karşılaştırılmıştır. Deformasyon hız haritaları, Bolvadin kasabası ve çevresinde önemli ölçüde çökme olduğunu ortaya koymaktadır. Bölgeye gerçekleştirilen saha gezisi ile yerleşim yerlerinde ve altyapıda gözlemlenen hasarlar, analiz sonucu elde edilen deformasyon bulgularını doğrulamaktadır. Yumuşak alüvyon çökeltileri ile karakterize edilen Bolvadin'in güney kesimi, 35 mm/yıl'a varan deformasyon hızı ile çökmenin en şiddetli olduğu bölge olarak öne çıkmaktadır. Yamaç molozu/talusu ve konglomeradan oluşan bölgenin kuzeydoğu kısmında ise nispeten daha düşük bir çökme hızı bulunmaktadır. Deformasyon zaman serileri ile yer altı su seviyesi arasında, hem kısa hem de uzun vadede güçlü bir ilinti mevcuttur. Ayrıca, deformasyon zaman serilerindeki kısa vadeli değişimler, şehrin birkaç km güneydoğusunda yer alan Eber Gölü'nün su yüzey alanındaki mevsimsel değişimlerle de yüksek benzerlik göstermektedir. Sonuç olarak, çökmenin litolojik birimlerle güçlü ilişkisi, deformasyon hızı ve yer altı su seviyesi değişimleri arasındaki benzerlik, deformasyonun su yüzeyindeki mevsimsel değişimler ile uyumlu olması ve son olarak Bolvadin Fay'ının çevresinde belirgin deformasyon hız farklılıklarının gözlemlenmemesi sebebiyle, çökmenin birincil nedeninin büyük olasılıkla yer altı suyunun aşırı kullanımı ve hidrolojik değişiklikler olduğunu göstermektedir.
İkinci çalışmada ise en şiddetli yüzey deformasyonlarının rapor edildiği Ödemiş ilçesi ve K.Menderes Grabeni, çok zamanlı InSAR yöntemleri ve Sentinel-1 SAR verileri kullanılarak analiz edilmiştir. 2015 ve 2018 (dahil) yılları arasında, yükselen ve alçalan yörüngelerde elde edilen Sentinel-1 SLC görüntüleri, Small Baseline Subset (SBAS) yöntemi kullanılarak işlenmiştir. Elde edilen deformasyon hız haritaları, K.Menderes Graben'in 29 cm/yıl'a varan hızlarda yoğun bir çökme yaşadığını ortaya koymaktadır. Bu deformasyon hızı Ödemiş ve çevresini, dünyanın en hızlı çöken bölgelerinden biri haline getirmektedir. Çökme bölgeleri ile alüvyon gibi konsolide olmayan tortullar arasındaki uzamsal ilinti ve InSAR zaman serileri ile yer altı su seviyesi değişimleri arasındaki güçlü zamansal korelasyon, çökmenin büyük olasılıkla yer altı suyunun aşırı kullanılmasına bağlı olduğunu göstermektedir. InSAR zaman serileri ve yer altı su seviyesine ait mevsimsel değişimler, bir yıllık zaman dilimlerinde yüksek tutarlılık göstermektedir. Deformasyon zaman serileri, yaklaşık 30 günlük bir gecikmeyle yer altı su seviyesindeki değişimleri takip etmektedir. Elastik/inelastik deformasyon oranları, inelastik deformasyonun bölgede baskın bileşen olduğunu ve bölgede geri dönüşü olmayan bir deformasyona işaret ettiğini göstermektedir. Kuyu konumlarında hesaplanan iskelet depolama katsayıları da inelastik deformasyon fikrini desteklemektedir. Bununla birlikte, şiddetli bir inelastik deformasyon çok yaygın değildir ve etkili yer altı su yönetimi ile bölge çökme olgusundan kurtarılabilir.

Abstract:
Over the past few decades, surface deformations have been observed in many places all over the world, including Turkey. Surface deformations like subsidence, fissuring, and fracturing have been observed in different parts of the Aegean Region, western Turkey,  without any destructive earthquakes. Surface deformations in some of these regions have been attributed to aseismic slip-on faults and/or to excessive pumping of groundwater.  In order to contribute to the understanding of the deformation mechanism with detailed temporal and spatial analysis, Afyon-Akşehir Graben and Küçük (K.) Menderes Graben were selected as study regions.
In the first study case,  the Afyon-Akşehir Graben with a focus on the Bolvadin region is analyzed by means of Sentinel-1 synthetic aperture radar (SAR) data and multi-temporal interferometric SAR  (InSAR) technique. Sentinel-1 single look complex (SLC) data acquired in ascending and descending orbits between October 2014 and October 2018 are processed with Persistent Scatterer Interferometry (PSI) method. Deformation velocity maps and line-of-sight (LOS) displacement time series are produced and compared with geology, groundwater level, and the water surface area of Eber Lake nearby. Deformation velocity maps reveal significant subsidence in most of the town and surrounding regions, which is confirmed by field observations that show severe damage to the settlements and infrastructure of the town. The most severe subsidence is observed to be in the southern part of Bolvadin with rates up to 35 mm/year, which is characterized by the presence of soft alluvial deposits. Composed of slope debris/talus and conglomerate, the northeastern part of the deforming region experiences a relatively lower rate of subsidence. A strong correlation between LOS displacement time series and groundwater level exists both in the short and long term. Moreover, short term variations in LOS displacement time series also show high similarity with seasonal variations in the water surface area of Eber Lake located a few km southeast of the town. We conclude that the primary cause of subsidence is most probably the overexploitation of groundwater and hydrological changes because of the strong correlation of subsidence with lithological units, the similarity between deformation rate and groundwater level changes, the correspondence of seasonal variations in water surface area, and short-term deformation rate oscillations, and the absence of InSAR velocity contrast across the active faults.
In the second case, we report our investigation on the ground subsidence in Ödemiş town located in the K.Menderes Graben where one of the most severe and widespread surface fracturings has been reported.  The entire K.Menderes Graben is analyzed using Sentinel-1 SAR data with multi-temporal InSAR techniques. A total of 342 Sentinel-1 SLC images acquired both in ascending and descending orbits between 2015 and 2018 inclusive are processed using the Small Baseline Subset (SBAS) method. LOS velocity fields reveal that K.Menderes Graben is experiencing extensive subsidence at rates reaching as much as 29 cm/yr, making it one of the fastest subsiding regions in the world. The spatial correlation between the subsiding regions and the unconsolidated sediments such as alluvium and alluvial fans suggests that the subsidence is most probably due to over drafting of the groundwater, which is confirmed by the strong temporal correlation between InSAR time series and groundwater level changes. Wavelet coherence analysis of seasonal changes extracted from the InSAR time series shows high coherence around one year. Displacement time series follow groundwater variations with a time lag of about 30 days. Elastic/inelastic deformation ratios calculated for the entire graben suggest that inelastic deformation is the dominant component in the region, implying an irreversible deformation. Calculated skeletal storage coefficients at corresponding well locations also support the idea of inelastic deformation. However, severe inelasticity is not extensive, and the region may still recover from subsidence with correct groundwater management.