Gravite verisinin işlenmesine olanak sağlayan paket yazılım hazırlanması
Preparing a software pack for gravity data processing
Yazar: NEDİM GÖKHAN AYDIN
Danışman: DOÇ. DR. TURGAY İŞSEVEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering
Dizin: Analiz = Analysis ; Gravite =   ; Modelleme = Modelling ; Programlama araçları = Programming tools ; Yazılım geliştirme = Software development

Özet:
Jeofizikte gravite yöntemi kütle ve konum parametrelerini esas alarak Newton Kütle Çekim Kanunları aracılığıyla yer içerisindeki kütlelerin dağılımlarını inceleyen bir yöntemdir. Yöntem gravimetreler aracılığıyla toplanan bağıl gravite değerlerinden yorumlama aşamasına gelinceye kadar düzeltmeler ya da süzgeçleme gibi bir takım veri işlem adımları uygulanmasını gerektirir. Düzeltmelerin ardından elde edilen Bouguer anomalisi, verinin ait olduğu bölgedeki pek çok kütle ve tabakanın etkilerinin toplamıdır. Filtreleme, analitik uzanım, sınır analizleri gibi çeşitli ayırma yöntemleri kullanmak suretiyle bu etkiler ayıklanabilir. Hedeflenen kütleye ait gravite verilerinin elde edilmesinin ardından çeşitli modelleme teknikleriyle kütle veya yoğunluk modelleri oluşturulabilir.
Literatür araştırmaları gravite verilerinin işlenmesinde kullanılabilen çeşitli yazılımlar olmasına rağmen, özellikle gravite veri işleminde kullanılmak üzere hazırlanmış, tüm işlem adımlarını uygulayabilen ve kullanışlı arayüze sahip bir yazılım olmadığını ortaya koymuştur. Bu çalışmada gravite verisine uygulanan veri işlem adımlarının tamamını harici bir yazılıma ihtiyaç duymadan uygulayabilen, kullanımı kolay MATLAB® tabanlı bir yazılım hazırlanması amaçlanmıştır. Bouguer verisiyle çalışmanın yanı sıra ham veriden Bouguer anomalisi hesaplanması, koordinat dönüşümleri, veriden alan seçimi gibi pek çok küçük çaplı sayılabilecek modülü de içerisinde barındıran yazılım, akademik ve özel sektör alanlarında kullanılabilecek özellikte olup, lisans seviyesindeki öğrencilerin dahi kullanabileceği kolay bir arayüze sahiptir.
"GravPack" adı verilmiş olan gravite verisi işleme paket yazılımı kolonlara ayrılmış halde girişi yapılan gravite verisini, gerekli ise ondalıklı dereceden UTM koordinatlara dönüştürebilmektedir. Yazılıma çağrılan dosya ham gravite verisi ile birlikte topoğrafya düzeltmesi için gerekli olan yükseklik değerlerini içeriyorsa, yazılım ham gravite verisini Bouguer gravite verisine dönüştürebilmektedir. Veri girişinin ardından kullanıcı veriyi istenilen kısımlarından kesip istenilen aralıkla örnekleyerek gridleme işlemi yapabilir. Programla gridlenmiş veri kullanılarak derinlik kestirimi ve kritik dalga sayıları için spektral analiz uygulanabilir. Veri alçak geçişli, bant geçili ve yüksek geçişli filtrelerle süzgeçlenebilir. Ayrıca istenirse analitik uzanım hesaplanabilir, sınır analizi uygulanabilir ve prizmalara ayırma yöntemiyle modelleme yapılabilir. Tüm bu işlemler arayüz üzerinden kolaylıkla yürütülebilmekte olup, herhangi bir adım sonrasında elde edilen sonuçlar kolaylıkla farklı formatlarda kaydedilebilir ve istenirse farklı yazılımlarda kullanılabilir.
Yazılımın hazırlanması sürecinde ve sonrasında içerisinde yürütülen hesaplamaların doğruluğunun kontrol edilebilmesi için Konya-Çumra bölgesine ait Bouguer gravite verisi yazılım içerisinde çalıştırılmıştır. Veri bir kilometre aralıkla örneklenerek spektral analiz ile derinlik kestirimi yapılmıştır. Hedeflenen derinliğe ait anomaliler filtreleme işlemleriyle ön plana çıkarılmış ve filtrelenmiş veri daha sonra prizmalara ayırma yöntemiyle modelleme aşamasında kullanılmıştır. Sonuçların yorumlanmasına fayda sağlaması açısından veriye aynı zamanda analitik uzanım ve sınır analizi yöntemleri uygulanmıştır. Yazılımın çalıştığının doğrulanmasının ardından bölgeden elde edilen sonuçlar yorumlanmış, Tetis okyanusunun kapandığı sütur zonu üzerine denk gelen Konya Havzasındaki sediman tabakalarının altında okyanusal kabuğun batması sırasında kabuğun bir kısmının kıtasal kabuk üzerine sıyrılmasıyla yerleşmiş bir ofiyolitik kütle olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Gravity method in geophysics examines underground mass distributions using mass and location parameters with Newton's Law of Universal Gravitation. The gravity data is collected using gravimeters and require a group of correction and reduction processes to achieve a discussable data set. Bouguer anomalies, which are calculated after all the correction and reduction processes, are summations of all the masses' and geological layers' effects around the area where the data belongs. Effects of these different units can be separated from the Bouguer anomaly data with various separating methods such as filtering, analytical continuation and boundary analysis. Separated Bouguer data then could be used with various modelling techniques to achieve mass or density distribution models.
Literature scan revealed that even though there are various submitted softwares capable of processing gravity data, there is not a software available, specifically developed for processing steps through a user-friendly interface. In this study, the aim is to develop a MATLAB® based software that is easy-to-use and capable of applying all the gravity data processing steps without the need of any external softwares. Along with carrying out gravity data calculations, the software also will be able to calculate small-scaled processes such as calculating Bouguer anomalies from raw gravity data collected on field, perform simple coordinate trasformations from decimal degrees to UTM meters and cropping the gravity data. The software is planned to be useful in academical researches, have enough capacity to be used in private sector and operate simple enough to be used by undergraduate geophysics students.
Developed gravity data processing software pack, that is named as "GravPack" accepts data files separated into columns in ASCII DAT format. Input data should consist of at least three columns of data, two of which being the coordinates in decimal degrees or UTM meters and the third one being raw of Bouguer gravity data. The software uses UTM meters for calculations, therefore if the coordinates are input in decimal degrees format, the "Units in degrees" checkbox on Data Tab should be checked and conversion datum should be selected to perform the conversion. If input data file include elevation and terrain correction data along with raw gravity data, then the conversion into Bouguer data is possible. User can possibly re-define Bouguer calculation parameters if required. There is also an option to merge points with similar coordinates in order to decrease further processing steps.
Gridding Tab is the first tab that can display the data graphically. The Tab consists of a cropping panel to select and crop a portion of the area, resampling panel where used defines sampling rate for the grid and display buttons that display the data on the axes below the window.
Gridded data then can be used in depth estimations in Spectral Analysis Tab. Spectral analysis process calcualtes radially averaged power spectrum of the data and separates linear alignments on the spectrum to calculate different mass depths from the data. The cutting wave numbers defined in spectral analysis step then can be used in Filtering Tab to separate each masses effects from the anomaly, using low pass, band pass or high pass filters.
Analytical Continuation Tab is the part of the GravPack software where the user can calculate upwards and downwards analytical continuations of the gravity the data. 
Derivative Analysis Tab which is the next tab after Analytical Continuation Tab can be used to analyze the boundaries that could be found in gravity data in order to visually point out possible mass boundaries. Analysis include first and second degree derivatives, Finite Differences Method and six different image processing methods for boundary detection.
Modelling Tab is the last data processing tab of the GravPack where user can define 4 different layers, each having separate mean depth, density difference and data grids. Defined layers then used in modelling calculations with Vertical Prisms Method in order to achieve approximate layer geometry around defined mean depths. Iterations are carried out with Newton's least squares method and can be stopped either after reaching a certain amount of RMS error, or reaching a maximum iteration number, both of which are defined by the user. User also has an option to visually follow the modelling process using a Live Watch window which display calculation results and calculated data during modelling processes if activated beforehand.
User is given option to display, save and delete the data from the data pool of the Gravpack on the Manage Data tab. Data can be saved in DAT, TXT, MAT and GRD formats, either in three-columns form or matrix form.  GRD format output can only be saved in matrix form and specifically prepared to import the data directly into Goldensoft Surfer ©.
During and after the preparation of the software, the Bouguer gravity data from Konya-Çumra area is used to cross-check the accuracy of the calculation processes. There appears to be an anomaly area around Konya – Çumra region with relatively higher Bouguer values. The anomaly is located on a suture zone left from closing of Thetis ocean between Mid-Jurassic to Lower Cretaceous periods and is now covered with a thick layer of young sediments. The gravity data from the area is used with GravPack in order to interpret a posibble reason for the high Bouguer anomalies.
The data loaded into software and since it is already in UTM coordinates and Bouguer data, no conversion operation were needed. The data then displayed on Gridding Tab and gridded with one kilometer sampling interval. For the next step the gridded data's power spectrum is calculated in Spectral Analysis Tab for depth estimation. The spectrum is divided into 4 parts, each showing linear alignments with different slopes and thus different slopes. Cutting wave numbers from the spectral analysis ten used in Filtering Tab to separate each layers effects from the Bouguer anomaly. Before going to Modelling Tab straight, Analytical Continuation Tab and Derivative Analysis Tab are checked using the gridded data and verified working properly. Lastly on the modelling tab, only the first layers filtered Bouguer data is used in calculations along with the main depth calculated from spectral analysis and mean density difference between continental crust and oceanic crust. Iterations are continued until the RMS values are lower than 1 and then modelling process stopped automatically. After getting the final results, the data are saved using Manage Data tab.
After verifying the accuracy of the prepared software, the results are discussed and concluded. Konya – Çumra region has several rock formations from different time periods as a result of the location's geological past. In the Konya Basin, there is a relatively high Bouguer anomaly despite the area having a flat topography and sediment cover. The anomaly is studied using spectral analysis for depth estimation and modelled using the prepared program that calculates a rough underground model using vertical prisms method. The modelling process carried assuming a single layer with constant mean depth and density contrast. Further on the model is used for an extra mass estimation that is buried under the sedimentary layers. The area being an ancient suture zone, containing surfaced ophiolites marking positive Bouguer anomalies in places indicate that the possibility of an obducted oceanic crust block emplaced beneath Çumra area is considerable.