Akçakoca-Cide Karadeniz yamacı deniz yansıma sismiği verilerinin işlenmesi ve bölgenin aktif tektoniği açısından yorumlanması
Data processing of marine seismic reflection data from Black Sea slope (Akçakoca-Cide) and interpretation by means of active tectonics
Yazar: KEMAL MERT ÖNAL
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA EMİN DEMİRBAĞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeofizik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering
Dizin: Batı Karadeniz havzası = West Black Sea basin ; Deniz jeolojisi = Marine geology ; Jeotektonik = Geotectonics ; Sismik veri işleme = Seismic data processing ; Sismik veriler = Seismic data ; Sismik yansıma = Seismic reflection

Özet:
Karadeniz, 423.000 km2'lik alanı, 534.000 km3'lük hacmi ve 2206 m en büyük derinliği ile oval bir havza olma özelliğine sahiptir. Atlantik Okyanusu'na Akdeniz, Ege Denizi ve Türk Boğazlar Sistemi (Marmara Denizi, İstanbul ve Çanakkale Boğazları) aracılığıyla bağlı olan Karadeniz'in ortalama su seviyesi, Ege Denizi'nin su seviyesinden yaklaşık olarak 55 cm daha yüksektedir. Karadeniz, kuzeyindeki Azak Denizi'ne, derinliği 5 m'den az olan Kerç Boğazı ile bağlıdır. Karadeniz'de şelfin en fazla gelişim göstererek 190 km genişlik değerlerine ulaştığı bölge Kırım bölgesinin batısında yer almaktadır. Türk ve Rus sahilleri boyunca ve güney Kırım bölgesinde, yalnızca belirli yerlerde şelf genişliği 20 km değerlerine ulaşabilmektedir. Yaklaşık 40 km şelf genişliği değerlerinin bulunduğu bölgeler ise Bulgaristan sahilleri ve Azak Denizi'nin güneyidir.
Karadeniz Pontid magmatik kuşağının kuzeyine doğru bir yay-ardı ve/veya yay-içi havza olarak açılmıştır. Andrusov ve Archangelsky Sırtlarının oluşturduğu Orta Karadeniz Sırtı tarafından Batı ve Doğu Karadeniz Havzalarına ayrılmaktadır. Karadeniz Havzası'nı oluşturan Batı ve Doğu Karadeniz Havzaları farklı açılma zamanları ve mekanizmalarına sahiptir.
Çalışma alanı, Batı Karadeniz Havzası'nın güney kesiminde, güneyden İç-Pontid Süturu ve kuzeyden Batı Karadeniz Havzası ile sınırlandırılan ve İstanbul Zonu olarak adlandırılan kıtasal parça üzerindeki bölge ve bu bölgenin açıklarında yer almaktadır. Batı Karadeniz Havzası, Eosen sırasında, güneye doğru hareket eden İstanbul Zonu'nun arkasından bir yay-ardı havza olarak açılmaya başlamış ve İç-Pontid Süturu boyunca Sakarya Zonu ile çarpışmıştır. İstanbul Zonu, Erken Kretase'de, günümüz Odessa şelfi civarında bulunan orijinal konumundan riftleşerek, Batı Karadeniz ve Batı Kimeryen Fayları boyunca güneye doğru hareket etmeye başlamıştır. İstanbul Zonu, muhtemelen Geç Albiyen sırasında günümüzdeki konumuna yerleşmiştir.
Jeofiziksel çalışmalardan elde edilen veriler, 1960'lardan itibaren hızla gelişim gösteren tektonik bilimi için giderek artan bir öneme sahip hale gelmiştir. Sismik yansıma yöntemi, denizlerde taban altındaki derin yapıların ve jeolojik özelliklerin incelenmesinde en etkin biçimde kullanılan jeofiziksel yöntemdir. Batı Karadeniz'in Türkiye kıyıları açıklarındaki şelf ve yamaç bölgelerinde petrol arama firmaları tarafından ekonomik amaçlı olarak gerçekleştirilen iki boyutlu (2B) ve üç boyutlu (3B) sismik çalışmalar, akademik çevrelerin kullanımına oldukça kısıtlı bir şekilde açıktır. Bu çalışmaların sayısıyla kıyaslanamayacak kadar az olsa da, bu bölgedeki tektonik çalışmalara ışık tutan bilimsel amaçlı sismik yansıma çalışmalarının sayısında özellikle 1990'lı yılların ortalarından itibaren önemli bir artış gözlenmektedir. TPAO ve diğer petrol arama firmaları tarafından toplanan yoğun miktardaki sismik verilerin oldukça az bir bölümü, bu bilimsel amaçlı çalışmalara katkı sağlayacak şekilde yayınlanarak akademik ortamda paylaşılmıştır. Batı Karadeniz'in Türkiye kıyıları açıklarında günümüze kadar, özellikle kütle kayması, gaz hidratlar ve tabana benzeyen yansıtıcı (Bottom Simulating Reflector-BSR), sedimantasyon, deniz-seviyesi değişimleri ve Messiniyen olayları gibi farklı konular üzerine odaklanmış, detaylı sismik kesitler sunan birçok önemli bilimsel çalışma gerçekleştirilmiştir. 
Tektonik konulu çalışmalarda, depremler ve heyelanlar gibi zarar verici tektonik olayların zaman ve yerlerinin önceden tahmin edilmesi için çeşitli yollar aranmaktadır. Neotektonik açıdan yararlı olabilmesi için bu önceden tahminlerin, can ve mal kaybını azaltmak için yeterli doğrulukta olma zorunluluğu vardır. Bu önceden tahmin tekniklerinin araştırılması, aktif tektonik özelliklerin araştırılmasını da kapsamaktadır. Batı Karadeniz Havzası'nın güneyinde, 15 Ekim 2016 tarihinde gerçekleşen Karadeniz depremi (Ml=5.0), dikkatleri yeniden Karadeniz'in tektonik aktivitesi konusu üzerine çekmiştir. Yerel saatle 11:18'de meydana gelen bu deprem, yaklaşık olarak 7-8 saniye sürmüştür. İstanbul, Kocaeli, Düzce, Sakarya, Zonguldak ve hatta Bulgaristan'ın Varna ve Burgaz şehirlerinde hissedilmiştir. Depremin merkezüssü İstanbul'un 195 km kuzeydoğusunda ve Zonguldak'ın 124 km kuzeybatısında kalan bir noktadadır. Sığ bir merkezüssüne sahip (yüzeyden 11.4 km derinde) bu deprem, Karadeniz'in Türkiye kıyılarına yakın bölgede aletsel olarak kaydedilebilen nadir büyük depremlerden biridir. 
Karadeniz'in Türkiye kıyılarında aletsel olarak kaydedilmiş en büyük deprem, 03 Eylül 1968'de meydan gelen Bartın depremidir (MS=6.6). Bu deprem, Karadeniz'in güneyindeki aktif bindirmeye ait ilk sismolojik kanıt olma özelliğine sahiptir ve depremin odak mekanizması çözümü, sağ yönlü doğrultu atımlı Kuzey Anadolu Fayı'nın davranışından farklılık gösteren bir bindirme mekanizmasına işaret etmektedir. 15 Ekim 2016 Karadeniz Depremi'nin moment tensör çözümünden elde edilen odak mekanizması çözümü, Bartın depreminin odak mekanizması çözümüyle benzerlik göstererek, bu depremin Batı Karadeniz Havzası'ndaki aktif bindirmeye ait diğer bir sismolojik kanıt olduğunu ortaya koymaktadır.
Karadeniz'in orta ve derin bölümlerinin asismik olduğuna inanılmaktaydı, fakat güncel çalışmalarla birlikte araştırmacılar, Karadeniz'de dikkate değer sayıda ve çoğunlukla Mw   4.0 olan depremlerin gerçekleştiğini ortaya koymuşlardır. Ayrıca Karadeniz'in sınırlarına doğru artış gösteren bir depremselliğe sahip olduğunu ve en büyük depremlerinde sınırlarında gerçekleşmekte olduğunu ifade etmişlerdir. Araştırmacılar ayrıca güney Karadeniz'de ve orta bölümlerde, özellikle Bartın ve Samsun açıklarında, sıkışmalı bir tektonik rejimi ifade eden ters fay bileşeni ağırlıklı depremlerin meydana geldiğini ve ters faylanma bileşeninin güçlü olduğu bu depremlerin genelde havzaya paralel olarak uzanmakta olduğunu vurgulamışlardır. Bu depremler bölgenin asismik olmayıp, çok sık aralıklarla olmasa da zaman zaman deprem ürettiğini ortaya koymaktadır. 
Kıvrımlara genellikle ters faylar eşlik etmektedir ve bu ters fayların büyük bir kısmı düşük açılı olan bindirme faylarıdır. Bazı bindirme fayları ve yüksek açılı ters faylar yüzey kırığı oluşturabilirler, fakat gömülü ters faylar olarak adlandırılan diğer birçok ters fay ise antiklinallerin çekirdeklerinde saklı olarak kalırlar. Son zamanlarda bu gömülü aktif fayların belirgin şekilde deprem tehlikesi ortaya koydukları kabul edilmektedir ki, bu büyük zararlara sebep olan depremler, kıvrımlı kayaçların içinde veya tam altında konumlanmış olan faylar üzerinde oluşabilmektedir. Bu özellikteki faylar, kilometrelerce derinlikte gömülü olabilirler ve deprem sırasında yırtıldıklarında yüzeyde yükselme ve kıvrımlanmalara sebep olabilirler. Bu çalışmada, Batı Karadeniz Havzası'nın güneyinde, Akçakoca ile Cide arasında kalan bölge açıklarında bulunan şelf ve yamaç bölgeleri altında, sıkışmalı tektonik rejimin etkisi ile oluştuğu düşünülen faylar ve bu fayların aktiviteleri ile oluşan jeolojik yapılar, deniz yansıma sismiği verileri kullanılarak ortaya çıkarılmıştır.
Bu çalışmada kullanılan deniz yansıma sismiği verileri İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ), Cambridge Üniversitesi ve Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü (MTA) işbirliğiyle 1998'in Eylül ayında toplanmıştır. Toplam uzunlukları 460 km'yi bulan 14 hat üzerinde, R/V MTA Sismik-1 gemisiyle veriler toplanmıştır. Zaman ortamı sismik göç kesitlerinin elde edilebilmesi amacıyla  ham verilere, deniz sismiği veri işlem aşamalarının tüm gerekli olan ve bazı isteğe bağlı olan veri işlem aşamaları uygulanmıştır. Bu zaman ortamı göç kesitlerinden, bindirme fay yapılarına ve bu fayların aktiviteleri sonucu oluşmuş olan kıvrımlara örnekler vermek mümkün hale gelmiştir. Bu görseller, çalışma alanını etkileyen sıkışmalı rejimin varlığına açıklık getirmek için oldukça faydalıdır.
Verileri kullanılabilir olma özelliğindeki denizde açılmış olan Akçakoca-1 ve Akçakoca-2 kuyuları ve karada açılmış olan Ereğli-1, Filyos-1, Bartın-1, Ulus-1, Amasra-1, Çakraz-1 ve Gegendere-1 kuyularına ait kompozit kuyu logları, Petrol İşleri Genel Müdürlüğü (PİGM)'nden temin edilmiş ve elde edilen veriler, sismik verilerle bir arada değerlendirilmiştir. Zaman ortamı sismik göç kesitinde ayırt edilen sismik birimlerin jeolojik yaşlandırmaları, Akçakoca-1 ve Akçakoca-2 kuyularından elde edilen verilerden faydalanılarak gerçekleştirilmiştir.
Bu çalışmada ayrıca, önceki jeolojik çalışmalarda verilen jeolojik kesitler vasıtasıyla kara-kıyı ötesi jeolojik kesitler hazırlanmış ve çalışma alanında karadaki jeolojik özelliklerin deniz altında nasıl devam ettiğine dair bulgular sunulmuştur. Bu jeolojik kesitlerde ayrıca, çalışma alanındaki sıkışmalı tektonik rejimin varlığı hakkında oldukça faydalı yeni bulgular vermektedir.  
Bu çalışmadan elde edilen önemli bulgular, sismik yansıma çalışmalarından elde edilen sonuçların kullanılmasıyla, havzayı etkileyen sıkışmalı tektonik rejimin varlığı ile ilgili diğer bir ipucunun verilmesi ve bindirme ile ilişkili jeolojik yapıların karadan denize doğru nasıl devam ettiğine dair bilgilerin ortaya konulmasıdır. Elde edilen sonuçlar, Karadeniz'in K-G yönlü olarak sıkışmakta olduğu düşüncesini destekler niteliktedir.

Abstract:
The Black Sea is an oval basin with an area of 423.000 km2, a volume of 534.000 km3 and a maximum depth of 2206 m. It is connected to Atlantic Ocean by Mediterranean Sea-Aegean Sea-Turkish Straits System (The Sea of Marmara and the straits of Bosphorus and Dardanelles) and it is also connected to Sea of Azov by the Kerch strait. The mean sea level at the Black Sea is about 55 cm higher than the level at the Aegean Sea. The maximum development of the Black Sea shelf is at the west of Crimean peninsula, where it is more than 190 km wide. Along the Turkish coast, Russian coast and south of the Crimean peninsula, the shelf exceeds 20 km in width in only a few places. The widths of about 40 km are found off the Bulgarian coast and south of the Sea of Azov.
The Black Sea opened as a back-arc and/or intra-arc basin to the north of Pontide magmatic belt. It is seperated by the mid-Black Sea Ridge (comprising Andrusov and Archangelsky ridges). Western Black Sea Basin (WBSB) and Eastearn Black Sea Basin (EBSB) have different time and mechanisms of opening. 
The study area is located on the southern margin of the WBSB, on the fragment called Istanbul Zone (which is delimited by the Intra-Pontid suture in the south and by the WBSB to the north) and its offshore area. WBSB opened as a back-arc basin behind the southwards-moving Istanbul Zone and collided with the Sakarya Zone along the Intra-Pontide Suture during the Eocene. Istanbul Zone rifted off from its original location around the present Odessa Shelf during the early Cretaceous, and started to move southwards along the West Black Sea and West Crimean transform faults. The emplacement of the Istanbul Zone into its present position was possibly during the late Albian.  
Geophysical data have become increasingly important for rapidly developed tectonic research since 1960s. Seismic reflection method is the most effectively used geophysical method for investigation of the deep structure and the geological features beneath the sea floor. From the middle of 1990's to present, in spite of well-rounded but non-utilizable data of commercial two dimensional (2D) and three dimensional (3D) seismic studies of petroleum companies, the number of scientific studies and publications for academic purposes, revealing the geological structure beneath Turkish sector of the WBSB using marine seismic reflection data, has been increasing. Especially, there is a considerable amount of scientific articles focused on various subjects (such as mass wasting, sedimentation, sea-level fluctuations, BSR, Messinian events etc.) presenting detailed seismic sections and providing a good definition of the structural properties beneath the shelf and the continental slope of the southern part of the basin along Turkish margin.
In tectonics, researchers search for ways to predict the time and location of damaging tectonic events such as earthquakes and tectonically induced events. To be neotectonically useful, the predictions must be precise enough to alleviate the loss of life and property. This quest for prediction techniques also involves the investigation of active tectonics. The earthquake occurred on October 15, 2016 (Ml=5.0) re-attracted attention to the tectonic activity of WBSB. This earthquake took place at 11:18 local time and lasted 7-8 seconds. It was felt in the cities of Istanbul, Kocaeli, Duzce, Sakarya, Zonguldak and even in the Bulgarian cities Varna and Bourgas. The epicenter of the earthquake was at a point 195 km north-east of Istanbul and 124 km north-west of Zonguldak. This earthquake with a shallow epicenter (11.4 km below the surface) was one of the rare instrumentally recorded strong earthquakes occured at the southern part of the WBSB. 
The Bartın Earthquake of September 3, 1968 (MS=6.6) is the strongest instrumentally recorded earthquake along the Turkish margin of Black Sea. This earthquake was the first seismological evidence of active thrusting occuring at the southern margin of the Black Sea and its fault-plane solution indicated a thrust mechanism which emphasized a different behaviour from the right-lateral strike-slip North Anatolian Fault. Focal mechanism derived from the solution of the moment tensor for the October 15, 2016 Black Sea earthquake, revealed another clue for the active thrusting at the WBSB with a very similar focal mechanism solution of Bartin Earthquake.
The central and the deepest parts of the Black Sea was believed to be aseismic but, with the recent studies, the researchers showed that there are a significant number of earthquakes in the Black Sea, mostly of magnitude Mw=4.0 or smaller. They also revealed that the seismicity increases towards the margins of the Black Sea, with the largest events at the margins. The researchers also emphasized that, in southern Black Sea and the middle part, especially offshore of Bartın and Samsun, the earthquakes which have the reverse faulting component dominated solutions, are related with the compressional tectonic regime and the strikes of these earthquakes generally lie parallel to the basin. These earthquakes show that the region is not aseismic and produces earthquakes from time to time, though not very frequently.
The folds are commonly accompanied by reverse faulting and many of these reverse faults are low angle and are called thrust faults. Some of the thrust faults and high-angle reverse faults may break the surface, but many others remain hidden within the cores of anticlines and are termed buried reverse faults. Buried active faults present a significant earthquake hazard-that large damaging earthquakes can occur on faults located entirely beneath or within folded rocks. The tips of such faults may be buried at depths of several kilometers, and when they rupture during earthquakes, uplift and folding occur at the surface. In this study, the fault structures that are considered to be formed by the effect of compressional tectonic regime and the structures formed by the activities of these faults beneath the shelf and slope areas between the region offshore Akçakoca-Cide at the southern part of the WBSB, revealed by using marine seismic reflection data.
The marine seismic reflection data used in this study were collected by the collaboration of General Directorate of Mineral Research and Exploration (MTA), Cambridge University and Istanbul Technical University (ITU) in September, 1998. R/V MTA Sismik-1 was used to collect data on 14 seismic lines with a total length of 460 km. All necessary and some optional processes of typical marine seismic data processing sequence were applied to raw data to obtain time-migrated seismic sections. From the time-migrated seismic sections, to give examples for thrust fault structures and folds formed by the activities of these faults became possible. These images were beneficial to clarify the presence of the compressional regime effecting the study area.
Available onland and offshore geological exploratory well data of Akçakoca-1, Akçakoca-2, Ereğli-1, Filyos-1, Bartin-1, Ulus-1, Amasra-1, Cakraz-1 and Gegendere-1 are obtained from General Directorate of Petroleum Affairs (PIGM) and used to correlate with seismic sections. Seismic markers of the time-migrated seismic sections were dated by referencing to Akcakoca-1 and Akcakoca-2 wells.
Also in this study, the land-offshore geological sections prepared by means of the geological sections given by previous geological studies and the information about the continuation of the geological features from land to offshore in the study area was presented. These geological sections also give quite beneficial new evidences for the presence of the compressional tectonic regime in the study area.
The important findings of this study were to give another clue for the presence of the compressional tectonic regime effecting the basin by using the outcomes of seismic reflection studies and to reveal the continuation of the thrust related geological features from land to offshore. The results obtained, agrees with the opinion that Black Sea is being compressed in N-S direction.