Sapanca Gölü'nde Kuzey Anadolu Fayı nedeniyle gelişen pockmarkların yarı-otomatik sistemle tespit edilmesi ve morfolojik analizleri
Detection and morphological analysis of pockmarks developed due to North Anatolia Fault in Sapanca Lake with semi-automatic system
Yazar: ENES SÖNMEZ
Danışman: PROF. DR. HÜLYA KURT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeofizik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering

Özet:
Sapanca Gölü Marmara Bölgesi'nin doğusunda D-B doğrultulu uzanan ve Kuzey Anadolu Fayı'nın (KAF) etkisiyle oluşmuş tektonik bir göldür. Yaklaşık 1200 km uzunluğundaki aktif KAF, Doğu Anadolu'da Karlıova'dan başlar ve yaklaşık olarak doğu-batı doğrultusunda Marmara Bölgesi üzerinden Ege Denizi'nin kuzeyine kadar uzanmaktadır. Sağ yanal doğrultu atımlı bir fay olan KAF, Doğu Marmara bölgesinde Güney kol, Orta kol ve Kuzey kol olmak üzere 3 segmente ayrılmıştır. Kuzey kolu, Bolu'nun batısından Sapanca Gölü, İzmit Körfezi, Marmara Denizi ve Saros Körfezi üzerinden Kuzey Ege Denizi'ne kadar uzanmaktadır. Tarihsel ve aletsel dönemde KAF Zonu (KAFZ) boyunca büyüklüğü Mw>7 olan çok sayıda deprem kaydedilmiştir. Doğu Marmara bölgesinde meydana gelen; 1957 Abant (Mw=7.1), 1967 Mudurnu (Mw=7.1), 1999 Gölcük (Mw=7.4) ve 1999 Düzce (Mw=7.2) depremleri bunlardan bazılarıdır.
Doğu Marmara bölgesinde yer alan Sapanca Gölü, KAF'a bağlı olarak gelişmiş, D-B doğrultusunda ~16 km, kuzey-güney doğrultusunda ~5 km uzunluğunda tektonik bir göldür. Göl, deniz seviyesinden 33 metre yüksekliktedir. Göl, güneyinde yer alan Samanlı Dağları (Kartepe kütlesi) ve bu dağların yamaçlarıyla sınırlanmıştır. Kuzeyde Kocaeli Platosu bulunurken, doğuda Adapazarı Ovası ve Arifiye Ovası, batıda ise İzmit-Sapanca oluğu bulunmaktadır. Sapanca Gölü, İzmit-Sapanca segmenti ile Sapanca-Akyazı segmenti arasında yer almaktadır. Bugüne kadar yapılan çalışmalarda gölün KAF hareketlerine bağlı olarak çek-ayır (pull-apart) mekanizmasıyla oluştuğu belirtilmiştir. 
"Sapanca Gölü ve Civarının Aktif Tektoniğinin Jeofizik Yöntemlerle Araştırılması" başlıklı TÜBİTAK-1001 projesi (Proje No: 117Y130) kapsamında (Kurt ve diğ., 2020) Sapanca Gölü tabanının aktif tektonik özelliklerini belirlemek için çok ışınlı batimetri ve yüksek çözünürlüklü sığ sismik yansıma verileri toplanmıştır. Gölün ~17.85 km2'lik alanında, çok ışınlı batimetri verileri ile santimetre ölçeğinde yatay ve dikey çözünürlük sunan haritalarda aktif tektonik yapıların izleri ve buna bağlı gelişen göl tabanı çukurlukları araştırılmıştır. Göl tabanına ait batimetrik verilerin işlenmesi ve yorumlanmasına yönelik haritalama çalışmalarının çeşitli aşamalarında; SURFER-16, GMT (Genel Haritalama Aracı), QGIS (Kuantum Coğrafi Bilgi Sistemi) ArcGIS (Arc Coğrafi Bilgi Sistemi) ve MATLAB yazılımları kullanılmıştır.  
Oluşturulan iki ve üç boyutlu batimetrik kontur ve kabartı haritalarında gölde hakim olan aktif faylarla ilgili çizgisellikler ve pockmark yapıları gözlenmiştir. Göle ait batimetrik değişimin bütününe bakıldığında göle güney batı ucundan girip BKB doğrultusunda uzanan çizgiselliğin KAF'ın kuzey koluna ait olduğu muhakkaktır. Nitekim Kurt ve diğ. (2020)'de bu batimetrik verilere ilaveten yüksek çözünürlüklü sığ sismik veriler değerlendirilerek bu yapının genişlemeli-büklüm yapısı sunduğu belirtmiştir. Fayla ilişkili bu çizgiselliklerin gölün özellikle doğu kısmında yaptığı sola sıçramalar (en-echelon) üzerinden alınan batimetrik kesitlerde basınç sırtı (pressure-ridge) yapıları gözlenmiştir. Göle ait batimetrik harita ve kesitlerde gözlenen pockmark yapıları, genellikle deniz veya göl tabanında bulunan ve çapları birkaç santimetreden birkaç metreye kadar değişebilen tortulardaki dairesel çöküntülerdir. Bu çukurluklar, akışkanların deniz veya göl tabanında salınması sonucu oluşmaktadır. Gölde gözlenen pockmark yapılarının boyutları, geometrik özellikleri, dağılımı ve yoğunluğu gibi özellikleri, oluşturulan kontur ve kabartı haritalarından, manuel olarak yapılan tespitlerin oluşturabileceği hataları en aza indirmek amacıyla, yarı-otomatik bir sistem kullanılarak belirlenmiştir. Yarı-otomatik filtreleme yöntemi, manuel olarak yapılan haritalama ve karakterizasyon sürelerinden çok daha kısa sürede tamamlanabilen, güvenilir bir sistemdir. Fakat batimetrik verilerin çözünürlüğünden büyük ölçüde etkileneceğinden yüksek çözünürlüklü verilerle kullanılması önerilmektedir.
Belirlenen pockmarklar fay hattına belirli mesafelerde yer almakta olup, çok ışınlı batimetri (multibeam bathymetry) verilerinin toplandığı alanda toplam sayıları 439'dur. Gölde belirlenen pockmarklara bazı morfolojik özellik analizleri uygulanmıştır. Pockmark yapılarının çapları 1-50 metre, kalınlıkları ise 0.1-3.9 metre arasında değişmektedir. Bu analizlere ve ölçümlere göre, gölde bulunan pockmark yapıları "birim" ve "normal"olmak üzere karakterize edilmiştir. Birim pockmarklar genellikle 1-10 metre genişliğinde çapa sahip ve 0.5 metre kalınlığa kadar ulaşabilmektedirler. Gölde yapılan ölçümlere göre, normal pockmarklar ise 10-50 metre çapa ve yaklaşık 4.0 metre kalınlığa kadar ulaşabilmektedir.
Pockmarklar, gölün güneydoğu bölgesinde de bulunmasına rağmen, kuzeydoğu bölgesinde yoğunlaşmıştır. Jeolojik haritalar ve batimetri haritaları birlikte incelenerek gölde bulunan pockmarkların yoğun olarak çamurlu kum çökellerinde oluştuğu görülmüştür. Normal pockmarklar için pockmark kalınlığı (d) ile pockmark kesit alanı (A) arasında doğrusal bir ilişki bulunmuştur. Genel eğilime göre pockmark kalınlığının artmasıyla, kesit alanı da artış göstermektedir. Pockmark kalınlığı ve minimum su derinliği (MinSD) arasında ise anlamlı bir ilişki yakalanamamış olup farklı kalınlık değerlerinde yaklaşık olarak sabit bir minimum su derinliği tespit edilmiştir.
Gölde bulunan normal pockmarkların şekli ve yönelimi göl tabanı jeoloisi ve hidrolik aktivite hakkında bilgi sunmaktadır. Normal pockmaklara ait eksantrisite (dışmerkezlilik) değerleri hesaplanarak ağırlıklı olarak 0.3 bulunmuştur. Böylelikle pockmarkların genellikle dairesele yakın bir şekle sahip olduğu anlaşılmıştır. Buradaki dairesel pockmarkların, göl tabanındaki fayın deprem aktivitesi ile güçlü ve ani bir akışkan çıkışı tarafından oluştuğu düşünülmektedir. Eksantriklik değerlerindeki farklılık ince sedimanların göl suyunda hakim olan dip akıntılarından etkilendiğini göstermektedir. Normal pockmarkların yaklaşık %50'sinin KD-GB yönlü olduğu, geri kalanının ise farklı yönelimlere sahip olduğu görülmüştür. Tutarlı yönelimler pockmarkların kısa bir süre içerisinde oluştuğunu ve/veya dip akıntısı rejiminin uzun süredir sabit olduğunu gösterirken, farklı yönelimler akışkan akışı ve/veya akım rejiminde oluşan değişimleri işaret etmektedir.

Abstract:
Sapanca Lake is a tectonic lake located in the eastern part of the Marmara Region, extending in a northeast-southwest direction and formed under the influence of the North Anatolian Fault (NAF). The active NAF, which is approximately 1200 km long, starts from Karlıova in Eastern Anatolia and extends roughly in an east-west direction through the Marmara Region to the north of the Aegean Sea. The NAF, which is a right-lateral strike-slip fault, is divided into three segments in the Eastern Marmara region: the Southern branch, the Central branch, and the Northern branch. The Northern branch extends from the west of Bolu to Sapanca Lake, the Izmit Bay, the Marmara Sea, and the Saros Bay all the way to the northern Aegean Sea. Numerous earthquakes with magnitudes greater than Mw>7 have been recorded along the NAF Zone (NAFZ) in both historical and instrumental periods. Some of the earthquakes that occurred in the Eastern Marmara region include 1957 Abant earthquake (Mw = 7.1), 1967 Mudurnu earthquake (Mw = 7.1), 1999 Gölcük earthquake (Mw = 7.4), and 1999 Düzce earthquake (Mw = 7.2).
Sapanca Lake, located in the Eastern Marmara region, is a tectonic lake developed in connection with the NAF. It has an approximate length of about 16 km in the northeast-southwest direction and about 5 km in the north-south direction. The lake is situated at an elevation of 33 meters above sea level. It is bounded by the Samanlı Mountains (Kartepe Massif) to the south and their slopes. The Kocaeli Plateau is located to the north, while the Adapazarı Plain and Arifiye Plain are to the east, and the Izmit-Sapanca trough is to the west. Sapanca Lake is located between the Izmit-Sapanca segment and the Sapanca-Akyazı segment. Studies conducted so far have indicated that the lake was formed through a pull-apart mechanism due to the movements of the NAF.
Within the scope of the TÜBİTAK-1001 project titled " Investigation of Active Tectonics of Lake Sapanca and Surrounding with Geophysical Methods " (Project No: 117Y130), multi-beam bathymetry and high-resolution shallow seismic reflection data were collected to determine the active tectonic characteristics of the Sapanca Lake basin (Kurt et al., 2020). In an area of approximately 17.85 km2 of the lake, the traces of active tectonic structures and the resulting lake basin depressions were investigated through multi-beam bathymetry data, which provided centimeter-scale horizontal and vertical resolution maps. Various software tools were used in the processing and interpretation of the bathymetric data for mapping purposes, including SURFER-16, GMT (Generic Mapping Tools), QGIS (Quantum Geographic Information System), ArcGIS (Arc Geographic Information System), and MATLAB.
In the generated two-dimensional and three-dimensional bathymetric contour and relief maps, lineaments related to dominant active faults and pockmark structures were observed in Sapanca Lake. When looking at the overall bathymetric changes in the lake, it is evident that the lineament entering the lake from the southwest and extending in the northeast-southwest direction belongs to the northern branch of the NAF. Indeed, Kurt et al. (2020) noted that this lineament exhibits an extensional-folding structure based on the evaluation of high-resolution shallow seismic data in addition to the bathymetric data. The pressure-ridge structures were observed in the bathymetric profiles taken over the left-stepping (en-echelon) movements of these lineaments, particularly in the eastern part of the lake. The pockmark structures observed in the bathymetric maps and profiles of the lake are circular depressions in sediments on the seabed or lake floor, ranging in diameter from a few centimeters to several meters. These depressions are formed as a result of fluid venting from the seafloor or lake floor. The dimensions, geometric characteristics, distribution, and density of the pockmark structures observed in the lake were determined using a semi-automatic system to minimize errors that may arise from manual detections, based on the generated contour and relief maps. The semi-automatic filtering method is a reliable system that can be completed in a much shorter time compared to manual mapping and characterization processes. However, it is recommended to use high-resolution data with the method as it can be significantly affected by the resolution of bathymetric data.
The identified pockmarks are located at certain distances from the fault line and a total of 439 pockmarks were detected in the area where the multi-beam bathymetry data were collected. Morphological analyses were conducted on the identified pockmarks in the lake. The diameters of the pockmark structures range from 1 to 50 meters, and their depths vary between 0.1 and 3.9 meters. Based on these analyses and measurements, the pockmark structures in the lake were characterized as "unit" and "normal." Unit pockmarks generally have a diameter of 1-10 meters and can reach a depth of up to 0.5 meters. According to the measurements conducted in the lake, normal pockmarks have diameters ranging from 10 to 50 meters and depths of approximately 4.0 meters.
Although pockmarks are also found in the southeastern region of the lake, they are concentrated in the northeastern region. By examining geological maps and bathymetric maps together, it is observed that the pockmarks in the lake predominantly occur in muddy sand deposits. For normal pockmarks, a linear relationship was found between the pockmark thickness (d) and the pockmark cross-sectional area (A). According to the general trend, as the pockmark thickness increases, the cross-sectional area also increases. However, no significant relationship was found between the pockmark thickness and the minimum water depth (MinSD), and approximately a constant minimum water depth was determined for different thickness values.
The shape and orientation of the normal pockmarks in the lake provide information about the lakebed geology and hydraulic activity. The eccentricity (eccentricity) values of the normal pockmarks were calculated, and a weighted average of 0.3 was found. This indicates that the pockmarks generally have a shape close to circular. It is believed that these circular pockmarks are formed by strong and sudden fluid outbursts associated with seismic activity along the fault line in the lakebed. The variation in eccentricity values suggests that it is influenced by the dominant bottom currents in the lake water, affecting the fine sediments. Approximately 50% of the normal pockmarks were found to have a northeast-southwest orientation, while the rest had different orientations. Consistent orientations indicate that the pockmarks formed within a short period of time and/or that the bottom current regime has been stable for a long time. Different orientations suggest changes in fluid flow and/or current regime.