DEPREM ERKEN UYARI SİSTEMLERİNDE KİNEMATİK GNSS TEKNOLOJİSİNİN KULLANIMI: GÖKÇEADA DEPREMİ (2014, Mw: 6.9) ÖRNEĞİ

Transkript

1 DEPREM ERKEN UYARI SİSTEMLERİNDE KİNEMATİK GNSS TEKNOLOJİSİNİN KULLANIMI: GÖKÇEADA DEPREMİ (2014, Mw: 6.9) ÖRNEĞİ ÖZET: C.Ö. Yiğit 1, İ. Tiryakioğlu 2,3, H. Yavasoğlu 4, M.H. Saka 5, R.M. Alkan 6,7 1 Doç.Dr., Gebze Teknik Üniversitesi, Harita Mühendisliği Bölümü, 41400, Gebze-Kocaeli 2 Doç.Dr., Afyon Kocatepe Üniversitesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Afyon 3 Doç.Dr., Afyon Kocatepe Üniversitesi, Deprem Uygulama ve Araştırma Merkezi, Afyon 4 Dr., İstanbul Teknik Üniversitesi, Geomatik Mühendisliği Bölümü, Maslak/İstanbul 5 Prof.Dr., Gebze Teknik Üniversitesi, Harita Mühendisliği Bölümü, 41400, Gebze-Kocaeli 6 Prof.Dr., İstanbul Teknik Üniversitesi, Geomatik Mühendisliği Bölümü, Maslak/İstanbul 7 Prof.Dr., Hitit Üniversitesi, 19030, Corum, Turkey cyigit@gtu.edu.tr Son yıllarından depremlerin kısa sürede tespit edilmesi ve değerlendirilmesi konusunda bilim insanları yoğun çalışmalar yapmaktadır. GNSS değerlendirme teknikleri ve donanım teknolojilerindeki ilerlemeler, deprem yer hareketlerinin gerçek zamanlı tespit edilmesi ve değerlendirilmesine imkân vermektedir. Bu çalışmada, CORS-TR ağına sekiz adet istasyonun GNSS verileri Kinematik PPP (Precise Point Positioning-Hassas Nokta Konumlama) yöntemi kullanılarak değerlendirilmiş ve Gökçeada depreminde (2014, Mw: 6.9) meydana gelen sismik dalga etkileri araştırılmıştır. GNSS istasyonlarının Kinematik PPP ile elde edilen zaman serileri ve ardışık yer değiştirme miktarları incelenerek sismik dalganın yayılma hızı ve istasyonlardaki etkileri noktaların deprem merkezine olan uzaklığına göre incelenmiştir. Yapılan değerlendirmelere göre, istasyonlardaki deprem kaynaklı ani koordinat değişimlerinin (titreşimlerin) deprem merkezine en yakın nokta (90 km) ve en uzak (250 km) noktadaki zaman farkı yaklaşık 50 saniye olarak belirlenmiştir. Deprem kaynaklı yer hareketlerinin istasyona ilk ulaştığı an ve istasyonların deprem merkezine olan uzaklıklarına bağlı olarak sismik dalga hızı yaklaşık 1.9 ila 2.7 km/sn olarak hesaplanmıştır. Hassas Nokta Konumlama için gerekli olan hassas yörünge bilgileri ve saat hatalarına ilişkin bilgiler anlık olarak kullanıcılara sunulabilmektedir. Böylelikle, belirli yoğunlukta ülke geneline tesis edilmiş CORS-TR (Türkiye Ulusal Sabit GNSS Ağı Aktif)istasyonlarına ait veriler ve anlık hassas nokta konumlama (Realtime PPP) yöntemi kullanılarak jeofiziksel ve sismik yöntemlere ek olarak deprem erken uyarı sistemi kurulabilir ve deprem dalgasının ilk ulaştığı GNSS istasyonda tespit edilen herhangi bir deprem daha uzaktaki yerleşim yerlerine anlık bilgi akışı sağlayarak şehir elektriği, doğal gazı, içme suyu v.b. anında kesilerek daha büyük deprem kaynaklı hasarları önleyebilir ve hatta kurulan erken uyarı sistemleri ile insanlar güvenli bölgelere ulaşma zamanı bulabilir. Bu çalışmada, hem Çanakkale- Gökçeada depreminin deprem kaynaklı yer hareketleri büyüklükleri ve sismik dalga hızı yayılışı açısından incelenmiş hem de CORS-TR GNSS istasyonları ve anlık PPP yöntemi ile deprem erken uyarı sistemi önerilerinde bulunulmuştur. ANAHTAR KELİMELER: Kinematik GNSS, CORS-TR, PPP, Deprem Erken Uyarı

2 USE OF KINEMATIC GNSS TECHNOLOGY IN EARTHQUAKE EARLY WARNING SYSTEMS: GÖKÇEADA EARTHQUAKE (2014, Mw:.6.9) ABSTRACT: Scientists have been working intensively on earthquake detection and evaluation in recent years. GNSS processing techniques and advances in hardware technologies allow real-time detection and evaluation of earthquake ground motions. In this study, the effects of seismic waves at Gökçeada (2014, Mw: 6.9) earthquake were investigated by using 8 GNSS station data of CORS-TR network and Kinematic PPP (Precise Point Positioning) method. Time series and sequential displacement amounts of GNSS stations are analyzed by Kinematic PPP and the propagation speed of seismic wave and the effects of stations are investigated according to the distances to the earthquake center. According to results obtained, the time difference between the earthquake-induced sudden coordinate changes (vibrations) to the nearest (90 km) and farthest (250 km) stations to the earthquake center was determined to be about 50 seconds. Seismic wave velocity is estimated to be about 1.9 to 2.7 km / sec depending on the moment when earthquake ground movements first reach the station and the distances of the stations to the earthquake center. Precise orbit information and clock errors required for PPP method can be presented instantly to the user. Thus, in addition to the geophysical and seismic methods, an earthquake early warning system can be established by using real-time PPP method and earthquake early detection of earthquake wave can provide instantaneous information flow to remote settlement sites. Therefore, with disabling electricity, natural gas and drinking water network prevent damages from larger earthquakes, and even with established early warning systems, people can find time to reach safe zones. In this study, earthquake ground movements of the Gökçeada earthquake were investigated in terms of magnitude and spread of seismic wave velocity, and CORS-TR network and Realtime PPP method were suggested for earthquake early warning system. KEY WORDS: Kinematic GNSS, CORS-TR, PPP, Earthquake Early Warning 1. GİRİŞ Geleneksel olarak sismik yöntemler depremler tarafından tetiklenen kosismik yer değiştirmelerin (deplasman) izlenmesinde kullanılır (Allen ve Kanamori, 2003; Espinaso v.d., 1995). Noktasal deplasmanlar gözlemlenmiş ivme ölçer sinyallerinin çift integrasyonundan ya da geniş bantlı sismometre ile gözlemlenen hızlarının tek katlı integrasyonundan elde edilebilir. Sismometer büyük bir deprem olması durumunda muhtemel olarak sinyali keser. Güçlü yer hareketlerini ölçen ivme ölçer aletleri sinyal kesilmesine sebep olmamasına rağmen, ivmelenmeden elde edilen yer değiştirme hareketlerini eğim değişiminden ve doğrusal olmayan ivme ölçer davranışlarından dolayı anlamlı derecede bozabilir (Li et al., 2014). Yüksek frekanslı (1-Hz veya daha yüksek frekans) GNSS, yer değiştirmeleri doğrudan gözlemler ve sürüklenme, kırpma veya alet eğilmesi gibi hatalar olmaksızın büyük depremlerde kullanılabilir (Allen ve Ziv, 2011; Larson et al., 2003). Son yıllarda, GEONET (Japonya'nın GPS Yer Gözlem Ağı), PBO (UNAVCO nun Plaka Sınırları Gözlemevi) v.b. gibi yoğun GNSS izleme ağları sisimik olarak aktif olan bölgelerde sismik ağa tamamlayıcı bir unsur olarak ve deprem/tusunami erken uyarı sistemi ve sismik risklerin azaltılmasına katkı sağlaması amacıyla kurulmuştur (Blewitt et al., 2006). Kinematik GNSS ile veri toplama frekansındaki tüm koordinat bilgileri elde edilebilmektedir. Kinematik GNSS ile koordinatlar bağıl ve mutlak olmak üzere iki yöntemle belirlenebilir. Bağıl yöntemde en az iki adet GNSS alıcısına ihtiyaç duyulmaktadır. Bir tanesi koordinat önceden bilinen bir noktada üzerinde referans olarak, diğeri ise gezici olarak kullanılmaktadır. Mutlak GNSS yönteminde ise tek bir gezici alıcının koordinatları PPP yöntemi kullanılarak elde edilebilmektedir. İki yöntem doğruluk açısından karşılaştırıldığında bağıl yöntem daha hassas sonuçlar vermektedir. Bağıl yöntemde GNSS sinyallerine etki eden birçok hata kaynağı baz uzunluğuna bağlı

3 olarak giderilebilmekte ve faz başlangıç belirsizliği çözülerek yüksek doğrulukla konumlar elde edilebilmektedir. PPP yönteminde ise yüksek doğrulukla konum bilgisi elde edebilmek için Hassas Uydu Yörünge bilgisine ve uydu saat hatalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Geleneksel PPP yönteminde ayrıca faz başlangıç belirsizliği tam sayı olarak belirlenememekte ve bu değerin gerçek değerine yakınsaması için en az 20 dakikalık bir ölçme süresine ihtiyaç duyulmaktadır. Her ne kadar bağıl yöntemle elde edilen koordinat duyarlılıkları ve doğrulukları PPP yönteminden daha yüksek olsa da depremin sebep olduğu yer hareketlerinin ölçülmesinde referans istasyonunun sabit olması şartından dolayı PPP yöntemine göre dezavantajı bulunmaktadır. Bağıl yöntemde referans istasyonun belirli bir uzaklıkta ve deprem süresince sabit olan bir zeminde olması gerektiğinden büyük depremlerde etkisiz kalmaktadır. Fakat, PPP yönteminin herhangi bir referans istasyonuna ihtiyaç duymamasından dolayı büyük depremlerde etkili bir şekilde yer sarsıntını belirleyebilmektedir. PPP yöntemi ile GNSS verileri hem sonradan (post-process) hem de anlık (Real-time) olarak proses edilerek koordinat bilgileri elde edilebilmektedir. IGS in Hassas Uydu Yörünge bilgileri ve Uydu saat hatalarını anlık olarak yayınlaması Real-Time PPP (RT-PPP) yöntemiyle anlık olarak konum belirlemeye izin vermektedir. RT- PPP yöntemi ile depremin sebep olduğu yer sarsıntısı anlık olarak belirlene bilmekte ve yöntem deprem/tusunami erken uyarı sistemi olarak tek başına yada diğer erken uyarı sistemleriyle birlikte tamamlayıcı unsur olarak kullanılabilmektedir. Ülkelerde 1 Hz lik veri toplayan CORS ağlarının kadastral ölçmeler için kurulması ile depremin sebep olduğu deprem anı yer sarsıntıları GNSS verilerinin Kinematik PPP yöntemiyle post-proses olarak işlenmesiyle incelenebilmekte ve deprem mekanizması araştırılabilmektedir. Bu çalışmada, yüksek frekanslı GNSS verilerinin depremin sebep olduğu yer değiştirmelerin belirlenmesindeki etkinliği 2014 yılında 6.4 Mw büyüklüğünde gerçekleşen Gökçeada depremi örneğiyle deprem merkezi etrafındaki CORS-TR GNSS istasyon verileri kullanılarak incelenmiştir. 2. TÜRKİYE ULUSAL SABİT GNSS AĞI AKTİF (TUSAGA-Aktif, CORS-TR) TUSAGA-Aktif/CORS-TR sistemi İstanbul Kültür Üniversitesi yürütücülüğünde Harita Genel Komutanlığı ve Tapu Kadastro Genel Müdürlüğü iş birliği ile gerçekleştirilmiş ve 2009 yılında kullanıcıların kullanımına açılmıştır. 4 tanesi Kuzey Kıbrıs Türk Cumhuriyeti nde olmak üzere şu anda 146 GNSS referans İstasyonu Türkiye geneline homojen olarak dağılmıştır (Şekil 1). Sistem Türkiye de anlık konum bilgisi üretmek ve her türlü harita faaliyetini tek GNSS alıcısı ile gerçekleştirmek amacıyla kurulmuştur. Ağ RTK yöntemiyle anlık konum belirleme faaliyetleri yanı sıra ağda bulunan GNSS noktalarına ait veriler ayrıca Tapu Kadastro Genel Müdürlüğü tarafından 1 saniyelik ve 30 saniyelik RINEX olarak isteyen sivil kullanıcılarla belirli bir ücret ya da protokol karşılığında paylaşılmaktadır. Ayrıca, bilimsel çalışmalarda bu veriler araştırma amacıyla da kullanılmaktadır. CORS-TR Projesi ile; (1) Tüm ülke genelinde 24 saat gerçek zamanlı cm duyarlıkta konum belirlemek, (2) Hava, Deniz ve karada dm duyarlıkta navigasyon, (3) Tüm kadastro ve hâlihazır haritaları ülke sistemine dönüştürecek modelleri belirlemek, (4) Türkiye yi kapsayan atmosferi modellemek ve meteorolojik tahminlere katkı sağlamak, (5) Ülkemizdeki AR-GE çalışmalarına ve uzay araştırmalarına katkıda bulunmak belirli başlı amaçlardandır (

4 3. UYGULAMA Şekil 1. CORS-TR GNSS Ağı ( Bu çalışmada, 24 Mayıs 2014 tarihinde yerel saatle 12:25 de Ege denizinde Gökçeada açıklarında meydana gelen 6.4 Mw büyüklüğündeki deprem incelenmiştir. Deprem yaklaşık 42 sn. sürmüştür. Deprem başta Çanakkale, Edirne, İstanbul ve İzmir olmak üzere Ege ve Marmara bölgesinde hissedilmiştir. AFAD başkanlığının deprem sonrası raporuna göre bazı binalarda hafif hasar tespit edilmiştir. Odak mekanizması çalışmaları sonucunda depremin doğrultu atımlı bir faya bağlı geliştiği, bu fayında Kuzey Anadolu Fay (KAF) sisteminin Ege Denizi içerisindeki devamının olduğu düşünülmektedir ( ) Şekil 2: Deprem merkezi ve CORS-TR istasyonları Deprem anı yer sarsıntılarının sebep olduğu deplasmanların büyüklükleri ve yayılma hızının incelenmesi için 8 adet CORS-TR istasyonu verisi kullanılmıştır. Depremin merkezi ve çalışmada kullanılan CORS-TR istasyonlarının dağılımları, Şekil 2 de gösterilmiştir.. Bu çalışmada kullanılan CORS-TR istasyonları CANK, IPSA, AYVL, YENC, EDRN, TEKR, BAND ve SARY olup deprem merkezinden olan uzaklıkları sırasıyla 90, 110, 150, 165, 180, 190, 220, ve 250 km dir. Bu istasyonların 1 saniye aralıklarla koordinatları, pek çok çalışmada yaygın olarak kullanılan web-tabanlı bir değerlendirme yazılımı olan CSRS-PPP kullanılarak, Kinematik PPP çözüm yöntemiyle elde edilmiştir. CSRS- PPP tüm GNSS kullanıcılarına RINEX formatındaki GNSS verilerinden yüksek doğrulukla koordinat bilgisini PPP yöntemiyle hesaplama olanağı sağlayan ücretsiz bir online post-proses (sonradan işleme) servisidir ( CSRS-PPP ile değerlendirilen 8 GNSS istasyonunun deprem öncesi deprem anı ve deprem sonrası Kuzey (N) ve Doğu (E) yönündeki yer değiştirmeleri Şekil 3 de verilmiştir. Şekil 3 de görüleceği üzere deprem dalgası ilk olarak deprem merkezinden 90 km uzaklıktaki CANK

5 noktasında görülmüş ve noktaların deprem merkezinden olan uzaklıkları ile orantı olarak deprem dalgası ilerlemiştir. GNSS zaman serilerinden elde edilen bulgulara göre, ilk istasyondan olan CANK (Çanakkale) ile son istasyon olan SARY (Saray/Tekirdağ) arasında deprem dalgası hissedilmesi arasında yaklaşık 50 sn lik zaman farkı ölçülmüştür. AYVL, YENC ve EDRN noktaları SARY, BAND noktalarına göre deprem merkezine yakın olmasına rağmen deprem dalgasının etkileri GNSS zaman serilerinde çok etkili bir şekilde görülememektedir. Şekil 3: İstasyonların deplasman değerleri Depremin sebep olduğu yüzey dalgasının daha detaylı incelenebilmesi için Şekil 3 deki zaman serileri kullanılarak 1 sn. zaman aralığındaki Kuzey (N) ve Doğu (E) bileşenleri yönündeki ardışık yer değiştirme miktarları (bir başka ifade ile hız) incelenmiştir. Şekil 4 bahsedilen ardışık hız değişimi ya da yer değiştirmeyi göstermektedir. Şekil 3 de görüldüğü üzere deprem anında 1 sn. lik ardışık yer değiştirme miktarı deprem öncesi ve sonrasına göre daha fazladır. Yine Şekil 3 deki yapıya benzer şekilde bu hız değişimleri zamanı noktaların deprem merkezinden olan uzaklıkları ile orantılı olarak farklılık göstermektedir.

6 Şekil 4: İstasyonların Kuzey (N) ve Doğu (E) bileşenleri yönündeki hız değişimi İstasyonların hız değişimlerinin deprem merkezinden olan uzaklıklarına göre karşılaştırılabilmesi için Kuzey (N) ve Doğu bileşenleri ayrı ayrı Şekil 5 ve Şekil 6 da çizilmiştir. Şekillerden de görüldüğü üzere en fazla hız değişimi en yakın olan istasyon CANK (Çanakkale) da gerçekleşmiştir. Şekiller çizilirken başlangıç zamanı USGS de yayınlanan 09:25:02 UTC olarak alınmıştır. Böylece şekillerden deprem olduğu andan itibaren noktaya gelen yüzey dalgası seyahat süreleri karşılaştırılabilir. Bu şekillere göre deprem ilk olduğu andan itibaren deprem merkezine 90 km uzaktaki CANK noktasına 48 sn. de gelmiştir. Çalışmada kullanılan deprem merkezine en uzaktaki (250 km) nokta olan SARY (Saray/Tekirdağ) noktasına ise 98 sn. sonra ulaşmıştır. Bu verilere göre deprem dalgasının hızı yaklaşık 1.9 ile 2.7 km/saniye arasında değişim göstermiştir (Tiryakioglu et al. 2017). Ayrıca Şekil 5 ve Şekil 6 dan görüldüğü üzere AYVL noktası TEKR, BAND ve SARY noktasına göre deprem merkezine daha yakın olmasına rağmen daha düşük bir hız değişimi göstermiştir. Şekil 5: İstasyonların Kuzey (N) bileşeni yönündeki hız değişimi Şekil 6: İstasyonların Doğu (E) bileşeni yönündeki hız değişimleri

7 4. SONUÇLAR Bu çalışmada CORS-TR alt yapısına ait GNSS istasyon verileri ve Post-Process PPP yönteminin Deprem Erken Uyarı sistemi olarak kullanılabilirliği Mw. Gökçeada depremi örneği üzerinden incelenmiştir. Çalışma sonucunda 1 Hz lik GNSS alt yapısı ve PPP yönteminin depremin meydana getirdiği yüzey dalgası etkilerinin doğrudan tespit edilebileceği ve erken uyarı sistemlerinde ivme ölçer yada sismometre ağına tamamlayıcı ve yardımcı olarak kullanılabileceği bir kez daha bu çalışma ile görülmüştür. Bu çalışmada post-process PPP kullanılmıştır. Bu yüzden Post-Proses PPP yöntemi deprem sonrası depremin etkilerinin araştırılması ve incelenmesi için çok etkili bir yöntem olarak kullanılabilir. Fakat, deprem/tsunami erken uyarı sistemlerinin anlık (real-time) ölçmeler olması gerektiğinden, anlık konum bilgisini üreten Real-Time PPP yönteminin kullanılması gerekmektedir. Bu çalışma ile CORS-TR alt yapısının deprem erken uyarı sisteminde etkili bir şekilde Ülkemizde de kullanılabileceği bulgusuna ulaşılmıştır. Eğer, CORS-TR alt yapısı aynı zamanda real-time PPP yöntemiyle GNSS verilerin değerlendirilmesi açısından desteklenirse, Deprem/Tsunami erken uyarı sisteminde de etkili bir şekilde kullanılabilecektir. Deprem erken uyarı sistemiyle en azından deprem merkezine belli yakınlıkdaki şehirlerde elektrik, su, doğal gaz vb. alt yapı sistemleri otomatik olarak devre dışı bırakılırsa bırakılabilme ihtiyacı sağlayacaktır. KAYNAKLAR Allen, R. and Kanamori, H., (2003) The potential for earthquake early warning in Southern California, Science, vol. 300, no. 5620, pp Allen R. and Ziv A., (2011) Application of real-time GPS to earthquake early warning, Geophys. Res. Lett., 38 (16): L Blewitt, G., Kreemer, C., Hammond, W. C. and Plag, H. P. (2006) Rapid determination of earthquake magnitude using GPS for tsunami warning systems, Geophys. Res. Lett., 33: L Espinosa-Aranda, J., Jimenez, A., Ibarrola, G., Alcantar, F., Aguilar, A., Inostroza, M. and Maldonado, S. (1995) Mexico City seismic alert system, Seismol. Res. Lett., vol. 66, no. 6, pp Larson, K., Bodin, P. and Gomberg, J. (2003) Using 1-Hz GPS data to measure deformations caused by the Denali fault earthquake, Science, 300 (5624): Li, X., Ge, M., Lu, C., Zhang, Y., Wang, R., Wickert, J., & Schuh, H. (2014). High-rate GPS seismology using real-time precise point positioning with ambiguity resolution. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 52(10), Tiryakioglu I., Yigit C.O., Yavasoglu H., Saka M.H., Alkan R.M. (2017) The Determination of Interseismic, Coseismic and Postseismic deformations caused by the Gökçeada-Samothraki Earthquake (2014, Mw:6.9) based on GNSS data, Journal of African Earth Sciences, 133: