MİKROTREMOR VE ÇKYD YÖNTEMLERİYLE ELDE EDİLEN VERİLERİN ORTAK KULLANIMI İLE ZEMİN ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI: ALİAĞA (İZMİR) ÖRNEĞİ

Transkript

1 MİKROTREMOR VE ÇKYD YÖNTEMLERİYLE ELDE EDİLEN VERİLERİN ORTAK KULLANIMI İLE ZEMİN ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI: ALİAĞA (İZMİR) ÖRNEĞİ Aykut TUNÇEL 1, Özkan Cevdet ÖZDAĞ 2, Eren PAMUK 3, Mustafa AKGÜN 4 ve Şenol ÖZYALIN 5 1 Araş. Gör. Dr., Jeofizik Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 2 Uzman, Ege Bölgesi Uygulama ve Araştırma Merkezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 3 Araş. Gör., Jeofizik Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 4 Prof. Dr., Jeofizik Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 5 Yrd. Doç.. Dr., Jeofizik Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir ÖZET: aykut.tuncel@deu.edu.tr Deprem sırasında zemin yüzeyinde oluşabilecek yanal deformasyon değişimlerini önceden tahmin etmek amacıyla, mikrotremor ölçümlerinden elde edilen gözlemsel quasi transfer spektrumları (QTS) kullanılabilir. Zemin transfer fonksiyonu olarak anlam kazanan QTS, anakayada meydana gelen depremin zemin yüzeyine ulaştığında ne gibi değişimlere uğrayacağını önceden modelleyebilmemize imkân sağlar. Makaslama dalgası hızları, zeminin deprem anındaki dinamik koşullarda nasıl davranacağı hakkında önemli bilgiler taşır. Bu çalışmada zemin özelliklerinin incelenmesi için İzmir ilinin kuzeyinde yer alan araştırma alanında tek istasyon mikrotremor ve çok kanallı yüzey dalgaları (ÇKYD) yöntemleri ile veri toplanmıştır. Çalışma kapsamında mikrotremor yöntemi ile 58 noktada gürültü kaydı ve ayrıca 34 profil üzerinde Çok kanallı yüzey dalgaları yöntemiyle sismik veri toplanmıştır. Elde edilen verilerin değerlendirilmesi sonucunda makaslama dalgası hızı, zemin hâkim titreşim frekansı ve bölgeye ait zemin sınıflaması dağılım haritaları oluşturulmuştur. Mikrotremor tek istasyon yöntemi verilerinin Nakamura tekniğine göre yatay spektrumların düşey spektrumlara oranı (H/V) sonucunda çalışma alanında 0.56 Hz ile Hz arasında değişen hâkim frekans değerleri elde edilmiştir. Makaslama dalgası hızları ise m/sn aralığında hesaplanmıştır. Çalışma alanındaki zemin sınıfları ise NEHRP zemin sınıflama sistemine göre genellikle C ve D tipi zeminlerden oluşmaktadır. Çalışma alanında jeofizik çalışmalar ile elde edilen sonuçların kendi içinde ve alanın jeolojisi ile genellikle uyumlu olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Aliağa, Zemin Özellikleri, Mikrotremor, ÇKYD ABSTRACT: Observational quasi transfer spectra (QTS) obtained from microtremor measurements can be used to predict the lateral deformation changes that may occur on the ground surface during an earthquake. QTS as the ground transfer function makes it possible to model in advance what kind of changes will occur when reaching to the ground surface of the earthquake from the bedrock. Shear wave velocities provide important information about how the ground will behave in dynamic conditions at the time of the earthquake. In order to investigate the soil properties in this study, data were collected by using microtremor and MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) methods in the research area at the north of İzmir city. Within the scope of the study, seismic data were collected on 34 profiles with MASW method and also noise record collected at 58 points using microtremor method. As a

2 result of evaluating the obtained data, distribution maps of shear wave velocity, predominant frequency and soil classification belonging to the region were established. The predominant frequency values ranging from 0.56 Hertz to Hertz were obtained in the study area as a result of the ratio of horizontal spectra to vertical spectra (H/V) of mikrotremor single station method data according to Nakamura technique. Shear wave velocities were calculated between m/sec. According to the NEHRP soil classification system, the soil classes in the study area are generally consist of C and D type floors. The results obtained with the geophysical studies in the study area are found to be compatible in itself and with the geology of the field in general. Keywords: Aliaga, Soil Properties, Microtremor, MASW 1. GİRİŞ Yapı-zemin özelliklerine bağlı olarak deprem anında yapısal hasara neden olan üç temel faktör bulunmaktadır. Bu faktörler yerel zemin koşulları, deprem özellikleri ve yapı özellikleridir. Deprem kaynak özellikleri ve yapı kalitesinin benzer olduğu yerlerde, yerel zemin koşulları, oluşabilecek hasarın belirlenmesinde etkin bir rol oynamaktadır (Yalçınkaya, 2010). Yerel zemin koşullarının tanımlanmasında, kolay ve güvenilir yöntemlerden biri olan Nakamura yöntemi, yatay düşey spektral oran (HVSR) yöntemi veya quasi transfer spektrumu (QTS) tekniği gibi çeşitli şekillerde literatürde anılmaktadır. HVSR ilk olarak Japonya daki kuvvetli yer hareketlerinden yola çıkılarak, yatay/düşey oranı zeminin yumuşaklığı ve büyütme faktörünün karşılaştırılması sonucu elde edilen maksimum değerden türetilmiştir (Nakamura, 1989). Bu çalışma içeriğinde, Şekil 1 de yerbulduru haritası verilen Aliağa ve yakın çevresinde dinamik etkiler altında zemin davranışını kontrol edecek olan dinamik koşullar, jeofizik yöntemlerle araştırılmıştır. Mikrotremor verileri Nakamura tekniğine göre değerlendirilmiş ve zemin hâkim titreşim frekansları (ZHTF) belirlenmiştir. HVSR değerleri ise aralığında değişmektedir. Çok Kanallı Yüzey Dalgaları (ÇKYD) yöntemiyle elde edilen 1B lu kayma dalgası-derinlik kesitlerinden 30 metre derinliğe kadar makaslama dalgası hızları (Vs 30) hesaplanmış ve haritalanmıştır. Bölgedeki makaslama dalgası hızları m/sn. aralığında değişim gösterdiği belirlenmiştir. Vs 30, ZHTF ve bölgenin jeolojisinin kendi içlerinde uyumlu oldukları görülmektedir. Elde edilen Vs 30 sonuçları kullanılarak National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP, 2000) e göre zemin sınıflaması (Tablo 1.) yapılmıştır. Tablo 1. Makaslama dalgası hızları (Vs 30) kullanılarak yapılan zemin sınıfı tablosu (NEHRP, 2000) Zemin Sınıfı Zemin Tipi Vs 30 (m/sn) A Sert Kaya > 1500 B Kaya C Çok Sıkı Zemin/Yumuşak Kaya D Sert Zemin E Yumuşak Zemin < 180 F Özel çalışma gerektiren zeminler <180

3 Şekil 1. Çalışma alanı yerbulduru haritası a) Türkiye sınır haritası b) İzmir ve Çevresi c) Çalışma alanı topografya haritası, mikrotremor ölçüm noktaları (Yeşil daireler) ve ÇKYD ölçüm yerleri (kırmızı çarpılar). 2. ÇALIŞMA ALANININ JEOLOJİSİ Tüm Batı Anadolu da temeli oluşturan Menderes Masifi metamorfik kayaçları çalışma alanında, Üst Santoniyen - Alt Maestrihtiyen yaşlı İzmir Filişi tarafından allokton olarak örtülmektedir. Allokton İzmir Filişi üzerine alt Miyosen yaşlı Soma formasyonu gelmektedir. Soma Formasyonu'nun en üst düzeylerinde tüfit ve çeşitli volkanoklastikler daha sık ardalanmakta olup, volkanosedimanter bir karakter göstermektedir. Aliağa yöresinde Alt Miyosen'de gölsel fasiyeste olan çökel ortamı daha sonra volkanosedimanter bir çökel ortamına dönüşmektedir. Soma Formasyonu üzerine açısal diskordansla Aliağa Volkanitleri gelmektedir. Soma Formasyonu'nun ortalama kalınlığı 1800 m olarak tahmin edilmektedir. En üstte, Kuvaterner yaşlı güncel çökellerle istif tamamlanır (Eşder vd., 1991). Alüvyonlar inceleme alanının orta kesiminde geniş alanlar kaplar. Oluşumu halen devam eder. Bu nedenle Kuvaterner yaşta olduğu kabul edilen alüvyonlar vadi tabanlarında oluşan güncel alüvyonlar ve vadi kenarlarında oluşan alüvyon yelpazeleri ile yamaç molozundan oluşur. Alüvyonu oluşturan kayaların büyük çoğunluğu, akarsu ve derelerin taşıdığı volkanik çakıl ve bloklardan oluşmaktadır. Yamaç molozları ise volkanik yükseltilerin çevresinde gelişen volkanik bloklardan oluşmaktadır (Eşder vd., 1991). Çalışma alanına ait basitleştirilmiş jeoloji haritası Şekil 2 de verilmiştir.

4 Şekil 2. Aliağa bölgesinin basitleştirilmiş jeoloji haritası (Genc ve Yılmaz 2000 den değiştirilmiştir.), tek istasyon mikrotremor ve ÇKYD yöntemlerinin uygulama yerleri. 3. YÖNTEMLER VE VERİ DEĞERLENDİRME Çalışma alanı boyunca 58 noktada tek istasyon mikrotremor verisi toplanırken, bu noktalara yakın profillerde, ÇKYD yöntemi ile 34 profil üzerinde yüzey dalgaları kayıtları alınmıştır (Şekil 2.) ÇKYD yöntemi ve Veri toplama Çeşitli yapay kaynakların (balyoz, hidrolik kaynak, fişek ateşleme vb.) kullanıldığı bir yöntem olan ve sığ mühendislik çalışmalarında kayma dalgası (Vs) hızını hesaplamada Rayleigh dalgalarının dispersif özelliğinden yararlanan yüzey dalgalarının çok kanallı analizi (ÇKYD) yöntemi oldukça yaygın olarak kullanılır (Park vd., 1999; Tunçel vd., 2016; Pamuk vd., 2016; Özdağ vd. 2016; Pamuk vd. 2017;). Çalışma kapsamında 34 profil boyunca ÇKYD ölçümleri 4.5 Hz lik düşük frekanslı alıcılar (jeofon) kullanılmıştır. Jeofon aralıkları 2.5 m veya 5 m olarak seçilmiştir. Kaynak olarak hidrolik balyoz (45 kg) veya balyoz (12 kg) kullanılmıştır. MASW yöntemi uygulamasında düz, orta ve/veya ters atışlar ile veri toplanmıştır. Kaynağın ilk jeofona olan uzaklığı (offset) düz ve ters atışlarda 2 m, 5 m, 15 m orta atışlarda ise profilin orta noktası veya orta noktasına yakın seçilmiştir. Örnekleme aralığı 0,5-1 msn kayıt uzunluğu 2-3 sn dir. Yüzey dalgası kayıtlarından temel mod faz hızı eğrisi elde edilmiştir. Ters çözüm işleminde sönümlü en küçük kareler algoritması kullanılarak zeminin fiziksel özelliklerini temsil eden derinliğe bağlı bir boyutlu S hız profilleri elde edilmiştir. Bir boyutlu S dalga hızı derinlik kesitlerinden yararlanılarak Vs 30 değerleri hesaplanıp haritalanmıştır (Şekil 3.). Kayma dalgası hızlarından hesaplanan Vs 30 değerleri mikrobölgeleme ve zeminin araştırılmasında araştırmacılar tarafından olarak kullanılmaktadır (Cantore vd.,2010; Ahmad, 2016)

5 Vs 30 haritası incelendiğinde çalışma alanının kuzey ve kuzey doğu kesimlerinde düşük hızlar dikkat çekmektedir. Vs 30 değerleri bölge için 144 ile 957 m/s arasında değişmektedir (Şekil 3.). Şekil 3. Çalışma alanında Vs 30 hızlarının topografya üzerinde dağılımı. 3.1 Tek istasyon yöntemi (Nakamura Yöntemi) ve veri toplama Tek istasyondaki mikrotremor kayıtlarının yatay bileşeninin düşey bileşene spektral oranlaması şeklinde uygulanan Nakamura Yöntemi (1989) genelde düşey bileşenli dalgaların genliğinde değişmenin çok fazla olmayacağını yatay bileşenli dalgaların ise geçtiği zemin özelliklerinden etkileneceğini varsaymaktadır. Nakamura (1989) yönteminde; yüzey jeolojisinden kaynaklanan yerel etki yatay ve düşey bileşenlerin spektral oranı ile bulunur. Dalga yayılımı üzerindeki transfer fonksiyonu veya sediman etkisi sadece sediman zeminlerdeki yer hareketlerine bağlıdır ve H/V spektral oran (HVSR) aşağıda (1) bağıntısı ile verilir. HHHHHHHH = (NNNN 2 + EEEE 2 )/VV (1) Burada; HVSR-Yatay/Düşey Spektrum oranı, NS-Kuzey-Güney Bileşenin Genlik Spektrumu, EW-Doğu-Batı Bileşenin Genlik Spektrumu, V-Düşey Bileşenin Genlik Spektrumunu ifade etmektedir. Çalışma alanında 34 noktada tek istasyon mikrotremor ölçüsü alınmıştır. Zaman ortamında elde edilen üç bileşen mikrotremor kayıtlarının veri işlem aşamalarından sonra, sismometrenin üzerinde bulunduğu zemininin fiziksel özelliklerini yansıtan parametreler (baskın frekans ve H/V spektral oranı) belirlenmektedir. Mikrotremor ölçümlerinde Güralp Systems CMG 6TD geniş bant hızölçer sismometre kullanılmıştır. Mikrotremor kayıtları 20-

6 30 dk boyunca ve 100 Hz örnekleme aralığı ile alınmıştır. Mikrotremor kayıtları Scream 4.5 programı ile sayısal olarak kaydedilmiştir. Mikrotremor verilerinin değerlendirilmesinde yatay bileşenin düşey bileşene spektral oranı (Nakamura Yöntemi) yöntemi kullanılmıştır. Öncelikle değerlendirmede aşamalarında mikrotremor verilerinin trend etkisi giderildikten sonra Hz aralığında bant geçişli süzgeç uygulanmıştır. 80 sn lik pencereler seçilerek %5 işleçli kosinüs törpüsü uygulanmıştır. Her bir pencere için Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) uygulanarak her bir bileşene ait genlik spektrumları elde edilmiştir. Elde edilen spektrumlara ise band genişliği b=40 seçilerek Konno-Ohmachi (1998) yuvarlatması uygulanmıştır. Sonuç olarak Yatay bileşenlerin düşey bileşene oranı hesaplanarak H/V spektral oran grafikleri elde edilmiştir. Elde edilen H/V spektral oran grafiklerinden baskın frekans (Şekil 4.) ve genlik (Şekil 5.) değerleri belirlenmiş ve haritalanmıştır. Hâkim frekans haritası incelendiğinde; baskın frekans değerlerinin 0.56 ile Hz arasında değiştiği görülmektedir. Çalışma alanın Kuzey ve Güney kesimleri nispeten daha küçük hâkim titreşim frekans değerlerine sahiptir (Şekil 4.). Şekil 4. Çalışma alanında elde edilen ZHTF değerlerinin topoğrafya haritası üzerinde dağılımı. Zemin büyütmesi hakkında ön kestirim yapmamıza olanak veren H/V değerleri incelendiğinde; H/V spektral oranların 1,5 ile 12 arasında değiştiği görülmektedir. Çalışma alanın Kuzey ve Kuzeydoğu kesimleri nispeten daha büyük H/V spektral oran değerlerinin olduğu gözlemlenmiştir (Şekil 5.).

7 4. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Şekil 5. H/V spektral oran değerlerinin çalışma alanındaki dağılımı. Bu çalışma içeriğinde, Aliağa ve yakın çevresinde yer alan zeminlerin dinamik etkiler (deprem hareketi) altındaki davranışını kontrol edecek yerel zemin koşulları, jeofizik yöntemlerle irdelenerek araştırılmıştır. Çalışmada, TÜBİTAK 106G159 numaraları proje kapsamında 34 noktada yapılmış ÇKYD ve 58 noktada yapılmış tek istasyon mikrotremor ölçümlerinden yararlanılmıştır. HVSR spektrumlarındaki pik genlik değerlerinin yanal yönde değişkenlik gösterdiği ve bu değişkenlik içerisinde düşük pik frekans değerlerinin jeoloji haritasında alüvyonel zemin olarak tanımlanan bölgelere denk geldiği ve gevşek zeminlerde düşük frekans beklentisinden dolayı ZHTF ile jeolojinin uyum gösterdiği gözlenmiştir. Çalışma alanında 1 Hz den daha küçük frekans değerlerinin gözlendiği alanlarda Vs 30 değerlerinin de 760 m/sn den düşük olarak gözlenmesi bu alanlarda zemin kalınlığının 30 m den fazla olduğunun göstergesi olduğu söylenebilir. Bu alanlar için Vs 30 hız değerleri yapı tasarımında kullanılamayacağından yerinde tasarım kavramının irdelenmesi önerilmektedir. NEHRP e göre yapılan zemin sınıflamasında B, C, D ve E türü zeminler görülmesine rağmen çalışma alanında C ve D türü zeminler hâkim olarak yayılım göstermektedir (Şekil 6.). Zemin sınıflama haritası ile jeoloji haritası beraber incelendiğinde; zemin sınıf haritasının jeoloji haritası gibi birim dağılımlarının keskin geçişleri olmadığı görülmektedir. Zemin sınıflama haritasındaki birim geçişlerinin daha heterojen bir dağılım içinde olduğu söylenebilir. Buradan da yola çıkarak parsel bazındaki zemin etüt

8 çalışmalarında yerinde ölçümler yapılarak zemin sınıfı ve diğer parametreleri belirlemek büyük önem kazanmaktadır. Şekil 6. Makaslama dalgası hızları (3 m derinliğe kadar) kullanılarak hesaplanan NEHRP zemin sınıfı değerlerinin çalışma alanındaki dağılımı. KAYNAKLAR Ahmad, R.A. (2016). Seismic microzonation map of Syria using topographic slope and characteristics of surface soil. Natural Hazards. 80(2): Cantore, L., Convertito, V. ve Zollo, A. (2010). Development of a site-conditions map for the Campania-Lucania region (southern Apennines, Italy). Annals of Geophysics. 53(4): Eşder, T., Yakabağ, A., Sarıkaya, H., ve Çiçekli, K., (1991). Aliağa (izmir) yöresinin jeolojisi ve jeotermal enerji olanakları: MTA Genel Müdürlüğü Ege Böl. Müd. raporu. Genç, Ş.C. ve Yılmaz, Y., (2000). Aliağa dolaylarının jeolojisi ve genç tektoniği, Batı Anadolu nun Depremselliği Sempozyumu, s , İzmir.

9 Konno, K. ve Ohmachi, T. (1998). Ground-Motion Characteristics Estimated from Spectral Ratio between Horizontal and Vertical Components of Microtremor. Bulletin of the Seismological Society of America. 88: Nakamura, Y. (1989). A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface. QR Railway Technology and Research Institude. 30: NEHRP. (2000). Recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures, Part 1: Provisions, FEMA 368, Building seismic safety council of the National Institute of Building Sciences, USA. OHTA, Park, C.B., Miller, R.D., ve Xia, J., (1999). Multichannel analysis of surface waves (MASW). Geophysics. 64, Pamuk, E., Özdağ, Ö. C., Özyalın, Ş., & Akgün, M. (2017). Soil characterization of Tınaztepe region (İzmir/Turkey) using surface wave methods and nakamura (HVSR) technique. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 16(2), Pamuk, E., Akgün, M., Özdağ, Ö. C., & Şahin, E. (2016). İzmir Körfezi Doğusunun Sığ Kayma Dalgası Hız Yapısının 2B lu Çok Kanallı Yüzey Dalgası Analizi (ÇKYD) Yöntemiyle Araştırılması. Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 5(2). Özdağ, Ö. C., Akgün, M., Pamuk, E., Kırnıç E. (2016). Zeminlerin Deprem-Zemin-Yapı Ortak Davranışı Kapsamında Jeofizik Yöntemlerle İncelenmesi: Balçova/İzmir Örneği. DEÜ Fen ve Mühendislik Dergisi. 18(3), 54, (DOI: /deufmd ) Tunçel, A., Pamukçu, O., Gönenç, T., ve Akgün, M., (2016). Mikrotremor, çok kanallı yüzey dalgaları (ÇKYD) ve mikrogravite yöntemleri kullanılarak zemin dinamik özelliklerinin irdelenmesi: Karșıyaka-İzmir örneği. Yerbilimleri. 37 (2), Yalçınkaya, E. (2010). Zemin neden bu kadar önemli? Jeofizik Bülteni, 63,