2010 Şili, 2011 Japonya ve 2012 Endonezya Depremlerinin Tsunami Simulasyonları

Transkript

1 . Yerbilimleri Sempozyumu Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, 8-20 Ekim Şili, 20 Japonya ve 202 Endonezya Depremlerinin Tsunami Simulasyonları Tsunami Simulations of the 200 Chile, 20 Japan and 202 Indonesia Eartquakes Ergin Ulutaş Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği Bölümü Umuttepe Yerleşkesi 4380 Kocaeli, Özet: Bu çalışmada, son üç yıl içerisinde oluşan 27 Şubat 200 Şili (M w:8.8), Mart 20 Japonya (M w:9.0) ve Nisan 202 Endonezya (M w:8.6) depremlerinin tsunami simulasyonları yapılmış; deprem kaynak ve fay parametrelerinin tsunami dalga yüksekliklerine etkisi incelenmiştir. Simulasyon çalışmalarında fay boyunca homojen ve homojen olmayan kayma dağılımları kullanılmıştır. Tsunami dalga yüksekliklerinin hesaplamasında doğrusal olmayan sığ su teorisine dayalı olan SWAN matematiksel kod ve GEBCO30 batimetrik veri seti kullanılmıştır. Farklı fay parametrelerine dayalı homojen ve homojen olmayan kayma modelleri ile elde edilen tsunami yükseklikleri, gözlenen tsunami dalga yükseklikleri ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak; sadece deprem büyüklüğü ve derinliğinin tsunami dalga yüksekliği tahminlerinde yeterli olmayabileceği ve özellikle yakın alan tsunamilerde homojen olmayan kayma dağılımlarının etkili olduğu gözlemlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Tsunami simulasyonu, SWAN kod, kaynak mekanisması, fay parametreleri, homojen ve homojen olmayan kayma modelleri. Abstract: In this study, it was examined the effect source and fault parameters on tsunami heights due to the tsunami simulations of 27 February 200 Chile (M w:8.8), March 20 Japan (M w:9.0) and April 202 (M w:8.6) Indonesia earthquakes. It was used uniform and non-uniform slip models in the simulations. The numerical models were performed by using SWAN mathematical code based on non-lineer shallow water theory with GEBCO30 bathymetry data set. Tsunami heights from uni-form and non-uniform models with different fault parameters were compared with the available observations of tsunami heights. It has been resulted that earthquake magnitude and depth may not be adequate in the estimations of tsunami heights especially in the near field compared to the effect of non-uniform slip models. Keywords: Tsunami simulation, SWAN code, source mechanism, fault parameters, uniform and non-uniform slip models. GİRİŞ Okyanuslarda oluşan büyük depremlerin tsunami oluşumuna sebep olabildiği, kıyı bölgelerde çok sayıda ölüme ve maddi hasara yol açabileceği yüzyıllardır bilinmektedir. Tektonik kökenli tsunamiler, okyanus ya da denizlerin dibinde oluşan deprem, volkan patlaması ve bunlara bağlı zemin kaymaları olaylar sonucu oluşan uzun peryodlu dalgalardır. Tsunami dalgaları, derin deniz bölgesinde pek yüksek değilken, sığ sularda şiddetli akıntılar ve suyun yükselmesi biçiminde değişim göstererek, kıyılarda azalan derinliğin etkisi ile dalga boyu kısalması, genlik artması, suyun çekilmesi, tırmanma ve su basması biçiminde etkili olurlar (Yalçıner vd., 2005). Çeşitli arkeolojik çalışmalar, kıyılarda açılan hendek çalışmaları ve tarihsel kataloglar büyük tsunamilerin yitim kuşakları civarında oluştuğunu; bu kuşaklara yakın kıyıları etkileyebildikleri gibi okyanus boyunca saatlerce ilerleyerek okyanusa kıyı ülkeleri etkileyebildiklerini göstermiştir. Ne yazık ki depremlerin ani oluşumu ve tahmin edilememesi, buna bağlı oluşan tsunamilerin de büyük hasar yapmasına sebep olmaktadır. Ancak, depremin oluş zamanı ve buna bağlı oluşan tsunaminin ilerleme hızı arasındaki bağıntılar; tehlikeli tsunami dalgalarının kıyılara ulaşımını bildiren Erken Uyarı sistemlerinin Kurulmasına imkan tanımaktadır (Annunziato vd., 2009; Ulutas vd., 202). Bu sistemlerle; özellikle uzak mesafedeki yerleşim alanları tsunaminin etkisinden kurtarılabilir. Bu çalışmaların güvenilirliği deprem kaynak parametrelerinin doğru ve hızlı hesaplanması ile orantılıdır. Deprem kaynaklı bir tsunaminin yayılım zamanını ve kıyılardaki yüksekliğini belirlemek için depremin magnitüdü, dışmerkezi, derinliği, faylanma alanı, kayma miktarı ve odak mekanizması bilinmelidir. Bu çalışmada, bu parametrelerin etkisini açıklamak için son yıllarda

2 oluşan üç büyük deprem; 27 Şubat 200 Şili (M w :8.8), Mart 20 Japonya (M w :9.0), Nisan 202 Endonezya(M w :8.6) depremleri irdelenmiştir. YÖNTEM Sığ Su Teorisi Sığ Su Teoris Modelleri tsunami simulasyonlarında geniş bir biçimde kullanılmaktadır (Mader,988; Mader, 200; Hebert vd., 200; Titov ve Gonzales, 997; Yalçıner ve Pelinovsky, 2007; Baptista et al., 2003; Franchello ve Annunziato, 202; Yolsal-Çevikbilen ve Taymaz, 202; Ulutas vd., 202). Bu model derinlik boyunca yoğunluk değişimini ihmal ederek sıkışmayan akış hareketini açıklamaktadır. Modelin kabul edilebilirliği yatay akış değişimin, suyun derinliğinden çok olduğunda geçerli olmaktadır (Liu et al., 2009). Büyük bir depremle oluşan yüzlerce kilemotrelik kırıklar; birkaç kilometrelik su derinliğinden fazladır. Bu nedenle büyük depremlerde sığ su teorisi tsunami simulasyonlarında kullanılabilir. Bu çalışmada kullanılan mathematiksel tsunami yayılma kodu olan SWAN, sürtünme ve Coriolis kuvvetleri etkisinde sonlu farklar yaklaşımı ile sığ su teorisine dayalı tsunami simulasyonu yapmaktadır (Mader, 988; Mader, 200). g g U u ut + + uux + vuy + + ηx = fv cos( ϕ) cos( ϕ) 2 C ( D + η) () g U v vt + + uvx + vvy + gηy = fu cos( ϕ) 2 C ( D + η) (2) ut + {[ ( η + D) u] x + [( η + D) v cos( ϕ) ] y} = 0 cos( ϕ) (3) burada ϕ enlem,, u and v, U hızının x ve y bileşenleri, g yerçekimi ivmesi, t, zaman, η ortalama su seviyesi üzerindeki dalga yüksekliği, f, Coriolis kuvveti, ve C tabandaki stres için bir katsayıdır ve D, derinliktir. Tsunami kaynak alanları Bu çalışmada depremin oluşturduğu statik yerdeğiştirme, ilk tsunami dalga yüksekliği ile eş değer kabul edilmiş ve bu yaklaşım Okada (985) algoritması ile hesaplanmıştır. Bu algoritma, dışmerkez, büyüklük, fayın üst kısmına olan derinlik, doğrultu, eğim, kayma açısı ve ortalama yerdeğiştirme miktarını kullanarak, faylanma alanında depremle birlikte oluşan düşey yükselim ve çökme miktarlarını belirlemektedir. Ancak şu unutulmamalıdır ki, gerçekte dışmerkez ve büyüklük depremin hemen ardından belirlenmesine karşılık diğer parametrelerin hesaplanması zaman almaktadır (Synolakis et al., 997). Bu çalışmada, faylanma alanındaki düşey yükselim ve düşme miktarlarını hesaplamak için kullanılan girdi parametreler, Amerika Ulusal Jeoloji Araştırma Kurumundan (United States Geological Survey) alınmıştır (USGS, 200, USGS, 20, USGS, 202). Tsunami simulasyonlari için kullanılan girdi parametreler Tablo de verilmiştir. Faylanma alanı, artçı şok dağılımlarından ve Papazachos et al. (2004) tarafından önerilen fay boyu-magnitüd ve fay genişliği-magnitüd ampirik yaklaşımları ile hesaplanmıştır. Bu parametrelerle oluşturulan fay düzlemi modelleri homojen ve homojen olmayan kayma modelleri olarak iki gruba ayrılmıştır. Homojen kayma modeline dayalı, odak mekanizması parametreleri kullanılarak hesaplanan düşey yerdeğiştirme miktarları 27 Şubat 200 Şili (M w :8.8), Mart 20 Japonya (M w :9.0), Nisan 202 Endonezya(M w :8.6) depremleri içn sırasıyla en yüksek 3.49 m, 5.35 m ve 0.86 m olarak bulunmuştur. Homojen olmayan düşey yerdeğiştirme miktarları ise 27 Şubat 200 Şili (M w :8.8) ve Mart 20 Japonya (M w :9.0) depremleri için USGS (200, 20) sonlu fay çözümlerine göre fay düzlemindeki her bir grid aralığı için Okada (985) algoritması ile hesaplanmış ve tüm etkiler üst üst çakıştırılmıştır. Nisan 202 Endonezya (M w :8.6) depremi için sonlu fay çözüm yaklaşımı tsunami simulasyonu için kullanılmamıştır. Çünkü bu depremde faylanma doğrultu atımlı olup,

3 tehlike oluşturabilecek tsunami yaratmamıştır. Şekil, 2 ve 3'de homojen ve homojen olmayan kırılma yaklaşımları ile hesaplanan tsunami simulasyonları görülmektedir. Tablo Homojen kayma modelleri ile tsunami simulasyonu için kullanılan kaynak parametreleri Source parameters Chile Eq. Japan Eq. Indonesia Eq. Mw Seismic Moment.84 x 0** 22 Nm 5.3x0** 22 Nm.84 x 0** 2 Nm Depth (km) Strike, Dip, Rake 8/8/2 203/0/88 289/89/54 Average Slip (m) Max-Vertical Dislocatinion (m) Min-Vertical Dislocatin (m) a) Homojen Kayma Modeli b) Homojen Olmayan Kayma Modeli Şekil Şubat 200 Şili (M w :8.8) depremi 2.0 hesaplama aralığı için a) homojen ve b) homojen olmayan kayma modellerine göre maksimum dalga tsunami simulasyonları.

4 a) Homojen Kayma Modeli b) Homojen Olmayan Kayma Modeli Şekil 2 Mart 20 Japonya (M w :9.0) depremi 2.0 hesaplama aralığı için a) homojen ve b) homojen olmayan kayma modellerine göre maksimum dalga tsunami simulasyonları. Şekil 3 Nisan 202 Endonezya(M w :8.6) depremi 2.0 hesaplama aralığı için homojen kayma modeline göre maksimum dalga tsunami simulasyonu. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Bu çalışmada 27 Şubat 200 Şili (M w :8.8), Mart 20 Japonya (M w :9.0), Nisan 202 Endonezya (M w :8.6) depremlerinin kaynak ve yırtılma mekanizmalarından yararlanarak homojen ve homojen olmayan kayma modelleriyle tsunami simulasyonları yapılmıştır. Tsunami simulasyonları ile elde edilen maximum dalga yükseklikleri, gözlenen tsunami dalga yükseklikleri ile karşılaştırılmıştır. Ters faylanma özelliği gösteren 27 Şubat 200 Şili (M w :8.8) ve Mart 20 Japonya (M w :9.0) depremleri tsunamiye yol açmıştır. Büyüklüğü 8.6 olmasına karşın Nisan 202 Endonezya (M w :8.6) depremi tsunami oluşturmamıştır. Bu durum depremin doğrultu atımlı bir faylanma oluşturmasından kaynaklanmıştır. Mart 20 Japonya (M w :9.0) depreminin maksimum dalga yükseklikleri bu çalışmadaki diğer depremlere göre çok yüksek hesaplanmış ve dalgalar Pasifik okyanusu boyunca etkili olmuştur. 27 Şubat 200 Şili (M w :8.8) depremi ise yakın alanda hasar yapıcı dalga yüksekliği göstermesine karşın, Pasifik okyanusu boyunca Mart 20 Japonya (M w :9.0) depremine kıyasla etkili olmamıştır. Bu durum homojen olmayan kırılma yaklaşımına göre, düşey çökme bölgesinin karada olmasından kaynaklanmıştır. Sonuç olarak depremin ilksel parametreleri ve odak mekanizması çözümleri ile yapılan simulasyonlar Erken Uyarı Sistemleri için kullanılabilmesine karşın, tsunami dalgalarının daha doğru ve kıyılardaki

5 detaylı yükseklik analizlerini yapabilmek için homojen olmayan, faylanma alanı boyunca her bir alt fay alanında farklı olabilen kayma dağılımları kullanılmalıdır. Teşekkür Tsunami Simulasyonlarını gözlem sonuçları ile karşılaştıran TAT (Tsunami Analysis Tool) programını paylaşan A. Annunziato'ya, Japonya depremine ait RTK-GPS ve OBPGs lere ait gözlem kayıtlarını veren Japon Meteoroloji Ajansı (Japan Meteorology Agency)' na teşekkür ederim. Ayrıca Tsunami Modelleme çalışmaları konusunda, Avrupa Birliği Ortak Araştırma Merkezinde (European Commission Joint Research Center) doktora sonrası burs veren TUBİTAK (Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumu) 'a teşekkür ederim. KAYNAKLAR Annunziato A, E. Ulutas, and V.V. Titov, 2009, Tsunami Model Study Using JRC-SWAN and NOAA-SIFT Forecast Methods, International Symposium on Historical Earthquakes and Conservation of Monuments and Sites in the Eastern Mediterranean Region 500th Anniversary Year of the 509. Book of Proceedings, 3-4. Baptista, M.A., J.M. Miranda, F. Chierici, and N. Zitellini, 2003, New study of the 755 earthquake source based on multichannel seismic survey data and tsunami modeling. Natural Hazards and Earth System Sciences, 3, Franchello, G., and A. Annunziato, 202, The Samoa Tsunami of 29 September 2009, Early Warning and Inundation Assessment, Science of Tsunami Hazards 3 (), Hebert, H., F. Schindele, and P. Heinrich, 200, Tsunami risk assessment in the Marquesas Islands (French Polynesia) through numerical modeling of generic far-field events, Natural Hazards and Earth System Sciences,, Liu, Y, Y. Shi, D.A. Yuen, E.O.D. Sevre, X. Yuan, and H.L. Xing, 2009, Comparison of linear and nonlinear shallow wave water equations applied to tsunami waves over the China Sea, Acta Geotechnica, 4, Mader, C., 988, Numerical modeling of water waves, University of California Press, Berkeley, California, p.206. Mader, C., 200, Modelling the Lisbon Tsunami, Science of Tsunami Hazards 9, Okada, Y, 985, Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space, Bulletin of the Seismologcal Society of America, 75, Papazachos, B.C., E.M. Scordilis, D.G. Panagiotopoulos, C.B. Papazachos, and G.F. Karakaisis, 2004, Global relations between seismic fault parameters and moment magnitude of earthquakes, Bull. Geol. Soc. of Greece, 36, Synolakis, C., P.L.-F. Liu, G. Carrier, and H. Yeh, 997, Tsunamigenic eafloor deformations. Science, 278, Titov, V.V., and F. Gonzales, Implementation and testing of the Method of Splitting Tsunami model, NOAA. Tech. Memo., ERL.PMEL-2, pp.. Ulutas, E., A. İnan,and A. Annunziato, 202. Web-based Tsunami Early Warning System: a case study of the 200 Kepulaunan Mentawai Earthquake and Tsunami. Natural Hazards and Earth System Sciences, 2, USGS, U.S. Geological Survey, 200, Magnitude 8.8 Offshore Bio- Bio, Chile, available from: last access: 4 August 202. USGS, U.S. Geological Survey, 20, Magnitude 9.0 Near the East Cooast of Honshu, Japan, available from: http last access: 4 August 202. USGS, U.S. Geological Survey, 202, Magnitude 8.6 Off the West Coast of Northern Sumatra, available from: last access: 4 August 202. Yalçıner, A.C., U. Kuran., K. Minoura, F. Imamura, T. Takahashi, G. Papadopoulos, and Ş. Ersoy, 2005, Türkiye kıyılarında depreşim (tsunami) dalgası izleri, Türkiye Mühendislik Haberleri, 438, Yalçıner, A. C., and E. Pelinovsky, 2007, A short cut numerical method for determination of periods of free oscillations for basins with irregular geometry and bathymetry, Ocean Engineering, 34, , doi:0.06/ j.oceaneng Yolsal-Çevikbilen, S., and T. Taymaz, 202, Earthquake source parameters along the Hellenic subduction zone and numerical simulations of historical tsunamis in the Eastern Mediterranean, Tectonophysics, , 6 00.