İZMİT HAVZASI İÇİN 2B DALGA YAYILIMI SİMÜLASYONU İLE SİSMİK TEHLİKE DEĞERLENDİRMESİ

İZMİT HAVZASI İÇİN 2B DALGA YAYILIMI SİMÜLASYONU İLE SİSMİK TEHLİKE DEĞERLENDİRMESİ SEISMIC HAZARD EVALUATION FOR THE İZMİT BASIN BY 2D WAVE PROPAGATION SIMULATION K. Fırtana Elcömert 1 ve A. Kocaoğlu 2 ÖZET 1 Uzman Yük. Müh., Jeofizik Müh. Bölümü, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul 2 Profesör, Jeofizik Müh. Bölümü, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul Email: firtana@itu.edu.tr Kuzey Anadolu Fay Zonu (KAFZ), üzerinde birçok yıkıcı depremin meydana geldiği aktif bir fay zonudur. KAFZ ile ilişkili olarak oluşan sedimanter havzalarda gözlenen hasar, genellikle havza etkisi ve yerel zemin koşulları nedeniyle daha ağır olmaktadır. 1999 Mw=7.4 Kocaeli depremi sırasında, en büyük can ve mal kaybı, sanayi ve yerleşimin yoğun olduğu İzmit havzası ve çevresinde gerçekleşmiştir. Bu nedenle, bölge için yerel zemin koşullarıyla birlikte havza etkisinin de dikkate alındığı bir sismik tehlike değerlendirmesi yapılması büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, daha önce bölgede yapılan çalışmalarla belirlenmiş olan sismik hız ve anakaya derinliği bilgisi kullanılarak, havzayı KG doğrultuda kesen profiller boyunca spektral eleman yöntemi ile 2B viskoelastik dalga yayılımı simülasyonu yapılmış ve havzaya ait transfer fonksiyonu elde edilmiştir. Ardından, stokastik yer hareketi simülasyonu ile hesaplanan kayıtlar kullanılarak havza üzerindeki ivme kayıtları elde edilmiştir. Bu kayıtlar kullanılarak, maksimum ivme (PGA), hız (PGV), yer değiştirme (PGD) değerleri ve tepki spektrumlarının profiller boyunca değişimi incelenmiştir. Sonuçların değerlendirmesi ve daha önce elde edilmiş gözlemsel veriler ve sonuçlarla kıyaslanması ise devam etmektedir. ANAHTAR KELİMELER: İzmit Havzası, Dalga Yayılımı Simülasyonu, Sismik Tehlike ABSTRACT The North Anatolian Fault Zone (KAFZ) is an active fault zone where many destructive earthquakes occur. The damage observed in the sedimentary basins associated with the NAFZ is generally more severe due to the basin effects and local soil conditions. During the 1999 Mw=7.4 Kocaeli earthquake, the greatest damage and casualties occurred in and around the Izmit basin, where the industrial facilities and population are mostly concentrated. Therefore, it is important to evaluate the seismic hazard by taking the influence of basin structure into consideration besides local site conditions in the region. In this study, using the available seismic velocity and the bedrock topography information, we obtain the transfer function across the basin along profiles extending in N-S direction from 2D simulation of viscoelastic wave propagation by the spectral element method. Afterwards, using the records calculated by stochastic ground motion simulations, as the input motion, we obtain acceleration records on the top of the basin. Based on these records, variation of maximum acceleration (PGA), velocity (PGV), displacement (PGD) and response spectra along the profiles investigated. Interpretation and comparisons of the results with the previously obtained observational data and results is a work in progress. KEYWORDS: İzmit Basin, Seismic Wave Propagation Simulation, Seismic Hazard 1. GİRİŞ Çalışma alanı olan İzmit havzası, Doğu Marmara Bölgesi nde KAFZ nin kuzey kolu üzerinde yer alan bir çekayır havza niteliğindendir (Şengör ve diğ, 1985). Yerleşim ve sanayi kuruluşlarının yoğunlukla yer aldığı bu bölgede, 17 Ağustos 1999 Kocaeli (Mw=7.4) ve 12 Kasım 1999 Düzce (Mw=7.2) depremlerinin ardından önemli

ölçüde can ve mal kaybı yaşanmıştır. Çalışma alanı olan İzmit havzasının güney kesimini DB doğrultuda kesen Kuzey Anadolu Fayı (KAF), bölgenin jeolojik ve morfolojik yapısının gelişiminde etkili olmuştur. İzmit depreminin yüzey kırığının kuzeyinde kalan kesim, güney kesimine göre yumuşak bir topoğrafya sergilerken, güney kısım ise görece yüksek bir topoğrafya sunar. Havzanın kuzey kesimi Kocaeli Penepleni güney kesimi ise Samanlı Dağları ile sınırlıdır. Batısında İzmit Körfezi, doğusunda ise Sapanca gölü yer almaktadır. Çalışma alanında hakim olan jeolojik birim Pliyosen yaşlı Arslanbey formasyonudur. Bu birimin üzerinde havza içinde Pliyosen- Kuvaterner yaşlı genç çökeller yer almaktadır (Akartuna, 1968). 1999 Kocaeli depreminin ardından, bölgede deprem zararlarının azaltılması ve sismik tehlike değerlendirmesi için Kocaeli Büyükşehir Belediyesi ve TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi nin (MAM) ortak yürütmüş olduğu proje kapsamında çalışma alanında gravite ölçümleri, mikrotremor tek istasyon ve dizilim ölçümleri alınarak, tabankaya topoğrafyası, zemin hakim titreşim frekansı ve S-dalgası hız yapısı elde edilmiştir (Zor ve diğ. 2010, Özalaybey ve diğ., 2011). Şekil 1 de İzmit havzasında alınan mikrotremor ağ ölçüm noktaları (sarı etiketler) ve tabankaya topoğrafyasını gösteren kontur haritası yer almaktadır. Anakaya kontur haritası incelendiğinde havzanın en derin kesiminin KAF ın geçtiği kısımda yaklaşık 1400 m. ye ulaştığı görülmektedir. Havzanın morfolojisinin DB uzanımlı bir oluk yapısında olduğu ve 2B modelleme ile temsil edilebilecek bir geometriye sahip olduğu söylenebilir. Bu nedenle bu çalışmada 2B modeller havzayı yaklaşık K-G doğrultularda kesen profiller için oluşturulmuştur. Profillerin uzunlukları 12-14 km arasında değişmekte olup, SP15 ölçüm noktasının (Şekil 1 deki kırmızı nokta) S- dalgası hız değeri, belirlenen profillerin uçlarına eklenerek havza kenarlarındaki yüksek hızlar temsil edilmiştir. Topoğrafya yüzeyi ise Amerikan Jeoloji Kurumu ndan (USGS) sağlanan 90 m. çözünürlüklü sayısal SRTM3 verisi kullanılarak hazırlanmıştır. 3. PROFİL 2. PROFİL 1. PROFİL Şekil 1. İzmit havzası 2B sismik dalga yayılımı modellemesi için seçilmiş K-G profiller (kalın siyah çizgiler) ve çalışma bölgesinde daha önce alınmış mikrotremör ağ ölçüm noktaları (sarı etiketler) ile anakaya derinlik kontur haritası Havza ölçeğindeki sismik dalga yayılımı modelleme çalışmalarında elde edilecek sonuçlarının tutarlılığı, oluşturulacak hesaplama ağının stabilite ve çözünürlük koşullarını sağlanması ile denetlenebilir. Bu da inceleme alanındaki minimum dalga hızı ve maksimum frekans bilgilerinin bilinmesi ile mümkündür. Referans çalışmalardan elde edilen bilgiler doğrultusunda İzmit havzasındaki en düşük S-dalgası hızının 150-200 m/sn olduğu, rezonans frekansı değerlerinin ise havza sınırlarında 5 Hz e kadar ulaştığı görülmüştür. Dolayısı ile hesaplama ağı oluşturulurken eleman boyutu minimum dalga boyuna bağlı olarak hesaplanmış, örnekleme adım aralığı ise Courant stabilite koşullarına uygun olarak belirlenmiştir. Havza ölçeğindeki çalışmalarda oluşturulacak modelin topoğrafya, anakaya topoğrafyası ve düşey-yanal süreksizlikleri dahil edebilecek geometrik esneklikte olması istenir. Bu nedenle bu çalışmada yüksek mertebeli sonlu-eleman yöntemi olarak da bilinen spektral eleman yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemin en büyük avantajı, pseudo-spektral ve sonlu-elaman yöntemlerinin sahip olduğu üstünlükleri birleştirmiş olmasıdır. Bu üstünlükler, pseudo-spektral yöntemin dalga alanını hesaplamada sağladığı yüksek doğruluk derecesi ve sonlu eleman yönteminin yeraltı yapısını tanımlamada sağladığı geometrik esnekliktir.

Bu çalışmada sismik tehlike değerlendirmesi için izlenen akış şeması Şekil 2 de özetlenmektedir. Buna göre öncelikle, referans çalışmalardan elde edilen S-dalgası hız bilgisi kullanılarak GMT programında (Wessel ve Smith,1991) yaklaşık K-G doğrultulu profiller için grid dosyaları oluşturulmuştur. Daha sonra, polinomal regresyon yöntemi ile P-dalgası hızı hesaplanmıştır. Ardından Gardner ilişkisi (Gardner ve diğ., 1974) kullanılarak yoğunluk değerleri elde edilmiştir. Soğrulma değerleri ise S-dalgası hızına bağlı olarak hesaplanan ampirik ilişkiler (Brocher, 2008) kullanılarak hesaplanmıştır. 2B viskoelastik modelleme için spektral eleman yöntemi ile çalışan SEM2DPACK (Ampuero, 2012) programı ile sentetik sismogramlar elde edilmiştir. Bu program kullanılarak üretilen sonuçların tutarlılığı ise 1B test modelleri için analitik yaklaşım ile elden edilen sonuçlarla kıyaslanarak test edilmiştir. Ardından SMSIM programı (Boore, 1983) kullanılarak sismik nokta kaynak modeli için sentetik kuvvetli yer hareketi kayıtları (30 adet) üretilmiştir. Düzlem dalga gelişi için birim tepki fonksiyonu ve her sentetik ivme kaydı için elde edilen havza üzerindeki ivme kayıtları kullanılarak hesaplanan yer hareketi parametrelerinin (maksimum, spektral değerler, süre ve şiddet değerleri) ortalamaları alınmıştır. GMT de grid dosyalarının hazırlanması P-dalgası hızı, yoğunluk ve soğrulma değerlerinin hesaplanması SEM2D parametre dosyasının hazırlanması ve sentetik sismogramların elde edilmesi SMSIM ile sentetik kuvvetli yer hareketi verilerinin üretilmesi 2B transfer fonksiyonun hesaplanması Havza üzerindeki ivme kayıtlarının elde edilmesi Yer hareketi parametrelerinin hesaplanması Şekil 2. Sismik tehlike değerlendirmesi için kullanılan akış şeması 2. 2B MODELLEME İLE YER HAREKETİ PARAMETRELERİNİN HESAPLANMASI Burada İzmit havzasını yaklaşık K-G doğrultusunda kesen ve havzanın orta kesiminde yer alan 2. Profil (Şekil 1) için elde edilen modelleme sonuçları sunulacaktır. Şekil 3 de modelleme için seçilen profilin S-dalgası hız kesiti verilmektedir. Buna göre havza içinde hızların 150 m/s den 1500 m/s ye kadar değiştiği görülmektedir. 1500 m/s nin üzerindeki hıza karşılık gelen birim anakaya olarak tanımlanmıştır. Hesaplama modeli 3 km derinlikte ve 10 km genişlikte tasarlanmıştır. Giriş dalgacığı olarak dominant frekansı 2 Hz olan Gaussian dalgacık kullanılmıştır. Anakayaya ait fiziksel parametreler ve sayısal modelleme parametreleri Tablo 1 de verilmektedir. Modelleme aşamasında Clayton-Enquist yutucu sınır koşulları uygulanarak, 2 km derinlikte ve 100 er metre aralıklarla yerleştirilmiş nokta kaynaklar kullanılarak SH düzlem dalga modellemesi yapılmıştır. Hız kesitinden de görüleceği gibi profilin anakaya geometrisi asimetrik bir yapıya sahiptir. Havzanın kuzey kesiminde topoğrafyanın giderek yükseldiği buna paralel olarak anakaya derinliğinin ise giderek sığlaştığı gözlenmektedir. Bu yükselim profilin 8. ve 9. km leri arasında daha da belirginleşmektedir. Bu etkiyi, Şekil 4a da verilmiş olan tepki fonksiyonları üzerinde gözlemlemek de mümkündür.

Zaman (s) 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı G K Şekil 3. S-dalgası hız kesiti Tablo 1. 2B modellemede kullanılan parametreler Model Boyutları Kaynak Dalgacık Özellikleri Derinlik - Uzunluk (km) 3-10 Dalgacık Türü Gaussian dalgacık Fiziksel Özellikler Dominant Frekans 2 Hz Anakaya Yoğunluk 2.520 gr/cm 3 Sayısal Modelleme Parametreleri Anakaya S- dalgası hızı 1700 m/s Polinom Derecesi 4 Anakaya P- dalgası hızı 4364 m/s Zaman adımı 0.0005 s Soğrulma Kelvin-Voight Modeli Toplam Süre 45 s Kaynak Özellikleri Düzlem Dalga 102 adet nokta kaynak Yüzeyden olan derinlik 2 km Uzaklık (m) (a) (b) Şekil 4. Modelleme ile elde edilen tepki fonksiyonu (a) ve hesaplanan 2B transfer fonksiyonu (b)

Şekil 4b de bu profil için hesaplanan transfer fonksiyonunun uzaklığa ve frekansa bağlı değişimi sunulmuştur. Elde edilen sonuçlara göre profil boyunca 0.5-2 Hz frekans aralığında yaklaşık 3-4 katlık bir büyütme değeri hesaplanmıştır. Havzanın kuzey kesiminde topoğrafyanın yükselmesi ve anakaya derinliğinin sığlaşması ile ilişkili olarak 7-8 katlık bir büyütme değeri gözlenmektedir. Havza üzerindeki alıcılardaki ivme kayıtlarını elde edebilmek için gerekli olan anakaya ivme kayıtlarının stokastik nokta kaynak yöntemi ile üretilmesinde büyüklük ve uzaklık değerleri M w=7.4, ve R=12 km olarak alınmıştır. Havza üzerindeki ivme kayıtları elde edildikten sonra 2. profil için sismik tehlike parametreleri hesaplanmıştır. Şekil 5 de maksimum yer ivmesi (PGA), maksimum yer hızı (PGV) ve maksimum yerdeğiştirme (PGD) değerlerinin profil boyunca değişimi verilmektedir. Buna göre PGA değerleri havza üzerinde 0.1 g ile 0.4 g arasında değişmektedir. Anakaya topoğrafyasının sığlaştığı lokasyonlarda PGA değeri yaklaşık 0.4 g ye, PGV değeri ise 75 cm/s ye ulaşmaktadır. Profil boyunca gözlenen en büyük PGD değeri (25-30 cm) ise anakaya derinliğinin maksimum olduğu lokasyonda gözlenmektedir. Uzaklığa bağlı olarak elde edilen spektral değerler %5 sönüm oranı için hesaplanmıştır. Şekil 6 da spektral ivme (SA), spektral hız (SV) ve spektral yerdeğiştirme (SD) imajları uzaklık ve periyodun fonksiyonu olarak gösterilmiştir. Ayrıca profil boyunca seçilen periyotlar için hesaplanan spektral değerler anakayadaki değerlerle karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Profil boyunca SA değerlerinin 0.5-2 s periyot bandında yaklaşık 0.6 ile 0.8 g aralığında değişim gösterdiği, yine anakaya topoğrafyasının kuzeye doğru sığlaşmasıyla ilişkili olarak SA değerinin T= 0.5-0.6 s civarında artarak 1.3 g ye ulaştığı gözlenmektedir. Spektral hız ve spektral yerdeğiştirme değerleri T=2-3 s civarında maksimum değerlere ulaşmaktadır. Buna göre en büyük spektral hız değeri anakayanın en derin olduğu noktada 220 cm/s ye ulaşmaktadır. Spektral yerdeğiştirme değeri ise yine aynı noktada 100 cm ye ulaşmaktadır. Yer hareketinin süresi depremde oluşacak hasar ile ilişkili bir parametredir. Şekil 7a da 0.05g eşik ivme değerinin ilk ve son aşılması arasındaki süreyi veren anlamı süre değerinin profil boyunca değişimi verilmektedir. Anlamlı süre profil boyunca 17-27 s aralığında değişmektedir. Şekil 7b de ise profil boyunca Arias şiddet değerlerinin değişimi verilmektedir. Buna göre Arias şiddet değeri havzanın inceldiği kuzey kesime doğru artarak 4.5 cm/s ye ulaşmaktadır. Şekil 5. Profil boyunca PGA, PGV ve PGD değerlerinin uzaklığa bağlı değişimi. Kırmızı kesikli çizgiler anakayadaki değerleri göstermektedir

(a) (b) (c) Şekil 6. Spektral ivme (a), hız (b) ve yerdeğiştirme (c) değerlerinin %5 sönüm oranı için elde edilen kontur haritaları (solda) ve spektral değerlerin seçilen periyotlar için uzaklığa bağlı değişimleri (sağda). Kırmızı kesikli çizgiler anakayadaki değerleri göstermektedir

(a) Şekil 7. Anlamlı sürenin (a) ve Arias Şiddet değerinin (b) profil boyunca değişimi (b) 3. TARTIŞMA Bu çalışmada İzmit havzası için sismik dalga yayılımı modellemesi ile bölge için yerel zemin koşullarıyla birlikte havza etkisinin de dikkate alındığı sismik tehlike değerlendirmeye yönelik ilksel sonuçlar sunulmuştur. Bu amaçla öncelikle spektral eleman yöntemi kullanılarak bir profil boyunca havzanın düzlem dalga için tepki fonksiyonu (impulse response) hesaplanmıştır. Ardından stokastik nokta kaynak modellemesi ile yapay olarak üretilen ana kaya ivme kayıtları kullanılarak havza üzerindeki alıcılardaki ivme kayıtları elde edilmiştir. Havzanın ortasından geçen 2. Profil için anakaya topoğrafyasının sığlaştığı lokasyonlarda PGA değeri yaklaşık 0.4 g ye, PGV değeri ise 75 cm/s ye ulaşmaktadır. Profil boyunca gözlenen en büyük PGD değeri (25-30 cm) ise anakaya derinliğinin maksimum olduğu lokasyonda gözlenmektedir. Profil boyunca SA değerlerinin 0.5-2 s periyot bandında yaklaşık 0.6 ile 0.8 g aralığında değişim gösterdiği, yine anakaya topoğrafyasının kuzeye doğru sığlaşmasıyla ilişkili olarak SA değerinin T= 0.5-0.6 s civarında artarak 1.3 g ye ulaştığı gözlenmektedir. Spektral hız ve spektral yerdeğiştirme değerleri T=2-3 s civarında maksimum değerlere ulaşmaktadır. Buna göre en büyük spektral hız değeri anakayanın en derin olduğu noktada 220 cm/s ye ulaşmaktadır. Spektral yerdeğiştirme değeri ise yine aynı noktada 100 cm ye ulaşmaktadır. Anlamlı süre profil boyunca 17-27 s aralığında değişmektedir. Arias şiddet değeri ise havzanın inceldiği kuzey kesime doğru artarak 4.5 cm/s ye ulaşmaktadır. Bu çalışmanın devamında, belirlenecek profiller boyunca burada sunulan yaklaşım ile havza geneli için sismik tehlike değerlendirmesi tamamlanacaktır. Sonuçların bölgede daha önce yapılmış olan çalışmalar ve sonuçları ile kıyaslanması devam etmektedir. Ayrıca, 2B modellemenin yanı sıra seçilen profiller için 1B transfer fonksiyonları hesaplanarak 2B etkilerin daha da iyi analiz edilmesi amaçlanmaktadır. Daha sonra elde edilecek olan sonuçlar, İzmit havzasında deterministik yaklaşım ile hesaplanacak olan PGA ve SA değerleri ile karşılaştırılacaktır. Son olarak sonuçlar İzmit havzası için Türkiye deprem yönetmeliğinde verilmiş olan değerler ile karşılaştırılacaktır.

KAYNAKLAR Akartuna, M., (1968). Armutlu Yarımadası nın jeolojisi, İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi Monografileri, 20, 105. Ampuero J. P. (2012). SEM2DPACK: A Spektral Element Method tool for 2D wave propagation and earthquake source Dynamics. California Unstitute of Technology, 71 sayfa. Boore D. M. (1983). Stochastic Simulation of High- Frequency Ground Motions Based on Seismological Models of the Radiated Spectra. BSSA 73:6, 1865-1894. Brocher, T. (2008). Compressional and Shear- Wave Velocity versus Depth Relations for Common Rock Types in Northern California. BSSA 98:2, 950-968. Dikbaş, A. ve Akyüz, S. (2010). KAF Zonu üzerinde İzmit-Sapanca segmetinin fay morfolojisi ve paleosismolojisi. İTÜ Mühendislik Dergisi 9:3, 141-152. Gardner, G. H. F., Gardner, L. W. ve Gregory, A. R. (1974). Formaton Velocity and Density- The Diagnostic Basics for Stratigraphic Traps. Geophysics 39:6, 770-780. Özalaybey, S., Zor, E., Ergintav, S., ve Tapırdamaz, M. C. (2011). Investigation of 3-D basin structures in the İzmit Bay area (Turkey) by single-station microtremor and gravimetric methods. Geophys. J. Int. 186:2, 883-894. Şengör, A.M.C.,Görür, N. and Şaroğlu, F.,1985, Strike-slip faulting and related basin formation in zones of tectonic escape: Turkey as a case study. In: Strike-slip Deformation, Basin Formation and Sedimentation (Eds. K.T. Biddle and N. Christie-Blick). Soc. Econ. Paleont. Min. Spec. Pub., 37, 227-264. Wessel, P., ve Smith, W. H. F. (1991). Free Software Helps Map and Display Data, EOS Trans.72:41, 441 sayfa. Zor, E., Özalaybey, S., Karaaslan, A., Tapırdamaz, M. C., Özalaybey, S. Ç., Tarancıoğlu, A. ve Erkan, B. (2010). Shear wave velocity structure of the İzmit Bay area (Turkey) estimated from active-passive array surface wave and single-station microtremor methods. Geophys. J. Int. 182:3, 1603-1618.