Sabit GPS koordinat zaman serilerinden Deneysel Mod Ayrıştırma (DMA) Yöntemi ile Deprem Sinyalinin Ayrıştırılması

Sabit GPS koordinat zaman serilerinden Deneysel Mod Ayrıştırma (DMA) Yöntemi ile Deprem Sinyalinin Ayrıştırılması Hasan Yıldız 1, Ayça Çırmık 2, Oya Pamukçu 2, Tolga Gönenç 2, Muzaffer Kahveci 3 1 Harita Genel Komutanlığı, Jeodezi Dairesi Başkanlığı, Cebeci, Ankara 2 Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Jeofizik Mühendisliği Bölümü Tınaztepe Kampüsü, Buca-İzmir 3 Selçuk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Harita Mühendisliği Bölümü, Konya

Sunuş Planı Motivasyon Deneysel Mod Ayrıştırma Yöntemi Sentetik Zaman Serileri ile Test 12 Haziran 217 Depremi ve SGPS İstasyonlarının dağılımı SGPS İstasyonları günlük koordinat saman serilerinin (AYVL, CESM, IZMT-DEÜ) DMA Yöntemi ile analizi Sonuçların Kuvvetli Yer hareketi istasyonları (AYVL, CESM, BUCA-DEÜ) saniyelik zaman serileri ile karşılaştırılması Sonuç ve Öneriler 2

Motivasyon Fourier Dönüşümü tabanlı teknikler sinyali kayıt uzunluğu boyunca zamanla değişmeyen karakterde olduğunu varsaymaktadır. Sabit GPS günlük koordinat zaman serileri zaman bağlı değişimler (periyodik etkiler, depremler nedeniyle atımlar vb.) göstermektedir. Sabit GPS günlük koordinat zaman serilerindeki gürültü de zamana bağlı veya zamanla değişken olabilmektedir. Zamana değişken zaman serilerini belirli sayıda tek bileşenli sinyallere ayırmak amacıyla Deneysel Mod Ayrıştırma (DMA) yöntemi geliştirilmiştir (Huang vd., 1998). DMA nın deprem etkilerini de içeren SGPS istasyonları koordinat zaman serilerini (saniyelik veya günlük) tek bileşenli sinyallere ayırmak için uygun bir yöntem olduğu düşünülmektedir. 3

DMA Uygulama Alanları Atmosfer, İklim, Oşinografi zaman serisi analizi (Huang ve Wu, 28). Sismik zaman serileri analizi (Huang vd., 21). Saniyelik Deprem İvmeölçer zaman serileri analizi (Raghukanth ve Sangeetha, 212). Biyomedikal sinyal analizi (Rato ve Ortigueria, 25). 4

Kübik spline ile kestirim. DMA (Huang vd., 1998). Ekstrem (Maksimum, minimum) noktaların tespiti Eleme algoritması : En düşük frekanslı sinyal tespit ediliyor ve veriden çıkarılıyor (iteratif). Tek Bileşenli sinyaller yüksek frekanstan düşük frekansa sıralanıyor. Bu yüzden aynı zamanda bir filtreleme yöntemi. Yöntemin bazı eksiklikleri mevcut : - Örneğin bir sinüsoidal sinyali EMD ile modlarına ayırsak tek bir mod çıkması gerekirken çıkmıyor. - Ekstrem noktalar doğru olarak tespit edilemiyor. - Modlar birbirine karışıyor. 5

DMA (Rato vd.,28) Ekstrem (Maksimum, minimum) noktaların tespitinde parobolik yaklaşım Anlık genlik ve frekans hesabı ve birinci derece Otoregresif (AR) yaklaşımı. DMA yöntemi : Ekstrem noktaların konumu Ekstrem noktaların enterpolasyonu Eleme işlemini durdurma kriteri açısından iyileştirilmiştir. 6

İyileştirilmiş Tam Toplu DMA (Colominas vd.,214) Modların birbirine karışımını önlemek amacıyla orijinal sinyalin gürültülü kopyaları kullanılarak ayrışım (Toplu). Normal dağılımlı gürültü ekleniyor (Toplu). Gürültü eklenip çıkartılyor. (Tam) Modlar artık gürültü içeriyor. (İyileştirilmiş) 7

Sentetik Zaman Serisi ile Test 4 3 Genlik (mm) 2 1-1 -2 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 8

Sentetik Zaman Serisi ile Test 1 Genlik (mm) 5-5 -1 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 12 ay periyot 1 mm genlik + Genlik (mm) Genlik (mm) 1 5-5 -1 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 2 15 1 5 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 6 ay periyot 1 mm genlik + Merdiven fonksiyonu. t<=12, x=; t>12, x=2 mm 9

Sentetik Zaman Serisi - İyileştirilmiş Tam Toplu DMA (Colominas vd.,214) Genlik (mm) 8 6 4 2-2 -4-6 -8 5 1 15 2 25 Zaman (ay) Mod 1 1

Sentetik Zaman Serisi - İyileştirilmiş Tam Toplu DMA (Colominas vd.,214) 8 6 4 Genlik (mm) 2-2 -4-6 -8 5 1 15 2 25 Zaman (ay) Mod 2 11

Sentetik Zaman Serisi - İyileştirilmiş Tam Toplu DMA (Colominas vd.,214) 5 Genlik (mm) Mod 5-5 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 14

Sentetik Zaman Serisi - İyileştirilmiş Tam Toplu DMA (Colominas vd.,214) 6 4 Genlik (mm) 2-2 Mod 6-4 -6 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 15

Sentetik Zaman Serisi - İyileştirilmiş Tam Toplu DMA (Colominas vd.,214) 3 Genlik (mm) 2 1 Mod 7-1 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 16

Sentetik Zaman Serisi - İyileştirilmiş Tam Toplu DMA (Colominas vd.,214) 25 2 Genlik (mm) 15 1 5 Mod 6+7-5 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 17

Sentetik Zaman Serisi - İyileştirilmiş Tam Toplu DMA (Colominas vd.,214) 25 2 Genlik (mm) 15 1 5 Mod 5+6+7-5 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 18

Sentetik Zaman Serisi - İyileştirilmiş Tam Toplu DMA (Colominas vd.,214) 25 2 Genlik (mm) 15 1 5 Mod 4+5+6+7-5 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 19

Sentetik Zaman Serisi - DMA (Rato vd.,28) 15 1 Genlik (mm) 5-5 Mod 1-1 -15 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 2

Sentetik Zaman Serisi - DMA (Rato vd.,28) 15 1 Genlik (mm) 5-5 Mod 2-1 -15 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 21

Sentetik Zaman Serisi - DMA (Rato vd.,28) 2 Genlik (mm) 1.5 1.5 -.5-1 -1.5-2 5 1 15 2 25 Zaman (ay) Mod 3 22

Sentetik Zaman Serisi - DMA (Rato vd.,28) 4 3 Genlik (mm) 2 1-1 Mod 4-2 -3-4 5 1 15 2 25 Zaman (ay) 23

Sentetik Zaman Serisi - DMA (Rato vd.,28) 8 Genlik (mm) 6 4 2-2 -4-6 -8 5 1 15 2 25 Zaman (ay) Mod 5 24

Sentetik Zaman Serisi - DMA (Rato vd.,28) 3 25 2 Genlik (mm) 15 1 5-5 -1 5 1 15 2 25 Zaman (ay) Mod 6 25

Sentetik Zaman Serisi - DMA (Rato vd.,28) 3 25 2 15 1 Mod 5+6 5-5 5 1 15 2 25 26

Sentetik Zaman Serisi - DMA (Rato vd.,28) 25 2 15 1 Mod 4+5+6 5-5 5 1 15 2 25 Periyodik sinyalleri doğru (genlik ve periyot) ayrıştırması nedeniyle (Rato vd.,28) yaklaşımı uygulamada kullanılmıştır. Merdiven sinyali her iki yöntemde de son üç moda yayılmıştır. 27

12/6/217 Depremi Midilli Adası nın güney kenarını sınırlayan ve 12/6/217 depreminin mekanizma çözümüne gerek tür gerekse uzanım ve eğim yönü ile benzer birçok fay ve fay parçası Pavlides vd. (29) ile Chatzipetros vd. (213) tarafından haritalanmıştır. 28

Üç istasyonun Deprem merkezine göre konumu Deprem merkezi AYVL ve CESM istasyonlarına aynı uzaklıktadır. AYVL, CESM ve IZMT istasyonlarının tektonik konumu incelendiğinde IZMT farklı fay sisteminde olduğu görülmektedir. 29

Deprem sonrasında otomatik olarak hazırlanan tahmini şiddet haritası (Kandilli Rapordan değiştirilerek alınmıştır, 217). AYVL ve CESM V şiddetinde hesaplanmışken ve IZMT ve çevresi IV ün altında şiddet değerine sahiptir. 3

GNSS ölçü ve veri işlem stratejisi Kullanılan Veri İşlem Programı Gamit/Globk Versiyon 1.61 Ölçüm aralığı (Veri sıklığı) Ölçüm günleri Kesme Açısı Yörünge Bilgisi 3 saniye- 24 saatlik günlük veri 1 Nisan 217-1 Eylül 217 (91.-243. julyen günleri) 1 IGS final yörüngeleri ve IGS ERP dosyaları Anten Faz Merkezi Bilgisi Troposfer Parametresi Uluslararası Yersel Referans sistemi Sabit Noktalar Sonuç koordinat hesabı Yükseklik açısına bağlı ağırlıklandırmalı faz merkezi modeli (PCV-antmod.dat) VMF1 (Vienna Mapping Function) modeli kullanıldı. Zenit gecikme parametreleri her 2 saatte bir hesaplandı. ITRF8 Avrasya plakası sabit olarak kabul edildi ve çözümlerde,9 IGS Noktası (BUCU, GLSV, ISTA, MATE, MIKL, NICO, PENC, TUBI, ZECK) kullanıldı. 153 günlük çözümleri GLOBK ile birleştirilmiştir. AYVL istasyonun 25 haziran ve 21 temmuz günlerinin WRMSlerinin büyük olması nedeniyle bu günlere ait veriler çözümden çıkarılmıştır. 31

AYVL KUZEY BİLEŞENİ.8 Original zaman serisi ayvl dat1.6.4 Kuzey Bileşeni (cm).2 -.2 -.4 -.6 -.8-1 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

AYVL KUZEY BİLEŞENİ (Doğrusal Trend Çıkarılmış).6 Doğrusal trend çıkarılmış ayvl dat1.4 Kuzey Bileşeni (cm).2 -.2 -.4 -.6 -.8 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

AYVL KUZEY BİLEŞENİ.4 AYVL Kuzey Mod 4+5+6+7.3.2 Kuzey Bileşeni (cm).1 -.1 -.2 Atım : 8 mm -.3 -.4 -.5 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

AYVL DOĞU BİLEŞENİ.6 Orijinal Zaman Serisi ayvl dat2.4 Kuzey Bileşeni (cm).2 -.2 -.4 -.6 -.8 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y) 35

.5 AYVL DOĞU BİLEŞENİ Doğrusal trend çıkarılmış zaman serisi CESM Kuzey.4.3 Kuzey Bileşeni (cm).2.1 -.1 -.2 -.3 -.4 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

AYVL DOĞU BİLEŞENİ.25 AYVL Doğu Mod 4+5+6+7.2.15 Doğu Bileşeni (cm).1.5 -.5 -.1 -.15 Atım : 4 mm -.2 -.25 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

CESM KUZEY BİLEŞENİ 1 Orijinal zaman serisi CESM Kuzey.8.6 Kuzey Bileşeni (cm).4.2 -.2 -.4 -.6 -.8-1 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y) 38

CESM KUZEY BİLEŞENİ.6 Doğrusal trend çıkarılmışl zaman serisi CESM Kuzey.5.4 Kuzey Bileşeni (cm).3.2.1 -.1 -.2 -.3 -.4 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

CESM KUZEY BİLEŞENİ.3 CESM Kuzey Mod toplam 5+6+7.2 Kuzey Bileşeni (cm).1 -.1 -.2 Atım : 5 mm -.3 -.4 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y) 4

CESM DOĞU.4 Original zaman serisi CESM Doğu.3.2 Doğu Bileşeni (cm).1 -.1 -.2 -.3 -.4 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

CESM DOĞU.3 Doğrusal trend çıkarılmış zaman serisi CESM Doğu.2 Doğu Bileşeni (cm).1 -.1 -.2 -.3 -.4 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

CESM DOĞU.4 Mod toplam 7+8+9 Doğu Bileşeni (cm).3.2.1 -.1 -.2 -.3 -.4 -.5 Atım tespit edilmemiştir. 3 ay periyodu olan bir sinyal tespit edilmiştir. -.6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

IZMT KUZEY BİLEŞENİ.6 Original zaman serisi izmt dat1.4 Kuzey Bileşeni (cm).2 -.2 -.4 -.6 -.8 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

IZMT KUZEY BİLEŞENİ.6 Doğrusal trendi çıkarılmış zaman serisi izmt dat1.4 Kuzey Bileşeni (cm).2 -.2 -.4 -.6 -.8 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

IZMT KUZEY BİLEŞENİ.3 Mod toplam 4+5+6+7.2 Kuzey Bileşeni (cm).1 -.1 -.2 -.3 -.4 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

IZMT DOĞU BİLEŞENİ.5 Original zaman serisi izmt dat2.4.3 Doğu Bileşeni (cm).2.1 -.1 -.2 -.3 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

IZMT DOĞU BİLEŞENİ.5 Doğrusal trendi çıkarılmış zaman serisi izmt dat2.4.3 Doğu Bileşeni (cm).2.1 -.1 -.2 -.3 -.4 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

IZMT DOĞU BİLEŞENİ.25 IZMT Doğu Mod toplam 9+1+11+12.2 Doğu Bileşeni (cm).15.1.5 -.5 -.1 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Zaman (y)

İvmeölçer kayıtları (AYVALIK) Kuzey-Güney Doğu-Batı Yukarı-Aşağı 4 2-2 AYVALIK İvme Ölçer (Gal) -4 2 4 6 8 1 12 4 2-2 -4 2 4 6 8 1 12 4 2-2 -4 2 4 6 8 1 12 KAYIT ZAMANI : 12/6/217 12:28:37. (GMT) 5

İvmeölçer kayıtları (CESME) Kuzey-Güney Doğu-Batı Yukarı-Aşağı 4 2-2 CESME İvme Ölçer (Gal) -4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 4 2-2 -4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 4 2-2 -4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 KAYIT ZAMANI : 12/6/217 12:28:41. (GMT) 51

İvmeölçer kayıtları (BUCA) Kuzey-Güney Doğu-Batı Yukarı-Aşağı 1 5-5 BUCA DEÜ KAYNAKLAR KAMPÜSÜ İvme Ölçer (Gal) -1 2 4 6 8 1 12 14 1 5-5 -1 2 4 6 8 1 12 14 1 5-5 -1 2 4 6 8 1 12 14 KAYIT ZAMANI : 12/6/217 12:28:42. (GMT) 52

Üç ivmeölçer istasyonunun Yatay-düşey spektral oran yöntemi ile analizi Şekil 1. Zemin hakim titreşim frekansı hesaplanmasında zemin kalınlığı ve kayma dalgası hızı (Nakamura 21 den revize edilmiştir.) Nakamura 1989 yılında yaptığı çalışmada, yer içerisinde çeşitli nedenlerle oluşan titreşimcikler ile (mikrotremor) yüzey dalgalarının arasında bir paralellik olduğu varsayımı ile mikrotremor yöntemini ortaya koymuştur. Bu metod sismometreler tarafından kaydedilen titreşimciklerden, yatay yönde olanların düşey yönde olanlara bölümünden elde edilen yatay/düşey eğrilerinin zemin transfer fonksiyonu olduğu kabulünü yapmaktadır ve 1989 yılından günümüze kadar geçen süreçte mikrobölgeleme çalışmalarının vazgeçilmezlerinden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Yöntemden elde edilen HVSR spektrumu aynı zamanda zemin transfer spektrumu olarak tanımlanabilmektedir. Yönteme genel olarak bakış, tarihi gelişimi ve çeşitli uygulamalar Mucciarelli ve Gallipoli 21 de ayrıntılı olarak verilmiştir. Aynı zamanda Mucciarelli ve Gallipoli 24 te yapmış oldukları çalışmada deprem kayıtlarından elde edilen HVSR spektrumları ile gürültü kayırlarından elde edilen HVSR spektrumlarının benzerliklerini göstermişlerdir. 53

Midilli fayı normal fay olup bu bölgede İzmir in kuzeyinde denizden karaya ilerlerken yanal yönlü çalışan fay zonları bulunmaktadır. Bu da yapılan çalışmada yatay yönlü hareketin daha baskın olma nedenini açıklamaktadır. Yandaki şekilde görüldüğü gibi depremden sonra gerilimin aktarıldığı alandaki sınırların saptanması için atım miktarının sönümlendiği lokasyona kadar SGPS istasyon verilerine DMA yönteminin uygulanması ve SGPS istasyonlarındaki deprem etkilerinin belirlenmesi gerekmektedir. 54

Sonuçlar IZMT istasyonu AYVL, CESM istasyonlarından farklı davranış göstermektedir.bunun nedeni tektonik konumu incelendiğinde IZMT farklı fay sisteminde olmasıdır. Yatay-düşey spektral oran yöntemi de IZMT istasyonun AYVL ve CESM istasyonlarından farklı zemin davranış gösterdiği ve depremden farklı etkilendiği saptanmıştır. DMA analizi ile depremden etkilenen GPS istasyonlarının özellikle AYVL nin bulunduğu zeminin yatay yöndeki harekete duyarlı olduğu saptanmıştır. AYVL Kuzey bileşeninde 4+5+6+7 nci modların toplamında 8 mm AYVL Doğu bileşeninde 4+5+6+7 nci modların toplamında 4 mm büyüklüğünde bir atım. CESM Kuzey bileşeninde 5+6+7 nci modların toplamında 5 mm büyüklüğünde bir atım. CESM Doğu bileşende bir atım tespit edilmemiştir. IZMT Kuzey, Doğu ve 3 istasyon Düşey bileşen SGPS zaman serilerinde atım tespit edilmemiştir. İvmeölçer zaman serileri SGPS günlük koordinat zaman serileri ile tutarlı bir genlik değeri göstermektedir. 55

Öneriler Günlük koordinat zaman serileri Jeodezik/jeofizik açıdan depremin yarattığı deformasyonu verir. Günlük çözünürlük Jeofizik açıdan depremin karakteri (süresi vb) anlamak açısından yeterli olmadığı görülmektedir. Hız ölçer ve İvmeölçerler (Sismoloji istasyonları) in drift ve sınırlı band aralığı nedeniyle yüksek frekanslı GPS verileri ile Kalman filtreleme birleştirildiğinde sadece GPS çözümlerine göre daha doğru sonuçlar verdiği bilinmektedir (Crowell vd., 211; Bock et al., 211). Bu kapsamda GNSS istasyonları ve ve sismik istasyonlardaki saniye altı hız ve ivmeölçer verileri ile yer değiştirmeler hesaplanarak depremlerin neden olduğu yer değiştirmeler anlık olarak hesaplanabilir. SGNSS ve Kuvvetli Yer hareketi istasyonları İvmeölçer istasyonları ve hız ölçen sismik istasyonlarla bir arada tesis edilmesi özellikle Deprem Erken Uyarı Sistemlerine Doğru Gerçek Zamanlı Deprem İzleme açısından önemli olduğu değerlendirilmektedir. (Bock vd., 29; Crowell vd., 211) (Çok sensörlü istasyonlar). Bu çalışmada seçilen istasyonların dışındaki istasyonlar için DMA irdelemeleri yapılarak istasyonlardaki deprem etkisi araştırılmalıdır. 56