Mikrotremor Yöntemi ile Kocaeli-Değirmendere bölgesi için Hakim Frekans Sediman Kalınlığı Ampirik İlişkisi : İlk Sonuçlar An Empiric Relationship between Sediman Thickness and Resonance Frequency by using Seismic noise (mikrotremor) method for Kocaeli- Değirmendere area (Turkey): Primary results Hamdullah LİVAOĞLU 1, T.Serkan IRMAK 1, İ.Talih GÜVEN 1, M.Fırat ÖZER 1 1 Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Jeofizik Mühendisliği Bölümü hamdullah.livaoglu@kocaeli.edu.tr Özet: Kocaeli-Değirmendere beldesini içeren 7 km 2 lik bir alan içerisinde alınan 50 ölçüden bazı eğri pik sınırlamaları ve değişkenleri ile sınırlandırılarak 43 ü kullanıldı. Bunların yatay/düşey spektrum analizi sonucu hesaplanan hâkim frekansları, derinliğin fonksiyonu olarak ilişkilendirilmiştir. Hesaplanan frekans ve derinlikler a*f b fonksiyonuna ilişkilendirilerek ampirik bir ilişki ortaya çıkartılmış ve bölge için derinlik-frekans ilişkisi ampirik olarak elde edilmiştir.( ) Yapılan analizler sonucunda Bölgenin güney-doğu ve sahil kısmında 150-400m ye yakın sediman kalınlıkları kestirilmiştir. Anahtar Kelimeler: mikrotremor gürültü analizi 1, hakim frekans-derinlik ilişkisi 2, yumuşak sediman kalınlığı 3; yatay/düşey spektrum 4 Abstract: Noise measurements were done in the Gölcük-Değirmendere area (Turkey) within density of 7 km 2 area and the resonance frequency of each site was estimated from the main peak in the spectral ratio between horizontal and vertical components and was associated with depth for the area İt was applied 50 measurements point but 43 of these were considered by the limitations of peaks and controls varieties. And by using mikrotremor measurements we primarily calculate the resonant frequency for per sites then calculated best-fitting a*f b function for our empiric depth-frequency relation ( ) In the southeast region of the study area there have been calculated 150-400 m soft sediman thickness and these thicknesses would create a local site effect on these areas. Keywords: mikrotremor noise analysis 1, frequency-depth relation 2, soft-sediman thickness 3; H/V spectrum 4 GİRİŞ Çalışma, Kocaeli ili Gölcük ilçesi Değirmendere mevkii içinde ana yerleşim alanlarında seçilen noktalarda yapılan Jeofizik gürültü ölçümlerini içermektedir. Zemin hakim rezonans frekansları mikrotremor spektral oran yöntemleri ile belirlenerek (Nakamura 7. (1989)), zemin hâkim titreşim frekansları derinlik ile ilişkilendirilmiştir. Burada tek istasyon ile ölçümler, aynı hız-ölçer sismometre, aynı alet tepkisi ve düşük kültürel gürültülü yerlerde farklı zamanlarda alınmıştır. Gürültü Türkiye 20. Uluslararası Jeofizik Kongre ve Sergisi, 25-27 Kasım 2013, Antalya
Yazar Soyadı 1, Yazar Soyadı 2 ölçümlerinde özellikle spektral ortama geçip hâkim frekans analizi yapılırken ölçümler rüzgar ve geniş frekans bandına olan kültürel gürültülerden çok etkilenmektedir. Bunlar dikkatlice not alınıp filtre band aralığı bölgenin jeolojisi de dikkate alınarak özenle seçilmelidir. Hesaplanıp çizdirilen yatay/düşey eğrilerinde sınırlamalara gidilerek belirli kriterlerle doğru hakim frekans belirlenmeye çalışılmıştır. Mikrotremor, transfer fonksiyonu (y/d) hesaplanırken iki tabaka modeli kullanılır ve kesme dalgası yardımı ile de bu tabakalar arasındaki seyahat zamanı hesaplanarak derinlik kestirimi yapılmıştır. Derinlik-Hız fonksiyonu kullanılarak hesaplanan derinlik değerleri ve hakim frekans değerleri üstel bir fonksiyonla ilişkilendirilip yeni bir bağıntı elde edilmiştir. 1.Saha çalışması, veri seti ve veri işlem aşamaları Çalışmada kullanılan Tek-İstasyon Yatay bileşen düşey bileşen spektral oran yöntemidir. Bölgede belirlenen noktalarda 30 dakikalık paketlerle 43 noktada ölçüm alınmıştır. Yatay bileşenin düşey bileşene oranı (Nakamura yöntemi, H/V) basit olarak şematik gösterimi şekil 1 deki gibidir; Şekil 1. Yöntemin şematik anlatımı. Planlanan ölçüm noktaları arazi çalışmaları gündüz kültürel ve endüstriyel gürültülerin az olduğu bölgeler seçilmiş, Akşam saatlerinde de şehir içine düşen noktalarda alınmıştır. Tüm sinyallere Band-pass filtre (0.1 Hz-20 Hz); Buttorworth.(n=2.derecen) uygulanmış fenomene özgü diğer uygulanan veri işlem aşamalarına burada değinilmemiştir Şekil 2. Mikrotremor ölçüm noktaları(üstte) ve Analiz edilen verilerden elde edilen bazı eğrilerin ölçü noktaları üzerinde gösterimi 2
2. Derinlik-Hız fonksiyonu ve gürültü ölçümleri sonucu hesaplanan değerler. Zemin etkisi (site effect) transfer fonksiyonu olarak verilir. Bu da ana iki tabakalı model için şekil 3 deki gibidir: Şekil 3. Zemin tepkisi için transfer fonksiyonu temel prensibi (solda) ve S dalga hızı ve derinlik ilişkisi (sağda) Sismolojik temel kaya ve üzerine kaplayan m kalınlıklı sediman ve kesme dalgası hızı V s. Bu sistemin rezonans frekansı λ/4 ün katı olan kalınlıklarda görülür. Transfer fonksiyonu maksimum frekansları: F r = n.v s /4m (n=1,3,5..). da görülür. Kanai vd. (1965, ) (1) Hız-Derinlik fonksiyonu aşağıdaki gibi yazılabilir: V 0 :Yüzey kesme dalgası hızı(yüzeydeki V s ), Z=z/z 0 (z 0 =1m) ve x: hızın derinlik-bağımlı katsayısı. Hakim rezonans frekansı f r, 1/4T 0 olarak hesaplanır. T 0 ; tabakanın yüzeyi ve tabanı arasındaki kesme dalga hızının seyahat zamanıdır. Buradan da m kalınlık ilişkisi şu şekilde hesaplanır: V(z)=d z /d t olarak ifade edilir ve seyahat zamanı aşağıdaki gibi hesaplanır: (2) (3) Kalınlık ve rezonans frekansı arasındaki bağıntı aşağıdaki gibi olur: (4) Buradan da 1, (Ibs-von Seth ve Wohlenberg (1999)) (5) olarak hesaplanır. fr Hz, V 0 m/sn ve m metre cinsindendir. 3
Yazar Soyadı 1, Yazar Soyadı 2 3. Bölge İçin Elde Edilen Ampirik Sediman kalınlığı-hakim frekans ilişkisi Hız-Derinlik fonksiyonun da (2) Hesaplamalarda; bölge için Vs=412m/sn, x=0.278 ve buna bağlı olarak V 0 =162 m/sn, olarak kullanılmıştır. Böylece bölge için a*b n fonksiyona uydurularak elde edilen derinlik-frekans ilişkisi belirlenmiştir (Denklem 6). (6) Şekil 4. Hesaplanan değerler ve ilişkilendirilen eğri ve uyumun istatiksel özellikleri Ardından elde edilen bu ampirik ilişki fonksiyonu ile bölge için sediman kalınlık (soft sediments thickness) haritası elde edilmiştir; Şekil 5. Bölge için elde edilen sediman kalınlığının farklı açılardan görünümleri ve uydu fotoğrafı üzerinde gösterimi. TARTIŞMA VE SONUÇLAR Batı sahilde ve orta-güney bölgede iki alanda sediman derinlikler (m) 150-400m ye yakın sediman kalınlıkları görülmektedir (şekil 5). Hesaplanan derinlikler tamamıyla hakim frekans ve bölgenin ortalama S dalga hız yapısıyla ilişkilidir (Denklem 5). Uzun süreli Mikrotremor kayıtları ve sağlıklı hakim frekansların (f 0 ) hesaplanması ve bölgenin yüzeydeki kesme dalgası hızı (V 0 ) elde edilen ilişkiyi önemli ölçüde etkilemektedir. İleri çalışmalarda bu elde edilen ampirik ilişki sondaj-kuyu ölçümleriyle desteklenmesi, x ve V 0 değerlerinin belli aralıklarla kuyu ölçüleriyle hesaplanan derinliklerle iteratif ve en küçük hata miktarına göre çözülmesi hedeflenmektedir. Ayrıca bölgenin jeolojisine bakıldığında hesaplanan ampirik sediman kalınlıkları ve ana-kayaya olan derinlik uyumlu görülmektedir. Sonuç olarak bu kalın sediman dinamik yükler altında dalga genliğini daha da yükselterek ve salınım süresini artırtarak fazla lokal hasara (site effect) sebep olacağından son derece dikkate değerdir. 4
KAYNAKLAR Makale: Aki, K., 1957. Space and Time Spectra of Stationary Stochastic Waves with Special Reference to Microtremors, Bulletin of the Earthquake Research Institute, 35, 415-456. Aki, K., 1988. Local site effects on strong ground motion, Proc. Earthquake Eng. Soil Dyn. II, 103 155. Budny, M. (1984) Seismische Besttiimug der bodendynamischen Kennewerte von oberflaschennahan Schinten in Erdbebengebeiten der Niederrheinnischen Bucht und ihre ingenieurseismologische Anwendung, Geol İnst.Univ.Cologne, specieal issue 57 Ibs-Von, S. ve Wohlenberg, J., 1999. Microtremors Measurements Used to Map Thickness of Soft Sediments, Bulletin of the Seismological Society of America, 89, 250-259. Kanai, K., Tanaka T. ve Yoshizawa, S., 1965. On Microtremors 8. Bulletin of the Earthquake Research Institute, University of Tokyo, 39, 97-114. Nakamura, Y., 1989. A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface, QR of RTRI, February, 30, 1, 25-33. Rodriguez, M., Chavez-Garcia, F.J. ve Stephanson, W.R., 2000. 132WCEE, 1441. Okada, H., 2003. The Microtremor Survey Method, Geophysical Monograph Series, 12, Society of Exploration Geophysicists, 135. Sözlü bildiriler: SESAME (2004). Guidelines for the implementation of the H/V spectral ratio technique on ambient vibrations: measurements processing and interpretation. Europan Research Project. Web sayfaları: Geopsysoftware. www.geopsy.org/ 5