25-27 Eylül 2013 MKÜ HATAY ÖZET: OVA ÜZERİNE KURULMUŞ ŞEHİRLERDE SEDİMAN KALINLIĞININ ÖNEMİ: ISTANBUL AVRUPA YAKASI ÖRNEĞİ S. Karabulut 1 ve O. Özel 1 1 Jeofizik Müh. Bölümü, Mühendislik Fakültesi, İstanbul Üniversitesi, 34320 Avcılar, İstanbul Email: savask@istanbul.edu.tr Mitolojiden günümüze insanlığın yaşam alanı farklı gereksinimler, yasam tarzları ve ilişkileri nedeniyle sürekli değişmiştir. Yüksek tepelerde başlayan yaşam; tarım, hayvancılık ve yaşamın en büyük ihtiyacı olan su nedeniyle ovalara inilmesini zorunlu kılmıştır. Bununla beraber geçmişten geleceğe hayatı kolaylaştırmanın en uygun yolunu arayan uygarlıklar, savaş nedeniyle yüksek tepelere çekilmenin dışında düz, engebesiz alanlarda, ovalarda yaşamı kurmuşlardır. Geçmişten günümüze yaşam alanlarını tehdit eden birçok farklı olgu olmasına rağmen, değişmeyen tek temel olgu ise doğa olayları olmuştur. Depremler ise bunların en önemlisi ve hala en büyük kayıpların oluşmasına neden olan olguların başında gelmektedir. Amik ve Antakya Ovası üzerine kurulu olan Hatay ve Kahramanmaraş, Erzincan Ovası üzerine kurulu olan Erzincan, Adapazarı Ovası üzerine kurulu olan İzmit ve oldukça kalın bir sediman istif üzerine kurulu olan İstanbul un Avcılar İlçesi bu alanların başında gelmektedir. Ovalar, kayaçlarda farklı nedenlerle meydana gelen ayrışmadan dolayı sediman istifin birikmesi sonucunda oluşmaktadır. Son 30 yıl içinde Dünya da ve ülkemizde meydana gelen birçok depremde (Mexico City, Northidge, Kobe, Izmit-Gölcük vb.) hasarın en önemli nedenlerinden biri olduğu bilinen Yerel Zemin Etkisinin (Site Effect) başlıca nedenlerinden biri de bu sediman istif olmaktadır. Sediman Kalınlığı ve ortamdaki hız terslenmesi nedeniyle deprem dalgalarının belirli frekanslarda enerjilerini arttırdığı ve üzerinde bulunan yapılarda hasara neden olan bu olguya, Zemin Büyütmesi denmektedir. Zemin Büyütmesinin birçok nedeni vardır. En önemli nedenleri; basenin (ovanın) geometrisi, sedimanın kalınlığı, kayma dalga hızının değişimi ve ortamın hakim rezonans frekans değerleridir. 17 Ağustos 1999 İzmit-Gölcük (Mw: 7.4) depremi sırasında, depremin odağından yaklaşık 100 km. uzaklıkta bulunan Avcılar İlçesinde rezonans nedeniyle meydana gelen hasarın nedeni de bu olgulardan biri veya birkaçı olmuştur. Bu çalışma kapsamında; İstanbul şehrinin özellikle Avrupa yakasında, Haliç in Güney-Güneybatısında başlayan, sediman istifin kalınlığının nasıl değiştiği ve Marmara Denizi içinden geçen Kuzey Anadolu Fayında olabilecek olası bir deprem sırasında yer hareketinin nasıl şekilleneceğinin belirlenmesi amacıyla, tek istasyon ve dizilim mikrotremor ölçümleri toplanmıştır. Dizilim mikrotremor ölçümleri ile yüzeyden sismolojik anakayaya (Vs>1500 m/s) kadar olan derinliğine ait jeofizik parametreler belirlenmiş ve Avrupa yakası için anakayanın 3-Boyutlu batimetri haritası, dolayısıyla sediman kalınlık haritası hazırlanmıştır. Ayrıca sediman kalınlığının mühendislik pratiğinde kolayca belirlenmesi amacıyla çalışılan alan için ortamın zemin frekans değerini kullanarak sediman kalınlığının hesaplanmasına yönelik amprik bağıntılar (mühendislik ve sismolojik anakayası için) geliştirilmiştir. ANAHTAR KELİMELER: Sediman kalınlığı, İstanbul, deprem, yerel zemin etkisi, Mikrotremor. 1. GİRİŞ Depremler nedeniyle meydana gelen hasarın üç temel nedeni vardır. Bunlar, mühendislik yapısının özellikleri, depremin özellikleri ve yerel zemin özelliklerinden kaynaklıdır. Genel olarak; sismoloji biliminde aletsel dönemden önce hasarın dağılımını belirlemede kullanılan eş-şiddet haritalarına bakıldığında bile depremin merkezine yakın alanlarda yüksek şiddet değerinin var olduğu, deprem merkezinden uzaklaştıkça şiddet değerinin (yani hasarın) azaldığı görülmektedir. Ancak sismoloji biliminde aletsel dönemin gelişimiyle beraber 1
25-27 Eylül 2013 MKÜ HATAY hasarın nedenlerini belirlemede daha detaylı çalışmalar başlamış ve depremin merkezinden uzaklaştıkta da büyük hasar ve can kayıplarının görüldüğü mühendislik sismolojisi çalışan araştırmacılar tarafından gözlenmiştir. Yerel Zemin Etkisi Site Effect olarak bilinen bu etki hakkında yapılan birçok çalışma vardır (Borcherdt, 1970; Şafak,2001; Akyol ve diğ., 2002;Semblat ve diğ., 2005;Karabulut, 2012; Özalaybey ve diğ., 2011; Cranswick ve diğ.,2000). Yerel zemin etkisinin 6 temel nedeni, Şafak, (2001) tarafından yapılan çalışmada belirtilmiştir (Şekil 1). Yerel zemin etkisine bağlı yer hareketinde meydana gelen değişim:1) Empedans farkından kaynaklı rezonans; 2) Yer altı topoğrafyasından kaynaklı odaklanma; 3) Cisim dalgalarının yüzey dalgalarına dönüşümü;4) Su içeriği; 5) Yer içinin heterojen yapısı; 6) Yüzey Topoğrafyası dır. Şekil 1. (a) Bir depremden sonra sismik dalganın yayınımı: Yeşil üçgenler farklı ortamlara kurulan istasyonların yerlerini belirtmektedir (S1: kaya ortamını, S2: zemin ortamını temsil etmektedir) (Parolai, 2012 den değiştirilerek kullanılmıştır); (b) Yerel zemin etkisinin nedenleri (Şafak, 2001 dan değiştirilerek kullanılmıştır). 2. YÖNTEM 2.1. Mikrotremor Dizilim Yöntemi Mikrotremorlar yüksek frekanslı ve düşük genlikli titreşimlerdir. Birçok farklı ölçüm yöntemi vardır (Karabulut, 2007; Nakamura, 1989). Bu çalışma kapsamında toplanan mikrotremor dizilim verilerine Şekil 5 de gösterilen veri işlem aşamaları uygulanmıştır. Verilen toplanırken Uzaysal otokorelasyon yöntemi (SPAC: Spatial Autocorrelation Method) olarak bilinen ve Aki (1957:1965) tarafından geliştirilen ve Okada (1983;1994;2003) tarafından uygulanmaya başlanan yöntem kullanılmıştır. Değerlendirmede Betting ve diğ., 2003 tarafından geliştirilen MSPAC (Değiştirilmiş Uzaysal Otokorelasyon Yöntemi) olarak bilinen yöntem kullanılmıştır. Güralp CMG-6 TD tip 4 adet sismometre kullanılmış (Şekil 2 a, [1;2]) ve ölçüm süreleri dizilimin yarıçapına bağlı olarak ayarlanmıştır. Küçük yarıçaplı (< r:30m) ağ ölçümlerinde maksimum 30 dakika süreyle ölçüm alınmış ve yarıçap arttıkça ölçüm süreleri de 120 dakikaya kadar ulaşmıştır. Her bir ölçüm noktasında kayıt edilen üç bileşen verinin önce Fourier spektrumları alınmış ve daha sonra H/V spektral oranları hesaplanmıştır (Şekil 2 f-g). Amaç, Spektral oranlar arasındaki uyumun incelenmesidir. Geopsy programı (Şekil 2. b-c-d-e-f-gh) kullanılarak veriler değerlendirilmiş ve ters çözüm (Şekil 2 i-j, Yamanaka and Ishida, (1996); Picozzi ve diğ., (2005)) için genetik algoritmaya bağlı bir arama aralığı kullanılmıştır. 2
25-27 Eylül 2013 MKÜ HATAY Şekil 2. Veri işlem aşamaları. Şekil 3 de çalışma alanda bir ölçüm noktası için çizilen kesite ait kayma dalga hızı-derinlik kesitleri (Rayleigh dalgası (Şekil 3-b-üstte) ve Rayleigh dalgası ile H/V oranı verilerinin birlikte kullanımı (Şekil 3-b-altta) ile elde edilen derinlik modelleri) ve bu kesitlerde belirtilen ölçüm noktalarına ait dispersiyon eğrileri (Şekil 3-c) gösterilmiştir. Avcılar-Bahçeşehir arasında kalan alan için çizilen bu kesitte Bahçeşehir bölgesinde yüzeylenen Eosen yaşlı kireçtaşlarının hız değerlerini temsil eden 500-800 m/s lik hız değerlerinin yüzeylendiği görülmekte, aksine Avcılar bölgesinde ise anakaya derinliğinin 950 m derinlerde olduğu belirlenmiştir. Yani, anakayanın kuzeyden güneye doğru dalım yaptığı görülmüştür. 3
25-27 Eylül 2013 MKÜ HATAY Şekil 3. Çalışma alanı için üretilen; a) Kesitlerin doğrultularını gösteren harita, b) 2-B kayma dalga hız derinlik kesiti ve c) Dispersiyon Eğrileri 2.2. Çalışma Alanının Jeolojisi İstanbul Avrupa yakası iki temel birimle temsil edilmektedir. Bunlar, Paleozoyik yaşlı temel kaya ve üzerinde bulunan sedimanter istiftir. Anakaya/Temel kaya olarak Paleozoyik yaşlı Trakya formasyonu (Kaya, 1972) İstanbul Avrupa yakasının en yaşlı birimini oluşturmaktadır. Bu birim kumtaşı, kiltaşı, silttaşı birimlerinden oluşmaktadır. Birim Haliç in kuzey-kuzeydoğusunda yüzeylenmeye başlamaktadır. Mühendislik anakayası özelliğini taşıyan ise iki birim vardır. Bunlar Eosen yaşlı Kireçtaşları ve oldukça derinlerde hızları 760 m/s lere ulaşan Gürpınar formasyonu dur. Paleozoyik yaşlı temel istif üzerinde bulunan birimler en yaşlıdan en genç birime doğru, Eosen yaşlı Oligosen yaşlı Gürpınar ve Çukurçeşme formasyonları, Miyosen yaşlı Bakırköy ve Gürpınar Formasyonları, Kuvaterner yaşlı Alüvyon ve dolgu malzemeleridir. Gürpınar formasyonun kalınlığı >700 m den fazladır. Genel olarak sediman istifinin sınırı birçok jeoloji haritasında belirtilmiş olsa da mikrotremor ölçümlerinden belirlenen frekans değerleri kullanılarak elde edilen sediman kalınlık haritası ile daha net sediman-anakaya sınırı belirlenmiştir (Şekil 3). 4
25-27 Eylül 2013 MKÜ HATAY 3. İSTANBUL AVRUPA YAKASI İÇİN SEDİMAN KALINLIK HARİTASININ HAZIRLANMASI 3.1. Sediman Kalınlık Bağıntısının Üretilmesi Mikrotremor dizilim ve tek istasyon ölçüm sonuçları kullanılarak iki farklı anakaya derinliği için elde edilen zemin hakim frekans değerine bağlı sediman kalınlık bağıntıları geliştirilmiştir. Literatürde bu şekilde geliştirilen birçok bağıntı olmasına rağmen (Ibs-von Seht, M., ve Wohlenberg, J., (1999); Birgören ve diğ., 2009), çalışılan bölge için kullanılması gereken bağıntıların başka bir çalışma alanı için anlamlı sonuçlar vermesinin beklenmesi doğru değildir. Bu kapsamda İstanbul un jeolojik yapısını temsil eden iki farklı anakaya (Sismolojik anakaya Vs>1500 m/s ve Mühendislik anakaya Vs> 760 (m/s)) için iki farklı analiz tekniği kullanılarak (Ortak Analiz (Joint Inversion: Rayleigh dalgası dispersiyon eğrisi ile Y/D (H/V)) spektral oranı) ve Rayleigh dalgası dispersiyon eğrisi) elde edilen yer altı modelleri için 4 farklı frekans-sediman kalınlığı bağıntıları geliştirilmiştir (Şekil 4). Bu bağıntılar kullanılarak elde edilen derinlik modelleri Şekil 5 de gösterilmiştir. Şekil 4. Sediman Kalınlık-Frekans İlişkisi. Mühendislik Anakayası için geliştirilen bağıntılar; HmO=121.7*f-0.55 (1) HmR=115.2*f-0.48 (2) Sismolojik Anakaya için geliştirilen bağıntılar; HsO=280.2*f-0.39 (3) HsR=257*f-0.37 (4) 5
25-27 Eylül 2013 MKÜ HATAY Şekil 5. a) Ortak analiz ve b) Rayleigh dalgası kullanılarak, elde edilen sediman kalınlık haritaları. 4. TARTIŞMA VE SONUÇLAR Yerel zemin etkisi nedeniyle depremler sırasında beklenmedik alanlarda önemli can kayıpları ve hasarlar oluşmaktadır. Ülkemizdeki aktif fay hatlarının varlığı, birçok yerleşim yerinin ovaların üzerine kurulmuş olması bu etkinin yaratacağı tehlikeyi de beraberinde getirmektedir.. Farklı nedenlerden dolayı meydana gelen zemin büyütmesi, dolaylı olarak depremin ivmesini de değiştirerek, mühendislik yapılarında deprem enerjisinin çok daha fazla hissedilmesine neden olmaktadır. Bu etkilerin nasıl değiştiğinin belirlenmesi amacıyla İstanbul Avrupa yakasında bir çalışma yapılmıştır. Çalışma kapsamında ilk olarak tek istasyon mikrotremor ölçümleri (215 nokta, Picozzi ve diğ., (2009)) ile zemin hakim frekans değerleri belirlenmiş ve haritalanmıştır. Daha sonra çalışma alanı için mikrotremor dizilim ölçümleri toplanmış ve değerlendirilmiştir. Verileri toplamak için SPAC yöntemi olarak bilinen dairesel ağ dizilim yöntemi kullanılmıştır. Bölgede daha önceden yapılmış derin sondaj verileri, jeolojik kesitler ve diğer jeofizik ölçümlerde (Elektrik Özdirenç, Sismik Kırılma, MASW-MAM) kullanılarak elde edilen modellerin güvenilirliliği kontrol edilmiştir. Çalışma alanı için sediman kalınlık haritaları hazırlanmıştır (Şekil 5). Bu haritalar incelendiğinde çalışma alanında kuzeydoğudan,güneybatıya inildikçe sediman kalınlığında artmaların olduğu gözlenmiştir. Özellikle Avcılar, Ambarlı limanı ve Küçükçekme gölünün güneybatısında görülen yüksek sediman kalınlık değerlerinin dışından, Büyükçekmece-Küçükçekmece gölleri arasında kalan alanda görülen üç farklı havzanın oluşum şeklinin Marmara denizinde bulunan üç çukurluğun gelişimine benzer jeodinamik evrimin bir parçası olup olmadığı veya Kuzey Anadolu Fay hattına dik yönde gelişen fay hatlarının etkisiyle mi oluştukları soruları irdelenmiştir. Özellikle Okay ve diğ, (1994) tarafından Karadeniz in oluşumunun açıklandığı çalışmalarında, bu çukurlukların, Batı Karadeniz Fayının etkisinin gözlendiği bu alanlara karşılık gelip gelmedikleri gelecekte yapılması planlanan çalışmaya konu olarak seçilmiştir. KAYNAKLAR Aki, K., (1957), Space and time spectra of stationary stochastic waves, with special reference to microtremors, Bull. Earthq. Res. Inst., 35, 415-456. Aki, K., (1965), A note on the use of microseisms in determining the shallow structures of the Earth s crust: Geophysics, 30, 665 666. 6
25-27 Eylül 2013 MKÜ HATAY Akyol, N, Akıncı, A., Eyidoğan, H., (2002), Site amplification of S-waves in Bursa City and its vicinity, Northwestern Turkey: comparison of different approaches, Soil Dynamics and Earthquake Engineering,Volume 22, Issue 7, September 2002, Pages 579 587. Borcherdt, R. D. (1970). Effects of local geology on ground motion near San Francisco Bay, Bull. Seismol. Soc. Am., 60, 29-61. Cranswick E, Ozel O, Meremonte M, Erdik M, Safak E, Mueller C, Overturf D, Frankel A. (2000), Earthquake Damage, Site Response, and Building Response in Avcilar, West of Istanbul, Turkey, International Journal for Housing Science and Its Applications, ISSN 0146-6518, Special Issue: Kocaeli Earthquake 1999, Oktay Ural, Editor-In-Chief, Vol. 24, No 1, pp. 85-96. Ibs-von Seht, M., and Wohlenberg, J., (1999). Microtremor measurements used to map thickness of soft sediments. Bull. Seismol. Soc. Am. 89, 250-259. Karabulut, S., (2007). Mikrotremorlar ve Analiz Yöntemleri, TMMOB Jeofizik Mühendisleri Odası, Meslekiçi Belgelendirme ve Kurs Notları:4, Ankara. Karabulut, S., (2012). İstanbul Kenti İçin Yer Tepkisi ve 3 Boyutlu (3-B) Kayma Dalga Hız (Vs) Yapısının Belirlenmesi. Doktora Tezi, Jeofizik Mühendisliği A.B.D. İstanbul Üniversitesi, İstanbul. Kaya O., (1972). İstanbul un Karbonifer stratigrafisi. Türkiye Jeoloji Kurumu Bülteni, XIV, 2, 143-199. Nakamura, Y., (1989), A Method for Dynamic Characteristics Estimation of Subsurface using Microtremor on the Ground Surface, Quarterly Reports of the Railway Technical Research Institute Tokyo, 30. pp. 25-33. Okada, H., And Sakajırı,N., (1983), Estimates of an S-wave velocity distribution using long-period microtremors: Geophys. Bull., Hokkaido University, 42, 119 143 (in Japanese, with English Abstract). Okada, H., (1994), A research on the practical application of microtremor exploration technique to a wide area survey of a underground structure under 3,000 m in depth, report of a Grant-in-Aid for Co-operative Research (B) No. 03554009 supported by the Scientific Research Fund in 1993. Okada, H., (2003), The Microtremor Survey Methodǁ. Geophys. Monograph Series, SEG. Okay, A.I., Şengör, A.M.C. ve Görür, N. (1994). The Black sea: kinematic history of opening and its effect on the surrounding regions Geology, 22, 267-270. Özalaybey, S., Zor, E., Ergintav, S., and Tapırdamaz, M. C., (2011), Investigation of 3-D basin structures in the İzmit Bay area (Turkey) by single-station microtremor and gravimetric methods, Geophysical Journal International, doi: 10.1111/j.1365-246X.2011.05085.x Parolai, S., (2012), Investigation of site response in urban areas by using earthquake data and seismic noise, Chapter 14, (Version January 2012; DOI: 10.2312/GFZ.NMSOP-2_ch14). Picozzi, M., Parolai, S., Richwalskı, S.M., (2005), Joint inversion of H/V ratios and dispersion curves from seismic noise: Estimating the S-wave velocity of bedrock. Geoph. Res. Lett., 32, No.11 doi: 10.1029/2005GL022878. 7
25-27 Eylül 2013 MKÜ HATAY Picozzi, M., Strollo, A., Parolai, S., Durukal E., Ozel, O., Karabulut S., Zschau, J., Erdik, M., (2009), Site characterization by seismic noise in Istanbul, Turkey, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 29, 469-482. Şafak, E. (2001). Local site effects and dynamic soil behavior, Soil Dynamics & Earthquake Engineering, Elsevier Science Ltd., Vol. 21, pp.453-458. Semblat, J.F., Kham, M., Parara, E., Bard, P.Y., Pitilakis, K., Makra, K., Raptakis, D., (2005). Seismic wave amplification: Basin geometry vs soil layering, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Volume 25, Issues 7 10, August October 2005, Pages 529 538. Yamanaka, H., And H. Ishida (1996), Application of generic algorithms to an inversion of surface-wave dispersion data, Bull. Seismol. Soc. Am., 86, 436 444. [1] http://www.guralp.com/documents/man-t60-0002.pdf. [2] www.geopsy.org/download.php 8