Yeniçağa (Bolu) yöresinde Kuzey Anadolu Fay Zonu nun (KAFZ) ERS-2 SAR ve Landsat TM görüntüleriyle incelenmesi Kaan Şevki Kavak 1, Süha Özden 1, Sevinç Dündar 2, Semir Över 3 1 Cumhuriyet Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, 2 Cumhuriyet Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü 3 Mustafa Kemal Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü Giriş Bu çalışmada, Yeniçağa (Bolu) civarında, yaklaşık K 70 D doğrultusunda geçen Kuzey Anadolu Fay Zonu nu (KAFZ) içine alan ERS-2 SAR radar ve Landsat TM görüntüleri üzerinde yapılan jeolojik amaçlı sayısal görüntü işleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Amaca yönelik olarak, görüntü üzerinde istenmeyen verilerin ortadan kaldırılması amacıyla gerçekleştirilen çalışmalarından Frost filtresi en iyi sonucu vermiştir. Fay zonunun görsel açıdan ortaya çıkarılmasına yönelik olarak ise yersel zenginleştirme yöntemlerinden kenar belirleme yöntemi kullanılmıştır. Arazide fay zonundan toplanan mesozkobik ölçekteki fay ölçümlerinden ortaya çıkarılan en büyük gerilme ekseni göz önüne alınarak seçilen filtreleme sonuçları, sağ yönlü doğrultu atımlı bir fay zonunda gözlenebilecek yapılarla deneştirilmiştir. Bu kinematik amaçlı çalışmalar sonucunda da, KAFZ nun bölgede yaklaşık olarak K 47º B doğrultulu sıkışma ekseninin altında geliştiği anlaşılmıştır. Diğer taraftan, aktif uzaktan algılama ürünü olarak elde edilen ERS-2 SAR görüntülerine uygulanan doku analizi yönteminin, zona ait çizgiselliklerin ortaya çıkarılmasında diğer analiz türlerine göre daha iyi sonuç verdiği gözlenmiştir. Son olarak çakıştırma yöntemiyle, ERS-2 SAR ve Landsat TM görüntüleri birleştirilerek spektral ve yersel açıdan daha ideal bir görüntü elde edilmiştir. Materyal ve Metod Bu çalışmada kullanılan radar görüntüleri, TUBİTAK-YDABAG 103Y021 no lu proje kapsamında, Avrupa Uzay Ajansı nın AOTR.2449 No lu desteğiyle sağlanmıştır. Görüntüler ER Mapper 6.4, ENVI 4.0 ve BEST 4.0 (Basic Envisat / ERS- SAR Toolbox)- programlarıyla işlenmiştir. Radar görüntülerinin tercih edilmesinin ana nedeni, özellikle arazinin yapısal jelojojik özellikleri hakkında (fay, kıvrım ekseni, ve kırık ve çatlak sistemleri gibi) daha fazla bilgi içermesidir. Bilindiği gibi radar algılayıcıları, atmosferik koşullara bağımlı olmadan, gece veya gündüz, bulutlu veya bulutsuz her türlü hava koşulunda bitki örtüsüne bağlı kalmadan görüntü alabilmektedir. Bu nedenle, Yeniçağa (Bolu) ve civarında yer alan çalışma sahasının kısmen ormanlık bir alan içerisinde kalması ve bulutluluk oranının nispeten yüksek olduğu iklim koşullarını göstermesi nedeniyle radar görüntüleri kullanılmıştır (Şekil 1). Bu çalışmada kullanılan diğer bir uydu veri setini ise Landsat TM görüntüsü oluşturmaktadır. Şekil 1. İnceleme alanını içine alan ERS-2 SAR görüntüsünün KAFZ üzerindeki görünümü İTÜ Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü 164
Bu çalışmada, görüntü işlemlerinden yersel zenginleştirme işlemleri uygulanırken, çalışma sahasından geçen KAFZ nun K 70 D durumlu doğrultusu göz önüne alınarak ışıklandırma yönü KB-GD olarak seçilmiştir. Yapısal unsurları en iyi şekilde açığa çıkarabilmek için, bölgede etkin olan sıkıştırma yönüne paralel aydınlatma seçilmiştir. Işık seçiminde, yönü kadar ışığın doğru yükseklikten verilmesi de önemlidir. Sarp bir araziden alınan görüntüleri işlerken daha düşük kotlardan ışıklandırma yapmak yapısal unsurların daha iyi belirlenmesini sağlar. Bu amaçla yaklaşık 35 lik ışıklandırma açısı seçilmiştir. Ayrıca bu çalışma kapsamında, fay zonundan arazide toplanan ölçümlerle bir kinematik analiz çalışması gerçekleştirilmiş sonuçlar Carey yöntemiyle değerlendirilerek etkin olan gerilme eksenleri belirlenmiştir. Fay Topluluklarının Kinematik Analizi KAFZ nun Yeniçağa civarındaki uzanımı üzerinde yüzlek veren fay topluluklarının kinematik analizi gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda; 26 istasyondan, 218 adet fay düzlemi ölçülerek Carey (1979) in sayısal analiz yöntemiyle hesaplanmıştır. Değişik yaş ve litolojide yer alan jeolojik birimlerden derlenen faylardan özellikle genç döneme ait olanların varlığı sayesinde, bölgede KAFZ nun günümüzdeki ya da son tektonik rejim içerisindeki kinematik durumu belirlenmeye çalışılmıştır (Dündar, 2004). Bu bölgede, K 70º D doğrultusunda uzanan KAFZ nun davranış biçiminin anlaşılabilmesi için yapılan kinematik analizi çalışmalarının sonucunda; birbiriyle uyumlu olan iki tektonik fazın varlığı ortaya konulmuştur. Bunlardan göreceli olarak daha yaşlı olanı; günümüzde de bölgede etkin olan KB- GD doğrultulu transtansiyonel (normal bileşenli doğrultu atımlı gerilme rejimi) tektonik rejimdir. İkincisi ise, doğrultu atımlı rejimle uyumlu KD-GB doğrultulu açılma (lokal normal faylanma) rejimidir. Mesozoyik ten Kuvaterner e kadar değişik yaştaki jeolojik birimlerden ölçülen fay düzlemlerine göre; bölgedeki sıkışma doğrultusu (σ 1 ) yönünde K 47 B, açılma doğrultusu ise (σ 3 ) yönünde K 43 D dur ve Rm oranı 0.35 olarak hesaplanmıştır. Bu da bize çalışma sahasındaki KAFZ nun oluşumu ile birlikte gözlenen ilk tektonik rejimin KB-GD doğrultulu sıkışma rejimi altında gelişen sağ yanal doğrultu atımlı faylanma rejimi (transtansiyonel) olduğunu göstermektedir. KAF üzerinde yapılan kinematik amaçlı çalışmalarda (Bellier ve diğ.., 1997; Özden ve diğ.., 2002) doğrultu atımlı tektonik rejime ait belirlenebilen ilk tektonik faz, transpresyonel olup, transtansiyonel tektonik fazın bunu üzerleyen genç bir evreyi temsil ettiği belirlenmiştir. Çalışma sahamızda transpresyonel tektonik faza ait veriler izlenememiştir. Bu nedenle bu bölgede doğrultu atımlı faylanma, olasılıkla transtansiyonel rejimle başlamıştır. Bu rejim değişimleri, Anadolu bloğuyla sınırlı diğer levhaların sınırlarındaki farklı etkileşimlerden doğmaktadır (Bellier ve diğ.., 1997; Over ve diğ.., 1997; Özden ve diğ.., 2002). Göreceli olarak genç lokal normal faylanmalar da belirlenmiş olup, bunlara ait Rm oranı hesaplanamamıştır. Hesaplanan gerilme durumlarından, bu bölgedeki açılma doğrultusunun (σ 3 ) yönünde olup, KD-GB doğrultulu olduğu bulunmuştur (Şekil 2). Görüntü İşleme ERS-2 SAR ve Landsat görüntüleri sırasıyla parazitlerin ortadan kaldırılması, kenar zenginleştirme, doku analizi ve bu iki görüntünün birleştirilmesi işlemleriyle incelenmiştir. Parazitlerin Ortadan Kaldırılması Herhangi bir radar görüntüsünde bilgi içeren kısımları örten parazitler, radar görüntüleri için uygulanan bazı filtreler yardımıyla ortadan kaldırılabilir. Görüntüde istenmeyen bu bileşenler gelişigüzel bir parlaklığa sahip olabilirler. Bu çalışmada uygulanan filtrelemelerden en iyi sonucu zenginleştirilmiş Frost ve K-nearest neighbour filtrelerinin verdiği ortaya çıkarılmıştır. Bu amaçla, inceleme alanını içine alan SAR görüntüsü ile filtrelenmiş görüntüler Şekil 3 de verilmiştir İTÜ Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü 165
Şekil 2. Çalışma sahasından elde edilen bölgesel gerilme durumlarının toplu olarak gösterimi (Dündar, 2004). Şekil 3.A da uydudan alınan ve işlem geçirilmemiş kontrastı düşük görüntünün, filtrelenmiş diğer iki görüntüden (B) ve (C) çok açık bir şekilde daha düşük bilgi içerdiği gözlenmektedir. En belirgin jeolojik yapı olan KAFZ nu, ana görüntü dışında filtrelenmiş her iki görüntü üzerinde de izlemek mümkündür. Görüntünün KD kesimine yakın olan ve siyah renkle sınırlanan Yeniçağa gölünü güneybatıdan sınırlayan bu zona ait ana kolun uzanımı, hemen güneyde yer alan Ankara-İstanbul karayolu temsil eden yapay çizgisellikle karıştırılmamalıdır. Fay zonuna paralel olarak KB ve GB da gözlenen çizgiselliklerden, kuzeydekilerin daha yüksek kesimleri oluşturduğu daha açık renkli geri yansıma değerleri ile görüntülerde izlenebilmektedir. Filtrelenmiş iki görüntü arasındaki en büyük fark ise kontrasttan ileri gelmektedir. Masouka ve diğ., (1988) tarafından görsel yorumlama açısından diğer parazit giderme filtrelerine göre daha iyi sonuç verdiği ifade edilen K-nearest neighbour filtresi (B) bu çalışmada zenginleştirilmiş Frost filtresine göre daha düşük kalitede görüntü vermiştir. Özellikle fay zonunun güneybatısında yer alan yer üstü drenaj sistemlerinin fay zonu ve otoyol tarafından kesildiğini belirleyen çizgisellikler bir anlamda KAFZ nun diri yapısını ifade etmektedir. Doku Analizi Radar görüntü işleme aşamalarından en önemlilerinden birisini doku analizi oluşturur. Doku, bir fotografik görüntüdeki detaylı yersel desen (biçim) değişimi ve tonların düzeni olarak da tanımlanabilir. Ton ise bir görüntü üzerindeki beyazın siyahtan ayırt edilebilen gri tonu olarak bilinir (Radarsat, 2004). Farklı kaya birimleri farklı dokulara sahip olabilirler (ESA, 2004). Makro-doku, radar parlaklığındaki değişime karşılık gelir ki bu pek çok çözünürlük hücresinde gözlenir. Örnek olarak litolojik sınırlar, ormanlık bölgelerdeki gölgeler, yollar ve jeolojik çizgisellikler verilebilir. Doku, özellikle Jeoloji de ve denizbilimlerinde radar görüntülerinin yorumlanması için çok önemli bir bileşeni oluşturur. Bu çalışmadaki doku analizi kapsamında gerçekleştirilen homojenite işlemi sonucunda ortaya çıkan görünüm Şekil 4 de görülmektedir. Bundan önceki işlemlerden farklı olarak Kuzey Anadolu Fay Zonu nun en iyi gözlendiği görünümlerden birisi bu işlem sonucunda elde edilmiştir. Beyaz büyük benekle izlenebilen Yeniçağa gölünü güneybatıdan sınırlayan ve tüm görüntüyü KD-GB yönünde kesen çizgiselliğin fay zonunun en büyük belirteci olduğu çok daha iyi bir şekilde ortaya çıkarılmıştır. Kenar Belirleme Radar görüntülerinin işlenmesi aşamalarından birisini de kenar belirleme çalışmaları oluşturur. Bu bölümde kenar belirleme analizi kapsamında görüntüye yönsel filtreleme zenginleştirmesi uygulanmıştır. Bu amaçla, bölgede paleostres yönlerinin ortaya çıkarılmasına yönelik olarak gerçekleştirilen kinematik çalışmalarda en büyük asal gerilme ekseni olarak belirlenen KB-GD yönüne paralel seçilen ve yatayla 35 lik yapılan aydınlatma sonucunda ortaya çıkarılan kenar belirleme zenginleştirmesi Şekil 5. (A) ve İTÜ Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü 166
(B) de gözlenmektedir. Diğer filtreleme uygulamalarından farklı olarak ortaya çıkan sonuçları, Şekil 5. (C) de doğrultu atımlı bir fay çiftinde gözlenen jeolojik yapılarla şu şekilde özetlemek mümkündür: A) B) C) Şekil 3. İnceleme alanının görünümü (A) ve parazitlerin ortadan kaldırılmasına yönelik K-nearest neighbour (B) ve zenginleştirilmiş Frost filtrelerinin (C) görünümü İTÜ Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü 167
Şekil 4. Doku analizi sonucunda homojenitide gözlenen değişimler. Yönsel filtreleme uygulaması sonucunda fay zonunun güneyinde bulunan yer üstü drenaj ağı sistemlerinin K 70 B doğrultulu fay zonu tarafından kesildiği çok açık bir şekilde izlenmektedir (Şekil 5.A). İnceleme alanının daha çok KB ve GB kesiminde yoğunlaşma gösteren yaklaşık K 55-60 B durumlu çizgiselliklerin daha çok bölgede gözlenebilecek açılma çatlakları ve normal faylanmalara karşılık gelebileceği düşünülmektedir (Şekil 5.B). KB ve GB da söz konusu bu çizgisellikleri keser şekilde gözlenen ve bu yapılara yaklaşık dik olarak gerçekleşen K 30-35 D durumlu çizgiselliklerin ise ters veya bindirme faylarıyla beraber kıvrım eksenlerine de karşılık gelmektedir. Ana yer değiştirme zonu olarak ifade edilebilecek olan ve Yeniçağa gölünü oblik olarak KD-GB yönünde de kesen zon ise K 70 D doğrultusunda izlenmektedir (Şekil 5.B). İnceleme alanındaki çizgisellikler izlendiğinde, Riedel ve Riedel makaslama sistemlerine karşı gelebilecek çizgiselliklerin (sintetik ve antitetik sistemler) hemen hemen hiç gözlenmediği dikkati çekmektedir. Yani K 80-85 D ve K 25-30 B durumlu olarak gözlenmesi beklenen çizgiselliklerin olmadığı söylenebilir. ERS-2 SAR ve Landsat TM Görüntülerinin Birleştirimi İnceleme alanına ait olan ve pasif sistem algılayıcılardan alınan Landsat TM 742 (RGB) görüntüsü yine bölgeyi içeren ve aktif sistem ürünü olarak da bilinen ERS-2 SAR görüntüsüyle birleştirilerek (data fusion) hem yersel hem de spektral çözünürlük açısından daha iyi sonuç veren yeni bir görüntü üretilmiştir (Şekil 6). Bu işlem gerçekleştirilmeden önce görüntülerin projeksiyon ve datumlarının aynı olmasına dikkat edilmiştir. Gerçekleştirilen diğer işlemlerden farklı olarak RGB uzayında üretilen bu görüntü yardımıyla, Landsat TM algılayıcının 4. bandı yeşile atanarak histogram eşitleme kontrastı uygulanmıştır. Bitki örtüsünün gözlendiği kesimler, diğer bölgelerden ayrılarak jeolojik yorumlama için bir kolaylık sağlanmıştır. Şekilden de izlenebileceği gibi görüntüde en göze çarpan jeolojik yapı Yeniçağa gölünün güneyinden KD-GB yönlü olarak geçen KAFZ dur. Dikkat edilirse, kuzeydeki bitki örtüsünün zona yakın güney sınırı zonun güneyinde gözlenememektedir. Bununla birlikte kuzeyde ve güneyde bu zona paralel olarak gözlenen çizgisellikler bitki örtüsü içinde veya sınırında kendini belli etmektedir. Bir diğer önemli çizgisellik ise görüntünün orta kesiminde siyah renkte gözlenen Yeniçağa gölünün kuzeyinde görülen dar ve derin bir vadiye karşılık gelen Eskiçağa deresidir. Fay zonunun doğusunda, zon tarafından kesilen dere yataklarında meydana gelen kıvrılmalara da dikkat etmek gerekmektedir. Gölün bunduğu zonu içerisine alan ve düşük geri yansıma değeri veren mor renkli kesimler ise daha çok düzlüklere karşılık gelmektedir. Sonuçlar Bu çalışma kapsamında, Yeniçağa (Bolu) civarında K 70º D doğrultusunda geçen Kuzey Anadolu Fay Zonu nun ERS-2 SAR ve Landsat TM görüntülerinde tanınmasına yönelik olarak gerçekleştirilen görüntü işlem çalışmaları tamamlanmıştır. Ayrıca bu bölgede, KAFZ nun davranış biçiminin anlaşılabilmesi için arazide yapılan fay topluluklarının kinematik analizi çalışmalarının sonucunda; birbiriyle uyumlu olan iki tektonik fazın varlığı ortaya konulmuştur. İTÜ Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü 168 K
A) B) C) Şekil 5. Kenar belirleme zenginleştirmesinden (A) elde edilen jeolojik çizgisellikler (B)sağ yönlü bir doğrultu atımlı fay çifti arasında gelişen yapılar (C). İTÜ Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü 169
Şekil 6. Landsat TM ve ERS-2 radar görüntülerinin birleştirilmiş hali Bunlardan göreceli olarak daha yaşlı olanı; günümüzde de bölgede etkin olan KB-GD doğrultulu (normal bileşenli doğrultu atımlı gerilme rejimi) transtansiyonel tektonik rejimdir. İkincisi ise, doğrultu atımlı rejimle uyumlu KD-GB doğrultulu (lokal normal faylanma) açılma rejimidir. Bu kinematik amaçlı çalışmalar sonucunda da, KAFZ nun bölgede yaklaşık olarak K 47º B doğrultulu sıkışma ekseninin altında geliştiği anlaşılmıştır. Arazide fay zonundan toplanan mesozkobik ölçekteki fay ölçümlerinden ortaya çıkarılan en büyük gerilme ekseni göz önüne alınarak seçilen filtreleme sonuçları, sağ yönlü doğrultu atımlı bir fay zonunda gözlenebilecek yapılarla deneştirilmiştir. Kaynaklar Bellier, O., Over, S., Poisson, A., and Andrieux, J., 1997, Recent temporal change in the stress state and modern stress field along North Anatolian Fault Zone (Turkey), Geophysical Journal International, 131, 61-86. Carey, E., 1979, Recherche des directions principales de contraintes associées au jeu d'une population de failles, Revue Geological Dynamic and Géography physic., 21, 57-66. Dündar, Ş.S., 2004, Yeniçağa (Bolu) civarında Kuzey Anadolu Fay Zonu nun Kinematiği, Depremselliği ve Uzaktan Algılama Yöntemleriyle İncelenmesi, Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,Yüksek lisans tezi, 85 s (yayımlanmamış) ESA, 2004, http://earth.esa.int/applications. Masuoka, P.M., Harris, J., Lowman, P.D. ve Blodget, H.W. 1988, Digital Prosessing of orbital Radar Data to Enhance Geologic Structure: Examples from the Canadian Shield. Photogrammetric Engineering And Remote Sensing, Vol. 54, No. 5, pp. 621-632. Over, S., Bellier, O., Poisson, A. and Andrieux, J., 1997, Late Cenozoic stress state changes along the central North Anatolian Fault Zone (Turkey), Annales Tectonicae, XI, 75-100. Ozden, S., Over, S., Unlugenc, U.C., 2002. Quternary stress regime change along the eastern North Anatolian Fault Zone, Turkey, International Geology Review, 44, 11, 1037-1052. Radarsat, 2004, http://www.rsi.ca/products/sensor/radarsat/rsiug98_499.pdf. İTÜ Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü 170