JFM 301 SİSMOLOJİ YER KABUĞUNDA, MANTO ve ÇEKİRDEKTE YAYILAN DEPREM DALGALARI Prof. Dr. GÜNDÜZ HORASAN YER KABUĞUNDA İLERLEYEN DEPREM DALGALARI 1909 da Mohorovicic bir deprem kaydında iki P iki S dalgasını gözlemleyerek yerin kabuğunun varlığını ortaya koymuştur. Bunlardan bir P, S çiftinin yeryüzüne yakın bir süreksizlik sınırından yansıyıp geldiğini ve bu sınırın 35-40 km derinlikte olması gerektiğini ileri sürmüştür. Kabuk ile üst mantoyu ayıran bu süreksizliğe; Mohorovicic süreksizliği ya da kısaca MOHO süreksizliği denir. MOHO Kabuk; Kıtalar altında 30-35 km, Sıradağlar altında 45-60 km, Okyanuslar altında ise 5-10 km kalınlıktadır. Geçmişteki faylanmalar ve kıvrımlar nedeniyle kabuğun iç yapısı ve petrolojik bileşimi kabuğun kalınlığını değiştirir. 1
HIZLAR En yaygın olarak kullanılan kabuk, küresel 1-D yer modeli IASP91 (Kennett ve Engdahl, 1991) e göre 20 km derinlikte bulunan bir süreksizlikle bölünüp 2 tabakadan oluşan toplam 35 km kalınlıktaki homojen bir kabuktur. ÜST KABUK ALT KABUK ÜST MANTO P dalgası hızı 5.8 km/sn 6.8 km/sn 8.04 km/sn S dalgası hızı 3.36 km/sn 3.75 km/sn 4.47 km/sn 1-Boyutlu Yer Modeli (IASP91) 20 km Vp 5.8 km/s 6.8 km/s 8.04 km/s Vs 3.36 km/s 3.75 km/s 4.47 km/s 35 km Sismik kaynaktan ~ 13 0 (1 0 =111.1 km) ye kadar olan bölgesel uzaklıklarda veya ~100 km ye kadar olan lokal uzaklıktaki istasyona varan sismik dalgalar kısmen yada baskın olarak kabuk veya alt kabuğa ait en üstteki mantoda seyahat eder. (Kennett and England, 1991) 2
Episantır uzaklığına göre sismogramların 4 çeşit sınıflaması yapılır. 1. Lokal uzaklık (100 km den daha az) 2. Bölgesel uzaklık (1 o 13 o ) 3.Üst manto uzaklığı (13 o 30 o ) 4. Telesismik uzaklık ( 30 o ) KABUKTA İLERLEYEN DEPREM DALGALARI Pn ve Sn dalgaları Moho süreksizlik yüzeyine kritik açıda gelip Şekil de gösterilen yolu izleyen P ve S türündeki dalgadır. V 1 Snell yasasına göre, Sin i 1 / v 1 = Sin i 2 /v 2 dir. P n ve S n dalgalarının T OABI geçiş zamanı şu bağıntı ile hesaplanır V 2 Burada i 1 =i c ve i 2 =90 o olduğuna göre Sin i c = v 1 /v 2 dir. Pn ve Sn dalgaları kritik açı ile Moho süreksizliğine geldiklerinde bu sınır boyunca mantodaki hızlarıyla ilerleyip aynı açı (i c ) ile tekrar kabuğa geçip yeryüzünde kaydedilirler. T OABI x (2 H h) V V V VV 2 1 2 Burada; H = Kabuk kalınlığı h = odak derinliği V 1 = Kabuktaki dalga hızı( P veya S) V 2 = Mantodaki dalga hızı (P veya S) 2 2 2 1 3
Pn dalga hızı 7.8-8.3 km/sn, Sn dalga hızı 4.3-4.7 km/sn dir. Sismogramda dalga fazlarının belirlenmesi Pg Sg = 276 km Pn Bu dalgalar belirli episantır uzaklığından (kritik uzaklık) sonra kayıtlarda görülmeye başlarlar. Sismogramda P g dalgası genliği, P n dalgası genliğinden büyük olması nedeniyle ayırt edilebilir. Pg ve Sg dalgaları Kabuktaki granit tabakası içinde ilerleyip doğrudan doğruya istasyona ulaşan dalgalardır. Bazı yayınlarda P, S ile gösterilirler. Fakat daha çok Pg, Sg simgeleri kullanılmaktadır. Bu dalgaların odaktan istasyona gelmeleri için geçen zaman şöyle hesaplanır: T 2 2 OI V Burada; 1 h= odak derinliği x= episantr uzaklığı V 1 = granit tabakasındaki Pg yada Sg dalga hızıdır. Odağın yüzeyde olması durumunda geçiş zamanı T oı = x / V 1 olur. h x 4
Sismogramda P g ve S g dalgalarının belirlenmesi 22.10.2014 Taşoluk-Geyve SAKARYA DEPREMİ Pg Sg OT: 22:11:05.0 lokal saat, Ml=4.5, h=7.6 kmş =41 km P g S g Pg dalgalarının hızı; 5.5-6.2 km/sn Sg dalgalarının hızı; 3.2-3.6 km/sn dir Yakın depremlerde episantır uzaklığı yaklaşık 120-150 km ye kadar ilk gelen P dalgası Pg dir. Daha uzak mesafelerde P n önce gelir, ve genliği daha küçüktür. Onu Pg dalgası izler. Episantır uzaklığı aynı, (505 km ve 506 km) back azimutu farklı (BAZ=171 o ve 189 o ) olan Kuzey İtalyada meydana gelen iki depremin (1.iz 28 May 1998, 2. iz 24 Oct.1994) Almanyada MOX istasyonunda kaydedilen kısa periyotlu filtrelenmiş Z-bileşen kayıtlarının mukayesesi. Işın yolları boyunca ya kabuktaki heterojeniteler yada Pn ve Pg ışınlarının farklı çıkış açılarına göre farklı yırtılma yöneliminden dolayı Pn ve Pg arasında ki çok farklı göreceli genliklere dikkat ediniz. 5
Pb ve Sb dalgaları 1923 de Conrad, Pn ve Pg dalgaları arasında bir başka dalganında kaydedilmiş olduğu görmüş, bu dalganın kabuktaki granit ve onun altında bulunan bazalt tabakayı birbirinden ayıran süreksizlik sınırından (Conrad süreksizliği) kayıt istasyonuna geldiğini söylemiştir. Bu fazlar bazı kaynaklarda P*, S* ile gösterilebilir. Eğimli arayüzeye sahip iki tabaka içersindeki P* ve S* dalga yayılım yolları ve Conrad süreksizliği C Pb ve Sb dalgalarının yer içinde düzgün tabakalı ortamda yayılımı Sismogramda gözlenen dalga fazları P b, S b Pb dalgasının hızı 6.5-7.2 km/sn, Sb dalgasının hızı ise 3.7-3.8 km/sn dir. P* orta kabuk sınırından gelen bir dalga fazıdır. Pg den daha hızlı görünür hızla seyahat etse de asla ilk varış olmaz. 6
PMP ve SMS dalgaları Moho süreksizliğinden yansıyıp gelen P ve S dalgalarıdır. Bu dalgalara ait geçiş zamanı; T OAI x (2 H h) 2 2 V bağıntısı ile verilmektedir. 1 Marmara da SMS Yansıma Fazları SİSMOGRAM İNDİRGENMİŞ ZAMAN-UZAKLIK GRAFİĞİ Boztepe-Güney ve Horasan, 2002 MRM istasyonunda kaydedilen izlerde ve bu izlerin zarflarında 120 ile 160 km episantr uzaklık aralığında S dalgasını 2-3 sn sonra izleyen büyük genlikli SmS fazları gözlenmektedir. Gözlenen SmS fazlarının genlikleri, S dalgalarının genliklerinden 3-6 kat daha büyüktür. EĞİMLİ MOHO MODELİ ve IŞIN YOLLARI Kulhanek,1990 7
GÖZLENEN ÖZEL YÜZEY DALGALARI Lg ve Rg dalgaları Lg ve Rg dalgaları ilk kez Press ve Ewing (1952) tarafından gözlenmiştir. Lg Dalgaları Bu dalga kısa periyotlu (0.5-6 s), büyük genliklidir ve hızı 3.5 km/s dir. Hareket esas olarak yayılma doğrultusuna dik ve yatay düzlemdedir. Love dalgasına benzer (Press ve Ewing, 1952; Ewing, Jardetzky ve Press, 1957). Ayrıca küçük düşey bileşeni vardır. Bu dalga kıtasal granit tabakasında ilerler. Şayet dalganın yörüngenin bir kısmı okyanustan geçiyorsa Lg dalgası oluşmaz. Karadeniz den geçen dalga yörüngelerde Lg bulunmadığından, Karadeniz in altındaki kabukta granit tabakasının bulunmadığı sonucuna varılmıştır. Lg dalgaları Orta büyüklükte bölgesel bir depremin düşey(z) ve yatay(n, E) bileşen sismogramları. Deprem15 Haziran 1985 de, h=15 km, ML=4.6, güney batı İsveç kıyısında meydana gelmiştir. İzler 490 km episantr uzaklığında Uppsala da alınan genişbantlı sayısal kayıtlarının analog görüntüsüdür (İzler W.Y. Kim tarfından çizdirilmiştir) (Kulhanek,1990 dan) Alttaki iz Çin -Lop-Nor da yapılan nükleer patlatmadan elde edilen düşey bileşen sismogramı. Episantır uzaklığı 24 o dir. Lg fazı 3.6-3.4km/sn lik grup hızlı varışlar dizisidir (Kafka ve Ebel, 1988 den). Rg dalgaları Shagan River test alanında bir nükleer patlatmanın BRV kısa periyot düşey bileşen istasyonundaki sayısal kaydı Lokal ve bölgesel uzaklıklarda kaydedilen periyodu 3-20 sn olan Raylieh türündeki bu dalga kıtasal kabukta, granit tabakasında ilerler. Rg nin meydana gelmesi odak derinliğine çok bağlıdır. Şayet kaynak derinliği 3 km den daha fazla ise Rg genellikle görünmez. Rg nin yayılımı, üst kabuğun sismik özelliğine bağlıdır. Çoğu ışın yolları yaklaşık 3 km/s lik bir grup hızına sahiptir. Çok hızlı şekilde soğurulur ve bir kaç yüz kilometrenin dışında çok nadir olarak gözlenir. Kazakistan Depremi BRV 3 bileşen kaydı 8
Rg Bir patlatmadan elde edilen Rg dalgası (Uzaklık 39 km). Üstte ham, altta kesme frekansı 4.0 Hz olan alçak geçişli filtrelenmiş iz görülmektedir (Kafka and Ebel, 1988 den). T-Dalgası 1940 ın başında Lineham sadece kıyıda veya adada bulunan sismik istasyonlarda gözlenen bir sismik dalga sınıfını belirlemiştir. Bu sismik dalga okyanustaki su tabakası içinde kapanlanan ses dalgasıyla alakalı ve çok düşük hızda seyahat eden T dalgasını (P ve S dalgalarıyla karşılaştırıldığında, üçüncül dalga) belirtir. Bu dalga ayrıca okyanus dibi sismometrelerinde iyi görülür. 20.08.1986 da Tonga adası yakınında meydana gelen bir depremin bir ada istasyonunda kaydedilen tipik T fazını gösteren kısa periyot kaydı. (Kulhanek, 1990) 9
MANTO VE ÇEKİRDEKTE İLERLEYEN DEPREM DALGALARI Okyanusun normal tuzluluk ve sıcaklık profili, yüzeyde 1.7 km/s olan kompresyonel dalga hızının, 800-1300 m derinlikte ~1.5 km/s ye düşmesine neden olur. Bu derinlikten sonra hızlar tekrar artar. Bu düşük hız kanalı SOFAR (sound fixing and ranging channel) olarak isimlendirilir ve ses dalgalarını etkin bir biçimde kapanlar. Episantır uzaklığı 13 o (1400 km) den 30 o (3300 km) ye kadar olan aralıkta sismik dalgalar, üst mantoda yayılır; Episantır uzaklığı 30 o -180 o telesismik aralıktada olan dalgalar ise alt manto ve çekirdekte yayılır. Hız derinlik Kesiti Kabuğun tabanından 2900 km derinliğe kadar olan bölgeye yerin Manto su bunun içinde kalan bölgeyede yerin çekirdeği adı verilir. Yerin sismik yapısındaki başlıca süreksizlikler; Moho, 410 km, 660 m IASP91 model, PREM (preliminary Reference Earth Model) Bu modeller tamamiyle küresel simetriyi kabul eder Gutenberg 1913 de yerin çekirdeğinin 2900 km derinde başladığını hesaplamıştır. Bu yüzden 2900 km deki süreksizliğe Gutenberg süreksizliği denir. Yerin Mantosu ve Çekirdeği arasındaki süreksizliktir. 10
Yeriçinde bulunan bu süreksizliklerde P ve S dalgalarının yansıması, kırılması ve bazı durumlarda kırınması (difraksiyon) sonucu olarak yeni dalgalar oluşur. Bir depremin sismogramında çok sayıda dalga görülmesinin nedeni bu süreksizliklerdir. Bir deprem odağından çıkan P ve S dalgaları, yerküre içinde her doğrultuda ilerleyip uzaktaki istasyonlara P ve S dalgaları olarak ulaşabilecekleri gibi yerkürenin iç yüzeyinde yansıyarak PP, PS, SS, SP dalgalarını meydana getirebilir. Yerin mantosunda doğrudan ve yansıyan dalgaların yayılım yolları Derinlik fazları ve yayınım yolları Kulhanek,1990 Yüzeydeki sürekli çizgiler P, noktalı çizgiler S dalgalarını ışın yollarını göstermektedir. F yüzeydeki odağı gösterir. Farklı gölgelendirmeler Manto, Dış Çekirdek ve İç çekirdeği göstermektedir. Derinlik fazlarının yayılım yolları ve bunların notasyonlarına örnekler. Dalgalar depremin derin F odağından çıkar, yüzeye gelir mantoya geri yansır (Kulhanek,1990). 11
GÖLGE BÖLGESİ (Shadow zone) P-dalgalarının episantırdan 103 o ye kadar uzak istasyonlarda gayet iyi kaydedilmelerine karşın, 103 o 142 o arasında gözlenmedikleri görülmüştür. Bu bölgeye gölge bölgesi denir. Bu olay yerküre içinde belirli derinlikte dalga hızının birden azalmasıyla açıklanabilir. Bu derinlik 2900 km olarak hesaplanmıştır. GÖLGE BÖLGESİ (Shadow zone) 103 o /105 o ye kadar hem P hem S dalgalarının kaydedilmelerine karşın, 142 o /144 o den sonra sadece P dalgalarının kaydedildiği görülmektedir. S dalgalarının çekirdekten geçmemesi, çekirdeğin sıvı özellikte olduğunu ortaya çıkarmıştır. GÖLGE BÖLGESİ S dalgalarının çekirdekten geçmemesi, çekirdeğin sıvı özellikte olduğunu ortaya çıkarmıştır. S dalgaları ise 103 o (veya 105 o ) den 257 o (veya 255 o ) ye kadar kaydedilmez. Bu bölgeye de S dalgası gölge bölgesi adı verilir. Doğrudan P dalgalarının, çekirdek-manto sınırından kırınan P dalgalarının ve 650 km derinlikteki bir süreksizlikten yansıyan P dalgalarının ısın yolları. Süreksizlik ve gölge zonu (103-144 o ) gölgelendirilmistir (Kulhanek,1990). 12
Çekirdek içinde yayılan P dalgalarının yayılım yollarına örnekler PcP nin ışın yolu dış çekirdek sınırını sıyırarak (grazes) geçtiğinde, doğrudan P ve PcP nin kombinasyonu P diffracted (kırınmış) olarak adlandırılır (Pdif). Dış çekirdeğe giren P dalgaları K ile belirtilir (Alman Kernwellen den dolayı). Dış çekirdek içinde dalga yayıldıktan sonra manto-çekirdek sınırından çıkar ve yeryüzünde kaydedilir. PKP, PKS, SKS, SKP vb. PKP dalgası bazen P olarak kısaltılır. Çekirdek yüzeyini yalayan ışınlardan biraz daha dik olan ışın yolları 180 O nin ötesindeki uzaklıklarda yer yüzeyine çıkan PKP dalgalarını oluşturur. Yüzey odaklı olaylara ait ışınlar daha dik girdikçe çekirdek kırılmaları daha az dik olur ve ışınlar yeryüzüne daha kısa episantır uzaklığında ulaşır. Mesafedeki bu azalma yaklaşık 144 o de durur. Orijinal ışın yollarının daha da dikleşmesi 165 o lere kadar ortaya çıkma uzaklığının artmasına neden olur. Bu olgu PKP 1 (birinci) ve PKP 2 (ikinci) olarak isimlendireceğimiz iki PKP seyahat zamanı dalına karşılık gelir. Tam olarak 144 o de iki daldan gelen dalgalar çakışır ve birbirlerini destekleyerek o mesafe civarında enerji yoğunluğunun artmasına neden olur. 13
En büyük enerji yoğunluğu noktasına kostik nokta yada sadece kostik denir. Ne PKP 1 nede PKP 2 nin iç çekirdeğe girmediğini vurgulamak gerekir yani bu iki dalga tipinin de nufus ettiği enderin nokta dış çekirdeğe karşılık gelir. İç çekirdekte yayılan dalgalar İç çekirdekten geçen I ile belirtilen P dalgaları PKIKP, PKIKS, SKIKS, SKIKP fazlarının ortaya çıkmasına neden olur. F odağından yola çıkan ve iç çekirdeğin dışından (PKiKP) olarak yansıyan ve içinden (PKIIKP) olarak geçen dalganın yayılım yolu. PKIKP iç çekirdekten geçen ve dış çekirdeğin içinde kırılan dalgadır. Yerin içinde yayılan P ve S dalgaları ışın yolları PREM hız modeli için üretilen küresel sismik ışın yolları ve faz isimleri. P dalgaları kalın, S dalgaları kırık çizgilerle gösterilir. Farklı tonlar iç çekirdek, dış çekirdek ve mantoyu belirtir. 14
Yeriçinde manto (M), dış çekirdek (OC) ve iç çekirdek (IC) yayılan sismik dalgalar ve notasyonları. Düz çizgiler P-dalgalarını, kesikli çizgiler ise S-dalgalarını göstermektedir. Kırmızı izler, deprem kaynağına 112.5 o uzaklıkta bulunan MOX (Almanya) istasyonuna ulaşan cisim dalgaları fazlarını göstermektedir. Altta ise bu depreme ait 3-bileşen sismogramlar verilmektedir. 7.12.2012 Japonya depremi, Mw=7.3 OT 08:18:24.0 (UTC) h=36 km, Uzaklık=8256km Z NS EW Süreksizliklerdeki P ve S dalgaları Yerkabuğu içinde P ve S Pg, Sg Mohoda kırılan dalga Pn, Sn Mohoda yansıma PMP, SMS Yeryüzünde yansıma PP, PPP SS,SSS SP, PS Derin depremlerde yerzüzünden yansıma pp, ss, sp Çekirdekten yansıma PcP, ScS, PcS Dış çekirdek içindeki dalga PKP, SKS PKKP, SKKS İç çekirdekteki dalga P dalgası için I PKIKP S dalgası için J PKJKP 15