STRONG GROUND MOTION ATTENUATION RELATIONSHIP FOR NORTHWEST ANATOLIAN EARTHQUAKES KUZEYBATI ANADOLU DEPREMLERİ İÇİN KUVVETLİ YER HAREKETİ AZALIM İLİŞKİSİ 1 ÇEKEN, U., 2 BEYHAN, G. ve 3 GÜLKAN, P. 1 ceken@deprem.gov.tr, 2 gbeyhan@sakarya.edu.tr, 3 a03516@metu.edu.tr Keywords: earthquake, acceleration, attenuation Anahtar Kelimeler: deprem, ivme, sönüm ABSTRACT In this study, a new empirical attenuation relationships model is developed for horizontal peak ground acceleration (PGA) and 5% damped response spectral acceleration (PSA) from northwestern of Turkey earthquakes. In the analyses, 410 horizontal peak ground acceleration records taken from 106 earthquakes with magnitudes (M W ) between 4.0-7.4 that occurred since 1983 in the region (40-42ºN and 26-32ºE) are evaluated. Local site conditions are defined by average velocity of shear-wave (V S30 ) in the upper 30 m of the recording stations. ÖZ Bu çalışmada, Kuzeybatı Anadolu da meydana gelen depremlerden pik yatay ivme (PGA) ve %5 sönüme karşılık gelen elastik spektral ivmeleri (PSA) hesaplamak için, yeni bir azalım ilişkisi modeli geliştirilmiştir. Yapılan analizlerde, 1983 yılından beri bölgede (40-42ºK ve 26-32ºD) meydana gelen ve büyüklükleri (M W ) 4.0 ile 7.4 aralığındaki 106 depremden alınan toplam 410 ivme kaydı değerlendirilmiştir. İstasyonların yerel zemin koşulları, üst 30 metredeki ortalama kayma-dalgası hız kriterine göre kategorize edilmiştir. 1. Giriş Bir bölgede herhangi bir büyüklükte oluşan bir depremin, belirli bir uzaklıktaki kuvvetli yer hareketinin (ivme) belirlenmesi, deprem tehlike çalışmalarının temelini oluşturur. Ancak, her zaman ve her koşulda depremin ivmesini kaydetmek mümkün olmamaktadır. Farklı kaynak ve farklı zemin koşullarından alınan deprem ivme değerlerinin kullanılmasıyla, ampirik bağıntılar oluşturularak bir bölge için en büyük yer hareketinin değeri tahmin edilebilmektedir. Bunu için, yer hareketinin değişimini yerel zemin koşulları, depremin büyüklüğü ile kaynak ve incelenen saha arasındaki mesafenin fonksiyonu olarak tanımlayabilecek, uygun azalım ilişkileri gerekmektedir. Bir çok araştırmacı, yeryüzünün çeşitli bölgeleri için geçerli olan ivme azalım ilişkileri geliştirmişlerdir. Bu çalışmayla, Türkiye nin önemli deprem kuşaklarından Kuzey Anadolu Fayı Sistemi (KAFS) nin ana yapısal unsurlarından olan Kuzeybatı Anadolu (Marmara) kesimi için yeni bir azalım ilişkisi modeli önerilmiştir. Geliştirilen modelin, yerli ve yabancı sönüm denklemleriyle karşılaştırmaları yapılarak elde edilen sonuçların güvenilirliği irdelenmiştir. 2. Model Parametreleri Kuvvetli yer hareketi verileri; bölgedeki farklı kurumlar (AFET-DAD, KRDAE ve İTÜ) tarafından işletilen ivme-ölçer ağlarından sağlanan veriler kullanılmıştır. İvme parametresi olarak literatürde - 1 -
yaygın kullanıldığı biçimiyle, pik yer ivmesi (PGA: Peak Ground Acceleration) ve spektral ivmenin (PSA: pseudo spectral acceleration) mutlak değer olarak en büyük yatay bileşeni (PGA 5 cm/sn 2 ) kullanılmıştır. Sayısal veriler, 0.2 Hz Low-Cut ve 25 Hz High-Cut frekans aralığında Butterworth- Band geçişli filtre penceresinden geçirilerek incelenmiştir. Kayıtlarda görülen eksen kaymaları, temel çizgisi düzeltmesi (base line correction) prosedürü uygulandıktan sonra değerlendirilmiştir. Magnitüd; bölgedeki istasyonların yoğunluğu ve sistematik bir hata öngörüsü ile, genellikle tek kurum (KRDAE) katalog bilgisi (Kalafat vd., 2000; 2001) tercih edilmiştir. Bu kataloglarda ise, farklı magnitüd ölçekleri yer almaktadır. Magnitüd ölçekleri arasında, gerek bu çalışma ve gerekse literatürdeki çalışmalarla geliştirilen ampirik bağıntılar yardımıyla magnitüd dönüşümleri yapılmıştır. Regresyon analizinde moment magnitüd ölçeği (M W ) temel alınmıştır. Mesafe; deprem kaynağı ile gözlenen yer arasındaki uzaklık için, kayıt istasyonu ile fay kırığının yer yüzeyindeki izine en yakın mesafe (R rup ) tanımı kullanılmıştır. Uzun yüzey kırığı, sığ ve büyük depremlerle oluşacağından dolayı, yüzey kırığı oluşturmayan depremler için episantır (r epi ) mesafesi tercih edilmiştir. Veri setinde, kaynak-uzaklığı 1-200 km aralığındaki veriler yer almaktadır. Zemin koşulları; ivme-ölçerlerin bulunduğu zemin koşulları, üst 30 m derinlik için ortalama kaymadalgası hızına (V S30 ) göre kategorize edilmiştir. Yerel zemin koşuları; kaya-sert (A-B), yumuşak (C) ve çok yumuşak (D) olmak üzere üç farklı sınıfta değerlendirilmiştir. İstasyon yerlerinde yapılan sismik deneyler, kurumların verdiği zemin sınıfı bilgileri ve arazi gözlemleri birlikte değerlendirilerek, zemin tanımlamasına gidilmiştir. A grubu zemin için, veri sayısının az (9) ve B grubu zeminin kayma-dalgası hızı üst sınırına yakın olması nedeniyle A ve B grubu birleştirilmiştir. Fay türü; azalım ilişkisinin geliştirilmesinde kullanılan veri seti, Kuzey Anadolu Fay Sisteminin (KAFS) kuzeybatı kesimini kapsamaktadır. Doğrultu-atım fay karakteristiğinin egemen olduğu bölgede alınan veriler için, fay türlerine ilişkin ayrı bir parametre kullanılmamıştır. 3. Önerilen Azalım İlişkisi Modeli Önerilen azalım ilişkisi, en büyük yatay yer ivmesi (PGA) ve %5 sönüm spektral ivmeyi (PSA) hesaplamak için geliştirilmiştir. Hesaplamalarda, istatistiğin doğrusal olmayan çoklu regresyon analiz metodu kullanılmıştır. Bir çok araştırmacı, geliştirdikleri azalım ilişkilerini genellikle logaritmik bir formda sunmuşlardır (Boore vd., 1997; Sadigh vd., 1997; Kalkan ve Gülkan, 2004). Bu çalışmada önerilen azalım ilişkisi modeli de geleneksel ilişkilere benzer logaritmik bir formda olup, aşağıdaki biçimde ifade edilmektedir; Log 10 (PGA, PSA) = C 1 + C 2 M + C 3 M 2 + C 4 Log 10 (R) + C 5 S B + C 6 S C + C 7 S D ± σ R = (r 2 rup + h 2 ) ½ Burada; PGA: en büyük yatay ivme değeri (cm/sn 2 = gal), PSA: %5 sönüm pseudo spektral ivme (cm/sn 2 ), C 1-7 : regresyon katsayılar, M: Moment magnitüd, R: Mesafe parametresi (km), r rup : yüzey kırığına olan en yakın mesafe (km) (yüzey kırığı oluşturmayan veya belirlenemeyen depremler için, episantır mesafesi (r epi ) alınmıştır), h: regresyonla sağlanan bir değer σ: standart sapma ve cc: korelasyon katsayısıdır. S B, S C ve S D sırasıyla; A-B, C ve D grubu zeminler için indeks değişkenleridir. Önerilen modelde, zemin grubu A veya B ise: S B = 1 ve S C = S D = 0; C ise: S C = 1 ve S B = S D = 0 ve D ise: S D = 1 ve S B = S C = 0 indeks değişkenleri uygulanmaktadır. PGA ve PSA nın farklı periyot değerlerine göre hesaplanan regresyon katsayıları ve diğer istatistik parametreleri Tablo 1 de verilmiştir. PGA ve PSA için önerilen azalım ilişkisi modeli; Türkiye verileriyle geliştirilen Özbey vd. (2003), Ulusay vd. (2004) ve Kalkan & Gülkan (2004) ın bağıntıları ile yabancı ülkeler için geliştirilmiş ve - 2 -
ülkemiz için uygun olduğu düşünülerek yaygın kullanılan bazı önemli eşitliklerle (Boore vd., 1997 ve Sadigh vd., 1997) karşılaştırılmıştır. PGA için önerilen sönüm eğrileri, iki farklı zemin grubuna (A-B ve D) göre, 1999 Kocaeli depremi ana şoku sırasında kaydedilen verilerle birlikte Şekil 1 de mukayese edilmiştir. Ayrıca, önerilen ve örnek modellerin A-B ve D zemin gruplarına göre 20 km mesafe ve M W 7.0 değeri için hesaplanan tepki spektrumları Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 1. Önerilen modelinin, diğer sönüm eğrileri ve 1999 Kocaeli depremi ivmeleriyle karşılaştırılması (solda; A-B ve sağda; D grubu zemin) Şekil 2. Önerilen ve örnek modellerle oluşturulan tepki spektrumlarının karşılaştırılması (solda; A-B ve sağda; D grubu zemin, mesafe=20 km ve M W =7.0) - 3 -
Tablo 1. PGA ve PSA (%5 sönüm) için azalım ilişkisi katsayıları Period (sn) C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 h σ cc PGA -2.871 1.615-0.102-0.882-0.064 0.033 0.129 8.379 0.294 0.768 0.10-2.678 1.67-0.110-0.957 0.111 0.191 0.185 8.111 0.292 0.763 0.15-1.341 1.202-0.072-0.806-0.018 0.139 0.103 7.608 0.306 0.727 0.20-2.386 1.535-0.096-0.789-0.132 0.070 0.066 7.993 0.316 0.733 0.25-3.679 1.905-0.125-0.668-0.186 0.002 0.037 6.632 0.344 0.694 0.30-4.069 1.998-0.131-0.689-0.152 0.016 0.096 6.057 0.365 0.693 0.35-4.427 2.055-0.134-0.673-0.067 0.058 0.158 5.727 0.367 0.697 0.40-5.016 2.239-0.149-0.663-0.136 0.019 0.120 5.997 0.375 0.691 0.45-5.474 2.358-0.157-0.643-0.189-0.005 0.079 6.559 0.396 0.683 0.50-5.857 2.447-0.163-0.600-0.204-0.046 0.071 6.776 0.407 0.675 0.55-6.152 2.498-0.165-0.610-0.175-0.024 0.110 6.006 0.409 0.692 0.60-6.558 2.607-0.173-0.622-0.188-0.054 0.128 5.483 0.407 0.710 0.65-6.117 2.424-0.157-0.631-0.164-0.024 0.173 4.969 0.397 0.731 0.70-5.993 2.315-0.146-0.603-0.118 0.020 0.223 3.890 0.396 0.745 0.75-5.780 2.208-0.136-0.605-0.097 0.035 0.227 3.241 0.397 0.756 0.80-5.877 2.219-0.136-0.625-0.070 0.059 0.250 3.415 0.396 0.763 0.85-6.028 2.260-0.138-0.651-0.048 0.043 0.268 3.833 0.395 0.771 0.90-6.036 2.254-0.137-0.669-0.064 0.016 0.269 4.613 0.393 0.779 0.95-5.953 2.200-0.132-0.657-0.065 0.017 0.284 4.378 0.400 0.778 1.00-6.076 2.207-0.131-0.656-0.037 0.051 0.308 4.119 0.402 0.781 1.10-6.660 2.354-0.143-0.633-0.023 0.101 0.336 3.736 0.411 0.775 1.20-6.874 2.403-0.145-0.642-0.069 0.065 0.314 4.093 0.408 0.786 1.30-6.797 2.355-0.140-0.679-0.074 0.093 0.310 4.253 0.408 0.796 1.40-6.888 2.356-0.138-0.691-0.061 0.089 0.306 4.244 0.406 0.807 1.50-6.761 2.304-0.132-0.708-0.075 0.058 0.265 4.999 0.408 0.810 1.75-7.313 2.471-0.145-0.741-0.112 0.028 0.203 5.807 0.420 0.805 2.00-8.668 2.864-0.176-0.701-0.193-0.037 0.148 5.077 0.432 0.802 2.25-9.937 3.243-0.204-0.702-0.251-0.065 0.113 5.982 0.424 0.813 2.50-8.964 2.881-0.174-0.730-0.216-0.009 0.143 6.054 0.414 0.826 2.75-7.749 2.419-0.134-0.707-0.197-0.016 0.130 5.630 0.409 0.840 3.00-7.051 2.162-0.111-0.705-0.249-0.080 0.052 6.023 0.414 0.848 3.50-6.821 2.068-0.100-0.773-0.284-0.103-0.008 7.310 0.429 0.850 4.00-7.074 2.117-0.103-0.742-0.320-0.171-0.095 6.844 0.436 0.850 (Not: Tüm periyotlar için regresyon katsayıları ana metindedir) 3. Sonuçlar Önerilen azalım ilişkisi, Türkiye nin Kuzeybatısında doğrultu-atımlı faylardan meydana gelen sığ odaklı depremlerden elde edilen en büyük yatay bileşen ivme verilerine dayanmaktadır. PGA tahminlerinde, moment büyüklüğü 4.0 ile 7.4 aralığındaki depremler ve 200 km.den yakın mesafeler için önerilmektedir. PSA nın %5 sönüme karşılık gelen elastik spektral ivmeleri hesaplamada, moment - 4 -
büyüklüğü 5.0 ten küçük ve 7.4 ten büyük depremler ve 100 km.den uzak mesafeler için önerilmemektedir. 5. Kaynaklar Boore, D. M., Joyner W. B. and Fumal, T. E. 1997. Equations for estimating horizontal response spectra and peak acceleration from Western North American earthquakes: A Summary of recent work. Seismological Research Letters, 68 (1), 128-153. Kalafat, D., Öz, G., Kara, M., Öğütçü, Z., Kılıç, K., Pınar, A. ve Yılmazer, M. 2000. 1981-1997 Türkiye ve dolayları deprem kataloğu (M 4.0). B.Ü. Yayını, İstanbul. Kalkan, E., and Gülkan, P., 2004. Site-dependent spectra derived from ground motion records in Turkey, Earthquake Spectra Vol.20, No.4, Nov. 2004. Özbey, C., SARI, A., Manuel, L., Erdik, M. and Fahjan, Y. 2003. Empirical strong ground motion attenuation relations for Northwestern Turkey. Fifth National Conference on Earthquake Engineering, Istanbul, Turkey. Sadigh, K., Chang, S. Y., Egan, J. A., Makdisi, F. and Youngs, R. R., 1997. Attenuation relationships for shallow crustal earthquakes based on California strong motion data. Seismological Research Letters, V: 68, No: 1, p: 180-189. Ulusay, R., Tuncay, E., Sönmez, H. and Gökceoğlu, C. 2004. An attenuation relationship based on Turkish strong motion data and iso-acceleration map of Turkey. Engineering Geology, 74, 265-291. - 5 -