Fraktal Analiz ile Türkiye’deki Doğrultu Atımlı Fayların Yapısal ve Sismolojik Özelliklerinin Belirlenmesi
Fraktal Analiz ile Türkiye’deki Doğrultu Atımlı Fayların Yapısal ve Sismolojik Özelliklerinin Belirlenmesi


Ali Osman Öncel

Özet


Kuzey Anadolu Fay Zonu (KAFZ), Doğu Anadolu Fay Zonu (DAFZ) ve Kuzey Doğu Anadolu Fay Zonu (KDAFZ) Türkye'deki sismik etkinlik gösteren büyük doğrultu atımlı fay zonlarıdır. Bu tez çalışmasında, Türkiye'deki doğrultu atımlı fay zonları boyunca görülen depremselliğin uzay ve zaman ortamlarındaki değişimleri araştırılmıştır. Verinin yeterli görüldüğü KAFZ’ nun batı (24°-31°D) ve orta (31°-41°D) bölümlerinde de, deprem episantrlarının fraktal (korelasyon) boyutu Dc ve Gutenberg-Richter bağıntısının b değeri hesaplanarak, depremselliğin zamana bağlı değişimleri incelenmiştir. Deprem episantrları dağılımlarından ve fay dağılımlarından fraktal boyut ve sismik b-değerlerinin zaman ve uzay ortamındaki değişimlerinin incelenmesinde sırasıyla, korelasyon integral, kutu sayma ve en büyük olasılık yöntemleri kullanılmıştır. Kullanılan deprem ve fay verisi sırasıyla, 1900 ve 1992 zaman döneminde oluşmuş M≥ 4.5 magnitüdlü depremler ve 1:1000.000 ölçeğindeki Türkiye Diri Faylar Haritası'ndaki (Şaroğlu ve diğ., 1992) kırıklarıdır.

Doğrultu atımlı fay zonlarının uzay ortamındaki özellikleri deprem verileriyle incelenmiş, fay zonunun yapısal ve mekanik özellikleriyle ilişkili olabilecek sistematik uzaysal değişimler bulunmuştur. Özellikle, Kuzey Anadolu Fay Zonu' nun batı bölümündeki büyük değişme bu yüzyıl depremselliği için en büyük korelasyon boyutu ve en küçük b değeriyle ilişkilidir. Ayrıca, deprem episantrlarının fraktal boyutu Dc ve sismik b değerleri arasında, Japonya'da ve Güney Kaliforniya'da yapılan bölgesel incelemelerde rapor edilen sonuçlara benzer bir negatif korelasyon bulunmuştur. Sismik risk analizlerinde fay zonunun genel özellikleri dikkate alınarak yapılan bölgelendirmeden farklı olarak deprem sayısına göre (bu çalışmada n꓿100) yapılan daha ayrıntılı bölgelendirmede bu parametreler arasında bariz bir negatif korelasyon bulunmuştur.

KAFZ’ nun orta bölümünde (31°-41°D) depremselliğin süreye bağlı değişimlerinden, sismik b değerinin 0.6 ve 1.0 arasında değiştiği ve fraktal boyutun 0.6-1.4 arasında değiştiği bulunmuştur. Her iki parametre de ölçüm tekniğinden ve kullanılan deprem verisinden kaynaklanabilecek belirli ölçüdeki hatayla birlikte önemli değişimleri göstermektedir. Sismik b ve Dc parametresi arasında oldukça büyük negatif bir korelasyon (r꓿-0.85) gözlenmiştir. Benzer bir ilişki daha önce Kaliforniya ve Japonya depremleri için de bulunmuştur (Hirata, 1989;Henderson et al., 1992). KAFZ' nda bu yüzyılın başlarındaki büyük depremler küçük b ve büyük Dc değerleriyle ilişkili olup, sırasıyla daha büyük gerilme şiddeti ve episantr dağılımındaki büyük yığılma ile uyumlu görünmektedir. Ayrıca, KAFZ’ nun tamamı boyunca (24°-45°D boylamları arası) yaklaşık olarak (M≥ 6) büyük depremlerin episantrları çok zayıf bir istatistik trend (r=-0.33) ile batıya doğru temporal bir göç göstermektedirler.

KAFZ’nun batı (24°-31°D) bölümündeki depremselliğin süreye bağlı değişimlerinden, b değerinin 0.6-1.6 ve fraktal boyut Dc değerinin 0.6-1.4 arasında değiştiği bulunmuştur. Sismik b değeri ve Dc değeri arasında negatif bir ilişki bulunmuştur (r=-0.56). Bunun dışında, oluşum oranı (log N) ile, sismik b değeri arasında istatistiksel olarak önemli sayılabilecek pozitif bir korelasyon (r=0.61) ve logN ile fraktal boyut Dc arasında negatif bir korelasyon (r=-0.64) görülmüştür. 1970’ ten sonra istasyon ağındaki gelişmeye bağlı olarak, deprem oluş oranı N’de büyük bir artış görülmektedir. Depremsellikte istasyon sayısına bağlı bu ani değişimden dolayı, sismik b ve Dc arasında gözlenen negatif ilişki yerin fiziksel davranışından çok istasyon sayısındaki artış ile ilişkili olabilir.

Türkiye Diri Fay Haritasındaki kırık dağılımlarının kutu sayma yöntemiyle analiz edilmesinden, Türkiye'deki diri faylar için fraktal "kapasite" boyutunun 0.9˂D₀˂1.6 arasında değiştiği bulunmuştur. Fraktal boyutun yüksek değerleri şiddetli kırılma ve farklı doğrultulardaki fayların yoğun dağılımıyla ilişkilidir. Fraktal boyutun düşük değerleri ise doğru şeklinde tek bir fayla ya da veri setinde tali fayların eksik olması ile ilişkilidir.

Summary


DETERMINATION OF STRUCTURAL AND SEISMOLOGICAL PROPERTIES

OF STRIKE-SLIP FAULTS IN TURKEY BY USING FRACTAL ANALYSIS

The North Anatolian Fault Zone (NAFZ), the East Anatolian Fault Zone (EAFZ), and the North East Anatolian Fault Zone (NEAFZ) are seismically active strike-slip fault zones transcending the Anatolian plate in E-W and N-S directions. In this thesis, the spatial and temporal of seismicity along the strike-slip faults in Turkey are investigated by using the Gutenberg-Richter b-value and the fractal (correlation) dimension of earthquake epicenters and fault populations. This investigation covers a period between 1900 and 1992 in the strike-slip fault zones in Turkey for earthquakes of M≥4.5. Furthermore, the temporal variations of seismicity along the (24°-31°E) and the central (31°-41°E) part of the NAFZ are determined from fractal analysis by using the b-value and the fractal dimension of earthquake epicenters. For the study of spatial and temporal variations of the fractal dimension of earthquake epicenters, fault populations and the b-value, the correlation integral, box-counting method and the maximum likelihood method are used respectively.

In the examination of spatial characterisfcs of strike-slip fault zones from the earthquake data, systematic spatial variations are found which may be related to structural or mechanical variability along the strike. In particular the large change in strike at the northern apex of the NAFZ is associated with the highest correlation dimension and lowest b-value for seismicity in this century. The correlation dimension and the b-value show a negative correlation with respect to each other, similar to results reported in other regional studies of Japan and Southern California. This statistical correlation is when more objective seismic zoning is carried out (based on number of events, n=100 in this study) rather than more subjective seismotectonic zoning in common use in seismic hazard analysis.

In the examination of the temporal characteristics of seismicity for the central NAFZ (31°-41 °E), the b-value varies temporally between 0.6 and 1.0, and Dc between 0.6 and 1.4, both representing significant fluctuations above the errors in measurement technique. A strong negative correlation (r=-0.85) is observed between b and Dc, consistent with previous observation of seismicity in Japan and southern California. Major events (Ms≥7) in the early part of this century are associated with low b and high Dc, respectively consistent with greater stress intensity and greater spatial clustering of epicenters-both implying a greater degree of stress concentration at this time. However the (log of) event rate N is negatively correlated with a similar degree of statistical significance with b (r=0.6) and correlated with Dc (r=0.4), so that high event rates are associated with low b-value (a greater proportion of large events) and high Dc (greater clustering of epicenters). Furthermore, the largest earthquakes (M≥6) on the average show a westward temporal migration of epicenters along the whole fault zone (24°-45°E), but with only a very weak statistical trend (regression coefficient r=-0.33).

In the examination of the temporal characters of seismicity for the part of NAFZ (24°-31°E), the b value ranges from 0.6-1.6 and Dc from 0.6 to 1.4. The b-value is found negatively correlated with Dc (r=-0.56). However, the (log of) event rate N is positively correlated with a similar degree of statistical significance with b (r=O.61) and negatively correlated with Dc (r=-0.64). Since N increases dramatically with improved station coverage since 1970, the observed negative correlation between b and Dc is therefore more likely to be due to this effect rather than any underlying physical process in this case.

In the examination of spatial characters of strike-slip zones, the capacity dimension is obtained from the Active Fault Map of Turkey, by using box counting method. The capacity dimension varies between 0.9˂D₀˂1.6, depending on the degree of complexity of fault zones. High values of fractal (capacity) dimension are related to zones with dense patterns of faults of different stike and high degree of fracturing. Low values of fractal (capacity) dimension are related to regions with a predominant linear fault zone or the absence of determination of branching faults along the main fault.