A 3D thermo-mechanichal modelling approach to Western Anatolia extensional regime
Batı Anadolu genişleme rejimine 3 boyutlu termomekanik modelleme yaklaşımı
- Tez No: 1023609
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ HAKAN GÖĞÜŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Jeoloji Mühendisliği, Jeofizik Mühendisliği, Geological Engineering, Geophysics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Batı Anadolu, Jeotektonik, Sismotektonik, Yapısal jeoloji, Üç boyutlu modelleme, West Anatolia, Geotectonics, Seismotectonics, Structural geology, Three dimensional modelling
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Katı Yer Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Jeodinamik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Batı Anadolu aktif olarak deformasyona uğrayan önemli kıtasal genişleme bölgelerinden biridir. Bölgenin karakteristik özellikleri Kuzey-Güney yönlü genişleme, Doğrultu atımlı faylanma, Doğu-Batı yönlü horst graben sistemleri, bu grabenleri sınırlayan yüksek açılı faylar ve düşük açılı sıyrılma fayları olarak listelenebilir. Bu genişlemenin kökeni uzun süredir araştırmacıların ilgisini çekmiş olup başlıca üç model öne sürülmüştür: (1) Helenik dalma batma zonuna bağlı olarak bölgenin slab rollback etkisi ile güneye doğru geri çekilmesinden kaynaklı gerilme. (2) Anadolu plakasının Arabistan Avrasya çarpışması sonucu Batı yönüne doğru tektonik kaçışı. (3) Aşırı kalınlaşmış kıtasal kabuğun orojenik çöküşü. Ancak bölgenin aktif deformasyonu yalnızca normal faylanmadan ibaret değildir. Saha, paleomanyetik ve sismolojik veriler başta İzmir-Balıkesir Transfer Zonu (İBTZ) olmak üzere, normal faylanmayla birlikte gelişen önemli doğrultu-atımlı ve transtansiyonel yapıların varlığını ortaya koymaktadır. Buna karşın, bölgeye yönelik daha önceki sayısal modelleme çalışmaları iki boyutlu olup, doğrultu-atımlı kinematiği üretme ve inceleme olanağı bulunmamıştır. Bu çalışma, Batı Anadolu'da gözlenen normal ve doğrultu-atımlı faylanmanın birlikteliğinin, oblik biçimde açılan sade bir litosfer yapısından doğal olarak ortaya çıkıp çıkmayacağını test etmek amacıyla üç boyutlu termomekanik sayısal modeller geliştirmiştir. Sayısal deneyler, iki yönlü olarak birleştirilmiş termomekanik hesaplama programı ASPECT (Advanced Solver for Planetary Evolution, Convection and Tectonics) ile yüzey süreçleri hesaplama programı FastScape kullanılarak gerçekleştirilmiştir. ASPECT, sonlu eleman yöntemine dayalı, paralel hesaplama için optimize edilmiş açık kaynak kodlu bir jeodinamik modelleme kodudur. Modelde litosferin mekanik davranışı viskoplastik bir reoloji ile tanımlanmıştır. ASPECT ile FastScape'in iki yönlü olarak birleştirilmesi sayesinde yüzey süreçlerinin (erozyon, sediment taşınımı ve birikim) tektonik deformasyonla eş zamanlı olarak etkileşmesine olanak tanınmıştır. Modeller, Berlin'deki NHR@ZIB süper bilgisayarında 1152 çekirdek kullanılarak ortalama 60 saatlik koşu süreleri ile üretilmiştir. Modeller, 450 × 450 × 200 km boyutlarında üç boyutlu bir kutu olarak tasarlanmıştır ve en düşük 10 km, merkezdeki deformasyon zonunda ise 2.5 km'ye kadar inen bir mesh çözünürlüğü kullanılmıştır. Kutu dört adet reolojik olarak farklı katmandan oluşmaktadır: ıslak kuvarsit ile tanımlanan 25 km kalınlığında bir üst kabuk ve 15 km kalınlığında bir alt kabuk, kuru olivin ile tanımlanan 80 km kalınlığında ve litosfer–astenosfer sınırına (120 km) kadar uzanan manto litosferi ve ıslak olivin reolojisi ile tanımlanan astenosfer. Açılmanın model alanının merkezinde lokalize olmasını sağlamak için merkezi bölgede üst kabuk yerel olarak kalınlaştırılarak orojenik kökenli bir kalın kabuk yapısı temsil edilmiş; ayrıca rastgele gauss dağılımı ile dağıtılmış, küçük ölçekli plastik deformasyon alanı üst kabuğa tanıtılarak geçmiş deformasyonlar taklit edilmiştir. Yanal sınırlara sabit açılma hızı uygulanmış, alt sınırdan kütle korunumunu sağlayacak biçimde içeri akışa izin verilmiş, üst sınır ise FastScape ile erozyona uğratılan serbest bir yüzey olarak tanımlanmıştır. Bu temel kurgu üzerine, obliklik açısının, açılma hızının ve litosferin termal yapısının deformasyon üzerindeki rollerini birbirinden ayırt etmek için, her bir parametrenin tek başına değiştirildiği üç ayrı deney seti tasarlanmıştır: birinci sette obliklik açısı 0°–75° aralığında 10 mm/yr toplam açılma hızında, ikinci sette aynı obliklik aralığı 20 mm/yr açılma hızında, üçüncü sette ise 30° obliklik sabit tutularak litosfer–astenosfer sınırı sıcaklığı 1573 K'den 1173 K'ye sistematik olarak değiştirilmiştir. Tüm modeller 15 milyon yıllık bir zaman aralığında koşturulmuş ve çıktılar, Fault Analysis Toolbox (Fatbox) kullanılarak fay ağı çıkarımı, slip rate, fay azimutu ve Regime Stress Ratio (RSR) hesaplanması yoluyla analiz edilmiştir. RSR, gerilme tensörünün ana bileşenlerinden hesaplanan ve yerel gerilme rejimini Andersonian sınıflandırmaya göre normal, doğrultu-atımlı veya ters faylanma olarak nitelendiren bir indekstir; bu sayede deformasyonun yalnızca uzaysal dağılımı değil, kinematik karakteri de değerlendirilebilmiştir. Sonuçlar, obliklik açısının deformasyon rejimini kontrol eden birinci-derece parametre olduğunu göstermektedir. Düşük obliklikte (0°–15°) sistem açılma eksenine paralel normal fayların domine ettiği bir rejim, orta obliklikte (30°–45°) normal ve doğrultu-atımlı faylanmanın bir arada geliştiği transtansiyonel bir rejim, yüksek obliklikte (60°–75°) ise merkezi bir kayma zonuna lokalize olmuş doğrultu-atımlı baskın bir rejim ortaya çıkarmaktadır. Normal faylanmadan doğrultu-atımlı baskın rejime geçiş yaklaşık 45° obliklikte ve daha yüksek açılarda gerçekleşmektedir. Açılma hızının artırılması deformasyonun karakterini ya da yönelimini değiştirmemekte, yalnızca evrimini hızlandırmakta ve deformasyonun büyüklüğünü arttırmaktadır. Litosferin termal yapısı ise lokalizasyonun zamanlamasını ve büyüklüğünü kontrol etmekte, ancak kinematik rejimi belirlememektedir. Soğuk litosfere sahip modellerde deformasyon iki aşamalı bir evrim sergilemektedir. Erken evrede normal faylarla sınırlanan geniş bir çökme havzası gelişmekte, ilerleyen aşamalarda astenosferik yükselmenin etkinleşmesiyle deformasyon merkezi açılma eksenine lokalize olmakta ve daha bağlantılı bir transtansiyonel fay ağı oluşmaktadır. Sıcak litosfere sahip modellerde ise oblik fay ağları daha erken aşamada gelişmekte ve deformasyon zaman içinde daha dağınık bir karakter sergilemektedir. 30° obliklik modeli, Batı Anadolu'nun aktif deformasyonu için en uygun referans yapı olarak öne çıkmaktadır. Bu modelin sonuçları iki bağımsız gözlemsel veri seti ile karşılaştırılmıştır: daha önce yayımlanmış InSAR düşey hız alanları, Büyük Menderes Detachment ile Gediz Detachment kuzeyindeki çökme alanlarının konum, geometri ve genliklerini başarıyla yeniden üretmektedir. Reloke edilmiş KOERI deprem kataloğu ve odak mekanizmaları ise normal ve doğrultu-atımlı faylanmanın aynı deformasyon zonları içinde iç içe geliştiğini göstermekte ve referans modelin ürettiği kinematik rejimle uyum sağlamaktadır. Bu sonuçlar, Batı Anadolu'da normal ve doğrultu-atımlı faylanmanın birlikteliğinin, ayrı tektonik sürücüler gerektirmeksizin oblik litosferik açılmanın doğal sismotektonik ifadesi olarak ortaya çıktığına işaret etmektedir. Bu çalışma, Batı Anadolu için doğrultu-atımlı kinematiği üretebilen ilk üç boyutlu termomekanik modeli sunmaktadır. Bununla birlikte, model Kuzeybatı yönlü doğrultu-atımlı fayları üretmekle birlikte, bunların eşleniği olan İBTZ ölçeğindeki bir transfer zonunu üretememektedir. Bu büyüklükte bir yapının modellenebilmesi için büyük olasılıkla önceden tanımlı bir litosferik zayıflık zonunun model kurgusuna dahil edilmesi gerekmektedir.
Özet (Çeviri)
Western Anatolia is one of the most actively deforming continental extensional provinces. The region is characterised by N–S directed extension, strike-slip faulting, E–W trending horst–graben systems and high-angle normal faults together with low-angle detachment faults bounding these grabens. The origin of this extension has long attracted research interest and three principal models have been proposed: (1) extension driven by the southward retreat of the Hellenic subduction zone through slab rollback. (2) westward tectonic escape of the Anatolian plate as a consequence of the Arabia–Eurasia collision. (3) orogenic collapse of an over-thickened continental crust. However, the active deformation of the region is not limited to normal faulting. Field, palaeomagnetic and seismological data document significant strike-slip and transtensional structures developing alongside normal faulting, most notably the İzmir–Balıkesir Transfer Zone (IBTZ). Previous numerical modelling efforts for the region, however, have been two-dimensional and therefore unable to generate or investigate strike-slip kinematics. This study develops three-dimensional thermomechanical numerical models to test whether the coexistence of normal and strike-slip faulting observed in Western Anatolia can emerge naturally from a simple, obliquely extending lithosphere. The numerical experiments were performed using the thermomechanical modelling code ASPECT (Advanced Solver for Planetary Evolution, Convection and Tectonics) two-way coupled with the surface-process code FastScape. ASPECT is an open-source geodynamic modelling code based on the finite element method and optimised for parallel computation. The mechanical behaviour of the lithosphere is described by a viscoplastic rheology. The two-way coupling between ASPECT and FastScape allows surface processes (erosion, sediment transport and deposition) to interact with tectonic deformation in real time. The models were run on the NHR@ZIB supercomputer in Berlin, using 1152 cores with an average run time of approximately 60 hours. The models are designed as a three-dimensional box of 450 × 450 × 200 km, with a mesh resolution of 10 km in the outer domain that refines to 2.5 km within the central deformation zone. The box consists of four rheologically distinct layers: a 25 km thick upper crust and a 15 km thick lower crust, both described by a wet quartzite flow law; an 80 km thick mantle lithosphere extending to the lithosphere–asthenosphere boundary (LAB, at 120 km depth), described by a dry olivine flow law; and an asthenosphere described by a wet olivine rheology. To localise extension within the central part of the model domain, the upper crust is locally thickened in the central region to represent an orogenic-type thickened crustal structure. In addition, a small-scale plastic strain field distributed by a random Gaussian distribution is introduced into the upper crust to mimic inherited deformation. Constant outward extension velocities are applied at the lateral boundaries, mass conservation is preserved through basal inflow at the bottom boundary and the upper boundary is defined as a free surface subject to erosion through the coupling with FastScape. Building on this baseline configuration, three experimental sets were designed to isolate the roles of obliquity, extension rate and lithospheric thermal structure, with each parameter varied independently. In the first set, the obliquity angle is varied between 0° and 75° at a total extension rate of 10 mm/yr; in the second set, the same obliquity range is tested at a total extension rate of 20 mm/yr; and in the third set, the obliquity is fixed at 30° while the LAB temperature is systematically decreased from 1573 K to 1173 K. All models were run over a 15 million year time interval and the outputs were analysed using the Fault Analysis Toolbox (Fatbox) to extract fault networks and to compute slip rate, fault azimuth and the Regime Stress Ratio (RSR). The RSR is an index computed from the principal components of the stress tensor that classifies the local stress regime as normal, strike-slip, or thrust faulting following the Andersonian classification; this allows not only the spatial distribution of deformation but also its kinematic character to be evaluated directly. The results indicate that the obliquity angle is the first-order parameter controlling the deformation regime. At low obliquity (0°–15°), the system develops a regime dominated by normal faults parallel to the rift axis; at moderate obliquity (30°–45°), a transtensional regime emerges in which normal and strike-slip faulting develop together; and at high obliquity (60°–75°), a strike-slip-dominated regime localised along a central shear zone develops. The transition from normal-fault-dominated to strike-slip-dominated regimes occurs at approximately 45° obliquity and higher. Increasing the extension rate does not change the character or orientation of the deformation but only accelerates its evolution and increases its magnitude. The thermal structure of the lithosphere controls the timing and magnitude of localisation but does not govern the kinematic regime. In models with a cold lithosphere, the deformation displays a two-stage evolution: in the early stage, a wide subsidence basin bounded by normal faults develops and in the later stages, as asthenospheric upwelling becomes effective, deformation localises along the central rift axis and a more connected transtensional fault network develops. In models with a hot lithosphere, oblique fault networks develop at an earlier stage and the deformation displays a more distributed character through time. The 30° obliquity model emerges as the most suitable reference configuration for the active deformation of Western Anatolia. The results of this model were compared with two independent observational datasets: previously published InSAR vertical velocity fields, in which the position, geometry and amplitude of subsidence at the Büyük Menderes Detachment and north of the Gediz Detachment are successfully reproduced; and the relocated KOERI earthquake catalogue together with the corresponding focal mechanisms, which show that normal and strike-slip faulting are interfingered within the same deformation zones and are in agreement with the kinematic regime produced by the reference model. These results indicate that the coexistence of normal and strike-slip faulting in Western Anatolia arises as the natural seismotectonic expression of oblique lithospheric extension, without requiring separate tectonic drivers. This study presents the first three-dimensional thermomechanical model capable of generating strike-slip kinematics for Western Anatolia. Nevertheless, although the model successfully produces NW-trending strike-slip faults, it does not generate the conjugate IBTZ-scale transfer zone. Modelling a structure of this magnitude likely requires the incorporation of a pre-defined lithospheric weak zone into the model configuration.
Benzer Tezler
- Ağır ticari aracın dizel motoruna ait egzoz manifoldunun ısıl olarak incelenmesi
Thermal investigation of exhaust manifold for a heavy commercial vehicle diesel engine
BURAK YALÇINDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL CEM PARMAKSIZOĞLU
- Modeling of temperature field, residual stresses and distortions in direct laser metal sintering
Direkt metal sinterleme yöntemlerindeki sıcaklık alanlarının, artık gerilmelerin ve çarpılmaların modellenmesi
ERDEM KUNDAKCIOĞLU
Doktora
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Distortion modeling and Machining of aerospace materials
Biçim bozulmalarının modellenmesi ve havacılık malzemelerinin işlenmesi
ABBAS HUSSAIN
Doktora
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Reliability studies of ultra-small copper-plated through-package-vias in ultra-thin glass interposers
Ultra-ince cam aracılarda ultra-küçük bakır-kaplamalı paket yollarının güvenilirlik çalışmaları
KAYA DEMİR
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGeorgıa Instıtute Of TechnologyElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAO TUMMALA
- Polimer-metal kuru sürtünmesi ve tutma-bırakma titreşimleri
The Friction of polymers on rigid surfaces and stick-slip vibrations
OĞUZHAN DEMİRAL