Geri Dön

Investigation of crustal deformation related to the earthquake cycle in the Alpine-Himalayan belt using INSAR

Alp-Himalaya Kuşağı'nda deprem döngüsüyle ilişkili kabuk deformasyonunun INSAR yöntemiyle incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 921305
  2. Yazar: TOHID NOZAD KHALIL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ZİYADİN ÇAKIR, PROF. DR. SEMİH ERGİNTAV
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Jeoloji Mühendisliği, Geological Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 164

Özet

Alp-Himalaya sismik kuşağı boyunca tektonik olarak aktif bölgelerdeki sismik tehlikelerin önlenmesi için InSAR ve GNSS gibi jeodezi verilerin kullanımı, risklerin belirlenmesi ve yönetilmesinde hayati bir rol oynamaktadır. Jeodezi teknikleri, yüzey deformasyonunun hassas bir şekilde ölçülmesini sağlayarak fay mekanikleri, intersismik gerilme birikimi ve yer çökmesi gibi antropojenik aktivitelerin etkileri hakkında değerli bilgiler sunar. Tektonik olarak aktif ve İstanbul gibi yoğun nüfuslu bölgelerde, jeodezi gözlemleri sismik tehlike modellerinin geliştirilmesi ve afet risk yönetimi stratejilerinin oluşturulması için temel bir rol oynar. Zamanla deformasyonun izlenmesi, deprem döngüsünün daha iyi anlaşılmasını sağlayarak artan gerilme ve potansiyel fay kırılma bölgelerinin belirlenmesine katkıda bulunur. Bu bilgiler, erken uyarı sistemlerinin ve altyapı dayanıklılık planlarının geliştirilmesinde önemli bir rehberdir. Deprem döngüsü, üç aşamadan oluşan karmaşık bir olgudur: büyük bir deprem (Kosismik), artçı sarsıntıların zamanla azalarak devam ettiği deformasyonun meydana geldiği bir süreç (postsismik), ardından uzun bir düşük sismisite dönemi ve gerilme oranının artarak başka bir büyük depremin gerçekleşmesine yol açtığı bir evre (intersismik). Bu teori, bir fay üzerindeki gerilmenin zamanla birikerek büyük bir deprem sırasında ani bir şekilde boşaldığını öne sürmektedir. Ayrıca, büyük depremlerin yarı periyodik bir doğaya sahip olduğunu ve belirli bir fay segmentinin kısa süre içinde tekrar kırılma olasılığının düşük olduğunu ileri sürmektedir. Bu fikir, hem deprem tehlikesi araştırmalarını hem de fay mekanizmalarının temel fiziğini etkileyen önemli bir yaklaşımdır. Bu tez, Marmara bölgesi, Arabistan ve Avrasya çarpışma zonu ve Kuzey Anadolu Fayı (KAF) İsmetpaşa segmentinde intersismic evresinde oluşan tektonik süreçler, yüzey deformasyonu ve sismik tehlikeler arasındaki karmaşık etkileşimleri araştırmaktadır. Önceki çalışmalar, tüm bölge için yeterli ve homojen veri kapsamının eksikliği nedeniyle Arap-Eurasya çarpışma zonu için net bir sınır önerememiştir. Yapay Açıklıklı Radar İnterferometrisi (InSAR) ve Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri (GNSS) teknikler ve Poly3Dinv, CDM, TDEFNODE ve BEAT gibi sayısal modelleme araçlarını içeren ileri jeofizik teknikler kullanılarak, deformasyon paternleri ve fay parametrelerine dair kapsamlı analizler yapılmış ve aktif tektonik ile sismik tehlike konusundaki bilgilere önemli katkılar sağlanmıştır. İlk çalışma alanı, onlarca kuyuyla farklı derinliklerdeki çeşitli formasyonlardan on yıllardır doğal gaz rezervuar süreçlerinin yürütüldüğü Trakya Havzası'dır (Kuzeybatı Türkiye). Yüksek çözünürlüklü PSInSAR verilerini kullanarak, sediman sıkışmasına bağlı olarak yıllık ~15,5 ± 0,1 milyon m³ hacim kaybı ile birlikte yılda maksimum 10 ± 1,5 mm'ye ulaşan çökme oranları gözlemledik. Yeraltı suyu çekimi verisinin mevcut olmaması nedeniyle, geniş çaplı doğal gaz çıkarımı analiz edilmiştir. Çökme zaman serileri ile gaz üretim oranı arasındaki korelasyona dayanarak, komşu alanlardaki gerilme değişimlerini tahmin etmek amacıyla 2 km derinlikte bir model oluşturulmuştur. Elastik dislokasyon modellemesi, yakınlardaki Orta Marmara Fayı (CMF) üzerinde minimum Coulomb gerilme değişiklikleri göstererek fay dinamikleri üzerinde doğrudan etkinin sınırlı olduğunu ortaya koymuştur. Bununla birlikte, elde edilen bulgular, kaynak açısından zengin havzalarda uzun vadeli altyapı istikrarı ve sismik tehlike değerlendirmeleri açısından çökme takibinin önemini vurgulamaktadır. Doğu Anadolu ve Iran'da Arabistan ve Avrasya çarpışma zonu üzerine yapılan çalışmada, iki levha arasındaki intersismik deformasyon detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu nedenle InSAR ve GNSS verilerin kullandik. Bizim elde edilen sonuçlara göre, Malazgirt Makaslama Zonu, Arap ve Avrasya levhaları arasındaki sınır olarak tanımlanmış ve çevresindeki faylar boyunca baskın sağ yönlü doğrultu atımlı hareketin, 5-10±2 mm/yıl arasında değişen kayma oranlarıyla gerçekleştiği tespit edilmiştir. Kilitlenme derinliğindeki değişiklikler, önemli gerilme birikim bölgelerini işaret etmekte olup, bölgenin sismik tehlike modellerinin rafine edilmesi için kritik bilgiler sağlamaktadır. Ayrıca, Yedisu ve Karlıova üçlü eklem bölgelerinde sismik tehlike modellerinin daha iyi anlaşılması için ileri düzey araştırmalara ihtiyaç duyulduğunu vurgulamaktadır. Bu sonuçlar, fay etkileşimlerinin ve deformasyonun ayrılımı bölgesel tektonik evrim üzerindeki belirleyici rolünü ortaya koymaktadır. Kuzey Anadolu Fayı'nın (KAF) aseismik Kreep davranışıyla bilinen İsmetpaşa segmenti, fay mekaniği ve sismik etkilerini anlamak amacıyla analiz edilmiştir. InSAR, GPS ve creepmeter ölçümlerinden elde edilen gözlemler, son birkaç on yılda bu segment boyunca Kreep hızlarının yaklaşık 8±3 mm/yıl seviyesinde sabitlendiğini göstermektedir. İsmetpaşa segmenti boyunca yavaş kaymayı belirlemek için ortalama LOS hız alanını hesaplamak amacıyla PSInSAR tekniğini kullandık. Ayrıca, sürünen ve kilitli segmentler boyunca fay zonu yüzeylemelerini karakterize etmek için BEAT yöntemini uyguladık. Jeodezik veriler ve Bayesian modelleme teknikleri, yaklaşık 7.5±2.3 mm/yıl seviyesinde Kreep hızlarını doğrulamış ve sürünen ile kilitli segmentler arasında yerel gerilme transferlerini ortaya koymuştur. İsmetpaşa segmenti boyunca gözlemlenen Kreep oranları doğudan batıya sistematik bir artış sergilemekte, bir zirveye ulaştıktan sonra azalmaktadır. Bu maksimum Kreep bölgesinin güney sınırında belirgin bir deformasyon sinyali tespit edilmiştir. Ayrıca, İsmetpaşa segmentinin güney komşuluğunda bir yükselim sinyali gözlemlenmiştir. Bu yükselimin, maksimum Kreep bölgesiyle mekânsal korelasyonu göz önüne alındığında, muhtemelen farklı gerinim birikimi veya yer altı mekanik uyumlanmalarına bağlı olarak Kreep davranışındaki değişimlerden kaynaklandığı düşünülmektedir. Bu davranış, bitişik fay kesimlerindeki gerinim birikimini etkileyerek deprem döngüsü dinamiklerinde Kreep süreçlerinin önemini vurgulamaktadır. İsmetpaşa segmenti, fay mekaniği ve gerinim bölüşümünü incelemek için doğal bir laboratuvar niteliğinde olup, KAF boyunca sismik tehlike değerlendirmeleri açısından değerli bilgiler sunmaktadır. Bu araştırma, yüksek hassasiyetli jeodezik gözlemleri en ileri modelleme teknikleriyle entegre ederek, jeolojik olarak aktif bölgelerdeki tektonik süreçlerin dinamiklerine ilişkin temel soruları ele almaktadır. Farklı mekânsal ve zamansal ölçeklerde deformasyon mekanizmalarının sistematik analizi yoluyla, bu çalışma tektonik aktivite, fay mekaniği ve sismik risk arasındaki karmaşık ilişkiye dair önemli bulgular sunmaktadır. Araştırma, doğal tektonik kuvvetler ile kaynak çıkarımı gibi antropojenik etkiler arasındaki etkileşimlerin yanı sıra, bu süreçlerin yüzey deformasyonu üzerindeki sonuçlarını da vurgulamaktadır. Bu çalışmanın önemli bir yönü, uydu tabanlı InSAR ve GNSS ölçümleri bir araya getirilmesidir. Farklı veri kaynaklarının ileri düzey sayısal ve istatistiksel modelleme teknikleriyle birlikte kullanılması, belirli tektonik sistemlerin anlaşılmasına katkı sağlamakla kalmayıp, benzer jeodinamik özelliklere sahip diğer bölgeler için de uygulanabilir metodolojik çerçeveler sunmaktadır. Elde edilen bulgular yalnızca yer bilimleri alanındaki akademik çalışmalara katkıda bulunmakla kalmayıp, aynı zamanda tehlike değerlendirmesi, arazi kullanım planlaması ve doğal kaynakların sürdürülebilir yönetimi gibi pratik uygulamalarda da büyük önem taşımaktadır. Bu araştırma, bilimsel katkılarının ötesinde, altyapı geliştirme, kaynak yönetimi stratejileri ve sismik tehlike azaltma çalışmaları için kritik veriler sağlamaktadır. Deformasyon desenlerinin mekânsal ve zamansal evriminin anlaşılması, karar alıcılar, mühendisler ve afet yönetimi otoriteleri için, tektonik olarak aktif bölgelerde etkili risk azaltma önlemlerinin uygulanmasında hayati bir rol oynamaktadır. Yüzey deformasyonu ve fay etkileşimlerinin mekaniklerine dair değerli içgörüler sunmasına rağmen, bu tez kapsamında gelecekteki araştırmalar için birçok önemli alan halen araştırılmayı beklemektedir. Daha yüksek mekânsal ve zamansal çözünürlüğe sahip jeodezik gözlemlerin sürdürülmesi, hesaplamalı modelleme alanındaki gelişmeler ve makine öğrenimi uygulamaları ile desteklenmesi, fay dinamikleri ve ilgili sismik tehlikelerin daha hassas bir şekilde anlaşılması açısından kritik önem taşımaktadır. Gözlem ağlarının genişletilmesi, ek jeofizik veri setlerinin entegrasyonu ve model kısıtlamalarının iyileştirilmesi, öngörü kapasitesini artıracak ve daha doğru tehlike değerlendirmelerine katkı sağlayacaktır. Bu çabalar, yalnızca doğal tektonik süreçlerin değil, aynı zamanda jeolojik olarak karmaşık bölgelerde insan kaynaklı değişimlerin etkilerini öngörme ve hafifletme yeteneğimizi geliştirmede de önemli bir rol oynayacaktır.

Özet (Çeviri)

The use of geodetic data, such as InSAR and GNSS, is crucial for studying seismic hazards in the regions covered by this thesis, including the Thrace Basin, Turkish-Iranian Plateau, and the North Anatolian Fault (NAF). Geodetic techniques enable precise measurement of surface deformation, providing invaluable insights into fault mechanics, interseismic strain accumulation, and the impacts of anthropogenic activities such as subsidence. In tectonically active regions like these, where significant populations and critical infrastructure are at risk, geodetic observations serve as a cornerstone for improving seismic hazard models and informing disaster risk management strategies. The ability to monitor deformation over time allows for a better understanding of the earthquake cycle, helping to identify regions of increased stress and potential fault rupture, thus aiding in the development of early warning systems and resilience planning. The earthquake cycle which is a complex phenomenon consisting of three phases; a great earthquake, a decaying aftershock sequence and postseismic deformation, and a long period of low seismicity followed by a period of increasing rate of stress leading to the occurrence of another great earthquake. This theory states that a fault's stress builds up over time before being quickly discharged during a significant earthquake. Additionally, it suggests that major earthquakes have a quasi-periodic nature and that there is little chance of a specific section of the fault rupturing again in rapid succession. This idea has an impact on research on earthquake hazards as well as the fundamental physics of faulting. This thesis investigates the complex interplay between tectonic processes, surface deformation, and seismic hazards across three geodynamically active regions during interseısmıc phase: the Arabian-Eurasian collision zone, the İsmetpaşa segment of the NAF, and the Marmara region. By utilizing advanced geodetic techniques, including Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), Global Navigation Satellite Systems (GNSS), and numerical modeling tools such as Poly3Dinv, Component Dislocation Model (CDM), Time-Dependent Finite Element Deformation and Dislocation Model (TDEFNODE), and Bayesian Earthquake Analysis Tool (BEAT), this research provides a comprehensive analysis of deformation patterns and fault dynamics, contributing to the broader understanding of active tectonics and seismic hazards. The first focus area is the Thrace Basin (NW Türkiye), where natural gas reservoir processes and extraction have been carried out with tens of wells for decades from various formations at different depths. Employing high-resolution Permanent Scatterer (PSInSAR) data, we observed subsidence rates of up to 10 ± 1.5 mm/yr, with an estimated annual volume loss of ~15.5 ± 0.1 million m³ due to sediment compaction. Considering that underground water extarctıon data was not availble, the extensive natural gas extraction was analyzed. Correlation between time series of subsidence and gas productıon rate, we assume a model in 2 km depth to estimate stress variations in neighbouring area. Elastic dislocation modeling indicated minimal Coulomb stress changes on the nearby Central Marmara Fault (CMF), suggesting a limited direct impact on fault dynamics. However, the findings underscore the importance of monitoring subsidence for its potential long-term implications on infrastructure stability and seismic hazard assessments in resource-rich basins. The study examined interseismic deformation within the Arabian-Eurasian collision zone. Previous studies were not able to propose a clear boundary for Arabian-Eurasian collisional zone due to the lack of uniform data coverage for the whole region. For this purpose we use PSInSAR and GNSS data. Our result revealed spatially partitioned deformation, with dominant right-lateral strike-slip motion along the Malazgirt Shear Zone and adjacent faults. Slip rates were measured at 5-10±2 mm/yr and variations in locking depth highlighted zones of significant strain accumulation. These results emphasize the role of fault interactions and deformation partitioning in shaping the region's tectonic evolution, providing critical insights for refining seismic hazard models in this seismically active zone. The İsmetpaşa segment of the NAF, renowned for its aseismic creep behavior, was analyzed to understand its fault mechanics and seismic implications. Observations from InSAR, GPS, and creepmeter measurements reveal that creep rates along this segment have stabilized at approximately 8±3 mm/yr in recent decades. In order to figure out slow slip along the İsmetpaşa, we employ the PSInSAR technique to calculate the mean LOS velocity field. We also employed the Bayesian Earthquake Analysis Tool (BEAT) to characterize fault zone outcrops along creeping versus locked segments. Geodetic data and Bayesian modeling techniques confirmed creep rates of approximately 7.5±2.3 mm/yr and revealed localized stress transfer between creeping and locked segments. The observed creep rates along the İsmetpaşa segment exhibit a systematic increase from east to west, reaching a peak before declining. At the southern boundary of this peak creep region, we identify a distinct deformation signal. Furthermore, an uplift signal is detected in the southern neighborhood of the İsmetpaşa segment. Given its spatial correlation with the maximum creep region, we infer that this uplift may result from variations in creep behavior, possibly due to differential strain accumulation or subsurface mechanical adjustments. This behavior influences strain accumulation in adjacent fault sections, highlighting the significance of creep processes in earthquake cycle dynamics. The İsmetpaşa segment serves as a natural laboratory for studying fault mechanics and strain partitioning, offering valuable insights for seismic hazard assessments along the NAF. This research integrates high-precision geodetic observations with state-of-the-art modeling techniques to address fundamental questions regarding the dynamics of tectonic processes in geologically active regions. By systematically analyzing deformation mechanisms across different spatial and temporal scales, this study provides crucial insights into the intricate relationship between tectonic activity, fault mechanics, and seismic risk. The research underscores the complexity of interactions between natural tectonic forces, anthropogenic influences such as resource extraction, and the resulting surface deformation patterns observed in these regions. A key aspect of this study is the integration of multiple geophysical datasets, including satellite-based interferometric synthetic aperture radar (InSAR) and global navigation satellite system (GNSS) measurements. By using these diverse data sources in conjunction with sophisticated numerical and statistical modeling techniques, the research advances our understanding of specific tectonic systems and offers methodological frameworks that can be applied to other regions exhibiting similar geodynamic characteristics. The findings have significant implications not only for academic research in Earth sciences but also for practical applications in hazard assessment, land-use planning, and the sustainable management of natural resources. Beyond its scientific contributions, the study provides critical data that can aid in infrastructure development, resource management strategies, and seismic hazard mitigation efforts. Understanding the spatial and temporal evolution of deformation patterns is essential for policymakers, engineers, and disaster management authorities to implement effective risk reduction measures in tectonically active zones. While this thesis has yielded valuable insights into the mechanics of surface deformation and fault interactions, there remain several important directions for future research. Continued geodetic monitoring with higher spatial and temporal resolution, complemented by advancements in computational modeling and machine learning applications, will be crucial for refining our understanding of fault dynamics and the associated seismic hazards. Expanding observational networks, integrating additional geophysical datasets, and improving model constraints will enhance predictive capabilities and contribute to more accurate hazard assessments. These efforts will ultimately improve our ability to anticipate and mitigate the impacts of both natural tectonic processes and human-induced changes in geologically complex regions worldwide.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    929438

    23 Ekim 2011 Van depreminin oluşturduğu deprem sonrası deformasyonların GPS ölçüleriyle araştırılması

    The investigation of the post-seismic deformations induced from the October 23, 2011 Van earthquake with GPS measurements

    DERYA BAKİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Jeodezi ve FotogrametriYıldız Teknik Üniversitesi

    Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UĞUR DOĞAN

  2. Tez No

    290218

    Muradiye (Van) Ovası'ndaki yüzey deformasyonlarının SAR interferometrisi yöntemiyle araştırılması

    Investigation of crustal surface deformations in Muradiye Plain (Van) by SAR interferometry

    SEVGİ BABAYİĞİT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Astronomi ve Uzay BilimleriYüzüncü Yıl Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ONUR KÖSE

  3. Tez No

    293679

    Investigation of rheological implications of the crustal reflectivity in the sea of Marmara

    Marmara denizinde kabuğa ait yansıtılabilirliğin reolojik anlamlarının araştırılması

    ASLIHAN ŞAPAŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYSUN GÜNEY

  4. Tez No

    100692

    Kilikya bölgesinin güncel sismisitesi ve sismotektoniği

    Present day seismicity and seismotectonic of the cilicia basin

    MEHMET ERGİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. HALUK GYİDOĞAN

    PROF.DR. MUSTAFA AKTAR

  5. Tez No

    550068

    Büyük Menderes grabeni içerisinde bulunan aydın-nazilli bölgesi sığ kabuk yapısının jeofizik yöntemlerle araştırılması

    Investigation of the shallow crust structure of the aydin-nazilli region of in the Büyük Menderes graben with geophysical methods

    DEMET AKCAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Jeofizik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AYHAN KESKİNSEZER

Geri Dön