LEE- Jeofizik Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19325

Gözat

Şimdi gösteriliyor 1 - 2 / 2

Investigation of mantle kinematics beneath Turkey and adjacent regions based on seismological and numerical modelling

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Confal, Judith Maria ; Taymaz, Tuncay ; 652799 ; Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

Upper mantle dynamics (e.g. subduction processes, slab roll-back, slab tearing, and mantle upwelling) influence the tectonics of the Eastern Mediterranean region; however, a detailed understanding of the acting forces has remained elusive. Further progress requires more accurate measurements, not just of the surface kinematics (e.g. GPS measurements, Global Positioning System), but also of indirect indicators of kinematics throughout the lithosphere and convecting upper mantle from seismology. Robust quantification of the magnitude, location, and direction of seismic anisotropy can provide an orientation of present and prior extensional fields, as well as mantle flow patterns. In this PhD Thesis, three novel methods were used to investigate seismic anisotropy and P-wave velocity anomalies in the upper mantle. Separate and combined interpretations of the results and extensive discussions with available literature reveal new findings of mantle dynamics and tectonics in the Eastern Mediterranean region. For the first project, shear-wave splitting (SWS) measurements in the central and southern Aegean were performed. In addition to SKS-waves, direct S-waves (Reference Station Technique) were included in this research, which made it possible to use more observations and therefore get better and more reliable averages than some prior studies. This study was able to use on average 12 events per station, while common local SKS studies calculated splitting parameters with only one to five events. Splitting measurements exhibit mostly NNE-SSW oriented fast polarization directions (FPDs) and large time delays (TDs) at stations in the back-arc region of the Hellenic subduction system. At three stations close to trench FPDs are N-S directed. With the results from the splitting analysis at 35 stations and 81 events, directions of mantle flow, strain, and their strengths are interpreted. The study concluded that FPDs in the back-arc are mostly perpendicular to the trench and parallel to supra-slab mantle flow induced by the roll-back movement of the slab and its extensional regime in the Aegean with station-averaged TDs between 1.15-1.62 s. Due to the curvature of the trench, FPDs in the eastern Aegean and southwestern Turkey seem to be trench-parallel aligned. This could be related to sub-slab mantle flow or it might be influenced by the tearing of the slab in the upper mantle beneath this region. In the second project of this thesis, a numerical approach was used to model the mantle flow and anisotropy of the Eastern Mediterranean and Anatolian region. With complex non-steady-state 3D geodynamic modelling, the plate movement, mantle flow, transverse isotropy, and SKS splitting parameters for the regional subduction system were calculated. The modelled plate movements represent approximately the past 22 million years of the African, Arabian, and the oceanic plate subducting underneath a westward-moving Anatolian and an extending Aegean microplate. Implemented weak zones helped to initiate the detachments of the slab and allowed the slab to roll back. The model shows that tearing beneath southwestern Turkey, a break-off in the collisional regime of eastern Anatolia, as well as the retreat of the slab in the Aegean influence the strength and direction of the mantle flow and anisotropy. Similarities of measured and modelled SWS measurements made it possible to interpret and explain anisotropy data more in detail. SWS splitting parameters are mostly N-S oriented, perpendicular to the movement of the trench, similar to seismological observations, with the highest TDs in the back-arc region due to strong roll-back induced mantle flow. Close to the trench, the transverse isotropy pattern is complex, with vertical and horizontal components parallel and perpendicular to the trench. The influence on mantle flow and FPDs, related to the development of a tear and a break-off in the slab, is significant. The mantle flow appears to be faster through the slab windows and around the edges of the detached parts of the slab, where a circular pattern of strong mantle flow and anisotropy can be observed. At last, a P-wave tomography study of the Eastern Mediterranean region, focusing on the upper mantle, with a large data set was performed. Since strong anisotropy with complicated direction pattern is present in the region, especially due to the active subduction system, a method, first tested on synthetic models, was used to correct the models for anisotropy. The anisotropy of 3D mantle convection simulations and SWS measurements from the literature are taken as a priori constraints to correct P-wave arrival times. Isotropic inversions, as well as the models corrected for anisotropy, show the half-arc shape of the subducting slab in the Aegean, the detached slab in eastern Anatolia, and the slab appears to be fragmented in a few locations. A horizontal tear in western Greece, a deep and pronounced vertical tear in western Anatolia, and a sub-horizontal tear between the eastern and western Cyprian slab can be identified. The steeply dipping Aegean slab flattens around 410 km till the model depth boundary at 750 km and is connected to the Cyprian slab, which does not reach lower than 500 km. Beneath eastern Anatolia, high-velocity anomalies indicate the existence of some Bitlis slab fragments, while a shallow high-velocity anomaly in northern Anatolia (<150 km) might represent a remnant slab from a Neotethyan subduction process. Slow-velocity perturbations beneath volcanic region in central and eastern Anatolia are most probably related to upwelling mantle material. Spatially large first-order velocity perturbations are stable and similar in all three models, but small differences in geometry or strength can be detected when comparing the isotropic model with the anisotropy corrected models. Discrepancies in velocity perturbations reach up to 2% locally; however, the variance reduction only increases minimal, when correcting for anisotropy. It appears that the mostly homogeneous and horizontal anisotropy does not affect the inversion immensely, except in the active slab region, where anisotropy with a dipping and vertical axis of symmetry is present. Adding anisotropy from simple SWS measurements might not influence tomography results immensely due to the horizontal alignments of the splitting parameters. While the anisotropy retrieved from the numerical model allows vertical, multiple layers, and complex anisotropy patterns, the model might not represent the regional settings completely correct. Nevertheless, adding anisotropy enhances P-wave inversions and should be considered when interpreting velocity perturbations in regions with active or fossil subduction slabs.
Parçacık sürü optimizasyonu ile pareto yaklaşımının birleştirilerek çok amaçlı optimizasyon problemlerinin çözümü ve Çanakkale-Tuzla hidrotermal sistemin manyetotellürik verileri ile modellenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2020-12-11) Büyük, Ersin ; Karaman, Abdullah ; 505142402 ; Jeofizik Mühendisliği ; Geophysical Engineering

Jeofizik modelleme çalışmalarında veri ile model tepkisi arasındaki farkı optimize eden ve temeli optimizasyon algoritmalarına dayanan ters çözüm teknikleri yıllar geçtikçe ihtiyaca göre değişim göstermiştir. 1980'lerden itibaren genel olarak en küçük kareler yöntemi çoğu jeofizik ters çözüm modelleme çalışmalarında uygulanmaya başlanmıştır. Sonrasında temeli en küçük karelere dayanan birçok yöntem modelleme çalışmalarında kullanılmaya devam etmiştir. Ancak bu klasik ters çözüm modelleme yöntemlerinde doğrusal olmayan karmaşık modellerin doğrusallaştırma problemi de meydana gelmektedir. Son yıllarda doğrusallaştırmadan dolayı ortaya çıkan problemleri gidermek üzere türeve bağlı yöntemler ve türeve bağlı olmayan arama yöntemleri olmak üzere iki yöntem üzerinde durulmaktadır. Türeve bağlı yöntemlerin lokal minimumda kalarak global minimuma ulaşamaması ve karmaşık modellerin türevlerini elde etmede yaşanan sıkıntılar modelleme çalışmalarında her zaman zorluk oluşturmuştur. Ayrıca lokal minimumda tuzaklanma durumu şiddetli bir şekilde başlangıç modelinin doğruluğuna bağlıdır. Meta sezgisel ve akıllı global algoritmalardan biri olan parçacık sürü optimizasyonunun (PSO) karmaşık ve doğrusallaştırılması mümkün olmayan jeofizik modelleme çalışmalarında uygulanabilirliğini görmek adına bu tez çalışması gerçekleştirilmiştir. PSO algoritması kuş ve balık sürülerinin hareketlerinden esinlenerek geliştirilmiştir. Sürüdeki her bir birey parçacık olarak tanımlanmakta ve bu parçacıkların her biri birer modeli temsil etmektedir. Parçacıklar temsil ettiği model tepkisi ile veri arasındaki farkı gösteren amaç fonksiyonu uzayında yer almaktadır. Her parçacık diğerleri ile etkileşim halinde kalarak hız ve pozisyonlarını değiştirerek lokalde tuzaklanmadan global minimuma ulaşmaktadır. PSO'nun karmaşık modellerde dahi kullanılabildiğini görmek adına bir test çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada modeli doğrusallaştırılamayacak bir denklemden hareketle madenlerde ortaya çıkan yer altı su düşüşü ölçümlerinden hidrojeolojik parametrelerin kestirimi gerçekleştirilmiştir. PSO, kendisi gibi global optimizasyon yöntemlerinden biri olan genetik algoritma ile çoğu çalışmada karşılaştırıldığından, test çalışmasından elde edilen sonuçlar her iki yöntemde karşılaştırılmıştır. Bu test çalışması sonucunda her ne kadar model denklemi oldukça karmaşık ve doğrusallaştırılması mümkün olmasa bile PSO ile başarılı bir şekilde sonuca ulaşılmıştır. Ayrıca PSO'dan elde edilen sonuçlar genetik algoritmaya göre daha hızlı yakınsama göstermekte ve parametre kestirimi daha güvenilir bir şekilde sonlandığı görülmektedir. PSO sayesinde başarılı sonuçlar elde ettikten sonra jeofizik birleşik ters çözüm çalışmalarında nasıl bir işlevi olacağı üzerinde durulmuştur. Birleşik ters çözüm modelleme çalışmaları çok çözümlülüğü azaltmak için farklı fiziksel hassasiyetleri olan veri kümelerinden hareketle ortak bir modelin üretilmesine dayanan modelleme yaklaşımıdır. Çok amaçlı optimizasyon olarak da adlandırılan birleşik ters çözümde, birden fazla veri setinin minimizasyonunu sağlanacağından amaç fonksiyonu uzayı da birden fazla eksenle ifade edilmektedir. Bu durumda çözümler arasında ödünleşim denen, bir veri setinde kazanç oluşturan minimizasyon sağlanırken diğerinde kayba sebep olan maksimizasyon durumu gerçekleşir. Bu durumda farklı veri gruplarına uygulanan ağırlıklandırma oldukça sübjektif olmaktadır. Bununla birlikte verilerin kalitesi ile birlikte değişen güvenilirlikten dolayı uygulanacak ağırlıklandırma miktarı da kestirilememektedir. Bu çalışmada Pareto optimalite yaklaşımı ile ağırlıklandırmaya gerek duymadan farklı veri setlerinin hem ortak hem de bireysel en iyi çözümleri elde edilebileceği düşünülmüştür. Bunun için PSO yöntemi Pareto optimalite yaklaşımı ile entegre edilerek Pareto PSO için ikinci bir test çalışması daha gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada farklı hassasiyetleri olan Rayleigh dalgası dispersiyonu ve yatay/düşey spektral oran eğrilerinden oluşan sismolojik veriler kullanılmıştır. Hem sentetik hem de saha verisi üzerinde uygulanan bu çalışmanın sonucunda oldukça uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Ağırlıklandırmaya gerek kalmadan farklı hassasiyetleri olan bu iki veri grubunun hem ortak çözümü hem de veri setlerinin bağımsız en iyi çözümleri başarılı bir şekilde elde edilmiştir. Bu test çalışması literatürde Pareto PSO'nun böyle sismolojik veriler üzerinde uygulandığı ilk çalışma olmuştur. Ayrıca çalışmanın başarılı bir şekilde uygulanması için yeni bir arama uzayı yaklaşımıda tanımlanmıştır. Jeolojisi ve hidrotermal sistemi oldukça karmaşık olan Çanakkale-Tuzla jeotermal sahasında alınan manyetotellürik verilerinin klasik ters çözüm teknikleri ile modellenmenin oldukça sıkıntılı olacağı düşünülmektedir. Çünkü literatürde manyetotellürik verilerinin modellenmesinde kullanılan yöntemler de genellikle türev bazlı, başlangıç modeline bağlı kalan ve lokal minimumda tuzaklanan algoritmalardan oluşmaktadır. Ancak bu çalışma da manyetotellürik saha verisine uygulanacak PSO yöntemi sayesinde de bu sıkıntılardan bağımsız sonuçlar elde edileceği öngörülmüştür. Öncelikle PSO ile bir boyutlu modelleme gerçekleştirilerek çalışma sahasındaki hidrotermal sistemin en iletken yapısı olan örtü kayaç yapısı ortaya koyulmuştur. Sonrasında bir boyutlu PSO modelleme sonuçları referans alınarak Pareto PSO ile farklı hassasiyetlere sahip manyetotellürik TE ve TM modları kullanılarak birleşik ters çözüm ile iki boyutlu modelleme yapılmıştır. Uygulanan iki boyutlu modelleme sonucunda ise çalışma sahasındaki hidrotermal sistemin bir diğer bileşeni olan fay/kontak yapıları belirlenmiştir. Modelleme aşamalarında klasik MT modelleme çalışmalarında kullanılan empedans tensöründen ziyade faz tensörü kullanılmıştır. Böylece empedans tensörlerinde gözlemlenebilen bozunumdan bağımsız faz tensör verileri kullanılarak daha güvenilir model sonuçları elde edilmiştir. Bu tez çalışması sonucunda PSO ve Pareto PSO'nun jeofizik modelleme çalışmalarında rahatlıkla kullanılabileceği görülmektedir. Başlangıç modeline bağlı kalmayarak lokalde tuzaklanmayan, türev ve doğrusallaştırma olmadan global çözüme ulaşan PSO ile tüm jeofizik veriler modellenebilecektir. Ayrıca Pareto PSO sayesinde birleşik ters çözüm çalışmalarında ağırlıklandırmaya gerek kalmadan hem verilerin bağımsız en iyi çözümleri hem de ortak en iyi çözümü güvenilir bir şekilde elde edilebilecektir.

Gözat

Son Başvurular