Alaşehir Grabeninde Sismik Modelleme Çalışması

Abstract

Tez çalışması kapsamında Batı Anadolu’da yer alan ve önemli graben sistemlerinden birisi olan Alaşehir Grabeni’ne ait derinlik modelinin yapay sismik yansıma kesitleri şeklinde sunulması amaçlanmaktadır. Bu amaç için jeofizikte modellemede düz problem çözümü kullanılarak, ışın izleme yöntemiyle kesitler zaman ortamında, yığma ve göç kesitleri şeklinde elde edilmiştir. Jeofizikte düz çözüm yöntemiyle jeolojik modele ait jeofiziksel cevap elde edilmektedir. Sismik yansıma yönteminde de genel olarak düz problem çözümü kullanılmaktadır. Bu çalışmada da Alaşehir Grabeni’ne ait derinlik modelinin sismik cevabı, yapay yığma ve göç kesitleri şeklinde sunulmuştur. Alaşehir Grabeni özellikle sahip olduğu jeotermal potansiyel kaynağı açısından son zamanlarda daha fazla dikkat çeken ve araştırılan bir alan olmuştur. Tez çalışmasında genel olarak önceki çalışmalar ve sonuçları ile birlikte en güncel yazılan kaynaklar kullanılmıştır. Bu kaynaklardan grabeni oluşturan ana yapılar, formasyonlar, formasyonlara ait sismik hızlar, grabeni dolduran birimlerin evrimi gibi temel bilgiler elde edilmiştir. Bu temel bilgiler ışığında grabeni temsil eden bir derinlik modeli öngörülmüştür. Alaşehir Grabeni için formasyon bilgileri N.B.Çiftçi (2007) tarafından yazılan doktora tezinden, formasyonlara ait sismik hızlar ise D. Demircioğlu-Kolenoğlu (2009) tarafından yazılan yüksek lisans tezinden bölgede TPAO tarafından açılan Alaşehir-1 sondaj kuyusunda yapılan kuyu atışları (check-shot) ve sondaj bilgileri dikkate alınarak kullanılmştır. Alaşehir-1 sondaj kuyusu, bölgede açılan diğer sondaj kuyularına nazaran grabenin temeline inen kuyu olması nedeniyle ayrı bir önem taşımaktadır. Kaynaklarda grabeni oluşturan ana yapısal unsurlar, formasyonlar ve bunların geometrileri sismik kesitler şeklinde de desteklenmiştir. Bu bilgiler dikkate alınarak Alaşehir Grabeni’ni temsil eden bir derinlik modeli oluşturulmuştur. Derinlik modelinde grabenin güney kenarını sınırlayan, eğimi derinlere doğru düşen listrik fay özelliği gösteren ana fay, grabenin en önemli yapısıdır. MGBF olarak adlandırılan bu fay aynı zamanda yokuş-düzlük geometrisine sahiptir. Grabeni oluşturan bir diğer önemli yapı ise, kuzey kenarını sınırlayan ve MGBF’ nin antitetik fayı olma özelliğini gösteren Kuzey sınır fayıdır. Bu fay, ana faya nazaran daha dik bir eğime sahiptir. Graben içerisinde yarım graben sistemlerinde gelişen antitetik ve sintetik fayları temsilen, graben tortul birimlerini kesen kuzey kenarında iki adet antitetik ve güney kenarına doğru ana faya paralel bir adet sintetik fay modelde oluşturulmuştur. Ayrıca grabenin güney kenarında normal faylarla sınırlandırılmış sintetik fay yapıları da görülmektedir. Alaşehir Grabeni, beş farklı formasyon içeren sedimanter örtü kayaçlarından ve metamorfik temel kayaçlardan oluşmaktadır. Grabeni dolduran sedimanter örtü kayaçları rollover geometrisine sahip olup, ana faya doğru yelpaze şeklinde uzanan ve kalınlıkları güneyden kuzeye doğru incelen tabakalanma göstermektedirler. Formasyonlara ait sismik hız değerleri kuyu atışları sonucu elde edilen sismik ara hız değerleridir ve her bir formasyon için ayrı ayrı belirlenerek derinlik modelinde gösterilmiştir. Metamorfik temel için de sismik ara hız 5000 m/ sn olarak belirtilmiştir. Derinlik modelinin oluşturulmasından sonraki adım, bu modelin sismik cevabını, yapay yığma ve göç kesitleri şeklinde elde etmektir. Düz çözüm yöntemiyle ışın izleme modellemesi kullanılarak derinlik modeli iki boyutlu yapay sismik yansıma kesitleri şeklinde sunulmuştur. Yığma kesitinin oluşturulması için öncelikle bölgeye ait hız/derinlik modelinin tanıtılması gerekmektedir. Burada grabeni oluşturan ve derinlik modelinde gösterilen bütün yapılar yüzeyden derine doğru sismik ara hız ve derinlik bilgileri kullanılarak veri işlem paketindeki ilgili modüllerce tanıtılmış ve veri tabanına kaydedilmiştir. Bu adım bir veri işlem adımı değildir. Sadece modellemede kullanılmak üzere gerekli olan bir ön işlemdir. İki boyutlu hız/derinlik modelinin tanıtılmasıyla ışın izleme yöntemi kullanılarak belirtilen ışın tipine göre ışın yolları üretilmiş, yansıma katsayıları ve çift-yol seyahat zamanları hesaplanmış, süzgeçleme ile dalgacık biçimi kazandırılarak Alaşehir Grabeni’ne ait derinlik modelinin yapay yığma kesiti elde edilmiştir. Yığma kesitine gürültü ilave edilmiş ve gürültü veriler üzerinden göç veri işlemi yapılarak yorumlama aşaması gerçekleştirilmiştir. Işın tipi olarak difraksiyon üreten ışın yolu seçilmiştir. Bunun nedeni ilk olarak derinlik modelinde faylar gibi keskin köşelerin bulunduğu yapıların olması bir diğer nedeni ise, yığma kesitine uygulanılacak olan göç işleminin bu saçılma enerjisi üzerindeki etkisini ortaya koymaktır. Yığma kesitinde fayların formasyonlarla kesiştikleri yerlerde, antitetik ve sintetik faylanmaların olduğu yerlerde saçılma enerjisinin baskın olduğu görülmüştür. Grabenin tabanını oluşturan Alaşehir formasyonu ise yığma kesitinde derinlik modelinde olduğundan daha dar görülmektedir. Ayrıca güney kenarını sınırlayan ana fay ile kuzey sınır fayının kesiştikleri yansıma yüzeyi aradaki düşük hız farkından dolayı zaman ortamında arayüzeyi sanki yukarı yükseltilmiş gibi metamorfik temele ait arayüzeye yakın yansıma yüzeyi şeklinde görülmüştür. Bu etkilerin giderilmesi adına yığma sonrası zaman migrasyonu ile göç veri işlemi uygulanmıştır. Göç veri işleminde pseudo-hız analizi ile derinlik modeli dikkate alınarak belirli CDP noktalarında hız analizi değerleri çift/tek yol seyahat zamanlarına karşılık hız değerleri kullanılarak yapılmıştır. Kuyu atışından elde edilen sismik ara hız değerlerinden ortalama ve RMS hız değerleri matematiksel bağıntıları dikkate alınarak hesaplanmıştır. Genel olarak bu farklı üç sismik hız için göç veri işlemi test edilmiştir. Elde edilen göç kesitlerinde difraksiyonlara bağlı olarak meydana gelen saçılma enerjilerinin tamamen ortadan kalktığı görülmüştür. Fayların yerleri daha belirgin hale gelmiş, eğimli olaylar gerçek yerlerine taşınmıştır. Üç farklı hız için göç kesitleri karşılaştırıldığında, ara hızlar kullanılarak elde edilen göç kesitinin derinlik modeline en yakın sismik cevabı ürettiği gözlenmiştir. Ortalama hızlarda, özellikle güney kenarını sınırlayan ana fayın eğimi derinlere doğru değişirken, tortullar içerisinde bulunan antitetik ve sintetik fayların eğimlerinin ve yerlerinin ara hız sonuçlarına göre değişim gösterdiği sonucu elde edilmiştir. RMS hızları kullanıldığında ise, grabenin kuzey kenarında gözlenen ana yapıların derinlere doğru tamamen bozulduğu, arayüzeylerden gelen yansımaların ve fayların yerleri hakkında yorum yapılmasının güçleştiği sonucu elde edilmiştir. Bu çalışmada hız analizi veri tabanına tanımlanırken, derinlik modeli dikkate alınarak yapılardaki değişimlere göre CDP aralıları dar/geniş olarak seçilmiştir. Ancak veri üzerinden yapılan hız analizinde doğru hız değerlerinin seçilmesi, doğru yığma ve göç kesitlerinin elde edilmesinde önemli bir veri işlem adımını oluşturmaktadır. Bütün modelleme sonuçları İstanbul Teknik Üniversitesi Jeofizik Mühendisliği bölümünde lisanslı olarak bulunan Disco/Focus (v.5.0) sismik veri işlem paketi ile gerçekleştirilmiştir.

In this thesis, synthetic stacked seismic section and corresponding migrated sections with different velocity models are generated by seismic modeling method for a depth model which refers to Alasehir Graben in western Turkey. For this purpose, stacked section was obtained by ray tracing method in terms of forward modeling. Forward problem in geophysics begins with an definition of the subsurface-model and derives the seismic response. It is also possible to do the opposite, i.e. the inverse problem. However, in seismic reflection method forward problem solution in more preferred. The study area, east-west trending Alasehir Graben, is one of the prominent structures in western Turkey and proved to have geothermal energy potential by researchers and exploration companies. In this study, previous published research articles in the literature were used. Basic information such as main structures that forms Alasehir Graben, geological formations, seismic velocities for formations, evolution of Alasehir Graben, geometries of main structures were acquired from these references. A representative depth model of Alasehir Graben was composed using these informations. For Alasehir Graben, geological formations were used from a doctoral thesis written by N.B.Çiftçi (2007), seismic velocities related to geological formations were used from M.Sc. thesis written by D. Demircioğlu-Kolenoğlu (2009). In the study area, three wells have been drilled by TPAO. All three boreholes intersect the Alasehir formation which is the deeper part of the Graben, but only Alasehir-1 borehole reached to the metamorphic basement of the Alasehir formation by cutting Evrenli member. From check-shots carried out in Alaşehir-1 borehole by TPAO and the seismic interval velocities obtained from the check-shots related to the geological formations were used in the seismic modeling. Alasehir Graben is one of the best-developed graben system in western Turkey. Outcrop observations are supported by not only subsurface data but also drilled wells and a two-dimensional (2D) seismic survey. Detailed analysis of the deformation and depositional chracteristics of the surface data were presented in Çiftçi and Bozkurt 2009a,b, and 2010 papers. In response to continental extension, graben basins are dominated neotectonic units of western Turkey. Basins are filled with Neogene to recent strata. Alasehir Graben is bounded by two major fault systems at its southern and northern margins and extends more than one hundred km along Gediz River floodplain. The most important structure is master graben bounding fault (MGBF) in the southern margin of the Alasehir Graben. The second main structure is northern bounding structure, called the antithetic fault to the MGBF, has a high angle normal fault characteristic. The graben evolved as a half graben with an active southern margin during Miocene. MGBF is a crucial contact between sedimentary cover units and the metamorphic basement. It is documented that approximately N-S oriented extension controlled faulting during accumulation of graben fill. MGBF geometry also can be defined as flat-ramp geometry. This interpretation is also considered from seismic sections. Seismic sections also emphasize the asymmetric nature of the graben that depocenter is located close to MGBF, fault pattern and depositional geometry of the graben. Generally, it is considered that the thickness distribution of the sedimentary units represents a thinning towards the north. MGBF is still most predominant structure while the northern margin structure remains its second order antithetic structure. Flat-ramp geometry also generates roll-over on the hanging wall. Ramp folding is a consequence of listric faulting and roll-over occurs. To thin the section in the roll-over and to generate the roll-over geometry leads to the formation of antithetic faults with a variety of dip geometries. Migration of the antithetic faults towards hanging wall occurs synthetic fault. In the depth model of Alasehir Graben, MGBF and its antithetic fault (northern margin bounding fault) geometries are shown as considered under these informations. The litostratigraphic units represent the graben fill exposed along the southern margin where the most active graben bounding structures. The rock units in Alasehir graben is classified into two groups as a basement and sedimentary units. Metamorfic rocks belongs to Menderes massif. The cover units of the Alasehir graben comprise Miocene to recent continental clastic rocks which were acumulated in lacustrine, alluvial and fluvial depositional enviroments. From basement to the surface, five different stratigraphic units constitute graben fill which are called Alaşehir Formation, Çaltılık Formation, Gediz Formation, Kaletepe/Bintepeler Formation and Quaternary Alluvium. The Alaşehir formation is the oldest Neogene unit along the southern margin of the graben with Evrenli and Zeytinçay members. Çaltılık formation overlies the Alaşehir formation with more than 1000 m thick sediments. The Gediz formation overlies Çaltılık formation with approximately 700 m. As Bintepeler formation is the sedimentary unit along the northern margin. Kaletepe formation is exposed extensively along southern margin of the Alasehir Graben. The Quaternary deposits are dominated by fluvial sediments of the Gediz River. All the sedimentary units thicknesses get thinner from the southern margin to the northern margin of the Alasehir Graben with roll-over geometry. Seismic interval velocities that related to formations were determined from check-shots in Alasehir-1 borehole. Interval velocity of metamorfic basement is 5000 m/sn, Alaşehir formation is 3553 m/sn, Çaltılık formation is 3048 m/sn, Gediz formation 2966 m/sn, Kaletepe/Bintepeler formation 2324 m/sn and Quaternary Alluvium is 1839 m/sn. Available seismic data provided further informations about the evidence to depositional geometries of the graben fill. Three different seismic stratigraphic units were interpreted from these seismic sections. Interpretations of 2D seismic sections provided to understand the geometries, lateral variations, contact relations, depositional pattern and deformations of the stratigraphic units. According to the results of borehole, check-shots and seismic reflection sections, such as main structures, their geometries, formations and formation geometries were taken into consideration when the depth model of the Alasehir Graben was constructed. The purpose of the thesis study is to present a depth model to make a synthetic seismic reflection section such as stacked section and migrated sections. For this purpose, Disco/Focus (v.5.0) seismic software was used at Istanbul Technical University, Geophysical Engineering Department. Before generating a stack section, 2D velocity/depth model should be defined. The depth model must be identified before ray tracing method. The module which is called Velmod is used to define velocity/depth model of the Alasehir Graben. The most important parameter in this module is the Horizon . According to depth model which is the representative of Alasehir Graben, all the structures were introduced from surface to the basement with their depths and seismic interval velocities to be entered into the data base. The second step is the ray trace modeling. Ray tracing modeling in the software is carried out with Modray module. In this step, raypaths are produced, reflection coefficients and two-way travel times are calculated and wavelet shaping is carried out with band-pass filtering and finally stacked section of the Alasehir Graben is obtained and also random noise is added to this stack section. In this study, the raypath is chosen as a diffraction with parameter Dıffract . Diffractions occur where reflectors are truncated. The most common association is with faults. In the depth model, we have two main faults and antithetic and synthetic faults. And also this study aims to exhibit the result of migration process on the diffractions. The stacked section is obtained by using seismic interval velocities. However, migration sections are generated with different velocity models. From interval velocities, average velocities and RMS velocities were calculated for the formations in order for how the general features of the geological model may change against different seismic models to be examined after the migration. Post-stack time migration method is used with Migratx module in the software. By using this module for post-stack migration, finite-difference migration method is applied. For the migration, pseudo-velocity analysis is applied for approximately at 25 CDP points which expose the variations in the depth model. According to these variatios, pseudo-velocity analysis is identified more frequently especially along northern margin for antithetics and southern margin for synthetics and MGBF. General interpretation have been made after getting migrated sections that obtained by using three different velocities and stacked section with noise. Such as faults, dipping events in the depth model are not seen in their real locations in the stacked section. When we compare stacked section and depth model, dominant diffractions occur due to faults and formations end points that intersect with MGBF. So, it is not easy to make an interpretation about fault planes in the stacked seismic section. In the stacked section, Alasehir formation seems much more narrow than what it is in the depth model. In the depth model, MGBF and northern-bounding fault intersect each other at deeper part. It is thought that reflection of northern margin-bounding fault interface can not be recognized in the seismic reflection section. Because it lies through the metamorfic basement. That’s why gentle velocity contrast is introduced between metamorfic basement and northern- margin bounding fault. In the stacked section with noise, it seems like seismic pitfall. Because, this gentle velocity contrast constitute small variation in time domain. So it can be stated that there are too many differences between depth model and stacked section with noise. To remove these effects, post-stack time migration is applied to the stacked section with noise by using three different seismic velocities. Seismic migration moves events to their correct spatial locations and collapse energy from diffractions back to their scattering points. This features of migration can be distinguished in the migrated sections. All the diffractions are removed and fault planes can be seen more clear and noticable. This result is acquired by using interval velocities which are obtained from check-shots. In the migrated section, when we used average velecities, MGBF plane extends to the depth. Also in the northern margin of the graben, slopes and locations of antithetic fault planes changes in the migrated section. The other way of obtaining migrated section by using RMS velocities provided a section for which to make an interpretation quite hard especially for the main structures along the northern margin of the graben and reflections related to formations. To apply a depth conversion is suggested after the migration step for precise comparision of the Alasehir Graben seismic sections.