Monitoring of surface deformation in northwest turkey from high resolution insar : Focus on tectonic aseismic slip and subsidence

Abstract

Geohazards, such as earthquakes, land subsidence and uplift, ground settlement, landslides and volcanoes cause static and/or dynamic surface deformation and pose major threat to human life and structures. Especially in earthquake-prone areas, understanding the spatial and temporal evolution of surface displacement and the underlying mechanisms responsible for these displacements is of great importance for geohazard mitigation. The Anatolian plate is bounded by the right-lateral North Anatolian Fault (NAF) and the left-lateral East-Anatolian Fault to the north and east-southeast of Turkey, respectively. It is moving westward due to the convergence of the Arabian and Eurasian plates and the slab subduction at the Hellenic Trench. The 1600-km-long NAF is a major continental strike-slip fault, known as one of the most prominent active faults in the eastern Mediterranean region, with an average slip rate of 24±2 mm/yr. This right-lateral fault ruptured between 1939 and 1999 in a sequence of eight M>7 earthquakes, with a westward migration that started near Erzincan in the east and reached the western shore of Marmara Sea in the west. This migration has been explained by the Coulomb stress transfer during and between successive earthquakes along fault strike. Between the western end of this sequence, and the eastern end of the 1912 earthquake to the east of the Marmara sea, a ~70 km-long section of the NAF defines a major seismic gap very close to the megacity of Istanbul. Assessment of seismic hazard in the Marmara sea region suggests that a large and destructive earthquake (M>7) may occur with a probability of 35-70% in the next 30 years on this fault section, 20 km south of Istanbul. Refined assessment of seismic hazard, from precise measurements of tectonic ground deformations in particular, is therefore profoundly important for prevention of any widespread damage and destruction in the region. This region is also affected by an important population growth and industrial and land exploitation development, implying other types of hazards. The aim of this thesis is therefore centered on the detection and monitoring of surface deformation in northwest Turkey induced by a variety of natural (such as tectonic activity, slow moving-landslides, etc.) and anthropogenic (ground water extraction, construction activities, etc.) hazards and on the analysis of the related deformation mechanisms and their environmental consequences. In this work, I computed Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) time series to examine ground deformation evolution for three different case studies associated to different geophysical phenomena and underlying processes. The focus of this thesis is two-fold : (1) to reveal and monitor the spatio-temporal characteristics of aseismic slip along the August 17, 1999 Mw 7.4 Izmit earthquake rupture, and discuss its potential relationship with lithology and geology (2) to investigate ground subsidence in urban or human-exploited areas induced by various factors, and discuss the relative roles of tectonics, lithology and anthropogenic activities in such ground motion. In the first case-study, I combined InSAR measurements, based on X-band TerraSAR-X and C-band Sentinel-1 A-B radar images acquired over the period 2011-2017, with near field GPS measurements, performed every 6 months from 2014 to 2016, as well as creep meter measurements to examine the surface velocity field around the NAF after the 1999 Izmit earthquake. In this study, the Stanford Method for Persistent Scatterers InSAR package (StaMPS) was employed to process series of Sentinel 1 A-B (acquired along ascending and descending orbits) and TerraSAR-X (ascending orbits) radar images. The InSAR horizontal mean velocity fields reveal that the creep rate on the central segment of the 1999 Izmit fault rupture continues to decay, more than 19 years after the earthquake, in overall agreement with models of postseismic afterslip rate decaying logarithmically with time. Along the fault section that experienced a supershear velocity rupture during the Izmit earthquake, creep continues with a rate up to ~ 8 mm/yr. A significant transient event with accelerating creep is detected in December 2016 on the Sentinel-1 time series, consistent with creepmeter measurements, near the maximum creep rate location. It is associated with a total surface slip of 10 mm released in one month only. Complementary analyses of the vertical velocity fields show a persistent subsidence on the hanging wall block of the Golcuk normal fault that also ruptured during the Izmit earthquake. Our results demonstrate that afterslip processes along the North Anatolian Fault east-southeast of Istanbul are more complex than previously proposed as they vary spatio-temporally along the fault. The second case study deals with the identification and measurement of secular ground deformation in Istanbul from a long-term InSAR time-series spanning almost 25 years of satellite radar observations (1992-2017). This InSAR time series was computed from radar images of multiple satellites (ERS-1, ERS-2, Envisat, Sentinel-1 A, B) in order to investigate the spatial extent and rate of ground subsidence in the megacity of Istanbul. By combining the various multi-track InSAR datasets (291 images in total) and analysing persistent scatterers (Ps-InSAR), we present mean line of sight velocity maps fields and project them into ground surface velocity maps in selected areas of Istanbul. Various sites along the terrestrial and coastal regions of Istanbul are found to be undergoing vertical ground subsidence at varying rates from ~5 mm/yr to ~15 mm/yr. The results reveal that the most distinctive subsidence patterns are associated with both anthropogenic factors and relatively weak lithologies along the Haramirede valley in particular, where the observed subsidence is up to ~10 mm/yr. We show that subsidence has been occurring along the Ayamama river at a rate of up to ~10 mm/yr since 1992, and has also been slowing down over time following the restoration of the river and stream system. We also identify subsidence at a rate of ~8 mm/yr along the coastal region of Istanbul which we associate with land reclamation, as well as a very localised subsidence at a rate of ~15 mm/yr starting in 2016 around one of the highest skyscrapers of Istanbul, that was built in 2010. In the third case study, InSAR time-series analysis is calculated for quantifying the subsidence of the Bursa Plain (southern Marmara region of Turkey), which has been interpreted as resulting from tectonic motions in the region. In this study, the StaMPS is employed to process series of Sentinel 1 A-B radar images acquired between 2014 and 2017 along both ascending and descending orbits. The vertical velocity field obtained after decomposition of line-of-sight velocity fields on the two tracks reveals that the Bursa plain is subsiding at rates up to 25 mm/yr. The most prominent subsidence signal in the basin forms an east-west elongated ellipse of deformation in the east, and is bounded by a Quaternary alluvial plain undergoing average vertical subsidence at ~10 mm/yr. Another localized subsidence signal is located 5 km north of the city, following the Bursa alluvial fan, and is subsiding at velocities up to 25 mm/yr. The comparison between temporal variations of the subsiding surface displacements and variations of the water pressure head in the aquifer allows estimation of the compressibility of the aquifer, α. It falls in the range of 0.5×〖10〗^(-6)-2×〖10〗^(-6) Pa−1, which corresponds to typical values for clay and sand sediments. We find a clear correlation between subsidence patterns and the lithology, suggesting a strong lithological control over the observed subsidence. In addition, the maximum rate of ground subsidence occurs where agricultural activity relies on groundwater exploitation. The InSAR time series within the observation period is well correlated with changes in the depth of the ground water. These observations indicate that the recent acceleration of subsidence is mainly due to anthropogenic activities rather than tectonic motion. Finally, this dissertation emphasizes the potentialities of the methodology of InSAR time-series analysis to efficiently map millimetre-scale deformation for different geophysical phenomena along the selected region in northwest Turkey. To better understand the mechanism of crustal deformation and differentiate slow surface deformations driven by human and regular tectonic activities, further work, complementary to InSAR, would be required to enable the monitoring and forecasting of region-wide geohazards.

Deprem, toprak kayması, zemin kabarması, volkanlar ve otumalar, yer yüzeyinde statik ve/veya dinamik yüzey hareketlerine sebep olmakta ve bu insan hayatı ve yapılar üzerinde ciddi tehdit oluşturmaktadır. Özellikle, deprem tehlikesinin yüksek olduğu bölgelerde, bu gibi yüzey deformasyonlarının altında yatan jeofiziksel olguların konumsal ve zamansal ölçekte gelişiminin anlaşılması, afet zararlarının azaltılması açısından büyük önem taşımaktadır. Anadolu Plakası, kuzeyden sağ yanal atımlı Kuzey Anadolu Fayı (KAF) ve güney-doğuda sol yanal atımlı Doğu Anadolu Fayı (DAF) ile çevrelenmiş olup, Arap levhasının Avrasya levhasına doğru yaklaşması ve de Helen yayının çekilmesi sonucu batıya doğru hareket etmektedir. 1600 km uzunluğundaki Kuzey Anadolu Fayı, yıllık 24±2 mm'lik bir kayma hızına sahip kıtasal yanal atımlı bir fay olup, doğu Akdeniz bölgesindeki en aktif faylardan biri olarak bilinmektedir. KAF, 1939 ve 1999 yılları arasında büyüklüğü 7 den büyük olan batı-yönlü 8 adet deprem dizisi ile kırılmaya uğramıştır. Bu deprem dizisi, 1939 yılında doğuda Erzincan Depremi ile başlamış ve batıda 1999 yılında İzmit Depremi ile Marmara denizinin bati ucuna ulaşmıştır. NAF boyunca gözlenen ve art arda meydana gelen batı yönlü bu deprem göçü, Coulomb gerilme transferi ile açıklanmaktadır. Mevcut durumda, bu deprem dizilerinin batı ucu Marmara Denizi'nin doğusuna dayanmaktadır ve Marmara denizi içinden geçen kırılmayı bekleyen segment bölgede son derece ciddi bir sismik boşluk olarak tanımlanmakta ve İstanbul metropol şehrine ve civardaki diğer yerleşim yerlerine yakınlığı dolayısı ile büyük bir risk oluturmaktadir. Marmara Bölgesi'ndeki sismik risk analizleri, önümüzdeki 30 yıl içerisinde bölgede büyük ve yıkıcı (M>7) deprem olma olasılığını %35-70 arasında olarak tespit etmiştir. Bu yüzden detaylı sismik tehlike analizleri ve bölgedeki yüzey deformasyonlarının yüksek hassasiyet ve sıklıkta ölçülmesi, bölgede meydana gelmesi beklenen deprem kaynaklı büyük bir afetin önlenmesi ve azaltılmasında hayati bir öneme sahiptir. Bu etkenler göz önünde bulundurulduğunda, yukarıda değinilen sebeplerle bu tez çalışması, Marmara Bölgesi'ndeki antropojenik (insan kökenli – yer altı suyu kullanımı, yeralti ve yer üstü yapıları vs.) ve doğal etkenlerden (tektonik hareketler vs.) kaynaklanan, küçük ölçekli yer hareketlerinin tespiti ve gözlenmesinin yanında bu deformasyon mekanizmasının analizine odaklanmaktadır. Bu tez çalışmasında Sentetik Açıklıklı Radar İnterferometresi (InSAR) zaman serileri tekniği kullanılarak farklı jeofiziksel olgulardan kaynaklanan yüzey deformasyonlarının zamansal ve konumsal gelişimi ve bu yüzey deformasyonlarının altında yatan mekanizma analiz edilmiştir. Bu tez çalışmasının iki temel odağı vardır: (1) 17 Ağustos, 1999 İzmit Depremi kırığı boyunca asismik kaymanın (krip) zamansal ve konumsal dağılımı ve litolojik ve jeolojik etkenlerin bu dağılım üzerindeki etkisinin analiz edilmesi; (2) kentsel bölgelerde çeşitli faktörlerden kaynaklı yüzey oturmalarının tektonik kaynaklı olup olmadığının incelenmesi. Bu tezin ilk vaka çalışmasında, 1999 İzmit Depremi'den 19 yıl sonra fay çevresi yüzey deformasyonlarının tespit edilmesi amacıyla, 2011-2017 yılları arasında (X-band) TerraSAR-X ve (C-band) Sentinel 1 A-B radar görüntülerinden StaMPS yöntemi ile elde edilen InSAR zaman serileri ve 2014-2016 yılları arasında her altı ayda bir fay civarında tatbik edilen GPS kampanya ölçümleri, krip metre verileri ile entegre edilmiştir. Elde edilen hız alanları incelendiğinde, 1999 İzmit kırığının merkez segmentinde gözlenen asismik kaymanın, depremden 19 yıl sonra da postsismik afterslip modeli ile uyum içerisinde logaritmik olarak azalarak devam devam ettiği görülmüştür. 1999 depreminde "Supershear" hızı ile kırılan segment boyunca gözlenen krip hızı ~ 8 mm/yıl civarındadır. Sentinel-1 verilerinden elde edilen zaman serileri analiz edildiğinde, 2016 yılı Aralık ayında, krip hızında ani bir artış tespit edilmiştir. Bu artış yüzeyde ~ 10 mm'lik bir kaymanın 1 aylık bir süre içerisinde gerçekleştiğini göstermiştir. Elde edilen düşey yönlü hız alanlarında yapılan analizlerde, deprem sırasında kırılan Gölçük normal fayının tavan bloğunda belirgin bir oturma sinyalı gözlenmiştir. Bu sonuçlar göstermektedir ki, İstanbul'un güney batı bölgesinde NAF boyunca gözlenen after slip kayma süreci düşünüldüğünden daha bir komplex yapıda olup, fay boyunca zamansal ve konumsal ölçekte farklılık göstermektedir. İkinci vaka çalışmasında, uzun dönem (1992-2017) InSAR zaman serileri kullanılarak İstanbul şehri ve çevresindeki yerel deformasyon ve yer değiştirme miktarlarının tespiti ve izlenmesi hedeflenmiştir. Bu çalışmada, farklı radar uydu sensörlerinden (ERS-1, ERS-2, Envisat, Sentinel 1 A-B) elde edilen yaklaşık 25 yıllık zaman serisi kullanılarak bölgedeki oturma sinyallerinin hızı ve bunların zamansal ve konumsal kapsamı analiz edilmiştir. Her bir veri setinden elde edilen hız alanları karşılaştırılarak, detaylı analiz edilmek üzere belirli bölgeler seçilmiştir. Karasal ve kıyısal alan boyunca tespit edilen bu bölgelerde oturma hızları 5 ± 1.2 mm/yıl ile15 ± 2.1 mm/yıl arasında değişlik göstermektedir. Seçilen bu bölgeler arasında konumsal kapsam ve hız olarak en belirgin oturma sinyali 10 ± 2.0 mm/yıl hızı hem antropojenik hem de litolojik faktörlerin rol oynadığı Haramidere vadisi boyunca gözlenmiştir. Ayamama vadisi boyunca 1992 yılından bu yana gözlenen oturma sinyali 10 ± 1.8 mm/yıl değerinde olup, dere yatağıın rehabilitasyonu sonucu oturma miktarında belirgin azalma tespit edilmiştir. İstanbul'un kıyı alanlarında dolgu yapılan bölgelerindeki oturma miktarlari ise yıllık 8 ± 1.2 mm olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, 2010 yılında inşa edilen İstanbul'un en yüksek binası çevresinde 15 ± 2.3 mm/yıl hızında son derece lokal bir oturma gösterdiği görülmüştür. Son olarak bölüm 6'da ele aldığımız vaka çalışmasında, Marmara'nın güneyinde yer alan ve bölgedeki tektonik aktiviteden kaynaklandığı öne sürülen, Bursa Havzası'ındaki yer hareketleri InSAR zaman serisi yöntemi ile analiz edilmiştir. Bu çalışmada da, diğer iki çalışma gibi 2014-2017 zaman aralığını kapsayan kuzey yönlü (ascending) ve güney yönlü (descending) Sentinel 1 A-B radar verileri StaMPS yöntemi ile analiz edilerek havzadaki deformasyonun zaman serisi elde edilmiştir. Her içi çerçevenin dekompozisyonu sonucu elde edilen düşey yönlü hız alanı, Bursa havzasının yılda 25 mm hızla çöktüğünü göstermektedir. Kuatarner alüvyal ova ile sınırlanan Bursa havzasındaki en belirgin oturma sinyali, ortalama 10 mm/yıl hızında olup, kuzey-güney yönlü elips formuna sahiptir. Bursa şehir merkezinin 5km kuzeyinde kalan bir diğer oturma sinyali ise 25 mm/yıl hızına sahip olup ve oldukça bir diğer lokal bir alanı kapsamaktadır. Yüzey deformasyon verilerinin zaman değişimi ile bölgedeki yeraltı su seviyesindeki zamansal değişim karşılaştırılarak, akiferin sıkışabilirlik (α) özelliğini kestirmek mümkündür. Bursa havzası için hesaplanan bu değer 0.5×〖10〗^(-6)-2×〖10〗^(-6) Pa−1 arasında olup, kil ve kum boyutunda sediman malzemesinden oluşan kayaçlar için beklenen sıkışabilirlik değerleri arasındadır. Bursa havzası boyunca gözlenen oturma sinyalinin konumsal bazda litoloji ile uyum içerisinde olduğu görülmüştür. Bu durum, oturmanın litolojik kontrollü olduğunu göstermektedir. Bunun yanında, oturma hızının maksimum olduğu bölgenin, yoğun yer altı su kullanımına dayanan tarımsal aktivite ile örtüşmesi, havzadaki su seviyesindeki değişimin, yüzeydeki deformasyon oluşumuna katkı sağladığını göstermektedir. Kaldı ki, InSAR zaman serisi ile su seviyesindeki değişimin benzer eğilim göstermesi bunu açıkça ortaya koymaktadır. Sonuç olarak bu çalışma göstermektedir ki, Bursa havzasında gözlenen çökme tektonik kaynaklı olmayıp, daha çok antropojenik kaynaklı bir vakadır. Bu tez çalışması, Türkiye'nin kuzey-batı bölgesinde belirli bölgeler içerisinde , farklı jeofiziksel olgulardan kaynaklanan milimetre mertebesindeki yüzey deformasyonu çalışmalarında InSAR zaman serisi katkısını vurgulamaktadır. Bölgesel jeotehlike analizlerinin hazırlanmasında, kabuk deformasyonu mekanizmasının daha iyi anlaşılması ve küçük ölçekli yüzey deformasyonlarının tektonik kaynaklı olup olmadığının belirlenmesi için InSAR çalışmalarına ek olarak daha fazla yeni araç ve teknik kullanılması gerekmektedir.