3-D velocity structure for the sea Marmara and surrounding region (NW Turkey) by using full waveform tomography

Abstract

Marmara Denizi ve Kuzeybatı Türkiye'nin kabuk ve üst-manto ölçeğinde 3-B yer yapısının yüksek çözünürlüklü sismik görüntüleme methodları ile incelenmesi, bölgenin aktif tektoniğinin ve jeodinamik evriminin anlaşılması için büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla, kuzeybatı Türkiye bölgesi için üç boyutlu (3-B) radyal anizotropik kesme dalgası hız modeli, doğrusal olmayan tam dalgabiçimi ters çözümü tomografisi ve eklenik (adjoint) yöntemler kullanılarak üretilmiştir. Çalışma alanı konumu itibariyle Kuzey Anadolu Fay Zonu (KAFZ) ve Ege açılma bölgesinin karşılıklı etkileşiminin hakim olduğu bir geçiş bölgesinde yer almaktadır. Bu nedenle bölgede çok yoğun deprem etkinliği ve aktif deformasyon gözlemlenmektedir. Bölgede meydana gelen çok sayıdaki orta ve büyük magnitüdlü, derin ve sığ odaklı depremler, sismik görüntüleme çalışmalarının üç boyutlu (3-B) yer yapısını başarılı bir şekilde elde edilmesine katkı sağlamıştır. Türkiye'nin kuzeyinde bulunan sağ yanal doğrultu atımlı Kuzey Anadolu Fay Zonu, Avrasya ve Anadolu arasında levha sınırını teşkil etmektedir. Anadolu levhası, doğuda Avrasya ve Arabistan levhaları arasındaki çarpışma ve batıda ise Hellenik dalma-batma zonun geri çekme hareketi nedeniye batıya doğru kaçmaktadır. Afrika, Arabistan ve Avrasya levha hareketleri arasındaki bu etkileşimler, Türkiye'de oldukça karmaşık tektonik yapılar meydana gelmiştir. Marmara Denizi ve yakın çevresinde ise bu karmaşık jeolojik yapıların anlaşılması amacıyla birçok aktif ve pasif sismik araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Bu araştırmaların sonuçları bölgenin yapısal özellikleri, aktif tektoniği, fay uzanımları ve sismolojik özellikleri açısından çok sayıda önemli bilginin edinilmesine katkı sağlamıştır. Ancak, Marmara Denizi ve yakın çevresi ile Kuzeybatı Anadolu Bölgesi'nin aktif tektoniğinin, kabuk ölçeğinde sığ ve derin yapıdaki sismik kesme dalgası hızlarının ve kabuğun anizotropik özelliklerinin çok daha iyi anlaşılması için üç boyutlu (3-B) karmaşık yer yapısının yüksek çözünürlüklü yöntemler ile ortaya konulması gerekmektedir. Hesaplamalı sismoloji alanında ve yüksek başarımlı hesaplama olanaklarında gerçekleştirilen en son gelişmeler ile, yüksek mertebeden sayısal modelleme yöntemleri, yer içerisinde 3-B elastik dalga yayınımının hesaplanmasında ve görüntülenmesinde kullanılabilmektedir. Bu tez çalışmasında, 2007-2015 yılları arasında yerel ve bölgesel uzaklıklarda (Δ < 10°) meydana gelmiş orta büyüklükteki (Mw > 4.0) sinyal/gürültü oranı yüksek iyi kalitede üç bileşen deprem verisi seçilerek, Kuzeybatı Türkiye bölgesinin üç boyutlu (3-B) kabuk ve üst-manto yapısının görüntülenmesi üzerine çalışılmıştır. Bu amaçla, geniş-bandlı istasyonlar tarafından kaydedilmiş olan 62 adet depremin üç bileşen tam dalgabiçimi verisi ile ters çözüm çalışması gerçekleştirilmiştir. Çalışma alanı 24°-33°D boylamları ve 37.5°-43°K enlemleri arasında kalan bölge ile sınırlandırılmıştır. Modelleme ortamı düşey yönde azami 471 km derinliğine erişmektedir. Çalışma bölgesi küresel kesit üzerinde spektral elemanlara ayrıklaştırılmış olup, eş-enlem yönde 39 eleman (θ-yönü), boylam yönünde 48 eleman (ϕ-yönü) içermektedir. Derinlik yönünde ise 28 elemana ayrıklaştırılmıştır (r-yönü). Tüm üç boyutlu çalışma alanı ise toplamda 69.888 spektral elemandan ve 8.736.000 grid noktasından oluşmaktadır. Tüm küresel modelleme ortamını oluşturan 48 alt ortam içerisindeki hesaplamalar, İsviçre Ulusal Yüksek Başarımlı Hesaplama Merkezi'nin Piz Daint süper bilgisayarı yardımıyla 48 çekirdek üzerinde çalıştırılarak gerçekleştirilmiştir. Üç bileşen dalga biçimi verisi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü (KOERI) tarafından işletilen geniş-bandlı istasyonların kayıtlarından oluşmaktadır (50 istasyon). Bunlara ek olarak, Türkiye Ulusal Afet ve Deprem Araştırma Dairesi (AFAD-DAD), Yunan Birleşik Sismik Kayıtçı Ağı (HUSN, Yunanistan) ve GEOFON ağlarının çalışma alanı içerisinde kalan az sayıda (10-adet) geniş-bantlı istasyonlarının verisi de ters çözüm çalışmasında kullanılmıştır. Spektral elemanlar yöntemi kullanılarak düz ve ters sismik dalga yayınımı modellemesi SES3D programı ile gerçekleştirilmiştir. Veri ön hazırlık ve veri işlem aşamaları LASIF (Büyük ölçekli sismik ters çözüm iş akışı) programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasında kullanılan üç boyutlu (3-B) başlangıç modeli Fichtner vd. (2013a), Fichtner vd. (2013b) tarafından Avrupa ve Anadolu bölgeleri için gerçekleştirilen çoklu-ölçekli tam dalga biçimi tomografisi çalışmasından alınmıştır. Gözlemsel ve yapay veri arasındaki farklılıklar faz ve genlik bilgilerini ayırmayı sağlayan zaman-frekans ortamı uyumsuzlukları yaklaşımı ile hesaplanmıştır. Hassasiyet çekirdekleri, P-, SH-, SV- hızları ve yoğunluk faz uyumsuzlukları için eklenik (adjoint) yöntem kullanılarak hesaplanmıştır. Üç boyutlu (3-B) başlangıç modelini geliştirmek ve gözlemsel ile yapay veri arasındaki uyumsuzlukları en aza indirgemek için doğrusal olmayan iteratif eşlenik-gradyan optimizasyon yöntemi kullanılmıştır. Ters çözüm işlemi, güncellenen 3-B yer modelleri arasında önemli bir farklılık oluşmadığı ve kullanılan tüm veri grubu için ortalama uyumsuzluk değerlerinin yavaşça azalmaya başladığı noktada 19. iterasyonda sonlandırılmıştır. Tüm veri grubu için hesaplanan ortalama uyumsuzluk değeri, 3-B başlangıç modeline göre 76% azaltılmıştır (χ = 1.03). Her bir iteratif 3-B yer modeli güncellemesi en az iki adet iteratif çözüm sonucunun test edilerek optimum ters çözüm parametrelerinin belirlenmesi sonucunda elde edilmiştir. Test iterasyonlarının verdiği uyumsuzluk değerlerine yaklaşık olarak ikinci dereceden polinom çakıştırılarak, gelinen iterasyon aşamasında en küçük uyumsuzluk değerini veren uygun adım uzunluğu ve yumuşatma parametresi belirlenmiştir. Bu nedenle, 19 iterasyon ve model güncellenmesinin gerçekleştirilmesi için test iterasyonları ile birlikte toplamda 80 adet iterasyon yapılmıştır. Çalışma sonucunda elde edilen 3-B yer modelinin (m19) herhangi bir gözlemsel veriyi, farklı fazları tahmin edebilme özelliği ve etkinliği, ters çözüm aşamasında kullanılmamış ek veri grubu (M≥3.7) ile sentetik testler yaparak doğrulanmıştır. Bu amaçla ters çözüme dahil edilmemiş veya bölgede yakın tarihte olmuş depremlerin yapay sismogramları hem başlangıç modeli (m0) ile hem de son yer modeli (m19) ile hesaplatılmış ve gözlemsel veri ile karşılaştırılmıştır. Gözlemsel ve yapay sismogramlar tüm çalışmada olduğu gibi 8-100 saniye arasında filtrelenerek kullanılmıştır. Bu karşılaştırma ile, son 3-B yer modeli (m19) kullanılarak üretilen üç bileşen yapay sismogramların, başlangıç modeli (m0) ile üretilen sismogramlara kıyasla gözlemsel veri ile çok daha uyumlu olduğu sonucu elde edilmiştir. Model doğrulama testi ile, iteratif ters çözümler sonucunda elde edilen 3-B yer modelinin bölgede çeşitli uzaklık ve büyüklüklerde meydana gelen herhangi bir depremden yayılan cisim ve yüzey dalgası verisini tahmin etmekte başarılı olduğu sonucuna ulaşılmıştır. 3-B tam dalga biçimi tomografisi yöntemi kullanılarak yaklaşık ~40 km derinliğe kadar bölgedeki radyal anizotrpik kesme dalgası hız değişimleri belirlenmiştir. Elde edilen 3B yer modelinin (m19) büyük ölçüde batı Anadolu'nun karmaşık jeolojisini, aktif faylanma ve volkanik olayları içeren tektonik yapısını ortaya koyduğu gözlemlenmiştir. Elde edilen yer modeli önemli fay hatları boyunca (örn; Kuzey Anadolu Fay Zonu ve kolları) yüksek miktarda deformasyona uğramış zayıf kabuğun sismik hız özelliklerini göstermektedir. Genç ve eski volkanik yapılar ile (örn; Kula volkanik alanı) metamorfik çekirdek kompleksi yapılarının (örn; Menderes ve Kazdağ masifleri) sismik hız değişimleri de 3-B yer modelinde belirgin olarak gözlemlenmiştir. Radyal anizotropik 3-B yer modelinden farklı derinlikler için elde edilen SH- ve SV- dalgası hız değişimleri ayrı ayrı kesitlerde sunulmuş olup, izotropik S- dalgası hız dağılımları da hesaplatılmıştır. Modellerin jeolojik ve tektonik açıdan yorumlaması ayrı ayrı 3-B SH- ve SV- hız dağılımlarının çoğunlukla çok karmaşık yapılar içermesinden ötürü ağırlıklı olarak 3-B izotropik S- dalgası hız modelleri üzerinden gerçekleştirilmiştir. 3-B izotropik yer modeli önemli fay zonları boyunca düşük sismik S- dalgası hızı göstermiştir (2.55 ≤ VSiso ≤ 3.2 km/s). Aktif faylanmanın olduğu bölgelerde düşük hız zonlarının, farklı çalışmalarca belirtilen sismojenik derinlikle de uyumlu olacak şekilde, üst-kabukta yaklaşık olarak 12-15 km derinliklere kadar etki ettiği gözlemlenmiştir. 3-B tam dalga biçimi tomografisi sonuçları, metamorfik masiflerin olduğu bölgelerde kabuk içerisindeki tüm derinliklerde yüksek S- dalgası hızları ortaya koymuştur (VSiso ≥ 3.4 km/s). Üst kabuk içerisinde görülen düşük sismik hızlar (VSiso < 3.1 km/s) artan derinlikle birlikte orta ve alt kabuk içerisinde hızlı bir şekilde artış göstermiştir (VSiso > 3.3 km/s). Bununla beraber, bölgede lokal ölçekte ancak derin seviyede (h > 15 km) düşük hız zonlarının varlığı da gözlemlenmiştir (örn; Kula volkanik bölgesi). 3-B model içersinde gözlemlenen en yüksek izotropik kesme dalgası hız değerleri ise alt kabuk seviyelerinde elde edilmiştir (VSiso ≥ 3.8 km/s). Kuzeybatı Türkiye'de kabuk içerisinde yüksek değerde (20%) radyal anizotropi özelliği olduğu bulunmuştur. Elde edilen kabuk anizotropisinin aktif faylanma ve karmaşık jeolojik yapıların bölge içerisindeki heterojen dağılımı ile ilişkili olabileceği düşünülmektedir. Bunlara ek olarak, elde edilen sismik hız değişimlerinin genel karakteristiği, bölgede gerçekleştirilmiş ve yayımlanmış olan farklı jeofizik yöntemlerin (örn; ısı akısı dağılımı, Curie derinlik noktası, manyetotellürük) bulguları ile de kıyaslanmaya çalışılmıştır. Sonuç olarak, tam dalga biçimi tomografisi yöntemi kullanılarak elde edilen 3-B hız modelinin bölgenin genel tektoniği ve bölgede gerçekleştirilen diğer jeolojik ve jeofizik çalışmalarla da uyumlu olduğu belirlenmiştir. Bu bağlamda, radyal anizotropik 3-B hız modelinin (m19), bölgede kaydedilen iyi kalitedeki mevcut veri grubu kullanılarak, Marmara Denizi ve kuzeybatı Türkiye bölgesi'nin güncel sığ ve derin hız yapısını temsil eden optimum yer modeli olduğu sonucuna varılmıştır.

Seismic imaging of the crust and uppermost mantle velocity beneath the Sea of Marmara and NW Turkey is crucial in order to get a better understanding of the regional seismotectonics and geodynamics. Hence, a 3-D radially anisotropic shear wave velocity model of NW Turkey is determined based on the non-linear full waveform inversion using adjoint methods. The study area has been exposed to an intense seismicity and crustal deformation due to transition tectonics between the North Anatolian Fault Zone (NAFZ) and extensional Aegean. The right-lateral strike–slip NAFZ forms a plate boundary between westward moving Anatolian Plate and Eurasia. In the region, complex tectonic structures have been developed as a result of interactions between the African, Arabian and Eurasian Plates. So far, the Sea of Marmara and surroundings were subjected into various active and passive seismic experiments providing significant information on crustal tectonics. However, a better understanding on the S- wave velocity and anisotropy patterns of shallow and deep crust beneath rapidly deforming NW Turkey requires further investigations for the 3D complex Earth models. Recent developments in computational seismology and supercomputing facilities have enabled performing elastic wave propagation simulations using higher order numerical methods in 3D spherical Earth models. In this thesis, complete waveforms of 62 earthquakes (Mw > 4.0) occurred during 2007-2015 and recorded at Δ < 10° distances are selected, and used to accurately image the 3D crustal and uppermost mantle structure of NW Turkey. The spherical section of the modeling area is bounded by longitudes of 24°-33°E and latitudes of 37.5°-43°N, with a maximum modeling depth of 471 km. The continous computational domain is discretized into 39 elements in lateral direction (θ-direction), 48 elements in longitudinal direction (ϕ-direction), and 28 elements in depth (r-direction), which leads to 69.888 spectral elements in total with an 8.736.000 grid points. The spherical section comprises of 48 sub-domains which are assigned to 48 cores on Piz Daint cluster of Swiss High Performance Computing Centre. Three component waveforms are obtained from broadband seismic stations of the Kandilli Observatory and Earthquake Research Center (BU-KOERI, Turkey, 50 stations) and Earthquake Research Center of Turkey (AFAD-ERC, 5 stations). Additional 5 broad-band stations that are located within the study region and operated by Hellenic Unified Seismic Network (HUSN, Greece) and GEOFON (Germany) are used. The spectral-element solver of the wave equation, SES3D algorithm, is used to perform forward and adjoint seismic wave propagation simulations. The LArge-scale Seismic Inversion Framework (LASIF) workflow tool is used for data processing and to complete full waveform inversion procedure. The initial 3D Earth model is adapted from the multi-scale seismic full waveform tomography method of Fichtner et al. (2013a), Fichtner et al. (2013b). Discrepancies between observed and simulated (synthetic) waveforms are determined using time-frequency misfits approach which allows a separation between phase and amplitude information. Sensitivity kernels of phase misfits for P-, SH- and SV- velocities and density are computed using the adjoint methods. The non-linear conjugate gradient optimization method is used to iteratively improve the initial 3D Earth model when minimizing the misfit. The inversion process is terminated after 19 iterations since no further advances are observed between updated models. The average relative misfit value for all data set is reduced about 76% with respect to initial Earth model (χfinal = 1.03). Iterative updates are completed using at least two test iterations to find the optimum step length and smoothing parameter, which yields the minimum misfit for the current data. Hence, total number of 80 iterations are calculated to obtain corresponding 19 model updates. In order to confirm the model predictability and efficiency, model validation tests are performed using additional earthquake data (M ≥ 3.7), which are not used in the inversion process. The comparison of observed and synthetic seismograms, calculated by initial and final models, displayed significant improvements on waveform fits at 8-100 sec periods. Model validation test revealed that final 3D Earth model is convincingly succcesful to predict body and surface wave phases released by an arbitrary earthquake recorded at various distances occurred within the study region. Full waveform tomography results revealed shear wave velocity variations of crustal structure down to depths of ~40 km. The final 3-D Earth model strongly reflects the active tectonics of western Turkey which is mostly indicative of the geological contrasts, active faulting and volcanism. It depicts seismic velocity characteristics of highly deformed and distributed crustal features along major fault zones (e.g. NAFZ and its branches) together with former and young regional volcanism (e.g. Kula Volcanic Province), and metamorphic core complex developments (e.g. Menderes and Kazdağ Massifs). The isotropic shear wave velocities are also calculated and presented to interpret geological features. The 3D isotropic shear wave model indicated low wave velocities (2.55 ≤ VSiso ≤ 3.2 km/s) beneath major fault zones. These low velocity zones are very scattered in close association with the active faulting, and the lower limit of these velocities are mostly confined in the upper crust down to 12-15 km depths which agree well with the reported seismogenic zone in the study region. Tomographic results also revealed clear high velocity characteristics (VSiso ≥ 3.4 km/s) of metamorphic massifs at all crustal depth scales. The upper crustal shear wave velocities are progressively increased towards mid- to lower crustal depth ranges (VSiso > 3.4 km/s). Furthermore, the presence of deep (h > 15 km) low velocity zones are observed. The highest isotropic shear wave velocities are found within the lower crustal depth ranges (VSiso ≥ 3.8 km/s). Radial anisotropy is found to be very strong (20%) throughout NW Turkey crust, and might be associated with high-rate of fracturing and heterogeneous distribution of complex geological features. Consequently, full waveform tomography results are generally consistent with the regional tectonics and compatible with observations of previous geophysical/geological studies. As a result, it is suggested that the final radially anisotropic 3D Earth model is considered to be the optimum shear wave velocity model illuminating the shallow and deep structure beneath NW Turkey using available earthquake data.