Crustal and upper mantle deformation beneath NW of North Anatolian Fault Zone inferred from harmonic decomposition of receiver functions

Abstract

Turkey is a unique region in the world due to its complex tectonic history and sophisticated geological & tectonic features. The North Anatolian Fault Zone (NAFZ) is the most characteristic tectonic structure contributing to active deformation of the country along with its complexity in the crustal structure. Thus, understanding the physical properties of the crust at different depths is utmost important in order to infer about zones of high deformations. To achieve this, quantifying seismic anisotropy in the crust can greatly help in revealing crustal kinematics linking to the past and present deformation history. In this thesis work, we performed the harmonic decomposition on receiver functions to determine how the seismic anisotropy changes at various depth ranges beneath the NW of NAFZ. We used the teleseismic earthquakes (with epicentral distances between 30° and 90°) recorded at the Dense Array for North Anatolia (DANA) seismic network. We calculated the receiver functions using water-level deconvolution, and then time-series P-receiver function traces were converted into depth space. The harmonic coefficients, k=0, k=1 and k=2 were obtained after the harmonic decomposition technique to the radial and tangential components of depth migrated P wave receiver functions. The k=0 harmonics were sued to analyse the isotropic features of the crust (e.g. sedimentary thickness and Moho depth). We obtained energy variation and orientation of anisotropy through the anisotropic component of harmonic coefficients (k=1 and k=2). Our results obtained from k=1 harmonic coefficients indicate that the presence of relatively thick sediments below the Istanbul Zone and Armutlu-Almacık Block with respect to the Sakarya Zone. Overall the thickness of crust increases from south to north (e.g. from Sakarya Zone to Istanbul Zone). The k=1 harmonic coefficient is usually greater than the energy of k=2 harmonic coefficient. The high-energy distribution based on the k=1 harmonic coefficients is mainly observed in the lower crust for almost the entire study area except for the Pamukova Basin with considerably high-energy values in the upper crustal depths. The orientation of anisotropy is usually along the NW-SE direction and nearly perpendicular to the southern branch of NAFZ. At some regions away from the NAFZ segment, anisotropic orientation appears to be controlled by maximum shear deformation. The energy variation in the lower crust from k=1 harmonics is diffused and it can be explained by a presumable upwelling of hot material and the widening of deformation zone with increasing depth in this region. However, we have not observed clear energy variation in the total energy maps calculated from k=2 harmonic except for in the upper crust. The high-energy variation from k=2 harmonic can be related to the expected influence of active faults in the upper crust on the observed anisotropic signal.

Yer içinin derin yapılarının fiziksel özelliklerini (sismik anizotropi, sismik hız, zayıflık zonları, kabuk-sınırı, atenüasyon) detaylı araştırmak ve bunları haritalandırmak için bir çok jeofiziksel veri seti kullanılır. Bunlardan bir tanesi, uzak veya yakın alanlarda gerçekleşen depremlerden oluşan veri seti. Yer içerisinde herhangi bir yerde ve derinlikte meydana gelen depremlerin oluşturduğu sismik dalgalar farklı katmanlar içerisinde hareket ederek yeryüzünde kurulmuş sismik istasyon alıcılar tarafından kaydedilir. Sismik dalgalar seyahatleri sırasında sismik istasyona ulaşana kadar yer içerisinde geçtiği bölgelerde bulunan farklı derinlikteki tabakaların fiziksel özellikleri hakkında bilgi taşımaktadır. Bu açıdan diğer jeofiziğin diğer alanları ile karşılaştırıldığında, sismoloji yer içinin sismik aktivitesinden elde edilen verilerin kullanılmasıyla Dünya'nın iç yapısını oluşturan katmanların (kabuk, manto, çekirdek) incelenmesinde, çeşitili jeodinamik olaylar (yitim zonları, manto konveksiyon akımlarının hareketi) hakkında bilgi elde edilebilmesinde ve bu jeodinamik olaylar neticesinde meydana gelen tektonik yapıların oluşumlarının yorumlanabilmesinde kullanılabilecek çok elverişli bir alandır. Yer içerisindeki fiziksel parametrelerden biri olan ve özellikle yer kabuğundaki karmaşık yapılarla ilişkili deformasyona bağlı olarak gelişen anizotropiyi, araştırmak için kullanılan sismolojideki en güçlü yöntemlerden biri P-dalgası alıcı fonksiyonlarının analizidir. Alıcı fonksiyonları yöntemi yer içerisinde seyahat eden sismik dalgaların faz dönüşümlerini kullanan bir yöntemdir. Alıcı fonksiyonları kullanarak geliştirilmiş bir çok yöntem ve teknik bulunmaktadır. Bu yaklaşımlardan biri olan alıcı fonksiyonların harmonik ayrışımı yöntemi, yer içerisinde anizotropinin farklı derinliklerde nasıl geliştiğini ve dağılımını haritalamak için kullanılan en etkili yöntemlerden biridir. Bu yaklaşıma ek olarak alıcı fonksiyonlarının farklı yaklaşımlar kullanılarak analizleri ile yer içerisinin izotropik özellikleri (sediman kalınlığı, kabuk kalınlığı, sismik hız yapısı) elde edilebilir. Ayrıca, alıcı fonksiyonları derin yapıların (litosfer-astenosfer sınırının, 410-520-660 km'lerdeki süreksizliklerin) araştırılmasında da kullanılan bir yöntemdir. Türkiye jeolojik evrimi açısından bakıldığında genç bir oluşuma sahip olmasına rağmen farklı süreçler ile ilişkili tektonik sistemlerin hızlı bir şekilde gelişmesinden dolayı karmaşık tektonik yapıları bir arada bulundurur. Ayrıca halen devam eden tektonik süreçler Anadolu bloğunu oldukça karmaşık bir bölge haline getirmiştir. Türkiye'nin doğusunda Arap levhasının Anadolu bloğuna doğru yılda 20 mm/yıl hız ile kuzeye hareketi ve bu hareketin kuzeydeki Kuzey Anadolu Fay zonu ile yarattığı sıkışma tektoniği her yıl Anadolu bloğunun batıya doğru ilerlemesine neden olur. Anadolu bloğunun bu hareketinde önemli bir bileşen olan Kuzey Anadolu fay zonu (KAFZ) ve çevresindeki fayların sismik hareketinden dolayı meydana gelen deformasyon zonlarının ve çek-ayır sistemlerinin kabuktaki anizotropinin değişimindeki etkisi üzerine bilimsel tartışmalar halen devam etmektedir. KAFZ yaklaşık 1500 km uzunlukta, yay şeklinde aktif sağ yanal atımlı bir faydır. KAFZ'nun en önemli belirsizlikleri taşıdığı bölgelerinden biri fay zonunun iki farklı kola ayrıldığı KAFZ'nun kuzeybatı kısmıdır. KAFZ'nun kuzey kolunda meydana gelen Mw7.4 1999 İzmit depremi ve bu depremin doğusunda meydana gelen Mw7.2 1999 Düzce depremi gibi yıkıcı depremler bu bölgede süregelen deformasyona iki örnek teşkil etmektedir. Ayrıca, bölgedeki birden fazla tektonik birimlerin bir arada bulunması (Istanbul Zonu, Sakarya Zonu, Armutlu-Almacık Bloğu) ve eski zamanda meydana gelmiş yitim zonuna ait kenet kuşağının (İç-Pontid kenet kuşağı) yerin iç yapısındaki fiziksel parametrelerin değişimini nasıl etkilediği tartışma konusudur. Bu açıdan, yüzeyde gözlemlenen deformasyonların sismik anizotropinin ölçümleri ile araştırılması, bu deformasyon alanlarının hem yanal hem de düşeyde nasıl geliştiğini ve değişime uğradığını anlamamıza yardımcı olacaktır. Bununla birlikte, meydana gelen anizotropinin ana kaynağının yapısal deformasyonlar veya yapılardaki minerallerin kristallenme şekillerinin, kimyasal ve kafes yapılarının değişmesi sonucu yönelim göstermesi gibi hangi nedenlerden kaynaklandığına dair belirsizlikler mevcuttur. Bu çalışmada temel hedefimiz, KAFZ'nun kuzeybatı bölgesi ve çevresinde sismik anizotropinin bölgedeki tektonizma ile ilişkisini anlamak amacıyla yanal ve düşey ölçekte ve kabuk-manto arasındaki anizotropi değişimini anizotropinin simetri yönü ile birlikte haritalamaktır. Uzak alanlarda meydana gelen depremlerden yayılan sismik dalgaların sismik istasyonlarda kaydedilene kadar farklı yönlerde ve derinliklerde ki seyahati esnasında farklı faz dönüşümleri meydana gelir. P-dalgasının kabuk-manto sınırında Ps fazına dönüşmesi sonucu sismik istasyonda kaydedilen bu faz P-dalgası alıcı fonksiyonların temel verisini oluşturur. Bu faz dönüşümü bilgisinin kullanılması sayesinde, kabuğun anizotropi gibi farklı fiziksel özelliklerinin nasıl değiştiğine dair bilgi sahibi olmak mümkündür. Bu tez çalışmasında, KAFZ'nun kuzeybatı kısmında düşey ve yanal ölçekte sismik anizotropinin incelenmesi için P-dalgası alıcı fonksiyonlarının harmonik ayrışımı yaklaşımı kullanılmıştır. Harmonik ayrışım sonucu elde edilen harmonik katsayılar (k=0, k=1 ve k=2) çalışma alanındaki sismik anizotropi hakkında bilgi verirken, izotropik unsurlar anlaşılmasına dair önemli ip uçları da sağlarlar. Çalışma bölgesindeki kabuk ve üst mantonun sismik anizotropisinin haritalanması için Dense Array for North Anatolia (DANA) projesi kapsamında FaultLAB çalışma grubu tarafından geçiçi istayonlarda kaydedilen veriler ile Kandilli Rasathanesine ait 7 adet geçiçi ve 3 adet sürekli çalışan toplam 72 sismik istasyonda kaydedilmiş 30° ile 90° episantır uzaklığına sahip uzak-alan deprem verileri kullanılmıştır. Toplam 641 uzak-alan depremden elde edilen 35869 dalgaformu görsel bir şekilde kontrol edilerek ayıklanmıştır. Veri ayıklama sonucunda iyi kalitede 354 uzak-alan depreme ait 12758 dalga formu elde edilmiştir. Bu dalga formlarına su seviyesi ters evrişimi (water-level deconvolution) yaklaşımı uygulanarak alıcı fonksiyonları hesaplanmıştır. Ters evrişimi sırasında 20 sn P dalgası öncesinde, toplamda 200 sn'lik veriye 0.02-1.25 Hz bant geçiren süzgeçleme uygulanmıştır. Gauss aralığı 2.2 ve su seviyesi parametresi 0.01 olarak seçilmiştir. Üretilen alıcı fonksiyonları 1-boyutlu IASP91 hız modeli kullanılarak zaman ortamından derinlik ortamına göçü yapılmıştır. Derinlik ortamına geçirilmiş alıcı fonksiyonları harmonik ayrışım yöntemi kullanılarak yığışımı yapılıp üç farklı harmonik katsayıya (k=0, k=1 ve k=2) ait dalgaformları elde edilmiştir. k=0 harmoniği kullanılarak izotropik özelliklere ait bulgular elde edilmiştir. k=1 ve k=2 harmoniği kullanılarak hesaplanan farklı derinlikteki katmanlara (0-20 km, 20-35 km ve 35-60 km) ait enerji haritaları elde edilmiştir. Ayrıca anizotropinin simetri açısını hesaplamak için k=1 harmoniğine ait dalgaformu kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre kabuk kalınlıklarının Sakarya Zonundan kuzeye, Istanbul Zonuna doğru gidildikçe genel olarak arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca sediman kalınlıklarının da genel olarak Sakarya Zonunda daha ince olduğu gözlemlenmiştir. Ancak Pamukova ve Adapazarı basenlerinde bulunan istasyonlardan elde edilen sonuçlar en yüksek sediman kalınlıklarının bu bölgelerde olduğunu göstermektedir. Enerji haritalarından elde edilen sonuçlarda k=1 harmoniğinden hesaplanan enerji k=2 harmoniğinden hesaplanan enerjiye göre belirlenen her bir yatay derinlik katmanında yüksek olduğu görülmüştür. k=1 harmoniğinden hesaplanan enerji haritalarında ise üst kabukta (0-20 km) KAFZ'nun her iki kolu üzerinde ve Istanbul Zonunun en kuzey kısımlarında yüksek enerji değerleri gözlemlenmiştir. Güney koldaki istasyonlarda anizotropik yönler KB-GD yönlü iken kuzey koldaki istasyonlarda anizotropik yönler KKD-GGB olarak değişmektedir. Alt kabukta ise yüksek enerji dağılımının çalışma bölgesinin geneline saçılmış olduğu gözlemlenmiştir. Bunun nedeni olarak, Afrika levhasının Anadolu levhası altında yitmesinin sonucu mantodan yükselmesi muhtemel sıcak malzemenin, kabuğu bu derinliklerinde deformasyona uğratarak anizotropi geliştirdiği düşünülmektedir. Bu katmandaki anizotropik yönler belli bir dizilim göstermemektedir. Üst mantoda ise DA10 istasyonu dışında belirgin bir harmonik enerjinin var olmadığı gözlemlenmiştir.