Sismotektoniğe ve sismik boşluğa DInSAR yaklaşımı: Kuzey Anadolu Fay Zonunun Erzincan havzası kesimi (doğu Türkiye)

Creative Commons License

Köse O., Yürür M. T., Chorowıcz J.

Yerbilimleri/Hacettepe Üniversitesi Yerbilimleri Uygulama ve Araştırma Merkezi Dergisi, cilt.40, sa.3, ss.326-351, 2019 (Scopus)

Özet

InSAR (İnterferometrik Sentez Açılımlı Radar) ve GNSS (Küresel Navigasyon Uydu Sistemi) gibi uzay jeodezisi tekniklerinin sağladığı verilerle üst kabuk ve litosferin diğer katmanlarının fiziksel özellikleri ve reolojisine yönelik çok sayıda model geliştirilmiştir. Bu modeller yine deprem tahminlerine yaklaşımda bulunmak üzere intersismik döneme yönelik InSAR çalışmalarında kullanılmaktadır. Ancak herhangi bir fay segmentinde gerilimleri boşaltan büyük depremler, birkaç yüz ile birkaç bin yıllık bir süre aralığında meydana gelirken, genellikle en çok on yıllık bir zaman aralığını kapsayan deformasyon gözlemleri tam bir deprem çevriminde oldukça küçük bir zaman aralığını temsil ederler. Bu kısa süreli deformasyon gözlemlerini sismik tehlikede kullanmak için, fay zonlarının uzayda ve zamanda nasıl deforme olduğuna dair daha iyi modellere ihtiyaç duyulur. Dolayısıyla, tektonik havzalar ve fay zonlarındaki ana segmentler ile diğer yapısal unsurlar etrafındaki deformasyonlara odaklanan ve aynı zamanda gözlemlenen deformasyonlar ile bu yapısal unsurların arasındaki ilişkiyi de ele alan InSAR çalışmaları, deprem tahminleri açısından oldukça önem arz edebilir. Bu bağlamda makalemizde, Kuzey Anadolu Fayı (KAF) üzerinde bulunan Erzincan havzasının tektonik özelliklerini, InSAR ile belirlenmiş deformasyon alanları ile birlikte ele alarak değerlendirmeyi düşündük. Buna yönelik olarak, InSAR tekniğinin çok büyük alanları ve yüzlerce interferogram analizini kapsayan modern kullanımı yerine, havza içine odaklanmış az sayıda interferogramla belirlenen deformasyon alanlarının yapısal jeoloji açısından değerlendirildiği başlangıçtaki eski usül kullanımını tercih ettik.InSAR (İnterferometrik Sentez Açılımlı Radar) ve GNSS (Küresel Navigasyon Uydu Sistemi) gibi uzay jeodezisi tekniklerinin sağladığı verilerle üst kabuk ve litosferin diğer katmanlarının fiziksel özellikleri ve reolojisine yönelik çok sayıda model geliştirilmiştir. Bu modeller yine deprem tahminlerine yaklaşımda bulunmak üzere intersismik döneme yönelik InSAR çalışmalarında kullanılmaktadır. Ancak herhangi bir fay segmentinde gerilimleri boşaltan büyük depremler, birkaç yüz ile birkaç bin yıllık bir süre aralığında meydana gelirken, genellikle en çok on yıllık bir zaman aralığını kapsayan deformasyon gözlemleri tam bir deprem çevriminde oldukça küçük bir zaman aralığını temsil ederler. Bu kısa süreli deformasyon gözlemlerini sismik tehlikede kullanmak için, fay zonlarının uzayda ve zamanda nasıl deforme olduğuna dair daha iyi modellere ihtiyaç duyulur. Dolayısıyla, tektonik havzalar ve fay zonlarındaki ana segmentler ile diğer yapısal unsurlar etrafındaki deformasyonlara odaklanan ve aynı zamanda gözlemlenen deformasyonlar ile bu yapısal unsurların arasındaki ilişkiyi de ele alan InSAR çalışmaları, deprem tahminleri açısından oldukça önem arz edebilir. Bu bağlamda makalemizde, Kuzey Anadolu Fayı (KAF) üzerinde bulunan Erzincan havzasının tektonik özelliklerini, InSAR ile belirlenmiş deformasyon alanları ile birlikte ele alarak değerlendirmeyi düşündük. Buna yönelik olarak, InSAR tekniğinin çok büyük alanları ve yüzlerce interferogram analizini kapsayan modern kullanımı yerine, havza içine odaklanmış az sayıda interferogramla belirlenen deformasyon alanlarının yapısal jeoloji açısından değerlendirildiği başlangıçtaki eski usül kullanımını tercih ettik.

Erzincan tektonik çökme havzasında son yüzyılda iki yıkıcı deprem meydana gelmiştir (1939, M: 7.8 - 8.2 ve 1992, M:6.8). Önceki çalışmalar, havzanın KAF zonu boyunca çek-ayır tipinde bir açılmanın sonucu olarak oluştuğunu göstermektedir. Ovacık fayı (OF) aktivitesi havzayı genişletmektedir. Havzanın doğusunda KAF boyunca en az 75 km uzanan bir sismik boşluk zonu bulunmaktadır. Bu sismik boşluk hattının, batıda yaklaşık 22 km uzunluğundaki Sansa ve doğuda yaklaşık 53 km uzunluğundaki Yedisu olmak üzere, iki ana segmentten meydana geldiği düşünülmektedir.Erzincan tektonik çökme havzasında son yüzyılda iki yıkıcı deprem meydana gelmiştir (1939, M: 7.8 - 8.2 ve 1992, M:6.8). Önceki çalışmalar, havzanın KAF zonu boyunca çek-ayır tipinde bir açılmanın sonucu olarak oluştuğunu göstermektedir. Ovacık fayı (OF) aktivitesi havzayı genişletmektedir. Havzanın doğusunda KAF boyunca en az 75 km uzanan bir sismik boşluk zonu bulunmaktadır. Bu sismik boşluk hattının, batıda yaklaşık 22 km uzunluğundaki Sansa ve doğuda yaklaşık 53 km uzunluğundaki Yedisu olmak üzere, iki ana segmentten meydana geldiği düşünülmektedir.

Çalışmamızda, 13 Mart 1992 tarihindeki Erzincan depremi (M = 6.8) sonrasındaki yaklaşık 2.5 yıllık postsismik bir dönem (1993-1995) için, ERS-1 uydusunun SAR verilerinden Farksal İnterferometrik SAR (DInSAR) tekniği ile üretilen bir interferogramda belirlenen deformasyon alanlarını, havzanın yapısal jeoloji unsurlarıyla karşılaştırdık. İnterferometrik deformasyon bulguları Erzincan ovasının kenarlarına yakın tektonik hatlar üzerinde belirginleşmişlerdir. Dikey yön bileşenlerinde çökmeye karşılık gelen yerdeğiştirme miktarları, havzanın kuzey kenarı çevresinde, güney kenarındakilerden daha yüksektir. Havzanın kuzey kenarı ve KAF zonu boyunca, Erzincan kent merkezinin kuzeybatısı ve kuzeyinde gelişen deformasyonlar, doğusu ve kuzeydoğusunda gelişen deformasyonlara göreceyle daha düşük hız ve seviyelerdedir. Bu, her iki alanın birlikte çökerlerken, göreceyle daha yavaş çöken kuzeybatı kesiminde transpresif zonların ve push-up yapılarının gelişmesine ışık tutmaktadır. İnterferogramda, Erzincan ovasının yaklaşık doğu çıkışından itibaren deformasyon gelişimi gözlenmemektedir. Bu nedenle havzanın doğusuna doğru ilerlerken sismik boşluk zonuna yaklaştıkça, KAF segmentinin daha düşük kayma miktarlarına sahip olan bir davranış sergilediği düşünülmüştür.Çalışmamızda, 13 Mart 1992 tarihindeki Erzincan depremi (M = 6.8) sonrasındaki yaklaşık 2.5 yıllık postsismik bir dönem (1993-1995) için, ERS-1 uydusunun SAR verilerinden Farksal İnterferometrik SAR (DInSAR) tekniği ile üretilen bir interferogramda belirlenen deformasyon alanlarını, havzanın yapısal jeoloji unsurlarıyla karşılaştırdık. İnterferometrik deformasyon bulguları Erzincan ovasının kenarlarına yakın tektonik hatlar üzerinde belirginleşmişlerdir. Dikey yön bileşenlerinde çökmeye karşılık gelen yerdeğiştirme miktarları, havzanın kuzey kenarı çevresinde, güney kenarındakilerden daha yüksektir. Havzanın kuzey kenarı ve KAF zonu boyunca, Erzincan kent merkezinin kuzeybatısı ve kuzeyinde gelişen deformasyonlar, doğusu ve kuzeydoğusunda gelişen deformasyonlara göreceyle daha düşük hız ve seviyelerdedir. Bu, her iki alanın birlikte çökerlerken, göreceyle daha yavaş çöken kuzeybatı kesiminde transpresif zonların ve push-up yapılarının gelişmesine ışık tutmaktadır. İnterferogramda, Erzincan ovasının yaklaşık doğu çıkışından itibaren deformasyon gelişimi gözlenmemektedir. Bu nedenle havzanın doğusuna doğru ilerlerken sismik boşluk zonuna yaklaştıkça, KAF segmentinin daha düşük kayma miktarlarına sahip olan bir davranış sergilediği düşünülmüştür.

Çalışmamızda ayrıca, 1939 Erzincan depreminin (M: 8.0) Ekşisu (Erzincan) - Bahçe Köyü (Koyulhisar, Sivas) arasında 185 km uzunluğundaki yüzey kırığı haritalamasını içeren, oldukça zor şartlar altında üretilmiş hayranlık ve saygı uyandıran bilim-antik özellikteki eski bir saha raporuna (Stchepinsky vd., 1940) kısaca yer verilmiştir.Çalışmamızda ayrıca, 1939 Erzincan depreminin (M: 8.0) Ekşisu (Erzincan) - Bahçe Köyü (Koyulhisar, Sivas) arasında 185 km uzunluğundaki yüzey kırığı haritalamasını içeren, oldukça zor şartlar altında üretilmiş hayranlık ve saygı uyandıran bilim-antik özellikteki eski bir saha raporuna (Stchepinsky vd., 1940) kısaca yer verilmiştir.

With the help of space geodesy techniques such as InSAR (Interferometric synthetic aperture radar) and GNSS (Global navigation satellite system), a number of models have been developed for the physical properties and rheology of upper crust and other layers of the lithosphere. These models are also used in InSAR studies for interseismic period in order to approach earthquake predictions. However, large earthquakes that release total strains in any fault segment occur over a period of several hundred to several thousand years, while deformation observations, which usually span a maximum period about ten years, represent a very small time interval in a complete earthquake cycle. To use these short-term deformation observations in seismic hazards, better models of how the fault zones deform in space and time are needed. Consequently, InSAR studies focusing on the deformations around the main segments and other structural elements in the tectonic basins and fault zones, also addressing the relationship between the observed deformations and the behavior of these structural elements, may be very important in terms of earthquake predictions. In this respect, we aimed in our paper to associate the tectonic characteristics of the Erzincan basin, a part of the North Anatolian Fault (NAF) zone, with the deformation clusters determined by the InSAR technique. To do this, instead of modern usage of InSAR technique in which hundreds of interferograms are calculated, we preferred its old-school usage which allows us to evaluate deformation areas in terms of structural geology by a few interferograms focused into the basin.With the help of space geodesy techniques such as InSAR (Interferometric synthetic aperture radar) and GNSS (Global navigation satellite system), a number of models have been developed for the physical properties and rheology of upper crust and other layers of the lithosphere. These models are also used in InSAR studies for interseismic period in order to approach earthquake predictions. However, large earthquakes that release total strains in any fault segment occur over a period of several hundred to several thousand years, while deformation observations, which usually span a maximum period about ten years, represent a very small time interval in a complete earthquake cycle. To use these short-term deformation observations in seismic hazards, better models of how the fault zones deform in space and time are needed. Consequently, InSAR studies focusing on the deformations around the main segments and other structural elements in the tectonic basins and fault zones, also addressing the relationship between the observed deformations and the behavior of these structural elements, may be very important in terms of earthquake predictions. In this respect, we aimed in our paper to associate the tectonic characteristics of the Erzincan basin, a part of the North Anatolian Fault (NAF) zone, with the deformation clusters determined by the InSAR technique. To do this, instead of modern usage of InSAR technique in which hundreds of interferograms are calculated, we preferred its old-school usage which allows us to evaluate deformation areas in terms of structural geology by a few interferograms focused into the basin.

In the last century, two destructive earthquakes happened in the Erzincan tectonic subsidence basin (1939, M: 7.8 - 8.2 and 1992, M:6.8). Previous studies suggest that the basin forms as a result of pull-apart type opening along the NAF zone. The Ovacık Fault (OF) activity widens the basin. In the east of the basin, there is a seismic gap zone extending for at least 75 km along the NAF. This seismic gap is thought to be made up of two main segments which are the nearly 22 km long Sansa in the west and the 53 km long Yedisu in the east.In the last century, two destructive earthquakes happened in the Erzincan tectonic subsidence basin (1939, M: 7.8 - 8.2 and 1992, M:6.8). Previous studies suggest that the basin forms as a result of pull-apart type opening along the NAF zone. The Ovacık Fault (OF) activity widens the basin. In the east of the basin, there is a seismic gap zone extending for at least 75 km along the NAF. This seismic gap is thought to be made up of two main segments which are the nearly 22 km long Sansa in the west and the 53 km long Yedisu in the east.

In our study we compared the deformation areas, observed on the interferogram generated by Differential SAR interferometry (DInSAR) technique from the ERS-1 satellite SAR data, acquired in the postseismic period of 2.5 years between 1993-1995 following the March 13 1992 earthquake in Erzincan (M: 6.8), with the structural aspects of the basin. Interferometric deformation findings were observed on tectonic zones near the boundaries of Erzincan plain. The amounts of displacements corresponding subsidence in vertical components of direction are higher around the northern boundary of the basin than those on the southern boundary. Along the northern boundary of the basin and the NAF zone, the deformations that occur in the northwest and north of Erzincan city have lower slip rates relative to deformations in the east and northeast. This sheds light on the development of transpressive zones and push-up structures in the relatively slower northwestern part while both areas collapse together. On the interferogram, deformation clusters are not observed in the eastern part of the Erzincan basin. Therefore, as it approaches the seismic gap zone towards the east of the basin, the NAF segment is thought to exhibit a behavior with lower slip rates.In our study we compared the deformation areas, observed on the interferogram generated by Differential SAR interferometry (DInSAR) technique from the ERS-1 satellite SAR data, acquired in the postseismic period of 2.5 years between 1993-1995 following the March 13 1992 earthquake in Erzincan (M: 6.8), with the structural aspects of the basin. Interferometric deformation findings were observed on tectonic zones near the boundaries of Erzincan plain. The amounts of displacements corresponding subsidence in vertical components of direction are higher around the northern boundary of the basin than those on the southern boundary. Along the northern boundary of the basin and the NAF zone, the deformations that occur in the northwest and north of Erzincan city have lower slip rates relative to deformations in the east and northeast. This sheds light on the development of transpressive zones and push-up structures in the relatively slower northwestern part while both areas collapse together. On the interferogram, deformation clusters are not observed in the eastern part of the Erzincan basin. Therefore, as it approaches the seismic gap zone towards the east of the basin, the NAF segment is thought to exhibit a behavior with lower slip rates.

We have also shortly mentioned a quaint and venerable, a so said science-antique, field report (Stchepinsky et al., 1940) established under very harsh conditions that comprises 185 km long surface rupture mapping of the 1939 Erzincan earthquake (M: 8.0) between Ekşisu (Erzincan) and Bahçe village (Koyulhisar, Sivas).We have also shortly mentioned a quaint and venerable, a so said science-antique, field report (Stchepinsky et al., 1940) established under very harsh conditions that comprises 185 km long surface rupture mapping of the 1939 Erzincan earthquake (M: 8.0) between Ekşisu (Erzincan) and Bahçe village (Koyulhisar, Sivas).