Nicel araştırma makalesi incelemesi
DOI: 10.3389/feart.2023.1286817Sismik Tehlike Değerlendirmesi İçin Sıradışı Bir Araç Olarak Jeoakışkanlar
Sismik tehlike değerlendirmesi (PSHA ve DSHA), geleneksel olarak geçmiş deprem kataloglarına ve sismotektonik verilere dayanmaktadır. Ancak deprem kayıtlarının zamansal eksikliği ve katalog yetersizlikleri, gelecekteki sismik tehlikelerin eksik hesaplanmasına neden olmaktadır.
Makalenin anahtar kelimeleri
- Yazar
- Giovanni Martinelli et al.
- Yayın
- Frontiers in Earth Science
- Tarih
- 2023-11-02
Makalenin Kapsamı ve Akademik İçeriği
Yer kabuğundaki sismik hareketlerin ve faylanma mekanizmalarının anlaşılması, sismik tehlike değerlendirmelerinin (PSHA ve NDSHA) doğruluğunu artırmak açısından kritik öneme sahiptir. Geleneksel yaklaşımlar büyük oranda tarihsel deprem kataloglarına bağımlı olup, bu kataloglardaki eksiklikler tehlike seviyesinin olduğundan düşük tahmin edilmesine yol açabilmektedir. Bu sorunu aşmak amacıyla, kabuk içerisindeki gerilme-deformasyon süreçlerinin dolaylı göstergesi olarak jeoakışkanların sismisite ile ilişkisi ele alınmaktadır. Tektanik aktiviteyle doğrudan bağlantılı olan termal suların yüzeye çıkışı ve derin kökenli gaz salınımları, yer kabuğunun geçirgenlik yapısındaki anomalileri yansıtarak geleneksel yöntemleri tamamlayıcı sıradışı bir sismotektonik araç sunmaktadır.
Bu çalışmada, küresel ölçekte derlenen jeoakışkan verileri (termal kaynaklar, helyum izotop bileşimleri, karbondioksit emisyonları) ile sismolojik ve jeofiziksel parametreler (deprem kayıtları, karasal ısı akısı, S-dalgası hızı dağılımları) coğrafi bilgi sistemleri (QGIS) ortamında bir araya getirilmiştir. Araştırma kapsamında, volkanik etkileri dışarıda tutmak amacıyla aktif volkanik merkezlerin 30 kilometre uzağındaki gaz emisyonları filtrelenerek sadece tektonik kökenli derin deşarjlara odaklanılmıştır. Güncel helyum ve termal kaynak katalogları genişletilerek, helyum izotop oranlarının (3He/4He) manto ve kabuk kökenli katkıları belirlenmiş ve bu veriler üst manto sismik tomografi modelleri ile karşılaştırılmıştır.
Analiz bulguları, termal kaynakların yaklaşık %60'ının 30-70 derece sıcaklık aralığında olduğunu ve bunun kabukta 2-3 kilometrelik rezervuar derinliklerine işaret ettiğini göstermektedir. Sismik faylanmaların dikey geçirgenliği artırmasıyla oluşan bu termal kaynaklar, genellikle büyüklüğü 4 ve üzerinde olan depremlerin yarattığı kırık sistemleriyle ilişkilidir. Helyum izotop analizleri ise manto kökenli helyum katkısını gösteren 1.22 Ra eşik değerinin üzerindeki anomalilerin, düşük S-dalgası hızları ve yüksek ısı akısı bölgeleriyle örtüştüğünü ortaya koymaktadır. Buna karşılık, sismik kataloglarda düşük aktivite gösteren bazı alanlarda da aktif tektonik gerilmelerin açık derin fay hatlarını koruduğu ve manto helyumunun yüzeye sızmasına izin verdiği tespit edilmiştir.
Bu sonuçlar, jeoakışkanların sismik tehlike değerlendirmelerinde ve neo-deterministik tehlike haritalamalarında (NDSHA) morfo-yapısal düğüm noktalarının sismotektonik doğrulanması için kullanılabileceğini kanıtlamaktadır. Deprem kataloglarındaki eksiklikler gidermede jeoakışkan anomalilerinin haritalanması, uzun tekrarlanma periyoduna sahip büyük sismik kaynakların yerini belirlemede kritik bir tamamlayıcı rol oynamaktadır. Araştırmacılar için bu çalışma, jeokimyasal parametrelerin jeofiziksel tomografi verileriyle entegrasyonu açısından özgün bir metodolojik çerçeve sunmakta ve gelecekteki çok disiplinli tehlike analizlerine zemin hazırlamaktadır.
Araştırmanın amacı
Bu çalışmanın temel amacı, termal suların coğrafi dağılımı ve helyum izotop bileşimleri gibi küresel ölçekteki jeoakışkan verilerini; deprem kayıtları, ısı akısı ve S-dalgası hızı anomalileriyle ilişkilendirerek yerel gerilme-deformasyon alanlarının gelişimini incelemek ve sismik tehlike değerlendirmelerine jeoakışkanları yeni bir parametre olarak eklemektir(Martinelli et al., 2023).
İnceleme ve modelleme yöntemi
Çalışmada, küresel ölçekteki jeoakışkan emisyon alanları (termal sular ve helyum izotopları), sismisite, ısı akısı ve sismik S-dalgası hız anomalisi veritabanlarının mekânsal ve istatistiksel analiz yöntemleriyle ilişkilendirildiği disiplinler arası ampirik bir yaklaşım benimsenmiştir(Martinelli et al., 2023).
Kuramsal ve kavramsal çerçeve
Çalışma, yer kabuğundaki akışkan dinamikleri ile kayaç deformasyon süreçleri arasındaki güçlü fiziksel ve kimyasal bağa (geofluids-deformation coupling) dayanmaktadır. Depremlerin, yer sarsıntıları ve kalıcı deformasyonlar aracılığıyla yeni yeraltı akışkan rejimleri yaratma potansiyeli ve sismotektonik fayların dikey kabuk geçirgenliğini artırarak manto kökenli helyum (3He) gibi derin akışkanların yüzeye ulaşmasını kolaylaştırması bu çalışmanın kuramsal omurgasını oluşturmaktadır.
Makalenin ele aldığı literatür
Çalışma, geleneksel olasılıksal sismik tehlike analizi (PSHA) yaklaşımlarının (Cornell, 1968) katalog eksikliklerine duyarlılığını ele almaktadır. Bu sınırlılığı aşmak üzere önerilen deterministik (DSHA) ve neo-deterministik sismik tehlike analizi (NDSHA) yöntemlerine odaklanılmaktadır. Ayrıca, deprem odağı tespiti için REPA (Gelfand vd., 1976) ve morfo-yapısal imarlandırma (MSZ) literatürü ele alınarak sismik aktivite ile termal kaynaklar (Waring, 1965; Tamburello vd., 2022) ve helyum izotop anomalileri (Abedini vd., 2006) arasındaki ampirik ilişkiler irdelenmektedir.
Araştırma Tasarımı
- Evren veya inceleme alanı
- Küresel sismotektonik bölgeler, aktif fay hatları ve bu yapılarla ilişkili olarak ortaya çıkan jeoakışkan emisyon alanları çalışmanın evrenini oluşturmaktadır.
- Örneklem veya araştırma materyali
- Waring (1965) ve Tamburello ve diğerleri (2022) tarafından derlenen küresel termal su kaynakları, Abedini ve diğerleri (2006) helyum izotop veri tabanı ve 2022 yılına kadar yayınlanmış güncel literatür verileri analizin materyalini oluşturmaktadır.
- Veri toplama süreci
- Veriler, sismisite kataloglarından (ISC-GEM), küresel ısı akısı ölçümlerinden, üst manto sismik tomografi modellerinden ve jeokimyasal helyum izotop analiz raporlarından derlenerek toplanmıştır.
- Veri analiz yöntemi
- Toplanan mekânsal veriler coğrafi bilgi sistemleri (QGIS) ortamında çakıştırılmış, volkanik etkileri dışarıda bırakmak amacıyla aktif yanardağlara 30 km'den yakın gaz emisyonları filtrelenmiş ve akışkanlardaki helyum izotop oranları sismik hız sapmaları (Vs) ve ısı akısı ile grafiksel olarak korele edilmiştir.
Araştırmanın Bulguları
Termal kaynakların coğrafi dağılımı yerkabuğundaki geçirgenlik anomalileriyle ve aktif kırık hatlarıyla doğrudan ilişkili olup, bu dağılım sismotektonik deformasyonların dolaylı bir göstergesidir(Martinelli et al., 2023).
Depremlerin çoğunun yer kabuğunun 10 ile 40 km derinliklerinde oluşması, düşük büyüklükteki sismik olayların derin manto faylarını besleyecek sürekli geçirgenlik kanalları yaratmada yetersiz kaldığını gösterir(Martinelli et al., 2023).
Helyum izotop oranlarının değerlendirilmesinde kullanılan 1.22 Ra üzerindeki muhafazakar eşik değer, yüzey akışkanlarında atmosferik kontaminasyon ötesinde belirgin bir manto kökenli helyum varlığını ortaya koyar(Martinelli et al., 2023).
Üst manto sismik tomografi modellerindeki sismik hız anomalileri ile ısı akısı verilerinin çakıştırılması, derin akışkanların dikey hareket yollarını belirlemede sismoloji ve jeokimya verilerinin bütünleşik gücünü gösterir(Martinelli et al., 2023).
Bulguların Tartışılması ve Araştırmanın Sonucu
Bulguların Yazarlar Tarafından Yorumlanışı
Elde edilen bulgular, termal su kaynaklarının ve yüksek helyum-3 izotop çıkışlarının küresel ölçekte rastgele dağılmadığını, aksine sismik olarak aktif olan gerilme alanlarıyla ve derin fay kırıklarıyla mekânsal olarak son derece uyumlu bir örtüşme sergilediğini açıkça ortaya koymaktadır. Özellikle 30 ila 70 santigrat derece sıcaklığa sahip hidrotermal akışkanlar, yer kabuğunun üst sığ tabakalarındaki aktif kırık ağlarının ve hidrotermal sirkülasyon süreçlerinin doğrudan birer yansıması olarak işlev görmektedir.
Yazarlar bu mekânsal korelasyonu, tektonik deformasyonların yerel kabuk geçirgenliğini dinamik olarak değiştirmesi esasıyla açıklamaktadır. Sismik kırılmalar ve kabuk deformasyon süreçleri, başlangıçta geçirgenliği oldukça düşük olan kayaç bloklarında dikey akış yolları açmakta ve bu durum basınç gradyanlarının etkisiyle derin akışkanların yüzeye doğru kalıcı olarak yükselmesini tetiklemektedir. Dolayısıyla, yüzeydeki anomaliler doğrudan derin sismotektonik süreçlerin birer göstergesidir.
Tartışma ve sonuç bölümlerinde, sismik aktivite ile akışkan çıkışları arasındaki bu dinamik etkileşim, literatürdeki sismotektonik modeller ve özellikle Tamburello ve diğerlerinin küresel termal su dağılım çalışmalarıyla ilişkilendirilerek tartışılmıştır. Yazarlar, geçmişte sismik katalogların eksikliğinden dolayı gözden kaçan veya sismisite sıklığı düşük görünen bölgelerde saptanan manto kökenli helyum emisyonlarının, geçmişte yaşanmış veya gelecekte yaşanabilecek 6.5 ve üzeri büyüklükteki depremlerin yarattığı kalıcı derin kırıklarla doğrudan ilişkili olduğunu savunmaktadır.
Bu doğrultuda çalışma, sismik tehlike analizlerinde yalnızca tarihsel deprem kataloglarına ve olasılıksal sismik tehlike değerlendirmesi (PSHA) yöntemlerine bağımlı kalmanın getirdiği sınırlılıkları aşmak adına, jeoakışkan verilerinin deterministik ve neo-deterministik sismik tehlike analizlerine (NDSHA) entegre edilmesini önermektedir. Bu yaklaşım, yer bilimleri literatüründe sismik tehlike değerlendirmelerine çok disiplinli ve sıradışı bir perspektif kazandırarak, tehlike haritalarının güvenilirliğini artırma potansiyeline sahiptir.
Bulguların Önceki Araştırmalarla Karşılaştırılması
Yazarlar, termal su kaynaklarının küresel ölçekteki dağılımının genişlemeli fay sistemleri ve deprem yoğunluğu ile olan ilişkisini Tamburello ve diğerlerinin (2022) çalışmasıyla karşılaştırarak, sismik aktivitenin kabuk geçirgenliğini ve hidrotermal sistem beslenmesini dinamik olarak nasıl sürdürdüğünü açıklamaktadır(Martinelli et al., 2023).
S-dalgası hız anomalileri ve manto derinliği arasındaki ilişkiler Debayle ve diğerlerinin (2016) üst manto tomografisi modeli temel alınarak tartışılmış, düşük sismik hız alanlarının jeoakışkanların dikey hareket yollarını belirlemedeki rolü vurgulanmıştır(Martinelli et al., 2023).
Küresel helyum veri tabanının oluşturulmasında Abedini ve diğerlerinin (2006) derlediği NoGaDat veri seti referans alınmış, bu veri setine 2022 yılına kadar yayınlanmış güncel jeoakışkan helyum izotop ölçümleri eklenerek veri tabanı genişletilmiş ve sismik risk taşıyan alanları saptamak üzere yeniden değerlendirilmiştir(Martinelli et al., 2023).
Sonuç Bölümünün Sunduğu Çıkarımlar
Çalışma, yer kabuğundaki jeoakışkan emisyonlarının (termal su ve helyum-3 izotopu) sismik tehlike değerlendirmelerinde geleneksel sismotektonik parametrelere ek olarak son derece yenilikçi ve güçlü bir gösterge olarak entegre edilebileceğini kanıtlamaktadır. Tarihsel sismisite kataloglarındaki boşluklardan veya eksikliklerden kaynaklanan sismik tehlikeyi eksik değerlendirme riskinin, derin kabuk geçirgenliğini ve sismik gerilme birikimini yansıtan bu jeokimyasal parametrelerle giderilebileceği sonuçuna ulaşılmıştır(Martinelli et al., 2023).
Literatür Taraması İçin Sunduğu Çerçeve
Bu çalışma sismotektonik ve sismoloji literatürunde geleneksel olarak kabul goren sismisite kataloglari ve geodezik verilere dayalı tehlike analizlerine jeoakifkanlar parametresini ekleyerek cok disiplinli bir kopru kurmaktar. Literatürde sismik tehlike değerlendirmeleri siklikla Probabilistik (PSHA) veya Deterministik (DSHA) yaklaşimlarla sınırli kalirken bu araştırma yer alti derin akifkanlarinin (termal sular ve helyum izotoplari) kabuk deformasyonu ve gerilme alanlarindaki değişimlerin hassas birer göstergesi oldugunu ortaya koymaktadir. Jeoakifkanlarin bölgesel ve kuresel ölçekteki dagilimlarini sismik tomografi (S-dalgasi hizi anomalileri) ve isi akisi verileriyle entegre ederek deprem kataloglarindaki eksikliklerin giderilmesinde ve gizli kalmis aktif tektonik kiriklarin tespit edilmesinde kullanılabilir alternatif bir metodolojik çerçeve sunmaktadir.
Araştırma Gelfand ve diğerleri tarafindan geliştirilen Depreme Egilimli Alanlarin Belirlenmesi (REPA) yöntemi ile Panza ve diğerlerinin Neo-deterministik Sismik Tehlike Değerlendirmesi (NDSHA) yaklaşimlarinin üzerine insa edilmiştir. Önceki çalışmalarda morfo-yapısal imarlandirma (MSZ) ve topografik yükseklik değişimleri gibi jeomorfolojik veriler sismotektonik sureksizliklerin belirlenmesinde kullanılirken bu çalışma ilk kez kuresel ölçekte helyum izotop oranlarini (3He/4He) ve termal kaynak verilerini sismisite analizlerine dahil ederek bu çerçeveyi genisletmektedir. Tamburello ve diğerlerinin tektonik gaz emisyonlari üzerine yaptigi çalışmalardan yararlanilarak yer kabugunun dikey sismik gecirgenliginin jeokimyasal kanıtlarla nasıl haritalanabilecegi gösterilmis ve boylece sismoloji ile jeokimya arasindaki kavramsal bosluk doldurulmustur.
Çalışmanın literatür taramasi duzeyindeki temel katkısi sismik tehlike değerlendirme haritalarinin doğrulugunu sörgülayan elestirel yaklaşimlara somut ampirik ve jeokimyasal bir doğrulama katmani sunmasidir. Geleneksel olarak deprem kataloglarinin eksikliginden kaynaklanan tehlikeyi eksik tahmin etme riskine karsi kabuk derinliklerindeki gerilme alanlarini yansitan helyum-3 emisyon anomalilerinin sismik gerilim izleme süreçlerinde nasıl bir erken uyari veya bölgesel risk parametresi olabilecegini sistematik olarak açıklamaktadir. Sismotektonik araştırmalarda yer alti akifkan dinamiklerinin sadece hidrolojik bir fenomen degil doğrudan litosferik ölçekli gerilme-deformasyon süreçlerinin birer yuzey projeksiyonu oldugunu kanıtlayarak butuncul bir metodolojik perspektif kazandirmaktadir.
Kaynakça
- Tamburello, G., Chiodini, G., Ciotoli, G., Procesi, M., Rouwet, D., Sandri, L., et al. (2022). Global thermal spring distribution and relationship to endogenous and exogenous factors. Nature Communications, 13(1), 6378. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34115-w
- Debayle, E., Dubuffet, F., and Durand, S. (2016). An automatically updated S-wave model of the upper mantle and the depth extent of azimuthal anisotropy. Geophysical Research Letters, 43, 674-682. https://doi.org/10.1002/2015gl067329
- Abedini, A. A., Hurwitz, S., and Evans, W. C. (2006). USGS-NoGaDat-A global dataset of noble gas concentrations and their isotopic ratios in volcanic systems (No. 202). US Geological Survey. https://doi.org/10.3133/ofr20061223
Tez ve Makale Araştırmalarında Kullanım
Makalenin doğrulanmış yöntemi, bulguları ve kuramsal çerçevesi; tez ve makale çalışmalarında kullanılacağı bölümle birlikte aşağıdaki üç araştırma taslağına dönüştürülmüştür.
Tez veya makalede kullanım · literatüre-review
Sismik tehlike değerlendirme çalışmalarında kullanılan tarihsel deprem kataloglarinin eksikligi tehlikenin oldugundan daha az tahmin edilmesine yol acabilmektedir.
Bu makale tarihsel deprem kataloglarinin eksikliginden kaynaklanan risklerin morfo-yapısal imarlandirma ve jeoakifkan anomalileriyle nasıl giderilebilecegini literatür taramasi bolumunde teorik bir tartisma olarak desteklemek için kullanılabilir(Martinelli et al., 2023).
Dogu Anadolu Fay Hatti Üzerindeki Termal Kaynaklarin Isi Akisi ve Helyum Izotop Karakterizasyonu
- Araştırma sorusu
- Dogu Anadolu Fay Hatti boyunca yer alan termal kaynaklarin helyum izotop oranlari sismik gerilme birikim alanlariyla nasıl bir mekansal ilişki sergilemektedir?
- Yöntem taslağı
- Fay hatti üzerindeki 15 farklı termal kaynaktan su ve gaz numuneleri alinarak helyum izotop oranlari (3He/4He) kutlesel spektrometreyle analiz edilecek bölgedeki sismik gerilme haritalariyla cografi bilgi sistemleri üzerinde cakistirilacaktir. Örneklem buyuklugu veri doygunluguna gore belirlenecektir.
Makaleyle bağlantısı: Makalede helyum-3 izotop anomalilerinin ve yüksek isi akisinin aktif deprem gerilme alanlarindaki derin yerkabugu sureksizliklerini ve dikey gecirgenligi belirlemedeki gucune yapilan vurgudan ve kuresel veri haritalama yaklaşimindan türetilmistir(Martinelli et al., 2023).
Tez veya makalede kullanım · Kavramsal çerçeve
Depremler ve tektonik deformasyonlar yer kabugunun dikey gecirgenlik özelliklerini değiştirerek derin jeoakifkanlarin yuzeye dikey gocunu tetiklemektedir.
Tez çalışmalarında sismisite ile yer alti hidrolojik ve gaz emisyon sistemleri arasindaki mekanik bağlantiyi dikey gecirgenlik artisi kavrami üzerinden açıklayan kuramsal çerçeveyi desteklemek için bu kaynaktan faydalanilabilir(Martinelli et al., 2023).
Ege Acilma Rejiminde Sismik Aktivite ve Termal Kaynak Sicaklik İlişkilerinin Zaman Serisi Analizi
- Araştırma sorusu
- Bati Anadolu graben sistemlerinde meydana gelen M >= 4 depremler yakin çevredeki termal sularin sicaklik ve debi parametrelerinde zamansal bir değişim yaratmakta midir?
- Yöntem taslağı
- Secilen sismik olarak aktif bir graben alanindaki 5 adet termal kaynakta 1 yil boyunca kesintisiz sicaklik ve debi ölçumleri yapilacak bölgedeki sismisite verileriyle zaman serisi analizleri ve korelasyon testleri gerceklestirilecektir. Guc analiziyle gozlem suresi doğrulanacaktir.
Makaleyle bağlantısı: Yazarin sismik olaylar neticesinde yerkabugunda meydana gelen ani gecirgenlik artislarinin termal kaynaklarin sicaklik ve desarj dinamiklerini değiştirdigine ve M < 4 ile M >= 4 depremlerin farklı etkilerine yonelik tartismasindan esinlenmistir(Martinelli et al., 2023).
Tez veya makalede kullanım · Tartışma
Düşük buyuklukteki depremler (M < 4) dikey yonlu derin hidrotermal sirkulasyonu sürekli kilacak buyuklukte ve derinlikte fay kiriklari oluşturmakta yetersiz kalmaktadir.
Bölgesel termal kaynaklar ile sismotektonik aktivite arasindaki korelasyonun tartisildigi bolumlerde hidrotermal desarjlarin sürekliligi için neden belirli bir sismik buyukluk esiginin (M >= 4) gerekli oldugu bu çalışma referans gösterilerek açıklanabilir(Martinelli et al., 2023).
Kuzey Anadolu Fay Hatti Boyunca Derin Kaynakli Karbondioksit ve Helyum Emisyonlarinin Sismotektonik Izlenmesi
- Araştırma sorusu
- Kuzey Anadolu Fay Hatti'nin sismik bosluk olarak tanımlanan segmentlerinde helyum ve karbondioksit emisyon hizlari ne sekilde değişmektedir?
- Yöntem taslağı
- Kuzey Anadolu Fay Hatti üzerindeki sismik bosluk alanlarinda toprak gazi emisyon ölçumleri (CO2 akisi) ve gaz numunelerinde helyum izotop oranlarinin belirlenmesi çalışmalari yurutulecektir. Alan secimi sismotektonik haritalara gore yapilacak veri analizinde jeoistatistiksel modelleme kullanılacaktir.
Makaleyle bağlantısı: Makalede aktif sismisite göstermeyen ancak gecmiste buyuk depremler uretmis derin kirik hatlarinin varligini surdurdugunu kanıtlayan manto kokenli jeoakifkan sizintilarinin sismik tehlike değerlendirmelerindeki onemine dair sunulan cikarimlara dayanmaktadir(Martinelli et al., 2023).