Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
397806		Analysis and modeling of crustal deformation using InSAR time series along selected active faults within the Africa-Eurasia convergence zone / Afrika-Avrasya sıkışma zonu içerisindeki seçilmiş aktif faylar boyunca meydana gelen kabuk deformasyonunun incelenmesi ve modellenmesi Yazar:ESRA ÇETİN Danışman: DOÇ. DR. ZİYADİN ÇAKIR ; PROF. DR. MUSTAPHA MEGHRAOUI Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konu:Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering Dizin:Neotektonik = Neotectonic ; Sismotektonik = Seismotectonics ; Yüzey deformasyonu = Surface deformation ; İnterferometri = Interferometry	Onaylandı Doktora İngilizce 2015 134 s.
Afrika ve Avrasya plakalarının yakınsaması Geç Kretase (~90 My) döneminde başlamış olup, bu bölgedeki büyük ve yıkıcı depremlerin oluşturduğu aktif tektonik yapılarının ana kaynağıdır. Fay davranışlarını ve deprem döngüsünü daha iyi anlamakta yeni bulgulara ulaşabilmek amacıyla, Avrasya-Afrika yakınsama zonu içerisinde seçilmiş faylar boyunca deprem anı, deprem sonrası ve deprem arası dönemlere ait yüzey deformasyonları incelenmiştir. Bu tez çalışması kapsamında deprem sonrasında fay yüzeyinde derin ve/veya sığ kesimlerde oluşan, artçı kayma (afterslip) veya krip olarak isimlendirilen ve çok yavaş hızlarda cereyan eden asismik hareketler araştırılmıştır. Yavaş yüzey deformasyonları Sentetik Açıklık Radar İnterferometrisi (InSAR) zaman serileri yöntemi ile görüntülenmiş ve konuyla ilişkili olabilecek elastik ve visko-elastik yer değiştirme yöntemleri ile modellenmiştir. Tez kapsamında, InSAR zaman serilerinin yönteminin Sürekli-Saçıcılar (Persistent Scatterers, PSI) ve Küçük-Baz (Small Baseline, SBI) yaklaşımları uygulanmıştır. Tezin ana bölümleri 21 Mayıs 2003 Zemmori (Mw 6.8, Cezayir) ve 24 Şubat 2004 Al Hoceima (Mw 6.4, Fas) depremleri ile ilişkili deprem sonrası deformasyon, ve Kuzey Anadolu Fayı (Türkiye) üzerindeki İsmetpaşa segmentinin asismik krip hareketi üzerine yoğunlaşmıştır. Sentetik Açıklık Radar İnterferometrisi ilk defa 20 yıl kadar önce 1992 Landers (Kaliforniya) depreminin oluşturduğu yüzey deformasyonlarının incelenmesi için kullanılmaya başlanarak aktif tektonik araştırmacılarının hizmetine sunulmuş olan uzay bazlı bir jeodezi yöntemdir. InSAR santimetre altı doğrulukta yüzey deformasyonunu ölçebilen, yüksek alansal çözünürlüğü ve uzaktan veri sağlayabilme özelliği ile çok etkili bir yöntemdir. Sürekli-saçıcılar ve Küçük-baz InSAR zaman serileri gibi gelişmiş çoklu zamansal teknikler, zaman içerisinde kaydedilmiş çoklu SAR görüntülerini eşzamanlı işleme yeteneğine sahiptir. Bu gelişmiş InSAR teknikleri; atmosferik etkilerin, sayısal yükseklik modeli ve yörünge hatalarının sebep olduğu gürültü etkisini ve sinyal bozulmalarını azaltabilmektedir. Bu sayede ilgili hataların azaltılarak santimetre altı ölçekteki deformasyon sinyalinin belirlenebileceği konum sayısını arttırabilmektedir. Klasik InSAR yöntemlerine kıyasla, Sürekli-saçıcılar ve Küçük-Baz analizleri çoklu zamansal SAR görüntülerinin yığışımı ile birbirinden ayrı hedeflerdeki kabuk deformasyonunun zamansal değişimini belirleyebilir. Buradaki hedefler zamanla sabit yansıması olan yapılardır ve sürekli saçıcılar (persistent scatterers) olarak adlandırılırlar. Tez kapsamında deprem sonrası ve asismik kayma hareketlerinin görüntülenmesinde kullanılmış olan Sürekli-saçıcılar ve Küçük-baz InSAR zaman serileri yöntemlerinin çalışma prensipleri tezin yöntemler bölümünde kısaca tanıtılmıştır (Bölüm 2). Aktif faylanma ile ilişkili yavaş yüzey hareketlerinin görüntülenmesi ve araştırılması, depremleri oluşturan itici gücün ve aralarındaki ilişkilerin belirlenmesi ve anlaşılmasına katkıda bulunur. InSAR teknikleri ile birlikte Küresel Konumlama Sistemi (GPS), bölgesel sismotektonik ve jeoloji kullanılarak yapılan kabuk deformasyonu çalışmaları, deprem anı, deprem sonrası ve asismik krip hareketlerinin tanımlanmasında yardımcı olabilir. Bu yüzden, deprem döngüsü hakkındaki yeni bilgiler hem sismik tehlike tahminlerinde hem de kısa ve uzun dönemde Yeryüzü deformasyonu ve gelecekte meydana gelebilecek potansiyel depremlerin belirlenmesinde önemli bir adımdır. Cezayir'in Zemmouri şehri yakınlarında 21 Mayıs 2003 tarihinde ters fay kaynaklı Mw 6.8 büyüklüğünde oldukça hasar veren bir deprem meydana gelmiştir. Bu ters fay kaynaklı orta büyüklükteki yıkıcı Kuzey Afrika depremi, bu tez çalışması için deprem sonrası deformasyon araştırmasında motivasyon kaynağı olmuştur (Bölüm 3). Depremi takiben bölgede 2003 ile 2010 tarihleri arasında oluşan santimetre bazındaki deprem sonrası yüzey deformasyonu 31 Envisat ASAR uydu görüntüsü ile Küçük-baz yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Sonuçlar, InSAR ve arazi ölçümlerinden elde edilen deprem anı maksimum yükselme gösteren kıyı bölgelerinde, depremden sonra çökme meydana geldiğini göstermiştir. Elastik ve homojen yarı-uzayda, üçgen örgülerle oluşturulmuş fay yüzeyi kullanılarak ters modelleme yapılmıştır. Sonuçlar, deprem anı yükselme görülen bölgelerin deprem sonrası dönemde gösterdikleri çökmenin, maksimum deprem anı kaymanın meydana geldiği alanların üzerinde kısaca fay yüzeyinin sığ bölümlerinde (< 5km) oluşan artçı kayma ile izah edilebilir olduğunu göstermektedir. Bu sonuçlar depremden sonra bölgede yapılmış olan GPS gözlemleriyle uyumluluk göstermektedir. Deprem bölgesinin güneybatısında gözlenen çökmenin ise yumuşak sedimanların ve yeraltı su seviyesi değişimi etkisi ile bu bölgede tektonik kökenli olmayan bir zemin deformasyonu tanımlanmasını sağlar. 2003 ana şokunu izleyen 7 yıl boyunca oluşmuş toplam deprem sonrası artçı kayma miktarı Mw 6.3 büyüklüğünde bir depreme eşdeğerdir. Bu nedenle, deprem sonrası deformasyon ve gerilme birikiminin Cezayir bölgesinde yapılacak deprem döngüsü modelleri ve büyük depremlerin tekrarlanma aralıklarının belirlenmesinde önemli etkileri vardır. Fas'ın Al Hoceima şehri yakınlarında 24 Şubat 2004 tarihinde meydana gelen Mw 6.4 büyüklüğündeki deprem ile ilişkili deprem anı ve deprem sonrası yüzey deformasyonları InSAR kullanılarak haritalanmıştır (Bölüm 4). Deprem, yüzey kırığı ve depremle ilişkili yapılar oluşturmadığı için deprem anı fay kırığı karakteristik özellikleri halen iyi tanımlanamamıştır. Deprem sonrası yüzey deformasyonu Envisat ASAR uydusunun alçalan (15 görüntü) ve yükselen (15 görüntü) geometrilerinden elde edilen verilerle belirlenmiştir. Deprem sonrası yüzey deformasyonunun deprem anı deformasyondan farklı olarak gösterdiği yüzey değişimi, şimdiye kadar önerilen fay geometrisinin güney kısmının revize edilmesi gerektiğini göstermiştir. InSAR analizleri ve modelleme sonuçları depremin KD-GB doğrultulu sağ-yanal atımlı kör bir fay ile ilişkili olduğunu göstermektedir. Ayrıca depremin etki alanında dikkate değer miktarda deprem sonrası yüzey deformasyonu oluşturduğunu ortaya koymaktadır. Ayrıca modelleme sonuçları, deprem sonrası deformasyonun sığ (<8 km) derinlikli artçı kayma hareket ile ilişkili olduğunu ortaya koymuştur. 1994 ve 2004 Al Hoceima depremlerinin InSAR analizleri ve son zamanlarda oluşan doğrultu atımlı faylarla ilişkili deprem aktivitesi göstermektedir ki Kuzey Afrika-Avrasya levha sınırındaki Rif bölgesi, doğusunda ve batısında bindirme faylarla ilişkili depremlerin etkisi altındaki kuzey Cezayir ve Kadiz bölgelerinden sismotektonik açıdan farklılık göstermektedir. Al Hoceima ve civarındaki topoğrafyadaki hakim bindirme ve kıvrım gibi morfotektonik yapıların Tersiyer boyunca gelişen sıkışma rejimi ürünleri olması bu bölgedeki doğrultu atımlı tektonik rejimin yakın zamanda başladığı fikrini desteklemektedir. K-G doğrultulu normal, KB-GD ve KD-GD doğrultulu yanal atımlı çapraz faylanmalar göstermektedir ki bu yapılar D-B yönlü Geç Kuvaterner açılma deformasyonunun ürünüdür. Rif bölgesi parçalanmasına önderlik eden Afrika-İberya sıkışma ve batı-güneybatı kaçma tektoniğidir. Kuzey Anadolu Fayı İsmetpaşa segmenti üzerindeki asismik kayma, diğer bir deyişle krip hareketi yarım yüzyıl önce keşfedilmiş olsa da, jeodezik ve sismolojik çalışmaların azlığı sebebiyle bu hareketin zamansal ve alansal karakteri iyi tanımlanamamıştır. Kuzey Anadolu Fayı İsmetpaşa segmenti boyunca meydana gelen yüzey deformasyonu Sürekli-saçıcılar (PSI) tekniği ile belirlenmiştir. Krip hareketi sergileyen segmentin uzunluğu ve kayma alanı, InSAR' dan elde edilen veriler ve elastik yer değiştirme modelleme sonuçları ışığında belirlenmiştir (Bölüm 5). Krip hareketinin karakteristik özelliklerinin daha iyi tanımlanabilmesinde ve litolojinin krip üzerindeki kontrol potansiyelinin belirlenmesinde jeolojiden faydalanılmıştır. 2003 ve 2010 yılları arasında, iniş yörüngesinden alınmış iki komşu ize (track 479 ve 207) ait 55 adet Envisat ASAR uydu verisi analiz edilmiş ve zaman serileri oluşturulmuştur. InSAR sonuçları, İsmetpaşa'nın batısında kilitli ve krip eden segment arasındaki kademeli geçişi açıkça göstermektedir. Çalışmamız sonucunda toplam krip uzunluğu 100 km' yi aşmakta, krip hızı ise segment boyunca değişken olup maksimum 20±2 mm/yıl miktarına ulaşmaktadır ki bu değer Kuzey Anadolu Fayı boyunca bu bölgedeki 25±2 mm/yıl olan uzun dönem plaka hareketi hızına yakındır. Krip hızı İsmetpaşa yakınlarında 8±2 mm/yıl olarak belirlenmiştir. Bu değerler İsmetpaşa yakınlarında kurulu olan GPS ağı ölçümleri ve diğer jeodezik ölçümlerden elde edilen sonuçlar ile uyumludur. Elastik yer değiştirme modelleme sonuçları asismik krip derinliğinin oldukça sığ (< 5km), ve genel olarak iki ana bölgede toplanmış heterojen bir yapıda olduğuna işaret etmektedir. Bu kayma sonucunda sessiz bir şekilde açığa çıkan toplam yıllık moment 6.2 x 1016 Newton metredir ki, bu da Mw 5.1 büyüklüğünde bir depremin üreteceği sismik momente eşittir. Yapılan jeolojik incelemelere ortaya koymuştur ki, bölgedeki krip hareketi ile jeoloji arasında korelasyon bulunmaktadır. Fay zonu boyunca krip oluşturan bölgede andezit-bazalt, kireçtaşı ve serpantin gibi sürtünme özelliği düşük olan kayaçlar yer almaktadır. Son olarak, bu çalışmada ulaşılan ana sonuçlar kısaca özet olarak Bölüm 6'da verilmektedir. Kör veya gizli fayların sebep olduğu deprem sonrası ve asismik krip ile ilişkili yavaş yüzey deformasyonları InSAR zaman serileri kullanılarak başarılı bir şekilde tespit ve karakterize edilmiştir. 2003 Zemmouri depremi için elde edilen sonuçlar, deniz tabanındaki karmaşık bir sismik kırılma yüzeyi üzerinde meydana gelen sığ artçı kaymanın varlığını vurgulamaktadır. Deprem sebebiyle kıyıda oluşan yükselmenin ölçüldüğü bölgelerde, deprem sonrası çökme oluştuğu gözlenmektedir. Ayrıca depremin etki alanındaki havza içerisinde gözlemlenen maksimum çökmenin tektonik kaynaklı oluşmadığı, bölgedeki kuyulardan elde edilen su seviyesi değişimleri ile aralarında korelasyon bulunduğu ortaya çıkarılmıştır. Orta büyüklükteki 2004 Al Hoceima depremi deprem sonrası yüzey deformasyonu çalışmak için dikkat çekici bulunmuştur, çünkü kör bir fay sistemi üzerinde meydana gelmiş deprem kırığının konum ve geometrisinin, ve deprem anı ve deprem sonrası kaymasının belirlenmesinde önemli ölçüde katkıda bulunmuştur. Kuzey Anadolu Fayının İsmetpaşa segmenti boyunca fay sürtünme parametreleri de InSAR zaman serileri yöntemi ile başarılı bir şekilde belirlenmiş ve fay boyunca sığ kesimlerdeki asismik krip hareketinin jeolojik kökenli olduğu açığa çıkarılmıştır. Bu tez, Afrika-Avrasya yakınsama zonu içerisinden seçilen aktif faylar boyunca yavaş yüzey deformasyonu çalışmalarında InSAR zaman serileri katkısını vurgulamaktadır. Kabuk deformasyonu ve deprem döngüsü anlayışımızın geliştirilmesi için sadece deprem anı yüzey deformasyonu değil, aktif faylanma ile ilişkili yavaş deformasyonların da detaylı analizi gerekir. Doğru ve güvenilir deprem döngüsü modellerini oluşturabilmek için daha fazla yeni araç ve teknik kullanarak, yeryüzünde meydana gelen orta ve büyük ölçekli olaylarla ilişkili küçük yüzey değişimleri çalışmalarının geliştirilmesi önemlidir. Bu teknikler, yeni nesil SAR görüntüleri (Sentinel, TerraSAR-X) kullanımı ile daha fazla gelişme gösterebilir. Her bir kayda değer sismik olayın analizi, deprem kırığı fiziği karakterizasyonu hakkında yeni bulgular ortaya çıkarabilir.
The convergence between African and Eurasian plates is at the origin of active tectonic structures that generate large and destructive earthquakes. This thesis aims to improve our understanding of fault behavior and the earthquake cycle by analyzing surface deformation along selected active faults during the periods of co-, post-and inter-seismic deformation within the Africa-Eurasia convergence zone. In this context, slow deformation observed at the surface and associated with the earthquake cycle is analyzed using Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR) time series technique, and modeled with elastic dislocation methods. This thesis has VI Chapters and presents the application of InSAR, Persistent Scatterers (PSI) and Small Baseline (SBI) methods with the analysis of active deformation and related seismic cycle of earthquake areas. The core chapters focus on the postseismic deformation following the May 21, 2003 Zemmouri (Mw 6.8, Algeria) and February 24, 2004 Al Hoceima (Mw 6.4, Morocco) earthquakes, and creeping along the Ismetpaşa section of the North Anatolian Fault (Turkey). The introduction (Chapter I) presents the InSAR technique in space geodesy, involved in active tectonics research about 20 years ago when it was utilized for the first time to study the surface displacement field of the 1992 Landers earthquake (Mw 7.4 in California). InSAR is a powerful technique for measuring surface deformation with centimeter-to-millimeter accuracy due to high spatial resolution and ability to acquire the data remotely. Advanced multi-temporal InSAR time series methods such as PSI and/or SBI approaches, are capable of simultaneous processing of multiple SAR acquisitions over time; this will increase the number of locations where a subtle deformation signal can be extracted by reducing the associated errors. The advanced InSAR techniques are able to reduce the noise effects and signal decorrelation due to atmospheric effects, digital elevation (DEM) errors, and orbital inaccuracies. Compared to conventional InSAR, the PSI and/or SBI analysis generates time series of ground deformation for individual targets using multi-temporal stacks of SAR images (with regard to these targets that have a constant echo over the time) also called persistent scatterers. Chapter II briefly describes the basic principles of InSAR time series analysis such as Persistent Scatterer and Small Baseline, applied in this thesis to study the postseismic and creep rupture mechanisms. Monitoring and investigating surface displacements associated with active faulting may contribute to improve our understanding of the driving mechanisms behind earthquakes and the interaction between them. The study of crustal tectonics using InSAR techniques is added with GPS data, regional seismotectonics and geology that help constraining the co-and post-seismic, and surface creep motions. Hence, the knowledge of earthquake cycle is an important step not only for the seismic hazard assessment but also for the understanding of the short and long-term Earth deformation and its potential for the future earthquake generation. Chapter III depicts the postseismic deformation following the 2003 Zemmouri earthquake studied using the SBI technique. InSAR time series calculated from 31 Envisat ASAR images from 2003 to 2010 reveal subtle (sub-cm) ground movements in the earthquake area. The results show that two regions display subsidence along the shoreline, where the maximum coseismic uplifts was observed with InSAR and field measurements. The inverse modeling using dislocations on triangular faults in an elastic and homogeneous half-space suggest that subsidence in the area of high coseismic uplift can be explained by afterslip on the shallow sections (< 5 km) of the fault above the areas of coseismic slip, in agreement with previous estimates based on GPS observations. The impact of earthquake sequence on soft sediments and ground water table southwest of the earthquake area, allow us to characterize a ground deformation of non-tectonic origin. The cumulative postseismic moment due to afterslip during 7 years following the 2003 main shock is equivalent to an Mw 6.3 earthquake. Therefore, the postseismic deformation and stress buildup has significant implications on the earthquake cycle models and recurrence intervals of large earthquakes in the Algiers area. Chapter IV presents the coseismic and postseismic surface deformation associated with the 2004 Al Hoceima earthquake deduced from the SBI technique. The earthquake rupture location is poorly known since the absence of clear coseismic faulting and related features. The postseismic surface displacement fields are mapped using Envisat ASAR data acquired in ascending (15 images) and descending modes (15 images). The coseismic fault rupture is however required a revision in light of postseismic deformation field to refine the suggested best fault model in the southern tip of the fault. InSAR analysis and modeling suggest that the earthquake is associated with a NW-SE trending right-lateral, apparently blind strike-slip fault with a left bend or step, and reveal remarkable postseismic surface displacement in the region of coseismic surface deformation. Although, thrust-and-fold structures of the Rif Mountains evolved during the Tertiary tectonic episodes, the recent significant seismic events and late-Quaternary deformation indicates E-W extension with N-S trending normal and NW-SE and NE-SW trending conjugate strike-slip faults. The Africa-Iberia collision and west-southwestward escape tectonics lead to the fragmentation of the Rif Mountain range. Chapter V describes the study of creeping along the North Anatolian Fault (NAF). The PSI technique with elastic dislocation models and geology along the creeping section of the NAF at Ismetpaşa has been utilized to map and deduce the velocity field and the aseismic slip distribution. Revealing the spatiotemporal characteristics of the creep helped us associate the creep with potential lithological controls, hence providing a new perspective to better understand the underlying causes and mechanisms. The PSI analysis of Envisat ASAR images between 2003 and 2010 (55 images) reveals a clear picture of surface creep along the fault and a new interseismic velocity field transitioning gradually between the creeping and the locked fault sections. The creep rate is found to fluctuate along a 100-km long section of the fault in a manner similar to that along the Hayward fault (a branch of the San Andreas fault in California), reaching a maximum of ~20±2 mm/yr, close to the far field plate velocity (~25±1.5 mm/yr). At Ismetpaşa, it is in the range of 8±2 mm/yr, consistent with the previous geodetic observations. Modeling of the PSI data reveals a heterogeneous creep distribution at depth with two main patches confined mostly to the uppermost 5 km portion of the seismogenic crust, releasing annually 6.2 x 1016 Nm (Mw = 5.1) geodetic moment. There is a correlation between aseismic surface creep and the geology along the fault as it is in major part associated to rocks with low frictional strength such as the andesitic-basaltic, limestone and serpentine bodies within the fault zone. The conclusion (Chapter VI) resumes the main results and show how slow surface displacements associated with postseismic deformation of blind or hidden faults and aseismic creep of major active faults are successfully identified and characterized from InSAR time series. The results obtained for the Zemmouri earthquake emphasize the existence of a hidden offshore fault with a shallow afterslip on a complex coseismic rupture and confirm coastal subsidence following the earthquake where the coastal uplift was measured. The contribution of the postseismic surface deformation to the study of moderate sized Al Hoceima earthquake is noteworthy since it considerably improves the determination of the earthquake location, and identification of co- and post-seismic slip on a blind fault system. The fault creep parameters along the North Anatolian fault at Ismetpaşa section is also successfully deduced from InSAR time series and show the shallow rupture properties of creeping with the influence of geological background on the slow slip along the fault. In perspective, this thesis emphasizes the contribution of InSAR time series to the study of slow surface deformation along selected active faults within the Africa-Eurasia convergence zone. Improving our understanding of the crustal deformation and the earthquake cycle requires detailed analysis of slow deformation related with active faulting. In order to buildup reliable and accurate models of the earthquake cycle, it is important to develop further the study of small surface displacements also linked to moderate or large sized events on Earth with new tools and techniques. These techniques should see more development with the use of the new generation SAR images (Sentinel, TerraSAR-X). The analysis of every significant seismic event may reveal new characterizations on the physics of earthquakes.