Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü araştırıyor: Anadolu’nun dış kabuğu mercek altında

Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü tarafından yürütülen BAP destekli ‘’Anadolu'nun Yüksek Çözünürlüklü Reolojik Modeli’’ projesiyle fizik ve jeofizik disiplini olan ve cisimlerin şekil değiştirme özelliklerini araştıran reolojiye dayanarak Anadolu coğrafyasının litosfer/ dış kabuğunun termal özelliklerini belirlemek üzere güvenilir bir sıcaklık modeli geliştirilmesi hedefleniyor. Araştırmada yer kabuğun sıcaklıklarının farklı gözlemlerle türetilmesi için uydulardan elde edilen manyetik anomaliler kullanılacak.

Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü Jeofizik Anabilim Dalı Başkanı Prof. Dr. Hayrullah Karabulut yürütücülüğünde Mart 2020’de başlayan ve Haziran 2021’de tamamlanması beklenen araştırma hakkında Jeofizik Anabilim Dalı araştırmacılarından Dr. Ali Özbakır’dan bilgi aldık.

Öncelikle ‘’Anadolu'nun Yüksek Çözünürlüklü Reolojik Modeli’’ araştırmanızın içeriği hakkında bilgi alabilir miyiz?

Cisimlerin şekil değiştirme (deformasyon) özelliklerini araştıran  reoloji, fizik ve jeofiziğin bir disiplinidir. Dünyanın en dış reolojik  katmanına taşküre (litosfer) adı verilir. Taşküre iki bölümden oluşur:  kabuk ve manto. Kabuk daha ziyade kırılgan, alt kabuk ve manto ise  akışkan (sünek) biçimde şekil değiştirir. Depremler, kabuktaki kırılgan deformasyonun sonucunda meydana gelen elastik dalga  yayınımıdır. Bu iki farklı mekanizma arasındaki geçişi esasen sıcaklık  belirler. Örneğin, kabuk olağandan daha sıcak ise, kabuğun daha derin  kısımları akacağı için azami deprem derinliği azalacaktır; daha uzun  dalga boylu şekil değişikliği meydana gelecektir.

Böylece kıtalardaki şekil değişikliği ele alınırken iki uç reolojik  modelden bahsedilebilir. İlkine göre kıtasal litosfer (soğuk ve)  sağlamdır ve kabuk dar fay zonları boyunca hareket eder. Diğerinde ise  kıtasal litosfer (sıcak &) zayıftır ve ince, viskoz bir akışkan tabaka  olarak modellenir. İlk modelleme yöntemi blok yaklaşımı, ikincisine  ise sürekli ortam yaklaşımı olarak bilinir.

Anadolu, hem blok hem de sürekli ortam özelliklerini bir arada  sergiler. Hangi yaklaşımın şekil değişikliğini doğru biçimde temsil  ettiği ise halen tartışılan bir problemdir. Zira daha doğru bir  model, deprem risk hesaplarındaki yaklaşımı iyileştirecektir. Ayrıca,  Anadolu gibi hızlı şekil değiştiren, çok deprem üreten başka bölgeleri  anlamak açısından da faydalı olacaktır. Bu problemin çözümü, yukarıda değindiğim gibi litosferin/kabuğun termal özelliklerinin  belirlenmesine bağlıdır.

Dolayısıyla bu projenin amacı Anadolu için güvenilir bir reolojik  model oluşturmaktır. Bunun için de öncelikli olarak güvenilir bir  sıcaklık modeline ihtiyaç vardır. Maalesef günümüzde Anadolu'nun  altındaki sıcaklığın derinliğe bağlı değişimi belirsizlik miktarı  oldukça yüksek ve gözlem kısıtı olan başka modellere dayandırılmıştır.  Biz, bu çalışmada kabuğun sıcaklıklarını farklı gözlemlerle  türetiyoruz. Bunun için uydulardan elde edilen manyetik anomalileri  kullanıyoruz.

Taşküreyi oluşturan mineraller belirli bir sıcaklığın  altında manyetik özelliklerini kaybederler. Bu çoğunlukla 580 derecede  meydana gelir. Uydudan elde edilen manyetik anomali haritalarındaki  sinyalleri işleyerek ve teorik denklemleri kullanarak bu derinliği  hesaplayabiliyoruz. Böylece, uydu verisinin türdeş örneklem avantajını  kullanıyoruz hem de çok fazla kabul yapmadan, veri yoğun bir model  oluşturmuş oluyoruz. Bu modelin çıktıları, şekil değişikliği ile  kuvvetler arasındaki ilişkiyi kuracak pek çok çalışmanın esasını teşkil  edeceğini düşünüyoruz.

Uydulardan elde edilen manyetik anomalileri kullandığınızı belirttiniz.  Manyetik anomali nedir ve ne tür anomalileri araştırıyorsunuz? 

Manyetik anomali dünyanın bir noktasında ölçülen manyetik alan ile beklenen teorik değer arasındaki fark demektir. Eğer bir ölçüm pozitif anomali vermişse, demek ki o noktada ortalamadan daha fazla manyetik mineral vardır; negatif anomali için de tam tersi geçerlidir.

Dünyanın ürettiği manyetik anomaliler çok çok küçüktür, bu nedenle Tesla biriminin milyarda biri ile ölçülür -buna nano tesla (nT) adı verilir. Şöyle bir mukayese vereyim, bir ekmek kızartma makinesinin 30cm uzağındaki bir cisim üzerinde oluşturduğu manyetik alanın büyüklüğü 60 - 700 nT'dir (Kaynak: wikipedia).

Türkiye ve civarını içeren bölgenin uydu gözlemleri ile tamamlanmış manyetik anomali haritasında da göreceğiniz üzere, bizim ilgilendiğimiz anomaliler +/- 300 nT arasında değişiyor.

Manyetik anomaliler kabuktaki manyetik mineraller içeren kayaçların dağılımı ile alakalı. Şöyle düşünün, her bir kayaç birçok mıknatıs içeriyor. Yüzeyde gördüğümüz anomali ise bu mıknatısların toplam etkisinin ortalamadan sapmasını ifade ediyor. Eğer bazı kayaçlardaki mıknatıs daha güçlüyse, anomalinin şiddeti daha fazla olur. Diğer taraftan yüzeydeki mıknatısın etkisi, kayaç yüzeye ne kadar yakınsa o kadar fazla olacaktır.

İki örnekle açıklayalım; zayıf ama yüzeye yakın bir mıknatısın etkisi ile kuvvetli ama derindeki bir mıknatısın oluşturacağı anomalinin büyüklüğü yüzeyde aynı olacaktır. Fakat derindeki bir mıknatıs yüzeyde daha geniş bir alana etki ederken, sığ bir mıknatıs daha dar bir alanı etkileyecektir. Son olarak, bu minik mıknatıslar kabuğun altında son buluyor. Çünkü kabuğun altında ya manyetik mineral yok, ya da sıcaklık çok fazla olduğu için mıknatıs etkisini kaybediyor.

Uydulardan alınan veriler hangi bölgelerimizde yoğunlaşıyor? Başka bir deyişle manyetik anomali olarak adlandırılan durum daha çok hangi bölgelerimizde  mevcut?

Anomaliler farklı mekânsal dağılımlar gösterebiliyor. Geniş gölgelerde aynı değer veren anomaliler de var, bir bölge içinde seri biçimde  değişkenlik gösteren anomaliler de... İlkine geniş dalga boylu anomaliler, ikinci gruba ise yüksek frekanslı anomaliler adı veriliyor. Haritaya baktığınızda Güney Batı Anadolu ve Toroslar boyunca çok fazla değişmeyen, açık mavi tonlarını göreceksiniz. Ama İç ve Doğu Anadolu'da mavi-kırmızı ardalanmalar seri biçimde gerçekleşiyor.

Araştırmanızda kullandığınız model deprem risk hesaplamalarında ne gibi iyileştirmeler getirecek? Mevcut risk hesaplarından daha  güvenilir olmasını bekleyebilir miyiz?

Kullandığımız yöntemin esası bu anomalilerin hangi derinlikteki kaynaklar tarafından oluşturulduğunu anlamak. Bu da, haliyle anomali haritalarının frekans içeriğini anlamaktan geçiyor. Sinyal işlem tekniklerini kullanarak önce manyetik tabakanın derinliğini buluyoruz. Bu derinlik eğer kabuk/manto süreksizliğinden sığ ise, demek ki bu derinlik kayacın manyetik özelliğini kaybettiği sıcaklığa denk geliyor diyoruz, yani 580 derece. Ardından o nokta için sıcaklığın derinliğe bağlı değişimini hesaplıyoruz.

Buna göre de kayaçların kırılgan davrandığı derinliği buluyoruz. Bu derinlikten daha derinde bir deprem olamayacağı için risk hesaplaması yapılırken bu derinliklerin kullanmasının anlamlı olacağını iddia ediyoruz.

Haritadaki açık mavi tonlar ve mavi-kırmızı ardalanmalar ne anlama geliyor, biraz daha açıklayabilir misiniz?

Dünyanın toplam manyetik alanı dış çekirdekteki ergiyik metallerin konvektif hareket ile oluşan esas bileşen ile kabuktaki manyetik minerallerin oluşturduğu kabuk alanından oluşur. Çekirdekteki manyetik alan, dünyanın merkezinde sanki kocaman bir çubuk mıknatıs varmış gibi düşünülebilir. Uydu, uçak ya da yer gözlemleri yoluyla elde edilen toplam manyetik alan ölçümlerinden çekirdeğin teorik olarak hesaplanmış etkisi çıkartıldığında kabuğun katkısı bulunur. Haritadaki mavi ve kırmızı tonları yorumlarken işte bu farka bakıyoruz.

Mavi tonlar manyetik alanın ortalama değerin altında olduğu (manyetik mineraller bakımından zayıf kayaçlar), kırmızılar ise ortalamadan fazla manyetizmaya sahip (mesela kuvvetli manyetik mineraller içeren derinlik kayaçları ile volkanik kayaçlar) alanları gösteriyor. Eğer bir bölgede manyetik anomali  yoksa bu bölgede ölçülen manyetik alan ile teorik alan aynı demektir. Ardalanmalar tektonik etkilerle yan yana gelmiş farklı özelliklerde kayaçları gösterebileceği gibi, bölgesel volkanizma ya da derin sıcak su dolaşımı yüzünden kayaçların bozunması yüzünden de oluşabilir.

Yerkabuğunun termal sıcaklığının yüksek olduğu yerler aynı zamanda daha sık deprem yaşanan bölgeler mi?  Bir başka deyişle, litosferin/kabuğun termal özellikleri ile bir bölgedeki deprem sıklığı arasında nasıl bir ilişki söz konusu biraz daha açabilir miyiz?

Deprem sıklığı konusunda bir şey söylemek kolay değil, çünkü farklı yükleme koşulları ile depremi oluşturacak fayların özellikleri büyük değişiklikler gösterebilir. Fakat oluşabilecek en büyük depremin soğuk bir bölgeye kıyasla daha düşük olabileceğini söyleyebiliriz. Sıcaklığın fazla olduğu yerlerde yer kabuğun daha büyük bir bölümü sünek davranış gösterir. Yani hem kırılgan tabakanın kalınlığı azalır hem de daha derindeki kayaçlar çok az streslerde bile akmaya başlar.

Örnek olarak iki bölge varsayalım: ikisinde de aynı uzunlukta ve çok benzer kuvvetlerle yüklenen birer fay olsun. Bu iki bölgeden birinin sıcaklık profili daha yüksekse, orada oluşacak bir depremin büyüklüğü daha az olmalıdır. Çünkü sıcak bir litosferin toplam dayanımı daha azdır; daha düşük stresler altına deforme olabilir (yani biriken elastik deformasyon enerjisi daha az olur).

Termal ısıyı artıran faktörler nelerdir? Örneğin termal su kaynaklarının olduğu bölgeler deprem açısından daha mı risklidir?

Kabuk sıcaklığını artıran iki önemli kaynak var -ilki kabuktaki radyoaktif minerallerin konsantrasyonu, diğeri ise kabuk altı sıcaklıklarıdır. Sıcak su kaynakları ise bunların bir sonucudur: eğer bu iki faktör sayesinde kabuktaki sıcaklıklar yüksek ise ve yüzey sularının derine hareket etmesini sağlayacak yollar (mesela faylar) mevcutsa.

Türkiye’nin neredeyse her bölgesinde sıcak su kaynakları mevcuttur. İç Anadolu’nun KB kesiminde Galatya volkanik alanı, güney kesiminde de Kapadokya’yı içine alan orta Anadolu volkanik bölgesi bulunur. Bu bölgede çok miktarda sıcak su kaynağı da vardır. Bu bölge, diğer taraftan, Türkiye’de en düşük deprem faaliyetinin kaydedildiği bölgedir. Bunun tam aksi, Batı Anadolu için söylenebilir; çok sayıda sıcak su kaynağı vardır; depremsellik de yüksektir.

Özetle, sıcak su kaynağı bir sebep değil sonuçtur. Depremselliği kontrol eden sebep kabuğun sıcaklık profili ile tektonik yükleme koşullarıdır.

Geliştireceğiniz modeli uygulamada nasıl kullanmayı planlıyorsunuz?

Çalışmamızın esas katkısının Anadolu’nun depremsellik ve topoğrafik özelliklerini açıklamak için kurgulanan modellerin iyileştirilmesinde anahtar bir rol üstleneceğini düşünüyoruz.