SurfaceWaveTomography

İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ JEOFİZİK MÜHENDİSLİĞİ BİTİRME ÖDEVİ İSTANBUL

SİSMİK YÜZEY DALGARININ TOMOGRAFİSİ İLE

YÜZEYE YAKIN YAPILARIN İNCELENMESİ

Hazırlayan

Mustafa BİRDAL

1302080013

Danışman Prof. Dr. Ali Osman ÖNCEL

Haziran, 2012

i

İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

JEOFİZİK MÜHENDİSLİĞİ

1302080013 numaralı Mustafa BİRDAL tarafından hazırlanan “Sismik Yüzey

Dalgalarının Tomografisi İle Yüzeye Yakın Yapıların İncelenmesi” isimli bitirme

ödevi tarafımdan okunmuş ve kabul edilmiştir.

28 / 06 / 2012

Danışman

Prof. Dr. Ali Osman ÖNCEL

1302080013 numaralı Mustafa BİRDAL’ın Bitirme Ödevi Sınavı tarafımızdan yapılmış

ve başarılı bulunmuştur.

SINAV JÜRİSİ

Ünvanı, Adı ve Soyadı İmza

1. ………………………….. ………………………..

2. ………………………….. ………………………..

3. ………………………….. ………………………..

ii

ÖNSÖZ

Bu projenin hazırlanmasında sağlamış olduğu katkı ve yönlendirmelerden dolayı

danışmanım Sayın Prof. Dr. Ali Osman ÖNCEL’e, saha çalışmalarında yardımcı olan

Geosis Yerbilimleri ve Danışmanlık Ltd. Şirketine, ofis çalışmalarında yardımlarını

esirgemeyen Sayın Jeofizik Mühendisi Serhan GÖREN’e, değerli önerileri için Sayın

Ar. Gör. Seda ALP’e, çalışma arkadaşım Sayın Mehmet Safa ARSLAN’a ve her

zaman beni destekleyen sevgili aileme teşekkürlerimi sunarım.

iii

İÇİNDEKİLER

Özet….…………………………………………………………………….……….1

1. Giriş……………………………………………………………………..….….2

2. Genel Kısımlar………………………………………………………………3

2.1 Genel Tanımlamalar…….……...……………………………………….……3

2.1.1. Sismik Dalgalar …………………………..………………………….…….3

2.1.1.1. Cisim Dalgaları…………………………………………………….….....3

2.1.1.2. Yüzey Dalgaları…………………………………………..………….…..4

2.1.2. Rayleigh ve S Dalgası Hızları Arasındaki İlişki………………………...6

2.1.3. Faz Hızı ve Grup Hızı……………………………………………………..7

2.1.4. Dispersiyon………….………………………………………………….…..8

2.2. Yüzey Dalgası Yöntemleri……………………………………………….…10

2.2.1. Yüzey Dalgalarının Çok Kanallı Analizi Yöntemi (MASW)……….….10

2.2.2. CMPCC Toplam Yöntemi (Common Mid-point Cross Corelation)…...12

3. Malzeme ve Yöntem………………………………………………….....…13

4.Bulgular…………………………………………………………………......…18

5. Tartışma ve Sonuç…………………………………………………....…….29

6.Kaynaklar……………………………………………………………………..33

1

ÖZET

Sismik Yüzey Dalgalarının Tomografisi İle Yüzeye Yakın Yapıların İncelenmesi

Bu tezin amacı, saha çalışmalarıyla sismik verilerin toplanması ve bu verilere Yüzey

Dalgalarının Çok Kanallı Analizi Yönteminin (MASW) uygulanmasıdır. Böylece

çalışma alanına ait 2-boyutlu tomografi modelinin elde edilmesi istenmiştir. Arazide

toplanan sismik verileri, MASW yöntemi için geliştirilen “Surface Wave Analysis

Wizard” ve “WaveEq” isimli yazılımlar vasıtasıyla çözümlenmiştir. Bütün bu verilerin

çözümlenmesi sonucunda elde edilen sonuçlar açıklanmıştır. Elde edilen sonuçlar

Jeofizik Mühendisi Serhan GÖREN tarafından oluşturulan sismik yansıma kesitleriyle

karşılaştırılarak çalışmaların doğruluğu irdelenmiştir.

2

1. GİRİŞ

Bilindiği gibi mühendislik jeofiziği yeraltında bulunan jeolojik yapıları belirlemeyi ve

yeraltında ki farklı özelliklere sahip yapıların geometrik, elastik ve benzeri

parametrelerinin hesaplanmasını amaçlamaktadır. Sismik yöntemler mühendislik

jeofiziğinin amaçları doğrultusunda yaygın olarak kullanılan en etkili yöntemlerden

birisidir (Çaylak ve Sarı, 2008).

Yerin (zeminin), deprem gibi bir dinamik yük altındaki davranışı belirlemek için elastik

parametrelerin vermiş olduğu bilgilerden yararlanılmaktadır. Zeminlere ait elastik

parametrelerin belirlenmesi S dalgası hızı ile doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle, S dalga

hızının derinlikle değişiminin incelenmesi mühendislik jeofiziği açısından çok

önemlidir (Dikmen vd., 2009).

Arazi çalışmalarıyla S dalga hızının belirlenmesinde sismik kırılma yöntemi, sismik

yansıma yöntemi ve kuyuda sismik hız ölçümü tekniklerinden (down-hole, up-hole,

cross-hole) yararlanılmaktadır. Bu yöntemler, kent içinde ve dar alanlarda

gerçekleştirilen çalışmalarda sinyal/gürültü oranının düşük olmasından dolayı S

dalgasının kayıt edilmesi oldukça zordu. Ayrıca sismik kırılma yöntemi, yüksek hız

değerine sahip bir katmanın altında bulunan düşük hızlı katmanların parametrelerini

çözümleyememektedir ve kalın alüvyon çökellerinin bulunduğu ortamlarda sismik

temelin saptanmasında güçlükler ortaya çıkmaktadır (Bozdağ, 2002; Dikmen vd., 2009).

Bahsedilen tüm bu sorunlarla karşılaşmamak için sismik yüzey dalgası yöntemlerinin

kullanılması avantaj sağlamaktadır. Sismik yüzey dalgası yöntemlerinde, yüzey

dalgalarının frekansa bağlı özelliklerinden yararlanarak yüzeye yakın yapıların elastik

özelliklerin belirlenebilir. Yüzey dalgalarının dispersif özelliklerinden yola çıkılarak S

dalgası hızı profilleri elde edilmektedir (Park vd., 1998; Xia vd., 2000).

Bu tez kapsamında sismik yüzey dalgası yöntemlerinden, “Yüzey Dalgalarının Çok

Kanallı Analizi (MASW)” yöntemi ile Kahramanmaraş ilinin Elbistan ilçesindeki bir

bölge için yapılan çalışmalar anlatılmıştır. Bu yöntemle yüzey dalgalarının analizinden

3

yararlanılarak yer altına ait S dalgası hızının tomografik modelinin nasıl oluşturulduğu

ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır.

2. GENEL KISIMLAR

2.1. Genel Tanımlamalar

2.1.1. Sismik Dalgalar

Sismik dalgalar elastik deformasyon enerjisinin kümeleridir. Örneğin deprem gibi bir

olay sonucu ortaya çıkan enerji, depremin merkezinden (kaynak noktasından)

uzaklaşarak yer içerisinde bulunduğu ortamın özelliklerine bağlı olarak tüm yönlere

doğru elastik bir dalga şeklinde yayılacaktır. Sismik dalgalar cisim dalgaları ve yüzey

dalgaları olarak iki gruba ayrılmaktadır. Cisim dalgaları, yer içerisinde yayılan

dalgalardır. Yüzey dalgaları ise, hemen hemen yeryüzüne paralel bir şekilde yüzey

sınırında yayılan sismik dalgalardır (Kearey vd., 2002).

2.1.1.1. Cisim Dalgaları

Cisim dalgaları boyuna dalgalar (P dalgası) ve enine dalgalar (S dalgası) ikiye

ayrılmaktadır. P dalgaları yayıldığı doğrultuda sıkışma ve genişleme yaparak yayılırlar.

P dalgasının geçişi esnasında yer içerisindeki partiküller dalganın yayılım doğrultusu

üzerinde ileri-geri titreşimler yapmaktadırlar ve geçtikleri ortamlarda hacimsel değişime

neden olurlar. P dalgaları katı, sıvı ve gaz ortamlarında yayılım gösterebilirler ve yer

içerisinde en hızlı yayılan dalgalardır. S dalgaları, dalganın yayılım doğrultusuna dik

olarak enine deformasyonlar yaparak yayılmaktadırlar. S dalgalarının geçişi sırasında

yer içindeki partiküllerde şekil değişimine neden olmaktadırlar. S dalgasının yatay

(SH) ve düşey (SV) düzlem olmak üzere iki bileşeni bulunmaktadır. S dalgaları sıvı ve

gaz ortamlarda yayılmazlar. Çünkü sıvı ve gaz ortamlarda sıkışmazlık modülü sıfırdır

(2.1). S dalgaları sismik kayıtlarda, P dalgalarından sonra gelen en hızlı sismik

dalgalardır. Ayrıca cisim dalgaları dispersif olmayan sismik dalga türleridir (Kurtuluş,

2002).

4

S dalga hızı;

VS = (μ / ρ)1/2 = (E / 2 * ρ * (1+ σ))1/2 (2.1)

Formülü ile hesaplanmaktadır.

E = Young modülü

μ = Sıkışmazlık modülü

ρ = Yoğunluk

σ = Poisson oranı

Şekil 2.1: P ve S dalgalarının yayılımı (Stein ve Wysession, 2003).

Mühendislik jeofiziğinde, P ve S dalgalarının hız değerlerinin ölçülmesi yerin jeoteknik

özelliklerinin belirlenmesine oldukça önemlidir. Özellikle S dalgası hızı değeri,

zeminlerin elastik parametrelerin belirlenmesinde daha fazla ve önemli bilgiler

vermektedir (Kearey vd., 2002).

2.1.1.2. Yüzey Dalgaları

Homojen, izotrop ve sonsuz ortamlarda yalnızca cisim dalgaları oluşmaktadır ancak;

ortam sonsuza gitmezse ve sınırlı kalırsa, sınırları oluşturan serbest yüzeylerde yüzey

5

dalgaları adı verilen sismik dalgalar oluşur. Rayleigh ve Love adı verilen iki tür yüzey

dalgası vardır. Rayleigh dalgaları, yarı sonsuz ortamlarda yayılmaktadırlar. Bir

ortamdan geçtikleri zaman, o ortamın partikülleri retrograd adı verilen eliptik bir

hareket yapmaktadır. Retrograd hareket P dalgası ile S dalgasının düşey doğrultudaki

hareketinin bir kombinasyonu olarak düşünülebilir. Rayleigh dalgalarının hız değeri ile

aynı ortamda yayınan S dalgası hızının değeri arasında bir yaklaşım bulunmaktadır

(2.2). Ayrıca Rayleigh dalgaları dispersiyon göstermektedirler (Novotny, 1999).

VR = 0.92 * Va (2.2)

VR = Rayleigh dalgası hızı

VS = S dalgası hızı

Şekil 2.2: Rayleigh dalgasının yayılımı ( Fowler, 2005)

Diğer bir yüzey dalgası türü olan Love dalgaları, S dalgasının yatay bileşeninden

oluşmaktadır. Love dalgaları, daima dispersiyon gösterme özelliğine sahiptir (Kurtuluş,

2002).

6

Şekil 2.3: Love dalgasının yayılımı (Fowler, 2005).

2.1.2. Rayleigh ve S Dalgası Hızları Arasındaki İlişki

Elastik yarı sonsuz bir ortamda Rayleigh dalgası ve S dalgası hızları arasındaki ilişki

aşağıdaki bağıntıda verilmiştir (Richart, 1970).

(VR/VS)6–8*( VR/VS)4+[24-16*(1-2σ) / (2-2σ)]*( VR/VS)2 + 16*{[(1-2σ) / (2-2σ)]-1}= 0

(2.3)

Poisson oranı bağıntısı da aşağıdaki gibi verilmiştir (Grand ve West, 1965).

σ = (VP2- 2*VS

2) / [2* (VP2-VS

2)] (2.4)

VR = Rayleigh dalgası hızı

VS = S dalgası hızı

VP = P daşgası hızı

σ = Poisson oranı

Poisson parametresine bağlı olarak Rayleigh ve S dalgası hızı arasındaki oran Şekil

2.4’ te görülmektedir. Poisson oranının 0-0.5 aralığında olması durumunda Rayleigh

7

dalgası ve S dalgası hızları arasındaki oran 0.87-0.96 aralığında değişmektedir (Sheriff,

1991)

Şekil 2.4: Poisson oranına bağlı olarak Rayleigh dalgasının S dalgasına oranı (Al

Dulaijan, 2008).

2.1.3. Faz Hızı ve Grup Hızı

Dispersiyon gösteren yüzey dalgalarında iki ayrı hız kavramı söz konusudur. Farklı

frekanstaki yüzey dalgaları birbiri üzerine binerek bir dalga grubu oluşturmaktadırlar.

Bu dalga grubundaki herhangi bir noktanın ilerleme hızına faz hızı denilmektedir. Dalga

grubunun tamamının ilerleme hızına da grup hızı denilmektedir (Şekil 2.5) (Lay ve

Williams 1995).

Şekil 2.5: Faz hızı ve grup hızının gösterimi (Osmanşahin, 1989).

8

2.1.4. Dispersiyon

Yüzey dalgaları, yayılımları sırasında düşey heterojen ortamlarda dispersiyon

göstermektedir. Dispersiyon, yüzey dalgalarının farklı frekanslarda farklı faz hızlarına

sahip olması anlamına gelmektedir. Homojen bir ortamda dalgalar farklı dalga boyunda

ve farklı derinliklerde olsa bile aynı malzeme içerisinde yayıldıkları için hızları aynı

olacaktır. Düşey olarak homojen olmayan bir ortamda ise farklı malzemeler içerisinde

yayılan dalgalar, yayıldıkları ortamlarının özelliklerine bağlı olarak farklı faz hızlarıya

yayılım gösterirler (Şekil 2.6). Yüzey dalgaları tek bir hız değerine sahip değildir, fakat

faz hızı frekansın fonksiyonudur ve frekans ile faz hızı arasındaki ilişki “dispersiyon

eğrisi” olarak tanımlanır (Şekil 2.7). Yüksek frekans değerlerinde ki faz hızları yüzeye

yakın tabakaların Rayleigh dalgası hızını temsil eder, düşük frekanstaki faz hızları da

daha deri tabakaların Rayleigh dalgası hızını temsil etmektedir (Strobbia, 2005).

Şekil 2.6: Homojen ortamda faz hızı (solda), düşey olarak homojen olmayan ortamda

faz hızını dalga boyuna bağlı değişimi (sağda) (Strobbia, 2005).

9

Şekil 2.7: Faz hızının frekansın bir fonksiyonu olması sonucu oluşan dispersiyon eğrisi

(Strobbia, 2005).

Dispersiyon eğrisi deneysel olarak ölçülebilir ve dispersiyon eğrisinin yorumlanması ile

yeraltının özellikleri belirlenebilir. Rayleigh dalgasının yer yayılımı çok modlu (kip) bir

olgudur. Herhangi bir frekans değeri için, Rayleigh dalgasının en düşük faz hızındaki

yayılımı temel mod olarak adlandırılmaktadır. Temel moddan daha büyük hız değerine

sahip olan modlar yüksek mod olarak adlandırılır (Şekil 2.8) (Strobbia, 2005).

Şekil 2.8: Yüzey dalgalarının dispersiyon eğrilerindeki temel mod ve yüksek modların

görünümü (Dikmen vd., 2009).

Yüzey dalgası yöntemlerinde analiz için temel mod kullanılmaktadır. Diğer yüksek

modların kullanımı yeraltı hız dağılımının hatalı bulunmasına neden olmaktadır. Temel

mod yerine yüksek modun kullanılması gerçek hız değerinden daha yüksek bir hızın

elde edilmesine neden olmaktadır (Dikmen vd., 2009).

10

2.2. Yüzey Dalgası Yöntemleri

İlk olarak, sismologlar yerkabuğu ve üst manto araştırmaları için yüzey dalgalarını

kullanmışlardır (Ewing vd.,1957; Dorman vd., 1960; Knopoff, 1972; Kovach, 1978)

Yüzey dalgası yöntemleri genel olarak yüzey dalgalarının geometrik dispersiyon

analizine dayanmaktadır. Arazide ölçülen sismik kayıtlardan elde edilen dispersiyon

eğrilerine ters çözüm yapılarak S dalgasının derinliğe bağlı 1 boyutlu profilleri

belirlenmektedir. Yüzey dalgası yöntemlerinde genel olarak Rayleigh dalgası

incelenmektedir.

Yüzey dalgası yöntemleri aktif kaynaklı ve pasif kaynaklı olmak üzere iki kategoriye

ayrılmaktadır. Yüzey Dalgalarının Spektral Analizi (SASW) (Nazarian ve Stokoe, 1984;

Gucunski ve Woods, 1991; Tokimatsu, 1992) ve Yüzey Dalgalarının Çok Kanallı

Analizi (MASW) (McMehan ve Yedlin, 1981; Park vd., 1999a) aktif kaynaklı yüzey

dalgası yöntemlerindendir. Pasif kaynaklı yüzey dalgası yöntemleri ise Kırılma-

Mikrotremör Yöntemi (ReMi) (Louie, 2001), Frekans- Dalga Sayısı Yöntemi (f-k) (

Capon, 1969) ve Uzaysal Özilişki Yöntemidir (SPAC) (Aki, 1957).

2.2.1. Yüzey Dalgalarının Çok Kanallı Analizi Yöntemi (MASW)

SASW yönteminde yüzey dalgalarını kaydetmek amacıyla bir alıcı çifti kullanılır

(Dobrin ve Savit, 1988). Sismik kaynak olarak genellikle balyoz kullanılır. Bu nedenle

daha derin araştırma derinliğine ulaşabilmek için alıcı-kaynak aralığının arttırılması

gerekmektedir. Bu nedenle iş gücü ve zaman bakımından dezavantaj sağlamaktadır.

Ayrıca cisim dalgalarının ve yüzey dalgalarının yüksek modlarının varlığından dolayı,

kaydedilen verinin olası kirlenmesi fark edilemez ve uygun şekilde kullanılamaz (Bath,

1973). MASW yöntemi, SASW yönteminde gürültü nedeniyle yaşanan eksikliklerin

giderilmesi amacıyla geliştirilmiştir (Park vd., 1999a).

SASW yöntemi genel olarak yüzey dalgalarının yüksek modlarına karşı duyarlı değildir.

MASW ile yüksek modların belirlenmesi mümkündür (Park vd., 1998a,b). MASW

yöntemi çalışmaları veri toplama, dispersiyon eğrisinin elde edilmesi ve ters çözüm

11

işlemiyle S dalgası hızının derinliğe bağlı dağılımını bulma aşamalarıyla yapılmaktadır.

Veri toplama aşamasında kullanılan düzenekler sismik kırılma yöntemi ile benzerlik

göstermektedir. Kullanılan serimin uzunluğu ve jeofonların arasındaki mesafe,

araştırma derinliğini ve çözünürlüğünü belirleyen önemli parametredir. Bunlara bağlı

olarak arazi çalışmalarında amaca uygun serim uzunluğu ve jeofon aralığı belirlenir.

Veri toplama aşamasında kayıt uzunluğunu 1 saniye süresince almak S dalgasının hız

değişiminin belirlenmesi için yeterlidir (Dikmen vd., 2009).

Şekil 2.9: MASW yöntemi veri toplama düzeneği (Park vd., 1998).

Arazideki veri toplama aşamasından sonra sismik kayıtlardan frekansa bağlı olarak

“ground roll” dalgasının faz hızları hesaplanır. Hesaplamalar sonucu frekansa bağlı faz

hızı eğrileri (dispersiyon eğrileri) elde edilir (Park vd., 1999a). S dalgası profilini

ortaya çıkartmak için elde edilen eğrilerin her birine ters çözüm işlemi uygulanmalıdır

(Xia vd., 1999). Ters çözüm sonucu bulunan S dalgası hızı profili, jeofon diziliminin

ortasını temsil etmektedir (Miller vd.,1999). MASW yöntemi, tek boyutlu S dalgası hızı

profilleri elde edilebildiği gibi, birçok atışın birleştirilmesi ile iki boyutlu S dalgası hızı

profillerinin de elde edilmesine olanak sağlar. İki boyutlu S dalgası hızı kesitleri ile

yeraltındaki boşluklar, çatlaklı bölgeler, ana kaya yüzeyi ve düşük hız zonları gibi

yapılar tespit edilebilir (Çaylak ve Sarı, 2008).

12

2.2.2. CMPCC Toplam Yöntemi (Common Mid-point Cross Corelation)

Derin litolojilerin doğru hız yapılarını belirleyebilmek için alıcı diziliminin boyunun

arttırılması gerekmektedir. Bu durum beraberine yanal çözünürlüğün azalması gibi bir

sorunu getirmektedir. Alıcıların arasındaki mesafenin az olması çözünürlüğün yüksek

olmasını sağlamaktadır. Bu durumun getirdiği karmaşıklığı ortadan kaldırmak için

CMPCC toplamı adı verilen bir yöntem kullanılmaktadır (Hayashi ve Suzuki, 2004).

CMPCC toplamı yöntemi ile geniş açılımlı alıcı dizilimlerinde ortaya çıkan düşük yanal

çözünürlük problemi ortadan kalkmaktadır. Yüzey dalgası yöntemlerinde CMPCC

toplam yöntemi uygulanırken alıcı dizilimi içerisindeki alıcılar arasındaki orta noktalar

eşleştirilir ve genişçe dağıtılır. CMPCC toplam yönteminde, aynı ortak noktada

toplanan sinyaller üst üste bineceğinden analizlerde çözünürlüğün artmasını

sağlamaktadırlar. Bu bakımdan sismik yansıma yöntemindeki tekniklerle benzerlik

göstermektedir (Tsuji vd., 2012).

Şekil 2.10: Alıcı çiftlerinin ortak noktaları (a), aynı CMPCC bölgeleri için

kroskorelasyon işlemi (b), tek bir atış için CMPCC toplamı gösterimi (c), birden fazla

atış içi CMPCC toplamı gösterimi (d) (Tsuji vd., 2012).

13

CMPCC yönteminde veri toplama aşaması sismik yansıma yöntemiyle benzerlik

göstermektedir. Analizlerde öncelikle, her bir atışa ait alıcı dizilimindeki alıcı çiftlerine

kroskorelasyon işlemi uygulanır ve bunlar daha sonra CMPCC toplamlar halinde

sıralandırılır. Her bir CMPCC noktasında, eşit aralıklı kroskorelasyona uğramış alıcılar

zaman ortamında yığılır. Sonuç olarak CMPCC toplamları, her bir CMPCC bölgesinin

karakteristik faz farkını içermektedir (Hayashi ve Suzuki, 2004).

3. Malzeme ve Yöntem

Saha çalışmaları Kahramanmaraş ili Elbistan ilçesinde bulunan Afşin-Elbistan Kömür

işletmelerine ait Kışlaköy Açık Ocak sahasında yapılmıştır. Bu çalışmada ekipman

olarak 2 adet Seistronix firmasının RAS-24 model 24 kanallı sismik kayıt cihazı, 2 adet

akü, dizüstü bilgisayar, 48 adet 28Hz’lik jeofon, 1 adet trigger jeofonu, 120 metrelik 4

adet jeofon kablosu, trigger kablosu, sismik kayıt cihazlarına ait ara bağlantı kabloları,

sismik kaynak olarak “Gun” adı verilen 18 fişek kapasitesine sahip patlayıcı ekipman ve

çok sayıda patlayıcı fişek kullanılmıştır.

Arazi çalışmalarında üç farklı bölgede sismik ölçümler yapılmıştır. Çalışmalara

başlamadan önce ölçümlerin yapılacağı hatlar belirlenmiştir. Ölçümlerin yapılacağı

hatlara “sr1”, “sr2”, “sr3” isimleri verilmiştir. Bu hatlar üzerinde patlatmaları

yapabilmek amacıyla iş makinaları yardımıyla yeterli derinlikte çukurlar kazdırılmıştır.

Bu aşamada 300 adet çukur 5’er metrelik aralıklarla kazdırılmıştır. Bu patlatma

çukurlarının 59 tanesi “sr1” isimli hatta, 121 tanesi “sr2” isimli hatta ve 120 tanesi “sr3”

isimli hatta aittir. Bu işlemlerden sonra sismik ölçümlerin yapılması amacıyla serimler

düzenlenmeye başlanmıştır. Arazi çalışmalarına ilk olarak “sr1” hattından başlanmıştır

ve daha sonra sırasıyla “sr2” ve “sr3” hatlarıyla devam edilmiştir.

14

Şekil 3.1: Arazi çalışmalarının yapıldığı lokasyonun uydu görüntüsü. (Sr1 başlanıç-

son: 38°20'9.87"K, 37° 4'43.58"E- 38°20'30.40"K, 37° 4'16.87"E. Sr2 başlangıç-son:

38°20'18.96"K, 37° 5'44.73"E- 38°20'12.07"K, 37° 6'12.92"E. Sr3 başlangıç-son:

38°20'4.63"K, 37° 5'19.47"E- 38°19'52.77"K, 37° 5'44.80"E.)

Şekil 3.2: Arazide kullanılan ekipmanlar.

15

Şekil 3.3: 28 Hz’lik jeofonlar (solda) ve trigger kablosu (sağda).

Şekil 3.4: 18 fişek kapasiteli patlayıcı sismik kaynak “Gun”.

16

İlk çalışmaların yapıldığı “sr1” hattında düzenlenen dizilimlerde 48 adet kullanılmıştır.

Jeofonların arasındaki mesafe 5 metre olacak şekilde düzenlenmiştir. Bu hattaki sismik

ölçümlerde 2 adet sismik kayıtçı cihazı kullanılmıştır. Sismik kayıtçılarla jeofonlar

kablolar aracılığıyla bağlanmıştır. Aynı şekilde sismik kayıt cihazları da ara bağlantı

kablolarıyla birbirlerine bağlanmıştır. Bu hatta kullanılan kaynak/alıcı dizilim sistemine

göre, sismik kaynağın alıcı diziliminin tam ortasında olması planlanmıştır. Bu düzene

göre sismik ölçümler yapılmaya başlanmıştır. Her patlatmadan (atış) sonra alıcı dizilimi

ve kaynak 5 metre kaydırılarak diğer patlatmalarda yapılmıştır. Bu hatta yapılan

çalışmalarda toplam 59 adet patlatma yapılmış olup, en ilk jeofonun yerleştirildiği

noktayla en son jeofonun yerleştirildiği nokta arasında 525 metre mesafe

bulunmaktadır. Bu hatta sismik ölçümler tamamlandıktan sonra diğer ölçümleri

yapmak üzere “sr2” hattına geçilmiştir.

Şekil 3.5: “sr1” hattından bir görünüm.

17

Şekil 3.6: “sr1” hattındaki kaynak/alıcı dizilim sistemi.

Sismik ölçümlerin yapıldığı diğer hatlarda aynı alıcı dizilimi kullanılmış olup, 24 adet

jeofon kullanılmıştır ve jeofon aralığı ilk hatta olduğu gibi 5 metre olarak alıcı dizilimi

düzenlenmiştir. Bu hatta tek bir sismik kayıt cihazı kullanılmıştır. Sismik kaynakla

yapılacak patlatmalar ilk hatta ki gibi alıcı diziliminin ortasında değil, dizilimin

başından yapılmıştır. Sismik kaynak alıcı diziliminin 2.5 metre gerisinden patlatılarak

ölçümler yapılmıştır. Her bir patlatmadan sonra kaynak ve alıcı dizilimi 5 metre

kaydırılarak patlatmalara devam edilmiştir ve sismik kayıtlar elde edilmiştir. Sr2

hattında 121 adet patlatma yapılmış olup, en ilk yerleştirilen jeofon ile son yerleştirilen

jeofon arasındaki mesafe 715 metre olmuştur. Sr3 hattında da 120 adet patlatma

yapılmış olup, en ilk yerleştirilen jeofon ile son yerleştirilen jeofon arasındaki mesafe

710 metre olmuştur. Arazide yapılan tüm sismik ölçümler 1 saniyelik kayıtlardır ve 0.5

milisaniye örnekleme aralığıyla kaydedilmişlerdir.

Şekil 3.7: “sr2” ve “sr3” hattındaki kaynak/alıcı dizilim sistemi.

18

Şekil 3.8: “sr3” hattından bir görünüm.

4.Bulgular

Arazi çalışmalarında elde edilen sismik verilere “Çok Kanallı Yüzey Dalgası Analizi

Yöntemi (MASW)” uygulanmıştır. Analizlerin sonucunda elde edilen derinliğe bağlı S

dalgası hızı modelleri birleştirilerek çalışma alanlarına ait tomografi modelleri

oluşturulmuştur. Analiz çalışmalarında, Seisimager şirketine ait “Surface Wave

Analysis Wizard” ve “WaveEq” isimli yazılımları kullanılmıştır. Ayrıca tomogrofik

model oluşturma amaçlı olarak yine aynı şirkete ait “GeoPlot” adlı yazılım

kullanılmıştır.

Öncelikle sismik kayıtların, Surface Wave Analysis Wizard programında dijital olarak

görüntülenmesi ve ölçümlere ait geometrik parametrelerin yine aynı yazılım vasıtasıyla

sisteme girilmesi amaçlanmıştır. Kayıt geometrisi parametreleri, ilk jeofon başlangıç

noktasında (0. Metre) olacak şekilde girilmiştir. Patlatmanın yapıldığı nokta “sr1”

hattında jeofon diziliminin tam orta noktası olarak, “sr2” ve “sr3” hatlarında jeofon

diziliminin 2.5 metre gerisinde olacak şekilde girilmiştir. Bununla birlikte jeofonlar

arası mesafe 5 metre olacak şekilde programda düzenlenmiştir (Şekil 4.2 ve Şekil 4.3).

19

Şekil 4.1: Yukarıdan aşağıya doğru sırasıyla “s1”, ”s2”, ”s3” hatlarından elde edilen

örnek sismik veriler.

20

Şekil 4.2: “sr1” için Geometri parametrelerinin düzenlenmesi.

Şekil 4.3: ”sr2” ve “sr3” için geometri parametrelerinin düzenlenmesi.

21

Şekil 4.4: “s1” hattı için kaynak-alıcı dizilimi geometrisinin görünümü. Mavi renkli

noktalar sismik kaynağı, sarı renkli noktalar alıcıları temsil etmektedir.

Şekil 4.5: “sr2” ve”sr3” hattı için kaynak- alıcı dizilimi geometrisinin görünümü. Mavi

renkli noktalar sismik kaynağı, sarı renkli noktalar alıcıları temsil etmektedir.

Geometri parametrelerinin düzenlenmesinden sonra CMPCC toplam tekniği verilere

uygulanır. Belirli bir mesafe aralığı seçilerek, sismik veriler gruplar halinde birleştirilir.

Bu şekilde kayıtlardaki sinyaller güçlendirilmiş olur ve çözünürlük artmış olur. Bu

çalışma kapsamında ilk jeofondan son jeofona kadar olan mesafede tüm veriler 10’ar

metrelik gruplar halinde birleştirilmiştir (Şekil 4.6).

22

Şekil 4.6: “sr2” hattında CMPCC toplama için grup dosyası durumuna getirilen

verilerin 10’ar metrelik kısımlar halinde birleştirilmesi.

10’ar metrelik kısımlar halinde birleştirilen tüm sismik kayıtların, faz hızı-frekans

dönüşümleri yapılmıştır . Faz hızı-frekans dönüşümlerinden yararlanılarak dispersiyon

eğrileri çizdirilmiştir. Faz hızı-frekans dönüşümlerinde mavi renkli kısımlar

dispersiyon gösteren değerleri temsil etmektedir. Bununla birlikte kırmızı renkteki

kısımlar dispersiyonun görülmediği değerleri temsil etmektedir. Çizdirilen bu

dispersiyon eğrileri “WaveEq” yazılımı yardımıyla düzenlenmiştir. Dispersiyon eğrileri

bu programla görüntülenmiştir ve eğrilerdeki sinyal-gürültü oranının düşük olduğu

kısımlar atılarak ters çözüm işlemine güçlü sinyallerin girmesi sağlanmıştır.

Şekil 4.7: Örnek olarak “sr1” hattı 40. metre için faz hızı- frekans dönüşümü.

23



24

Şekil 4.10: “sr1” hattı için seçilen dispersiyon eğrilerinin “WaveEq” yazılımında

görüntülenmesi ve sinyal-gürültü oranlarının görünümü.

Şekil 4.11: “sr2” hattı için seçilen dispersiyon eğrilerinin “WaveEq” yazılımında

görüntülenmesi ve sinyal-gürültü oranlarının görünümü.

25

Şekil 4.12: “sr3” hattı için seçilen dispersiyon eğrilerinin “WaveEq” yazılımında görüntülenmesi ve sinyal-gürültü oranlarının görünümü. Aynı program kullanılarak verilere ters çözüm işlemi uygulanmıştır. Bu işlemle,

çalışma alanına ait yeraltındaki S dalgası hızının derinliğe bağlı dağılımı

hesaplanacaktır ve buna bağlı bir yeraltı modeli oluşturulacaktır. Ters çözüm yapılırken

öncelikle bir model belirlemek gerekmektedir. Bu çalışmada, “sr1” hattında derinliği

80 metre olan 20 tabakalı bir model seçilmiştir, diğer iki hat içinde derinliği 40 metre

olan 15 tabaklı modeller seçilmiştir ve bu modele ait bir eğri oluşturulmuştur. Model

parametrelerinin bu şekilde seçilmesinin nedeni ölçümlerde kullanılan alıcı diziliminin

uzunluğundan kaynaklanmaktadır. Alıcı diziliminin yaklaşık 3’te 1’i kadar bir

derinliğin seçilmesi ters çözüm işleminin doğruluğu açısından yeterlidir. Bu aşamadan

sonra verilere iterasyon işlemi uygulanarak ters çözüm işlemi tamamlanmıştır.

İterasyon, seçilen modelin parametreleriyle oluşturulan eğrinin gerçek arazi verilerinden

oluşmuş dispersiyon eğrisine yaklaştırılması işlemidir. Kullanılan yazılım, ters çözüm

işlemini en küçük kareler yöntemi ile yapmaktadır. Yapılan her iterasyon işlemi

sonucu model eğrisi ile gerçek eğri arasındaki farkın hata oranını sayısal bir değer

olarak verilmektedir. Bu hata oranının değerinin %10 un altında olması yapılan

yaklaşımın yeterli derecede doğru olduğunu göstermektedir. Her bir hat için 5 defa

iterasyon işlemi yapılmıştır. Bu işlemler sonucunda ters çözüm işlemi tamamlanmıştır

ve hat üzerindeki her 10 metrelik aralık için S dalgası hızına bağlı modeller elde

26

edilmiştir. Bu elde edilen modeller kullanılarak “GeoPlot” programı ile çalışma alanına

ait yeraltının S dalga hızına bağlı 2 boyutlu tomografi modeli elde edilmiştir.

Şekil 4.13: Ters çözümde model parametreleri seçimi.

Şekil 4.14: İterasyon işleminin uygulanması.

Şekil 4.15: “sr2” hattında yapılan ters çözüm işlemiyle 100. metre için elde edilen

model eğrisi.

27

Şekil 4.16: “sr2” hattı için yapılan ters çözüm işlemleriyle hattın 100. metresi için elde

edilen tek boyutlu S dalgası hızı modeli.

Şekil 4.17: “sr1” hattı için yapılan ters çözüm işlemi sonucu elde edilen tüm S dalgası

hızlarının görünümü.

28





29

5. Tartışma ve Sonuç Kahramanmaraş ili Elbistan ilçesinde yapılmış olan bu çalışmada, arazi çalışmalarıyla

sismik veriler toplanmıştır ve sismik veriler ofis çalışmalarıyla analiz edilmiştir.

Rayleigh dalgasının dispersiyon gösterebilme özelliğinden yararlanılmıştır ve

analizlerde CMP toplam tekniğinden de yararlanılarak her bir atış için kayıt edilen

sinyaller birleştirilmiştir. Böylece yeraltının karakteristik S dalgası hızı dağılımı

tomografik olarak modellenmiştir. Analizler sonucunda 3 adet S dalgası hızına bağlı

tomografi modeli elde edilmiştir. Bu tomografi modelleri Jeofizik Mühendisi Serhan

GÖREN tarafından çıkartılan sismik yansıma kesitleriyle karşılaştırılmıştır ve

sonuçların doğruluğu irdelenmiştir.

Analizlerde “sr1” hattı için ters çözümde yapılan iterasyon işlemi sonucunda, model

eğrisi yaklaşık %9.1’lik bir hata oranıyla arazi eğrisine yaklaştırılmıştır. Yüzeyden 2

metre derinlikte, 5-6 metre kalınlığında bir düşük hız zonu olduğu tespit edilmiştir. Bu

zonda S dalgası hızı değerleri 150-250 m/sn arasındadır. “sr2” hattı için yapılan

analizlerde iterasyon işlemi sonucu model eğrisi arazi eğrisine yaklaşık %9.9 oranında

bir yaklaşım sağlamıştır. Yüzeyden 3 metre derinlikte, kalınlığı 5-15 metre aralığında

değişen bir düşük hız zonuna rastlanmıştır. “sr2” hattında bulunan bu düşük hız

zonunda S dalgası hızı değerleri 250-350 m/sn aralığında değişmektedir. “sr3” hattında

yapılan iterasyon işlemi sonucunda model eğrisi arazi eğrisine yaklaşık olarak %9.6

oranında bir yaklaşım sağlamıştır. “sr3” hattına ait yüzey dalgası analizi tomografi

modelinde yüzeyden 6-7 metre derinlikte, kalınlığı yaklaşık 5 metre olan bir düşük hız

zonu belirlenmiştir. Bu düşük hız zonunda S dalgası hızı değerleri 260-300 m/sn

aralığındadır. Yansıma kesitleri ve yüzey dalgası analizleri ile oluşturulan tomografi

modellerinde yeraltında bulunan tabaka sınırları ve kalınlıkları yaklaşık olarak uyum

göstermektedir.

30

Şekil 5.1: MASW analizi sonucu elde edilen “sr1” hattının yeraltının 2 boyutlu

tomografi modeli.

Şekil 5.2: “sr1” hattına ait yansıma kesiti.

Şekil 5.3: “sr1” hattı için yansıma kesiti ile tomografi modelinin birlikte gösterimi.

31


tomografi modeli.



32


tomografi modeli.



33

6. Kaynaklar Aki K., 1957, Space and Time Spectra of Stationary Stochastic Waves with Special

Reference to Microtremors, Bull. Earthquake Res. Inst. Tokyo Univ., 35,

415-457.

Boireo, D., 2009, Surface Wave Analysis for Building Shear Wave Velocity Models,

Doktora Tezi, Politecnico di Torino.

Bozdağ, E., 2002, Yeşilyurt ve Avcılar’da Deprem Yer Tepkisinin Çok Kanallı

Mikrotremor Kayıtlarının Analizi ile Belirlenmesi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri

Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul, 100s.

Capon, J., 1969, High Resolution Frequency-Wavenumber Spectrum Analysis, Proc.

IEEE, 57, 1408-1418.

Çaylak, Ç. ve Sarı, C., 2008, Çok-kanallı yüzey dalgası analizi kullanılarak yüzeye

yakın yapıların araştırılması, Yerbilimleri, 29(2), 65-75.

Dikmen, Ü., Başokur, A.T., Akkaya, İ. ,Arısoy, M.Ö., 2009. Yüzey dalgalarının çok-

kanallı analizi yönteminde uygun atış mesafesinin seçimi, Yerbilimleri, 31(1), 23-32.

Dobrin, M.B., and Savit, C.H., 1988. Introduction to Geophysical Prospecting,

McGraw- Hill Book Co., New York, ISBN: 978-0070171961.

Dorman, J., Ewing, M., 1962, Numerical Inversion of Seismic Surface Waves

Dispersion Data and Crust-Mantle Structure in the Newyork-Pennsylvania

Area, J Geopysical Research, 67, 5227-5241.

Dulaijan, K., 2008, Near-surface Characterization Using Seismic Refraction and

Surface-wave Methods, Yüksek lisans, University of Calgary.

34

Ewing, W.M., Jardetzky, W.S., Press, F., 1957, Elastic Waves in Layered Media,

McGraw Hill Book Co Inc., Newyork, ISBN: 978-0070198609.

Fowler, C. M. R., 2005, The Solid Earth: An Introduction to Global Geophysics,

Cambridge University Press, Cambridge, ISBN: 9780521893077.

Gucunski, N., and Wood, R.D., 1991, Instrumentation for SASW testing, Recent

advances in instrumentation, data acquisition and testing in soil dynamics, S. K. Bhatia

and G. W. Blaney (eds.), American Society of Civil Engineers, Geotechnical Special

Publication. No. 29, pp. 1–16.

Hayashi, K. ve Suzuki, H., 2004, CMP cross-correlation analysis of multi-channel

surface-wave data, Exploration Geophysics, 35, 7–13.

Kearey, P., Brooks, M., Hill, I., 2002, An Introduction to Geophysical Exploration,

Blackwell Publishing, New Jersey, ISBN: 978-0632049295.

Knopoff, L., 1972, Observation and Inversion of Surface Wave Problems, Bulletin of

the Seismological Society of America, 54, 431-438.

Kovach, R.L., 1978, Seismic Surface Waves and Crustal and Upper Mantle

Structure, Rev. Geophysics., 16, 1-14.

Kurtuluş, C., 2002. Sismik Arama Teori ve Uygulama, Kocaeli Üniversitesi Yayınları,

Kocaeli, Yayın No:55.

Lay, T., and Terry C., Wallace, Modern Global Seismology, Academic Press, San

Diego, ISBN 978-0127328706.

Louie, J. N., 2001, Faster, Better: Shear-Wave Velocity to 100 Meters Depth from

Refraction Microtremor arrays, Bull. Seism. Soc. Am., 91, No:2.

McMechan, G.A., ve Yeldin, M.J., 1981, Analysis of Dispersive Waves by

35

Wavefield, Bull. Seism. Soc. Am., 70, 775-789.

Miller, R.D., Xia, J., and Park, C.B., 1999. Using MASW to map bedrock in Olathe,

Kansas, Open-file Report-Kansas Survey, 99-9.

Nazarian, S., Stokoe, K.H., and Hudson, W.R., 1983. Use of spevtral analysis of surface

waves method for determination of moduli and thicknesses of pavement systems.

Transportation Research Record, 930, 38-45.

Novotny, O., 1999, Seismic Surface Waves, Universidade Federal da Bahia.

Osmanşahin, İ., 1989, Yüzey Dalgası Ortam Tepki Fonksiyonlarından Yararlanarak

Anadolu ve Civarında Kabuk ve Üst Manto Yapsının Belirlenmesi, Doktora Tezi, İ.U.

Fen Bilimleri Enstitüsü.

Park, C.B., Miller, R.D., and Xia, J., 1999a. Multi-channel analysis of surface waves

(MASW), Geophysics, 64, 800-808.

Park, C.B., Miller, R.D., and Xia, J., 1998. Imaging dispersion curves of surface waves

on multi-channel record, The Society of Exploration Geophysicists, Expanded Abstracts

, pp. 1377-1380.

Richart, F.E., Hall, J.R., Woods, R.D., 1970, Vibrations of Soils and Foundations,

Prentice Hall, New Jersey, ISBN 978-0139417160.

Sheriff, R. E., 1991, Encyclopedic dictionary of exploration geophysics: Society of

Exploration Geophysicists, Third edition, Society of Exploration Geophysicists.

Stein, S., Wysession, M. E., 2003, An introduction to seismology, earthquakes, and

earth structure, Wiley-Blackwell, New Jersey, ISBN 0-86542-078-5.

Strobbia, C., 2005, Surface Wave Methods Acqusition Processing and İnversion, Phd

Thesis, Politecnico Di Torino.

36

Tokimatsu , K., Tamura, S., Kojima, H., 1992. Effects of Multiple Mode on Rayleigh

Wave Disperison Characteristics . Journal of Geotechnical Engineering, American

Society of Civil Engineering, 118, 1529-1543.

Tsuji, T., Johansen, T. A., Ruud, B. O., İkeda, T., Matsuoka, T., 2012, Surface-wave

analysis for identifying unfrozen zones in subglacial sediments, Geophysics, 77(3),

EN17-EN27.

Xia, J., Miller, R.D., and Park, C.B., 2000, Advantages of calculating shear-wave

velocity from surface waves with higher modes, The Society of Exploration

Geophysicists, Expanded Abstracts, pp. 1295–1298.

Xia, J., Miller, R.D., Park, C.B., Hunter, J.A., and Harris, J. B., 1999. Evaluation of the

MASW technique in unconsolidated sediments, Proceedings of the 69th Annual

International Meeting, SEG, Expanded Abstracts, pp. 437–440.

Yanık, K., 2006, Yüzey Dalgası Dispersiyon Verilerinden Sönümlü En Küçük Kareler

Ters-Çözüm Yöntemi İle S-Dalgası Hızlarının Hesaplanması, Yüksek lisans, Ankara

Üniversitesi.

Yiğiter, N., 2008, Isparta Çünür Bölgesi’nde Yüzey Dalgası Yöntemi İle Zemin

Özelliklerinin Araştırılması, Yüksek lisans, Süleyman Demirel Üniversitesi.

SurfaceWaveTomography

Education

Transcript of SurfaceWaveTomography