Modelling of earthquake history of the Knidos fault zone using in situ chlorine-36 surface exposure dating

Abstract

Bu çalışmanın amacı kozmojenik 36Cl izotopu yaş tayini metodu aracılığıyla Knidos fayının deprem tekrarlama aralığını ve bu depremlerde meydana gelen atımları hesaplamak ve nihayetinde fayın geçmişteki sismik aktivitelerini tespit etmek. Çalışma alanındaki deprem tekrarlanma aralıkları, meydana kayma miktarları ve kayma hızları elde edilmesi, çalışma bölgesi için sismik tehlike değerlendirmelerinin daha sağlıklı yapılması imkân sağlar. Sismik tehlikelerin değerlendirilmesi sonucunda bölgede meydana gelebilecek olası depremlerin neden olabileceği hayati, beşeri, sosyal ve ekonomik kayıpların en aza indirilmesi için kritik yaklaşımlar sağlayabilir.Depremler insanlık tarihi boyunca en beklenmedik ve yıkıcı doğal afetlerin başında gelmektedir. Bununla birlikte, depremler, sadece insan hayatını değil aynı zamanda kültürel ve tarihi miraslara telafi edilemeyecek hasarlar verebileceği gibi ekonomik, siyasi ve sosyolojik etkilerini de uzun yıllar boyunca hissettirebilir. Bilhassa, 1999 yılında şahsen de tecrübe ettiğim Kuzey Anadolu Fayı'nın batısında 7,4 büyüklüğündeki İzmit Depremi(Kocaeli ya da Gölcük Depremleri olarakta bilinen) ve 7,2 büyüklüğündeki Düzce depremi, bu hususta unutulmayacak tecrübeler yaşatmış, ayrıca depremlerin sonuçlarının nelere yol açabileceği hususunda çok kritik farkındalıklar yaratmıştır. Tarihsel dönemlerde meydana gelen büyük depremler Ege ve Akdeniz'de şehirlerin yıkılmasına (Santorini, Efes, Antakya), büyük can kayıplarına ve uygarlıkların (Girit) ortadan kalkmasına neden olmuştur. Knidos, bu antik kentlerden biri olup, ülkemizin güneybatı ucunda bulunan Datça Yarımadası'nın en batısında yer almaktadır. Bu antik liman kentinin yaklaşık üç bin yıllık bir geçmişi bulunmaktadır. Bu liman kenti doğu yamaçlarında bir duvar gibi yükselen Knidos Fayı'nın dikliklerinin hemen önünde kurulmuştur. Bu nedenle arkeolojik dönemde fayda meydana gelmiş büyük depremlerin fiziksel kanıtlarını antik kent içinde görme şansı bulunmaktadır. Keza yapılan jeo-arkeolojik çalışmalar kentin içinde yer alan tapınak ve sütun gibi yapıların bu fay tarafından kesildiğini ya da yıkıldığını göstermektedir. Son yıllarda gerçekleştirilen jeolojik ve arkeolojik çalışmalar bölgede en az iki büyük sismik olayın meydana geldiğini işaret etmektedir. Bu çalışmalarda, ilk sismik olayın M.Ö. 2 – 3 yüzyıllar arasında, Afrodit Tapınağı ve Demeter Tapınağının yıkılmasına neden olduğu; ikinci olayın ise Yuvarlak Tapınak ve Demeter Tapınağı'nın yer değiştirmesine neden olduğu bildirilmektedir. Bu bilgiler ışığında hareketle, Knidos Fayı Zonu'nda meydana gelen kayma oranını ve deprem tekrarlama aralığı hakkında bilgi edinmek için 36Cl yüzey yaşlandırma yöntemini uyguladı. Fay dikliklerindeki kozmik izotopların derişimlerinin modellenmesi, bu yüzeye etki eden tektonik ve yüzey süreçlerinin etkilerini anlamamıza yardımcı olabilir. Yüzey yaş tayini yöntemi, kozmik ışınlara maruz kalan fay düzleminde üretilen ender kozmik nüklitlerin miktarının ölçülmesi esasına dayanır. Galaktik kaynaklı ve Güneş'te meydana gelen radyo aktif ışınım kaynaklı birincil kozmik ışınlar, genellikle protonlardan oluşmaktadır. Birincil kozmik ışınlar olarak adlandırılan bu parçacıklar, çok yüksek enerjiye sahiplerdir. Bu ışınlar, atmosferle çarpıştıklarında atmosferdeki elementlerle etkileşime girerek ikincil kozmik ışınlara dönüşürler. İkincil kozmik ışınlara dönüşen bu parçacıklar yeryüzüne ulaşır ve kayaçlarla etkileşime girerler. Bu etkileşim sonucu kayaçların yeryüzüne yakın yerlerinde, ağırlıklı olarak yaklaşık 2 ile 3 metrelik bölümlerde, değişik reaksiyonlar neticesinde nadir izotopları oluştururlar. Bu izotoplar kozmojenik izotoplar olarak adlandırılır. Özellikle kireç taşının kimyasal yapısında bulunan, kalsiyum (40Ca), potasyum, (39K) ve klor (35Cl) gibi elementlerin ikincil kozmik ışınlarlar etkileşimleri neticesinde kozmojenik Klor-36 (36Cl) izotopu oluşur. Bu izotopun oluşumunda yer alan kimyasal reaksiyonlar, yüksek enerjili spallasyon reaksiyonları, düşük enerjili nötron reaksiyonları(termal ve epitermal) ve müon reaksiyonları olarak sıralanabilir. Spallasyon reaksiyonları genellikle yüzeye yakın yerlerde baskın olmakla birlikte nüfus derinliğinin az olmasından dolayı etkilerini derinlikle üstel olarak kaybederler. Tepkimeye girme eğilimleri düşük olan müonların ise nüfuz derinliği daha yüksektir. Bu nedenle derinlikle gerçekleşen kozmik izotop üretimlerinden müon parçacıklarının neden olduğu reaksiyonlar yer alır.Yüzey yaşlandırma yönteminin, sağlıklı bir şekilde uygulamaya geçirmek amacıyla, arazide çalışmaları gerçekleştirildi. Yapılan arazi çalışmalarında örneklemeye yapmaya elverişli ve amaca uygun fay diklikleri tespit edildi. Örnekleme aşaması çok önemli olduğundan örnek toplanacak fay dikliğinin belirli özel niteliklere sahip olması gerekmektedir. Hedeflenen fay dikliğinin alüvyal yelpazelerden, antropojenik etkilerden, dereler ve akarsu vadilerinden kesinlikle etkilenmemiş ya da en az etkilenmiş bir yapıya sahip olması gerekmektedir. Hedef fay dikliği tespit edildikten sonra örnekleme işlemi için gerekli hazırlıklara geçildi. Yapılan hazırlıklar, iş güvenliğinin en üst seviyede olması gerektirmektedir. Örnekleme işlemine geçilmeden evvel bu sürece dâhil olacak, ekibin yanında bulundurması gereken donanımlar: 1) Koruyucu kask, 2) Gözleri toz ve taş sekmelerinden korumak için emniyet gözlüğü, 3) Ağız, burun ve dişleri korumak için plastik yüz maskesi, 4) Solunum sistemini korumak için özel koruyucu maske, 5) Kulakları aşırı gürültüden korumak için kulaklıklar, 6) Fosforlu iş ceketi, 7) Ellerin güvenliği için koruyu iş eldivenleri ve son olarak 8) İlk yardım çantası. Örnekleme çalışması, son derece ciddi ve zaman alan bir işlem olması nedeniyle, yukarda sayılan temel donanım eksikliği durumunda işlem başlatılmamalıdır. Örnekleme çalışmasının gerçekleştirileceği fay dikliği, yaklaşık ~15m yüksekliğinde olması nedeniyle, tırmanış için profesyonel destek alınması gerekmektedir. Tırmanış için profesyonel destek alınmalıdır. Bu süreç boyunca çalışma ekibinde, ekibimsimizde her zaman süreç başında bulunan profesyonel bir dağcı çalışma arkadaşımız mevcut bulundu. Toplanan örneklerin taşınma sırasında dağılmamaları ve muhafaza edilmeleri amacıyla plastik folyolara sarılıp, özen bir şekilde silinmez kalemler aracılığıyla sırayla isimlendirildi. Örnekler fiziksel özellikleri tespiti ve gerekli kimyasal işlemlerden geçirilmek üzere Fatih Ünversitesi'ndeki Kozmo-Lab'a nakledildi. Kimyasal işlemlere başlamadan evvel, örneklerin ağırlık, yoğunluk ve ebatlarının ölçümleri yapıldı. Bu işlemlerden sonra örneklerin kimyasal işlemlere hazır ve uygun hale gelmesi için her bir örnek için ayrı ayrı kırma, öğütme ve eleme işlemlerinden geçirildi. Kimyasal işlemleri tamamlanan örnekler,Fransa'da bulunan CEREGE laboratuvarında Hızlandırılmış Kütle Spektrometresi (AMS) ölçümleri için gönderilmiştir.Yaklaşık 15 metre yüksekliğindeki fay dikliğinden alınan, 128 örnekten ölçülen 36Cl derişiminin modellenmesi, Türkiye'nin batısında bulunan Antik Knidos Kenti'nde bulunan faylardan, Mezarlık Fayı'nın geçmişte meydana gelen sismik olaylar neticesi meydana gelen kayma miktarlarını ve bu olayların tarihlerini belirli ölçüler dâhilinde hesaplamaya olanak sağlamaktadır. Kozmik izotopların üretim oranı, negatife muon yaklaşması, düşük enerjili nötron yakalanması ve spallasyon reaksiyonlara bağlıdır. Bu yöntem her ne kadar yer bilimlerinde büyük bir ilerleme hususunda katkıda bulunmuş olsa da, model üzerinde düzeltilmesi gereken belirsizlikler ve kısıtlamalar mevcut. Bu etkenler, sabit yer manyetik alanı değeri altında enlem ve yükseklik ölçeklenmesi, belirli bir geometriye sahip aktif fayın perdelenmeye göre ölçüm düzeltmesi, kolüvyon kimyasal bileşenlerine göre ölçüm düzeltmesi, alansal erozyon etkilerine göre ölçüm düzeltmesi ve kar örtüsü etkisi altındaki ölçüm düzeltmesi şeklinde sıranabilir. Önceki çalışmalarda, Akdeniz bölgesinde bulunan benzer fay dikliklerinin buzul dönemi sonrası olabileceğini fikrinin Knidos Fay Zonu ile uyumlu olup olmayacağı bu yöntem aracılığıyla tespit edilebilir. Modelleme, büyük kayma olaylarını tanımlamaya olanak sağlasa da, bu olayların bir ya da birden fazla olay olup olmadığını ayırt edememektedir. Bu hususta meydana gelen olayların irdelenmesi açısından tespit edilen olaylar, büyük sismik olaylar veya olaylar serisi şeklinde değerlendirilmelidir. Kozmik izotop derişimlerinin modellenmesi sonucunda elde edilen en uyumlu model en az üç büyük depremi işaret etmektedir. Bu olayların meydana geldiği tarihler geçmişten günümüze 18.7, 15.0 ve 10.8 bin yıl olarak belirlenmiştir.Bu çalışma, 30.09.2013 tarih ve 2013/5387 sayılı Bakanlar Kurulu Kararı ile Kültür ve Turizm Bakanlığı ve Selçuk Üniversitesi adına sürdürülen Knidos Kazı ve Araştırmaları kapsamında ve Knidos Kazı Başkanlığı'nın izni ile yapılmıştır. Bu çalışma TÜBİTAK tarafından desteklenmektedir (Proje No: 113Y436).

Knidos is an ancient city, which is located in the south of Gulf of Gökova in Western Anatolia. The Knidos Fault Zone is situated in ancient settlement ruins on the Datça Peninsula. The recent geological and archaeological evidences point out that this ancient site has been affected by at least two crucial momentous seismic events. In the light of this information, we have carried out cosmogenic 36Cl dating in order to obtain information about the seismic history of the Knidos Fault Zone. Using cosmic-ray surface exposure dating of a well-preserved limestone fault scarp facilitates us to attain information, which reveals a seismic history of faulting events and identifies timing and recurrence interval of past major earthquakes, and slip rates of the Knidos Fault Zone. There are two distinct faults located in the study area; those are the Demeter Fault and the Mezarlık Fault. I have chosen to aim at the Mezarlık Fault on account of that it has well-preserved fault scarp. The concentration of cosmogenic 36Cl isotopes measured in 128 limestone samples from a ~15m high bedrock fault scarp helps us to reveal the fault displacement history of the Knidos fault, in the Western Turkey. Although this method can cause breakthrough to the recent studies in earth science, there are plenty of limitations and uncertainties to deal with. The important factors are latitude and air pressure (elevation) scaling factors for a constant geomagnetic field, shielding resulting from the specific geometry of active normal faults, effects of the chemical composition of the colluvial wedge, effects of denudation of the scarp surface and snow cover effects on scarp shielding. Through the modelling of the cosmogenic 36Cl nuclides, it can be understood that Mezarlık Fault might be post-glacial as a result of previous studies implied in the similar fault scarps in the Mediterranean. As oppose to all of these limitations, it has been tried to understand impacts of these factors on the target fault by using recent numerical models. I have set out to obtain accurate conclusion through correlate and compare the result with synthetic profiles and previous studies as much as possible. The slip histories modelled via concentrations of 36Cl indicate that at least three or more events occurred on the Mezarlık fault within the past 20 kyr; over 10 meters of displacement took place between early Holocene and late Pleistocene. This study was conducted with the Decision of the Council of Ministers with No. 2013/5387 on the date 30.09.2013 and was done with the permission of Knidos Presidency of excavation in accordance with the scope of Knidos Excavation and Research carried out on behalf of Selçuk University and Ministry of Culture and Tourism. This study was supported by the TÜBİTAK (Project No: 113Y436).