Active faulting and earthquake scarps along the North Anatolian fault in the sea of Marmara

Abstract

Marmara Denizi 1600 km uzunluğundaki Kuzey Anadolu Fayı'nın batı kısmında oluşmuş 270 km uzunluğunda ve 80 km genişliğinde bir kıtaiçi denizel bir havzadır. Marmara bölgesi aktif faylarla sınırlanmış yüksek deprem riski taşıyan bir bölgedir. MS 5. yüzyıla kadar dayanan tarihsel deprem kayıtları bölgenin 150 den fazla sayıda depremle sarsıldığını göstermektedir. Deprem yoğunluğu, Kuzey Anadolu Fayı'nın (KAF) Marmara'daki kompleks fay geometrisinin bir göstergesidir. KAF, Avrasya ile güneydeki Arap levhasının çarpışmasıyla Anadolu levhasının batıya hareketi sonucu oluşmuş sağ yanal transform bir faydır. 1939-1999 yılları arasında 7 büyük deprem ile 900 km boyunca batıdan doğuya kırılmıştır. 1999 İzmit ve Düzce depremlerinin yarattığı binlerce can kaybı ve 20 milyar dolarlık ekonomik zarar sonrasında Türkiye'de deprem tehlikesi kamuoyunun dikkatini çekmiştir. İzmit depremi bilimadamları için bir sürpriz olmamakla birlikte KAF'nın doğudan batıya iyi bilinen deprem göçü nedeniyle sıranın 1967 Mudurnu depreminden sonra İzmit'e geleceği bilinmekte idi. Bugün 1999 İzmit depreminin ardından bir sonraki deprem Marmara Denizi içinde meydana geleceği herkes tarafından kabul edilen bir gerçektir. Bu durum Türkiye nüfusunun yüzde 30, endüstrinin yüzde 50'sinin yer aldığı Marmara bölgesi için büyük bir risk teşkil etmektedir. Marmara Denizi'ne İzmit körfezinden giren Kuzey Anadolu Fayı, karaya tekrar batıda Gaziköy (Tekirdağ) de çıkmaktadır. 1999'da İzmit körfezi boyunca kırılan KAF, batıda ise 1912 depremi ile kırılarak Marmara'nın batı ve doğusunu etkilemiştir. Bu depremlerin deniziçindeki devamları üzerinde çok fazla bilgi mevcu değildir. KAF'nın Marmara denizi içindeki segmentlerinin geometrisi, kinematiği ve konumları 1940'lardan beri bir tartışma konusudur. 1999 İzmit depremi sonrasında, Marmara Denizi içindeki fayları araştırmak için çok sayıda uluslararası deniz seferi organize edilmişti. 2000 yılında Fransız Le Suroit araştırma gemisi ile Marmara Deniz tabanının (yaklaşık 100 m'den derin olan) orta kesiminin yüksek çözünürlüklü (25 m) ilk derinlik haritası (batimetri) oluşturulmuştur. Bunun yanısıra yandan tarayıcılı sonar (deniz tabanından 200 m yukarıdan) ve sismik yansıma ile elde edilen veriler sayesinde fayların çok detay haritalanması gerçekleştirilmiştir. Bu yeni veriseti kullanılarak denizaltındaki yapıların detaylı haritalatı üretilmiştir. Veriseti aynı olmasına rağmen değişik araştımacılar birbiyle çelişen, farklı fay modelleri ortaya sunmuşlardır. 2002 yılında diğer bir Fransız gemisi L'Atlante MARMARASCARPS projesi çerçevesinde, daha önce tespit edilen faylar üzerinde oluşmuş olan genç fay sarplıklarını tespit edebilmek için insansız uzaktan kumandalı bir denizaltı kullanarak çok yüksek çözünürlüklü (50 cm) mikrobatimetri verisi toplamış, sarplıklar boyunca video görüntüsü toplayarka kırık zonlarının net görüntülerinin tespit edilmesini sağlamış, bazı kırık zonları civarında kısa karotlar (35 cm) toplayarak deprem yaş tayini yapmayı hedeflemiştir. Ayrıca 600 km'lik 3.5kHz sığ sismik yansıma verisi (70 ms) de alınmıştır.Bu çalışmada, MARMARASCARPS seferinde toplanan bu yüksek çözünürlüklü veriseti ve de diğer seferlerde toplanan veriler birleştirilerek, Marmara Denizi içindeki havzaların üç boyutlu yapısı ve kinematiği üzerine çalışılmıştır. Marmara Denizi kuzey havzalarının morfotektonik yapısını anlayabilmek ve anlatabilmek için derin sismik kesitler ile taban morfolojisinin deneştimesi yapılmıştır. Bunun yanısıra toplanan 3.5kHz sığ sismik kesitler incelenerek Geç Pleyistosen-Holosen dönemi sedimantasyon ve fay kayma hızlarının birbiri ile ilişkisi üzerine çıkarımlar yapılmıştır. Buna göre Marmara denizi içindeki üç derin havza (Çınarcık, Orta ve Tekirdağ) KAF'ın transtansiyonel tektonik rejimi altında aktif gerilmeli tektonik ile açıklmaktadır. GPS hareket yönleri bu tip açılmayı desteklemektedir.50 cm çözünürlüklü mikrobatimetri verisi, 1999 İzmit kırığının İzmit körfezi'ni takiben Hersek'in batısına (29.38ºD) geçerek Çınarcık havzasının girişine kadar ilerlediği tespit edilmiştir. Hersek'in batısındaki denizaltı kanyonunun (-180 m) düz tabanı boyunca bir seri genç fay kırıkları görülmektedir. Kanyon tabanındaki sarplığın yüksekliği ise 0.5 m olup 1999 depremine ait olduğu tespit edilmiştir. Kanyonun güney eteği boyunca batıya doğru devam eden kırıklar Çınarcık çukurluğuna (29.24ºD ) kadar uzanarak sonlanmaktadır. Bu alandaki mikrobatimetri analizleri SAR interferometri verisinin İzmit depremi için verdiği 30 km'lik ek uzanımı destaklemektedir. İzmit deprem kırığı büyük olasılıkla Çınarcık havzasını kontrol eden transtansiyonel fay geometrisinin oluşturduğu geometrik bariyer sebebiyle burada sonlanmıştır. Ayrıca Adalar fayı önünde 20-30 km uzunluğunda genç görünümlü fay sarplıkları gözlenmiştir. Bunların 18 Ekim 1963 (Ms 6.4) depremiyle ilişkili olabileceği gibi bu bölgede yaygın olan heyalanlarla da ilişkili olabileceği düşünülmektedir. Mikrobatimetri, video görüntüleri ve 210Pb analizleri, 1912 Ganos depreminin Tekirdağ havzasının güney kenarını kırdığı (27.37.69?D 40.48.17?K) ve muhtemelen Batı sırtın sonuna kadar ilerleyip Orta havzanın kenarına kadar ilerleyerek 120-150 km lik bir kırık oluşturduğunu ileri sürmektedir. Deniz içinde diğer kırılmamış fay kolları değerlendirildiğinde, Çınarcık havzası ile Orta havza arasında kalan 100 km'lik segmentin krılması halinde en az M 7.3 büyüklüğünde bir deprem meydana gelecektir.KAF'nın kuzey kolunun denizaltındaki kinematik, geometrik ve morfolojik özelliklerini göz önünde bulundurararak beş ana segmente ayırabiliriz. Bu segmentler, Tekirdag (45 km), Orta (70 km), Adalar Fayı (35 km), Güney Çınarcık fayı (55 km) ve Izmit segmentleri olarak ayrılmıştır. Bu segmentler büyük oranda levha hareketlerini barındırdığından yüksek kayma hızları sahiptirler. Dolayısıyla tek başına ya da birlikte kırılarak büyük magnitüdlü depremler ouşturabiliirler. 1912 ve 1999 kırıklarının deniz altındaki devamından, Marmara Denizinde Orta segment ile Adalar fayı segmentinin sismik bir boşluk oluşturduğunu göstermektedir. Her iki segment de 7 ve üzeri büyüklükte deprem üretebilme kapasitesine sahiptir. Ana segmentlere ek olarak, havzaların kinematiğine eşlik eden diğer normal bileşenli ikincil faylar de orta büyüklükte deprem üretebilirler.

The Sea of Marmara is located in the western part of the 1600-km long North Anatolian Fault Zone (NAF) and forms a 270-km long and 80-km wide intra continental marine basin between the Mediterranean Sea and the Black Sea. The Marmara Region is a highly active region in terms of earthquake faulting. Historical documents extending to the 5th century BC indicate more than 150 earthquakes causing damage to cities in the region. The dense seismicity is a reflection of the complex fault geometry of the NAF in the Marmara Region and particularly in the Sea of Marmara. The NAF is a major dextral transform fault (Ketin, 1948, McKenzie, 1972) that accommodates the westward motion of the Anatolian plate as a result of collision between Arabia and Eurasia in Miocene time. It ruptured during a well known propagating strike-slip earthquake sequence between 1939 and 1999 along a 900-km-long zone of continuous ruptures. The earthquake hazard has got public attention in Turkey after the devastating Mw=7.4, August 17,1999 İzmit and Düzce earthquakes that caused tens of thousands of lives and cost more than 20 billion dollars to the Turkish economy. The İzmit earthquake was not a surprise to the earth scientists; rather it was expected since the westward migrating earthquakes stopped near Sapanca Lake at the entrance of Mudurnu Valley in 1967. The next one is now expected to strike the Marmara region within a couple of decades. The seismic risk is quite high in the region because about %30 of Turkey?s population and about %50 of its industry are located in the Marmara region. The risk has become much higher since the population is nearly doubled within the last decades, particularly, in Istanbul, the most crowded city of Europe with its population of more than 15 million. The NAF enters to the Gulf of İzmit from the west and merges in Gaziköy (Tekirdağ) in the west. Two large earthquakes stroke these edges of the Marmara in 1912 and 1999. The submarine extension of these earthquakes is still poorly known because their surface rupture enters offshore in to the Sea of Marmara. Moreover, the location, geometry and kinematics of the NAF under the Sea of Marmara have been a matter of debate since 1940s. After the 1999 İzmit earthquake numerous scientific cruises have been carried out to investigate the active faults in the Sea of Marmara. The Turkish-French cruise of Ifremer R.V. Le Suroit obtained the first high-resolution complete bathymetric map of the deep basins of the Marmara Sea in 2000. The high-resolution bathymetry (~25 m), seismic reflection and side scan sonar imaging are used to map in fine detail the submarine active faults in the Marmara Sea. The side scan sonar towed 200 m above seafloor revealed particularly the presence of fault scarps. Several recent studies using these high-resolution geophysical data allowed detailed mapping of the submarine structure. Although the dataset and techniques used by these researchers are same and/or similar, their interpretations are rather different and conflicting. The MARMARASCARPS project (2002) was devoted to measurements of submarine earthquake scarps with a Remotely Operated Vehicle (ROV), obtaining a ultra-high-resolution bathymetry, an extensive coverage with 3.5 kHz chirp profiles, an extensive sampling and coring of sediments close to the scarps, and a significant video and photo documentation of submarine earthquake ruptures.In this study, several datasets from various cruises have been combined to better understand the 3D structure of the basins and the kinematics and evolution of the NAF in the Marmara Sea. Submarine morphotectonic features of the northern Marmara trough are described together with the deep seismic profiles, to consider the connection between the deep structure, surface morphology and related fault kinematics. 3.5 kHz chirp profiles that were acquired by an extensive survey during the MARMARASCARPS cruise are examined to understand the relation between sedimentation and faulting rates in the Late Pleistocene-Holocene. High resolution bathymetry and shallow and deep seismic reflections reveal that the Marmara contains 3 large deep basins (i.e., Çınarcık, Central and Tekirdağ) that appear to be opening under transtension, which is confirmed by analyses and modeling of the GPS velocity field.The analysis of microbathymetry suggests that the 1999 İzmit earthquake rupture reached at least to 29.38ºE longitudes about 10 km west of Hersek delta in the Gulf of İzmit. It is clearly expressed as a sharp fault break with a 50 cm apparent throw across the bottom of a submarine canyon. Further west, a pronounced and linear fault rupture zone is observed along with fresh en-echelon cumulative fault scarps. We infer that the seismic break continues to the west reaching a total length of ~145 km at around 29.24ºE longitudes consistent with the 1999 rupture deduced from SAR interferometry. It appears to stop at the entrance of Çınarcık basin where normal faulting component prevails. In addition, a small fresh break 20-30 km long is identified in the NE Cinarcik Basin fault, which may be associated with the 18 October 1963 (Ms 6.4) earthquake or landslides that are common in this region. We suggest that fault complexity at the junction between dominant strike-slip faulting along the İzmit fault and significant normal faulting in the Çınarcık basin may acts as a barrier to rupture propagation of large earthquakes.The submarine observation of fault scarps with microbathymetry and video imaging and 210Pb dating suggest strongly that the August 9, 1912 Ganos earthquake reached at least the middle of the Tekirdağ basin (27.37.69?E 40.48.17?N) and most probably all the way to the Central basin, suggesting a total rupture of 120-150 km, similar to that of the 1999 İzmit earthquake. Consequently, the unbroken section of the NAF under the Sea of Marmara and thus the size of the Marmara seismic gap is therefore about 100 km, which implies an earthquake of M 7.3.Taking into account the observations concerning the kinematics, geometry, morphology of the submarine faults and sedimentation rates, the northern branch of the NAF under the Sea of Marmara can be divided into 5 major segments (longer than 35 km). These are the Tekirdağ (45 km), Central (70 km), Prince?s Island (35 km), Southern Çınarcık (55 km) and İzmit segments that accommodate a large portion of plate motion, hence have high slip rates, and generate large earthquakes. Of these, the Central and Prince?s Island segments constitute the Marmara seismic gap. Considering their length and kinematics, it can be said that each of these segments is capable of producing earthquakes larger then magnitude 7. However, each one may be reactivated alone during an earthquake of M>7 or together with the neighboring 2-3 segments generating a much larger earthquake. In addition to these major segments, there are other minor segments, such as those bounding the outer Çınarcık basin and İmralı basin. They have overwhelmingly normal slip component with lower slip rates and thus are mainly accommodation structures. They may also produce earthquakes but, of smaller size.The Sea of Marmara is located in the western part of the 1600-km long North Anatolian Fault Zone (NAF) and forms a 270-km long and 80-km wide intra continental marine basin between the Mediterranean Sea and the Black Sea. The Marmara Region is a highly active region in terms of earthquake faulting. Historical documents extending to the 5th century BC indicate more than 150 earthquakes causing damage to cities in the region. The dense seismicity is a reflection of the complex fault geometry of the NAF in the Marmara Region and particularly in the Sea of Marmara. The NAF is a major dextral transform fault (Ketin, 1948, McKenzie, 1972) that accommodates the westward motion of the Anatolian plate as a result of collision between Arabia and Eurasia in Miocene time. It ruptured during a well known propagating strike-slip earthquake sequence between 1939 and 1999 along a 900-km-long zone of continuous ruptures. The earthquake hazard has got public attention in Turkey after the devastating Mw=7.4, August 17,1999 İzmit and Düzce earthquakes that caused tens of thousands of lives and cost more than 20 billion dollars to the Turkish economy. The İzmit earthquake was not a surprise to the earth scientists; rather it was expected since the westward migrating earthquakes stopped near Sapanca Lake at the entrance of Mudurnu Valley in 1967. The next one is now expected to strike the Marmara region within a couple of decades. The seismic risk is quite high in the region because about %30 of Turkey?s population and about %50 of its industry are located in the Marmara region. The risk has become much higher since the population is nearly doubled within the last decades, particularly, in Istanbul, the most crowded city of Europe with its population of more than 15 million. The NAF enters to the Gulf of İzmit from the west and merges in Gaziköy (Tekirdağ) in the west. Two large earthquakes stroke these edges of the Marmara in 1912 and 1999. The submarine extension of these earthquakes is still poorly known because their surface rupture enters offshore in to the Sea of Marmara. Moreover, the location, geometry and kinematics of the NAF under the Sea of Marmara have been a matter of debate since 1940s. After the 1999 İzmit earthquake numerous scientific cruises have been carried out to investigate the active faults in the Sea of Marmara. The Turkish-French cruise of Ifremer R.V. Le Suroit obtained the first high-resolution complete bathymetric map of the deep basins of the Marmara Sea in 2000. The high-resolution bathymetry (~25 m), seismic reflection and side scan sonar imaging are used to map in fine detail the submarine active faults in the Marmara Sea. The side scan sonar towed 200 m above seafloor revealed particularly the presence of fault scarps. Several recent studies using these high-resolution geophysical data allowed detailed mapping of the submarine structure. Although the dataset and techniques used by these researchers are same and/or similar, their interpretations are rather different and conflicting. The MARMARASCARPS project (2002) was devoted to measurements of submarine earthquake scarps with a Remotely Operated Vehicle (ROV), obtaining a ultra-high-resolution bathymetry, an extensive coverage with 3.5 kHz chirp profiles, an extensive sampling and coring of sediments close to the scarps, and a significant video and photo documentation of submarine earthquake ruptures.