Imaging the upper mantle beneath Turkey and surrounding regions

Abstract

Bu çalışma iki ayrı bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde Pn hızlarını, Pn yön bağımlılığını ve kabuk kalınlığı değişimlerini tayin edebilmek için Pn varış zamanları analizi yapılmıştır. Çalışma bölgesi Türkiye ve çevresi olarak seçilmiştir. Bu bölgede 1999-2010 yılları arasında meydana gelmiş 700 adet depremden elde edilen 50 000'den fazla Pn varışı, analizlerde kullanılmıştır. Bu veri seti, bölgede bulunan farklı ağlara ait sabit ve geçici 832 adet sismometre kullanılarak bir araya getirilmiştir. Üst mantoda ki hız dağılımını çizmek ve tahmini kabuk kalınlığını belirlemek için en küçük kareler ters çözüm yöntemi kullanılmış ve sonuçlar yüzey jeolojisi ve bölgenin aktif tektoniği ile oldukça belirgin uyumluluklar göstermiştir.Pn hızları, heterojen litosfer yapısını işaret eden çok yüksek (> 8.4 km s-1) ve çok düşük (< 7.6 km s-1) anomaliler göstermiştir. Pn varış zamanlarından geçirilen doğru ile ortalama Pn hızı 8.0 km s-1 olarak hesaplanmıştır. Türkiye'nin batısında göreceli birbirinin aynı Pn hızları (7.9-8.1 km s-1) ölçülmüştür. Dalma-batma ve bindirme bölgelerinde yüksek Pn hızı farklılıkları saptanmıştır. Batıdaki birbiriyle göreceli aynı Pn hızlarından, doğudaki en düşük hızlara (< 7.6 km s-1) bakıldığında orta Anadolu'daki keskin geçiş göze çarpmaktadır. En düşük hızlar doğu Anadolu ve Orta Anadolu Yanardağ Sırası ile uyumluluk göstermiştir. Ölü Deniz Fay Hattı ve Dinarit-Helenikler altında üst manto hızları düşüktür (< 7.8 km s-1). Pn hızları Akdeniz baseni (> 8.3 km s-1), Karadeniz baseninin batısı (> 8.3 km s-1), Adriyatik Denizi (> 8.3 km s-1) ve Zagros bindirme hattı (> 8.3 km s-1) gibi okyanusal litosfer altında yüksek ölçülmüştür. Dalma-batma ve bindirme bölgelerinde ve Kuzey Anadolu Fay Hattı boyunca yüksek hız farklılıkları gözlenmiştir.Çalışılan bölgede en yüksek Pn yön bağımlılık değeri ±0.8 km s-1 dir ve %10 yön bağımlılığa karşılık gelmektedir. En büyük ve tutarlı yön bağımlılık farklılıkları batı Anadolu, Ege Denizi ve Kıbrıs yayında ölçülmüştür. Kıbrıs Yayı'nda kuvvetli yön bağımlılık gözlenmiştir. Batı Anadolu, Ege Denizi ve Yunanistan'daki Pn yön bağımlılığı bugünkü tektonik deformasyon ve GPS hızları ile uyumludur. Dinarit-Helenikler'de yaya paralel yön bağımlılık görülmektedir. Batı Anadolu'da yön bağımlılık, en büyük gerilme doğrultusu boyunca K-G yönelimlidir. Kuzey Anadolu Fay Hattı boyunca yön bağımlılık fayın batısında fay geometrisiyle uyumlu ve D-B uzanımlıdır. Fayın orta bölümünde ve doğusunda fay geometrisi ile yön bağımlılık arasında uyumluluk gözlenmemiştir. Doğu Anadolu'da yön bağımlılık karmaşıktır ve yönler düşük Pn hızlı bölgelerde değişmektedir. Doğu Anadolu'nun altında ki Pn hızları ve yön bağımlılık gözlenmemesi, dilimlenmeye bağlı olarak üst mantoda meydana gelen sıcaklık değişimlerinden kaynaklanıyor olabilir.Anadolu'nun güney sınırı, doğu Anadolu ve Dinarit-Helenikler boyunca büyük pozitif istasyon gecikmeleri, batı Anadolu ve Marmara bölgesinde büyük negatif istasyon gecikmeleri ölçülmüştür. Orta Anadolu'daki istasyonların büyük çoğunluğu 35±2 km ortalama kabuk kalınlığına işaret eden küçük istasyon hataları göstermiştir. Batı Anadolu ve Ege Denizi'nde kabuk kalınlıkları 28±2 ve 33±2 km arasında değişmektedir. Yunanistan'da, kabuk kalınlıkları batı sınırında 33±3 km'den Dinarit-Helenikler altında 48±3 km'ye ulaşır. Anadolu'nun güney sınırında da büyük kabuk kalınlıkları (40-48 km) ölçülmüştür. Doğu ve güney Anadolu'da ortalama kabuk kalınlıkları sırasıyla 40 km ve 36 km'dir.Çalışmanın ikinci bölümünde, çekirdekten kırılan fazlar (SKS) kullanılarak kesme dalgası ayrımlanması elde edilmiştir. Sayısal veri 1999-2010 yılları arasında meydana gelen 850 adet uzak depremden elde edilmiştir. Büyüklükleri 6.0'dan fazla olan bu depremlerin merkez üstü uzaklıkları 84?'den uzak 130?'den yakındır. Türkiye ve çevresinde bulunan 217 adet geniş bantlı sismometre kullanılarak toplamda 4163 tane ayrımlanma ölçümü yapılmıştır.SKS kullanılarak ölçülen yön bağımlılık parametreleri, Kuzey-Orta Anadolu, doğu Anadolu ve Ege'de yapılan benzer çalışmaların sonuçları ile uyumluluk göstermiştir. Doğu Anadolu'da hızlı polarlanma yönü KD-GB baskındır. Marmara bölgesinde hızlı polarlanma yönleri daha büyük gecikme zamanlı ve KKD-GB'dir. Antalya Körfezi ve Isparta Açısı (~30oE) bölgesinde hızlı polarlanma yönünde KD-GB'den KB-GD'ye nispeten keskin bir geçiş ölçülmüştür. Orta ve kuzey Yunanistan'da SKS ölçümleri tutarlı değildir. Doğu Anadolu'dan Ege Bölgesi'ne doğru hem hızlı polarlanma yönlerinde hem de gecikme zamanlarında aşamalı değişimler elde edilmiştir. Hızlı polarlanma yönündeki doğu Anadolu'da KKD-GGB'dan Ege'de K-D'ya değişim Helenik dilimin çekmesinin bir sonucu olabilir. Kuzey Anadolu Fayı boyunca kesme dalgası ayrımlanması yönleri KD-GB uzanımlıdır.

This study includes two interdependent sections. The first section presents an analysis of Pn travel times to determine Pn velocity, Pn anisotropy and crustal thickness variations beneath Turkey and surroundings. Between 1999 and 2010, more than 50 000 Pn arrivals are compiled from 700 regional earthquakes by 832 stations of permanent and temporary networks operated in the study area. A regularized least squares inversion method is used to estimate crustal thickness variations and image velocity perturbations in the uppermost mantle. The results reveal features that correlate well with the surface geology and the active tectonics of the region.The Pn velocities show very fast (> 8.4 km s-1) and very slow (< 7.6 km s-1) anomalies indicating a heterogeneous lithospheric structure. The average velocity of 8.0 km s-1 is determined from a linear fit to Pn travel times. Relatively uniform Pn velocities (7.9-8.1 km s-1) are observed in the western Turkey. Large velocity contrasts are located at subduction and suture zones. A sharp transition in the central Anatolia is apparent from the uniform Pn velocities in the west to lowest velocities (< 7.6 km s-1) in the east. The lowest velocities coincide with the volcanics of the easternmost Anatolia and the Central Anatolian Volcanic Zone. Beneath the Dead Sea Fault Zone and Dinarides-Hellenides, the upper mantle velocities are also low (< 7.8 km s-1). High Pn velocities are observed beneath oceanic lithosphere such as Mediterranean Basin (> 8.3 km s-1), western Black Sea basin (> 8.3 km s-1), Adriatic Sea (> 8.3 km s-1), and Zagros suture zone (> 8.3 km s-1). Large velocity contrasts are observed at subduction, suture zones and across the North Anatolian Fault.Pn anisotropy has maximum amplitude of ±0.8 km s-1 in the study area corresponding to 10% anisotropy. The coherent and largest anisotropic anomalies are observed in the western Anatolia, Aegean Sea, and Cyprian Arc. A significant anisotropic pattern is observed in the Cyprian arc region. Pn anisotropy in western Anatolia, Aegean Sea and Greece correlate well with the present state of tectonic deformation and GPS velocities. The Dinarides-Hellenides exhibit arc-parallel anisotropy. In western Anatolia, anisotropy is aligned in N-S direction along the major principal strain orientation. Along the North Anatolian Fault, the anisotropy directions are E-W, aligned with the fault geometry in the western part while no correlation is observed on the central and eastern parts of the fault. Anisotropy in eastern Anatolia is complex and the directions are varying strongly in the region of low Pn velocities. The absence of anisotropy is apparent in an area dominated by the neogene volcanism. Low Pn velocities and absence of clear anisotropic pattern beneath eastern Anatolia may have resulted from thermal anomalies in the uppermost mantle possibly due to delamination processes.Large positive station delays are observed along the southern coast of Anatolia, eastern Anatolia and beneath Dinarides-Hellenides while large negative station delays are observed in western Anatolia and the Marmara region. The majority of the stations in central Anatolia show small station residuals indicating the average crustal thickness of 35±2 km. Western Anatolia and the Aegean Sea have crustal thicknesses between 28±2 and 33±2 km. In Greece, the crustal thicknesses are increasing from 33±3 km from the western coast to a maximum of 48±3 km beneath Dinarides-Hellenides. The large crustal thicknesses (40-48 km) are also observed along southern coast of Anatolia. In eastern and southern Anatolia the average crustal thicknesses are 40 km and 36 km, respectively.In the second section of this study, shear wave splitting on records of core-refracted (SKS) phases are obtained. Waveform data from 850 teleseismic earthquakes occurred between 1999-2010 at epicentral distances greater than 84? and less than 130? with magnitudes greater than 6.0 are analyzed. A total number of 4163 splitting measurements are obtained from 217 broadband seismic stations located in and around Turkey.The anisotropy parameters measured from SKS are consistent with the results of similar studies conducted in North-Central Anatolia, eastern Anatolia and Aegean. Fast direction polarizations are dominantly in NE-SW direction in the eastern Anatolia. In the Marmara region, fast polarization directions are in NNE-SSW direction with greater lag times. There is a relatively sharp change in the fast polarization directions form NE-SW to NW-SE at the Antalya Bay, Isparta Angle region (~30oE). SKS measurements are non-uniform in central and northern Greece. There are progressive changes in the fast splitting directions as well as delay times from eastern Turkey to the Aegean. The change in the fast splitting directions from NNE-SSW in the eastern Anatolia to N-S in the Aegean may be the result of the retreat of the Hellenic slab. Through the North Anatolian Fault, shear wave splitting directions are aligned NE-SW.