Morphotectonic analysis of the East Anatolian fault zone (E. Turkey) using remote sensing techniques

Abstract

Arap-Anadolu levha sınırı boyunca gerçekleşen dönüşüm hareketi, büyük ve yıkıcı birçok depremi başlatan aktif tektonik yapı unsurlarından kaynaklanmaktadır. Bu tez, Akdeniz Bölgesi'ndeki ilginç ve aktif bölgelerden birini temsil eden Doğu Anadolu Fay (DAF) Zonu boyunca yüzey deformasyonunu analiz ederek fay zonu davranışını, deformasyon derecelerini anlamayı ve konu hakkındaki bilgimizi geliştirmeyi amaçlamaktadır. DAF, Türkiye'nin güneydoğusundaki Arap / Anadolu levha sınırını oluşturan ~ 400 km kadar uzanan, morfolojik olarak ayrı ve sismik olarak aktif bir sol yanal doğrultu atımlı faydır. Kuzey Anadolu Fayı (KAF) konjugatıyla birlikte, DAF, Anadolu levhalarının Arap / Avrasya çarpışma bölgesinden batıya kaçışına yardımcı olur. Bu bağlamda, en önemli tektonik jeomorfoloji indekslerini inceleyerek ve Arap-Anadolu tabakalı deformasyon zonu içinde farklı uydu görüntülerini analiz ederek, ana Doğu Anadolu Fayı ve buna bağlı gelişen ikincil Adıyaman Fayı (AdF) boyunca farklı göreceli tektonik seviyeler ve jeolojik sapmalar gözlemlenmiştir. Bu tez, Türkiye'deki tektonik jeomorfoloji ve uzaktan algılama uygulamalarının Türkiye'deki etkin doğrultu atımlı Fay Zonu bölgeleri boyunca katkısını vurgulamaktadır. Çalışmanın ana kısmı DAF boyunca morfotektonik indeksler üzerinde odaklanmıştır. ASTER uydu görüntüleri incelenerek gözlemlenen DAF'ının Erkenek Segment'i boyunca oluşan jeolojik atımlar incelenip AdF'nin göreceli tektonik etkinliği değerlendirilmiş ve AdF boyunca Landsat 8 ile jeolojik ve tektonik haritalama yapılmıştır. Bu tezdeki yöntemler iki bölüme ayrılmıştır; Birinci kısımda, tektonik jeomorfolojik uygulamaların öneminden ve bu uygulamaların gün bazından milyonlarca yıl arasında değişen zaman ölçeklerde, araziyi şekillendiren tektonik ve yüzey süreçleri arasındaki etkileşimi incelemek için çok yararlı bir araç olduğundan bahsedilmektedir. Ayrıca, çalışma bölgesi boyunca tektonik aktiviteyi değerlendirmek için kullanılan en etkili morfotektonik indeksleri (örn. Dağ cephesi Sinuositesi; vadi taban yüksekliği ile vadi tabanı; Hipometrik analiz) incelemiştir. İkinci bölüm, jeoloji ve tektonikte uzaktan algılama tekniklerinin uygulanması ve tekniklerin farklı tektonik özellikleri değerlendirmek ve yapısal elemanları herhangi bir aktif bölge boyunca izlemek için nasıl büyük bir güce sahip olduğunu kısaca anlatmaktadır. Ayrıca, bu çalışmada kullandığımız revize edilmiş farklı yöntemler (örn. Bant Oranı Kompozit ve Minimum Gürültü Kesir Analizi) ile farklı uydu verilerinin (ASTER ve Landsat 8 (OLI)) karakteristik özelliklerini sunmaktadır.Doğu Anadolu Fayı boyunca yer alan morfotektonik özellikler ilk kez incelenmiş olunup arazinin doğasının gelişimi, tektonik aktivite ve fay evrimi ile ilgili varyasyonların daha iyi anlaşılmasına yönelik öngörüler elde edilmiştir. Sayısal yükseklik modellerinden çeşitli jeomorfik indeksler, yani dağ ön sinüsleri, vadi-boy oranına vadi genişliği, akış uzunluğu-gradyan indeksi, havza asimetri faktörü, drenaj yoğunluğu ve hipometrik analizler elde edilmiştir. Dağ ön sinüsünün beş segmentte 1.01 ile 1.46 arasında değiştiği gösterilmiştir. Beş bölüm boyunca vadi genişliğinin vadi boyuna ortalama oranı 0.11 ile 1.32 arasında değişmektedir, bu da dağın ön sinüs değerleri ile iyi korelasyon göstermektedir. Akış uzunluğu-degrade indeksi değerleri, incelenen bölümler boyunca 50 ile 350 arasındadır. 18 havzadaki havza asimetri katsayısının analizi, çalışma fayı bölgesi boyunca 1.88'den 26.25'e kadar olan değerler incelenmekte ve havza asimetri faktörü 1.88'den 26.25'e kadar olan değerler ile sunulmaktadır. İncelenen havzaların drenaj yoğunluğu değerleri 3.5 ila 5.6 arasındadır. Son olarak, 18 havzanın hipersometrik analiz indeksi yüksek, orta ve düşük göreceli tektonik aktiviteyi kaydeder. Sonuçlar, tüm jeomorfik indekslerin tüm fay uzunluğu boyunca dikkat çekici derecede muntazam olduğunu ve bu nedenle gelişiminin esas olarak boy uzunluğu boyunca uzandığını ve günümüz Arap / Anadolu levha sınırının (DAF tarafından sınırlandırılan) doğuya doğru fırladığı görüşünü desteklediğini göstermektedir. Malatya-Ovacık Fay Zonu'ndan ~ 3 Ma. Bu, neredeyse tekdüzen jeolojik ofsetleri ve GPS ölçümleri ile belirlenen tüm hata boyunca mevcut olan 10 mm / yıl'lık kayma oranı ile iyi bir anlaşma içerisindedir.Erkenek Kesimi boyunca yer alan jeoloji, Doğu Anadolu Fayı'nın en aktif parçası olarak çalışılmıştır. Konvansiyonel haritalama teknikleriyle bu bölüm boyunca yüksek uzamsal çözünürlükte jeolojinin haritalanması, karmaşık tektoniklere ve değişken mekansal ölçüde farklı litolojik birimlere bağlı olarak oldukça zordur. Bu nedenle, bu çalışmada, aralık spektrumu boyunca Gelişmiş Spaceborne Termal Emisyon ve Yansıma Radyometresi (ASTER) verilerini kullanarak görüntü spektral rasyonlama teknikleri uygulanmıştır. 1 / 3-1 / 9-3 / 9, 7 / 3-1 / 7-3 / 5 ve 9 / 5-5 / 3-3 / 1 ile bant oranlarıyla oluşturulan görüntüler, ayrıntılı litolojik ve jeolojik haritalama için ve dolayısıyla fayın bu bölümü boyunca jeolojik ofsetlerin tespit edilmesi için oldukça faydalıdır. Böylece, bu ASTER bant-oranı görüntüleri, tüm EAF boyunca ve benzer litolojik ve jeomorfolojik koşullara sahip dünyadaki diğer bölgeler boyunca litolojik haritalama için kullanılabilir.Dağ önü sinüs, vadi taban genişliği-vadi yükseklik oranı, yakalama asimetri faktörü, hipometrikometrik integraller ve eğriler ve drenaj yoğunluğu gibi jeomorfik indeksler Arap / Anadolu levhası sınırları içindeki Adıyaman fayı boyunca göreceli tektonik aktiviteyi değerlendirmek için çok dikkatli hesaplanmıştır. Her bir jeomorfik indeks, üç sınıf olarak sınıflandırılmış ve Adıyaman Fayı'nın düşük, orta ve yüksek RTA kategorilerine ayrılmasına izin veren bir tektonik aktivite (RTA) indeksi tanımlamak için ortalaması alınmıştır. Sonuçlar, Adıyaman Fayı'nın, aradaki Kuvaterner tektonik aktivitesi ile aktif bir fay olduğunu ve bu durumun, GPS çalışmalarıyla belirlenen son kabuk hareketleri ile tutarlı olarak, levha sınır deformasyonunun sağlanmasında az bir öneminin olduğunu düşündürmektedir. Yine de, Adıyaman Fayı'nın nispeten düşük tektonik aktivitesine rağmen bölgeye hala önemli bir deprem tehlikesi oluşturduğuna dikkat çekmek önemlidir. Adıyaman Fayı'nı incelemek için Landsat 8'in Bağımsız Bileşen Analizi (PCA ve ICA) ve Minimum Gürültü Kesir Analizi (MNFA) teknikleri uygulanmıştır. Kayaçların iyi bir şekilde açığa çıkarıldığı bölgelerde, litolojik birimler, fay modelleri ve morfolojik ve yapısal özelliklerin spektral eşleştirme teknikleri kullanılarak yüksek doğrulukta haritalanabileceği belirtilmektedir. Tüm muhtemel bant kombinasyonlarının incelenmesi, PCA 134 ve 231 ve ICA 132 bant kombinasyonlarının, kaya birimleri ve kontaklarını tanımlamak için en iyi yanlış-renk kompozit görüntüleri verdiğini göstermektedir. MNFA bant kombinasyonlarının analizi, MNFA 521 bant kombinasyonunun, özellikle Kuvaterner klastik birimlerin (kolüvyon / alüvyon) ayırdedilmesi için sağlam olduğunu göstermektedir. Tek başına MNFA bandı 1, çalışma alanındaki tektonik ve yapısal elementleri izlemek için en iyi görüntüyü sağlamaktadır. İşlenmiş OLI görüntülerinin yorumlanmasında üretilen Adıyaman Fayı'nın güncel litolojik haritası, birçok nehir kanalının Adıyaman Fayı tarafından kesilmiş olduğunu ve buna bağlı olarak Kuaterner aktivitesinin varlığını göstermektedir. Bu çalışma, OLI verileriyle kullanıldığında, PCA, ICA ve MNFA'nın, tektonik bölgeleri aktif olarak deforme eden litolojik ve yapısal haritalama için çok güçlü olduğunu ve bu nedenle, iklimin kurak-yarı kurak ve bitki örtüsünün az olduğu dünyanın başka bölgelerine de uygulanabileceğini göstermektedir.Genel olarak, bu çalışma, tektonik jeomorfoloji ve uzaktan algılama uygulamalarının, Arap-Anadolu deformasyon zonu içindeki ana plaka sınır fayı (EAF) ve minör fayın (AdF) tektonik aktivitesinin değerlendirilmesine katkısını sunmaktadır. Aktif bölgelerdeki tektonik anlayışımızı geliştirmek, doğru tektonik ölçümler ve veri analizi gerektirmektedir. Aktif bölgeler hakkında tam bir senaryo oluşturmak için morfotektonik analizi farklı yüzey yer değiştirmeleri, kayma oranları ve büyük sismik olaylar ile ilişkilendirmek çok önemlidir. Ayrıca, yüksek çözünürlüklü görüntülere sahip yeni geliştirilmiş uzaktan algılama yöntemlerinin derinlere inmesi ve bu tekniklerin jeoloji ve tektonik amaçlarla kullanılmasının en büyük yararının elde edilmesi gerekmektedir.

The transform Arabian/Anatolian plate boundary is at the origin of active tectonic structure elements that initiate large and destructive earthquakes. The aim of this thesis is to improve our knowledge and understanding of the fault behavior and deformation remarks by analyzing surface deformation along the East Anatolian Fault (EAF) that is a morphologically very distinct and seismically active left-lateral strike-slip fault that extends for ~400 km forming the Arabian/Anatolian plate boundary in southeastern Turkey. Together with its conjugate the North Anatolian Fault (NAF), the EAF helps accommodate westward escape of the Anatolian plate from the Arabian/Eurasian collision zone. In this thesis, we study morphotectonics and tectonic activity of the EAF and its splay Adıyman Fault (AdF) using the most important tectonic geomorphology indexes and analyzing different satellite images within the Arabian/Anatolian plates deformation zone. The core parts of the thesis focus on the study of morphotectonic indexes along the EAF, examining the geological offsets along the Erkenek Segment of the EAF through analyzing ASTER satellite images, relative tectonic activity assessment of the AdF, and geological and tectonic mapping along the AdF using Landsat 8 satellite images. The methods used in this thesis work are divided into two parts; the first part describes the importance of the tectonic geomorphology applications as a very useful tool to examine the interplay between tectonic and surface processes that shape the landscape in regions of active deformation and at time scales ranging from days to millions of years. It also presents a review of the most effective morphotectonic indexes (e.g., Mountain front Sinuosity; valley-floor with to valley floor-height; Hypsometric analysis) that are used to evaluate the tectonic activity along the study region. The second section gives a brief view about the application of remote sensing techniques in geology and tectonics and how the techniques have a great power to assess the different tectonic features and trace the structural elements along any active zone. Also, it presents the characteristics of the different satellite data (ASTER and Landsat 8 (OLI)) with the revision of the different method that we used in this study (e.g. Band Ratio Composite and Minimum Noise Fraction Analysis). The morphotectonic features along the East Anatolian Fault (EAF) are examined for the first time to provide insights into the nature of landscape development and better understanding of variations in tectonic activity and fault evolution. Several geomorphic indices, namely mountain front sinuosity, valley-width to valley-height ratio, stream length-gradient index, basin asymmetry factor, drainage density, and hypsometric analysis are obtained from digital elevation models. We show that mountain front sinuosity varies from 1.01 to 1.46 on five segments. The mean ratio of valley-width to valley-height along the five segments ranges from 0.11 to 1.32, which is well correlated with the mountain front sinuosity values. The stream length-gradient index values are between from 50 and 350 along the studied segments. Analysis of the basin asymmetry factor of 18 catchments gives values from 1.88 to 26.25 are examined along the study fault zone and we present the basin asymmetry factor with values from 1.88 to 26.25. The drainage density values of the studied catchments range from 3.5 to 5.6. Finally, the hypsometric analysis index of the 18 catchments records high, intermediate, and low relative tectonic activity. The results show that all geomorphic indices are remarkably uniform along the entire fault length, thus implying that its development was essentially coeval along its length, and supporting the view that the present-day Arabian/Anatolian plate boundary (delimited by the EAF) jumped eastwards from the Malatya-Ovacik Fault Zone at ~3 Ma. This is in a good agreement with the nearly uniform geological offsets and the present-day slip rate of ~10 mm/yr along the entire fault as determined by GPS measurements.The Erkenek Segment is one of the most active and prominent splays of the East Anatolian Fault. To reveal any potential geological offset geology along the AdF is refined by remote sensing techniques. This is because, mapping the geology at high spatial resolution along this segment with conventional mapping techniques is highly challenging due to the complex tectonics and the abundant number of different lithological units of varying spatial extent. Therefore, in this study, we applied image spectral rationing techniques by using the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) data along the Erkenek Segment. Images created with band ratios with 1/3-1/9-3/9, 7/3-1/7-3/5 and 9/5-5/3-3/1 are found to be remarkably useful for detailed lithological mapping and hence detecting the geological offsets along this section of the fault. Thus, these ASTER band-ratio images can be used for the lithological mapping along the whole EAF and on other regions in the world with similar lithological and geomorphological conditions. Geomorphic indices that include mountain-front sinuosity, valley floor width-to-valley height ratio, catchment asymmetry factor, hypsometric integrals and curves, and drainage density are calculated to evaluate the relative tectonic activity along the Adıyaman fault. Each geomorphic index is classified into three classes and averaged to define an index for relative tectonic activity (RTA) to allow the Adıyaman Fault to be divided into categories of low, intermediate and high RTA. The results confirm that the Adıyaman Fault is an active fault with intermediate Quaternary tectonic activity, suggesting that it is of minor importance in accommodating plate boundary deformation, consistent with recent crustal motions determined by GPS studies. Nevertheless, it is worthwhile to note that the Adıyaman Fault still poses a significant seismic hazard for the region despite its relatively lower tectonic activity.Independent Component Analysis (PCA and ICA) and Minimum Noise Fraction Analysis (MNFA) techniques of the Landsat 8 are applied to study the Adıyaman Fault. It is shown that the lithologic units, fault patterns, and morphological and structural features can be mapped highly accurately by using spectral-matching techniques in regions where rocks are well exposed. Inspection of all possible band combinations indicates that PCA 134 and 231, and ICA 132 band combinations give the best false-color composite images for identifying the rock units and contacts. Analysis of MNFA band combinations shows that MNFA 521 band combination also is robust for discriminating the rock units particularly Quaternary clastic units (colluvium/alluvium). MNFA band 1 alone provides the best image to trace the tectonic and structural elements in the study area. The new up-to-date lithologic map of the Adıyaman Fault that we produce upon to the interpretation of processed OLI images reveals several river channels offset and beheaded by the Adıyaman Fault, verifying its Quaternary activity. This study demonstrates that, when used with the OLI data, the PCA, ICA, and MNFA are very powerful for lithological and structural mapping in actively deforming tectonic zones, and hence can be applied to other regions elsewhere in the world where the climate is arid to semi-arid, and the vegetation cover is scarce.In generally this study presents the help of the tectonic geomorphology and remote sensing applications to evaluate the tectonic activities of a major plate boundary fault and a minor fault within the Arabian/Anatolian deformation zone. Improving our tectonic understanding of the active regions requires accurate tectonic measurements and data analysis. It so important to link the morphotectonic analysis with the different surface displacements, slip rates, and major seismic events in order to create a complete scenario about the deformation story of the active regions. Also, the new developed remote sensing methods with high-resolution images are required to go deep and gain the most benefits of applying these techniques for geology and tectonics purposes.