Characterizing Near-Surface Velocity and Attenuation Structures and Evaluating Spatiotemporal b-Value Variations in the Marmara Sea Region

Abstract

The North Anatolian Fault Zone (NAFZ) is one of the most active fault zones in Eurasia. The NAFZ segment below the Sea of Marmara in northwestern Turkey is the only fault segment that did not rupture in the last century, and thus, poses a high seismic hazard to the city of Istanbul. One of the most ambitious goals of seismology is a realistic seismic hazard assessment. For this task a comprehensive understanding of all components involved in creating hazard is necessary. Most important is knowledge about 1) the geometry and kinematics of faults 2) recurrence models to predict future seismicity, and 3) a ground motion model to predict ground motions during a potential earthquake. To progress towards an improved knowledge about these points in the Istanbul metropolitan area this thesis comprises two main studies, one analyzing near- surface rock properties which strongly affect ground motions, and the other dealing with spatiotemporal -value variations. The -value describes the distribution of magnitudes in an earthquake catalog and is a standard parameter in recurrence models. Furthermore, the -value is suggested to reflect the current state of stress on a fault. Starting in Sep 2012 the GONAF (Geophysical Observatory of the North Anatolian Fault) network was installed around the eastern Sea of Marmara consisting of seven ~300 m deep boreholes. The first borehole was completed on the Tuzla peninsula, in southeast Istanbul. The borehole is equipped with seismometers at the surface and at 71, 144, 215, and 288 m depth. By analyzing the first seismic recordings from the GONAF-Tuzla borehole an earthquake swarm of ~100 microseismic events, overlooked by surface networks, was detected based on a cross-correlation algorithm. This is a promising sign from the new borehole observatory improving the seismic monitoring in the eastern Sea of Marmara. The first main study of this thesis is based on a set of microseismicity recordings from the GONAF-Tuzla borehole. With deconvolution interferometry Green’s functions of excellent signal-to-noise ratio were obtained. They reveal surface reflections, near-surface amplification, and reflections from a strong impedance contrast. To determine the velocity and attenuation () structure below the Tuzla site the Green’s functions were forward modeled in time domain. The determined quality factors need to be interpreted with care. Because of simplifications that were applied during the forward modeling procedure, the value here is an apparent value which is a mixture of impedance effects, and scattering and intrinsic attenuation. The seismic velocities of the P- and S-waves below the Tuzla site are unusually high, and between ~90 and ~140 m depth is a velocity inversion. This complex velocity structure, especially the low-velocity layer that leads to impedance amplification, is suggested to have a significant influence on the ground motion during an earthquake. In the second main study spatiotemporal -value variations along the western NAFZ were analyzed. The study is based on a combined hypocenter catalog from the Izmit-Düzce region and the eastern Sea of Marmara. Near the cities Izmit and Düzce two >7 earthquakes occurred within three month in 1999. Therefore, the dataset from the Izmit-Düzce region comprises seismicity from pre-, inter-, and post-seismic times. To ensure a dataset of homogeneous magnitude, necessary for comparing -values throughout time and region, moment magnitudes were newly calculated in this study. For the eastern Sea of Marmara -value maps and depth sections were generated, and for the Izmit-Düzce region map and depth views were analyzed for the pre-, inter-, and post-seismic times. Large variations in the -value distribution reflect the complex fault structure of the western NAFZ. Furthermore, a comprehensive analysis of the -value distribution indicates that the -value cannot be unambiguously interpreted. The -value most likely depends on several fault characteristics like the stress on a fault, heterogeneity or fault complexity, and distribution of damage in the crust. As a consequence, a biased discussion towards either one parameter may lead to erroneous conclusions, and without supporting knowledge about the study area it may not be possible to infer the state of stress on a fault from the -value. Finally, the heterogeneous -value distribution and the complex velocity structure below the Tuzla site suggest that using a constant -value and a standard site classification in probabilistic seismic hazard assessment are too simplified assumptions for the Marmara region. Therefore, the -value study and the study of near-surface rock properties are a progress towards making seismic hazard assessment as fault and site specific as possible.

Die Nordanatolische Verwerfungszone (NAFZ) ist eine der seismisch aktivsten Verwerfungen in Eurasien. Das einzige Segment der NAFZ welches nicht im letzten Jahrhundert durch ein großes Erdbeben brach liegt unter dem Marmarameer im Nordwesten der Türkei. Daher stellt es für die Stadt Istanbul eine große seismische Gefährdung dar. Eines der ambitioniertesten Ziele der Seismologie ist eine realistische Beurteilung der seismischen Gefährdung. Dazu bedarf es eines umfangreichen Verständnisses aller Komponenten die zur seismischen Gefährdung beitragen. Am wichtigsten sind dabei Kenntnisse über 1) die Geometrie und Kinematik von Verwerfungen, 2) Modelle zur Wiederkehrperiode zum Vorhersagen zukünftiger Seismizität und 3) Modelle zur Bodenbewegung, um die Bodenbewegung während zukünftiger Erdbeben vorhersagen zu können. Diese Dissertation umfasst zwei Hauptstudien um die Kenntnisse über die oben genannten Punkte in der Metropolregion Istanbul zu verbessern. In der ersten werden Gesteinseigenschaften in oberflächennahen Schichten untersucht, welche einen starken Einfluss auf Bodenbewegungen haben und in der zweiten Studie werden zeitliche und räumliche Variationen vom -Wert untersucht. Der -Wert beschreibt die Magnitudenverteilung eines Erdbebenkataloges und ist ein Standardparameter in Modellen zur Wiederkehrperiode. Darüber hinaus wird diskutiert, ob der -Wert den Spannungszustand der Verwerfung wiederspiegelt. Beginnend im September 2012 wurde das GONAF (Geophysical Observatory of the North Anatolian Fault) Netzwerk um das östliche Marmarameer aufgebaut. Es besteht aus sieben ~300 m tiefen Bohrlöchern. Das erste Bohrloch wurde auf der Tuzla Halbinsel im Südosten Istanbuls im Januar 2013 fertiggestellt. Es ist mit Seismometern an der Oberfläche und in 71, 144, 215 und 288 m Tiefe ausgestattet. Bei Untersuchungen erster seismischer Aufzeichnungen vom GONAF- Tuzla Bohrloch wurde ein Erdbebenschwarm mit ~100 Mikrobeben mittels Kreuzkorrelation detektiert, welche von Oberflächennetzwerken übersehen wurden. Dies ist ein vielversprechendes Signal des neuen Bohrloch- Observatoriums, das eine Verbesserung der seismischen Überwachung im östlichen Marmarameer ankündigt. Die erste Hauptstudie dieser Dissertation basiert auf mikroseismischen Aufzeichnungen vom GONAF-Tuzla Bohrloch. Mit Interferometrie mittels Dekonvolution wurden Greens Funktionen zwischen den Tiefenstockwerken der Bohrlochsensoren und der Oberfläche mit exzellentem Signal-Rausch- Verhältnis bestimmt. Sie lassen Oberflächenreflexionen, Amplitudenverstärkung nahe der Oberfläche und Reflexionen an einem starken Impedanzkontrast erkennen. Um die Geschwindigkeits- und Dämpfungsstruktur () unter dem Tuzla- Standort zu bestimmen, wurden die Greens Funktionen im Zeitbereich vorwärts modelliert. Der hierbei bestimmte Qualitätsfaktor muss mit Vorsicht interpretiert werden. Da während der Vorwärtsmodellierung bestimmte Vereinfachungen angenommen wurden, ist dieser -Wert ein scheinbarer Wert, der eine Mischung aus Impedanzeffekten, Dämpfung durch Streuung und intrinsischer Dämpfung ist. Die seismischen Geschwindigkeiten der P- und S-Wellen unter dem Tuzla-Standort sind ungewöhnlich hoch und zwischen ~90 und ~140 m Tiefe ist eine Geschwindigkeitsinversion. Diese komplexe Geschwindigkeitsstruktur, insbesondere die Niedriggeschwindigkeitsschicht, welche zur Impedanzverstärkung führt, hat einen starken Einfluss auf die Bodenbewegung während eines Erdbebens. In der zweiten Hauptstudie wurden zeitliche und räumliche -Wert-Variationen entlang der westlichen NAFZ untersucht. Die Studie basiert auf einem zusammengesetzten Hypozentrenkatalog von der Izmit-Düzce Region und dem östlichen Marmarameer. Nahe den Städten Izmit und Düzce ereigneten sich 1999 innerhalb von drei Monaten zwei >7 Erdbeben. Daher enthält der Datensatz der Izmit-Düzce Region Seismizität von pre-, inter-, und post-seismischen Zeiträumen. Um einen Datensatz mit homogener Magnitude sicher zu stellen, was für einen Zeit und Regionen übergreifenden Vergleich vom -Wert nötig ist, wurden Momentenmagnituden in dieser Studie neu bestimmt. Für das östliche Marmarameer wurden -Wert-Karten und Tiefensektionen erstellt und für die Izmit-Düzce Region wurden Karten- und Tiefenansichten von pre-, inter- und post-seismischer Zeit untersucht. Die großen Variationen in der -Wert- Verteilung spiegeln die komplexe Struktur der Verwerfung der westlichen NAFZ wieder. Darüber hinaus weist eine detaillierte Untersuchung der -Wert- Verteilung darauf hin, dass -Werte nicht eindeutig interpretiert werden können. Sehr wahrscheinlich hängt der -Wert von verschiedenen Eigenschaften der Verwerfung ab, wie dem Spannungszustand, Heterogenität oder Komplexität der Verwerfung und die Verteilung von Zerstörung in der Kruste. Die heterogene Verteilung der -Werte und die komplexe Geschwindigkeitsstruktur unter dem Tuzla-Standort weisen darauf hin, dass die Annahme einer Standard- Standortklassifizierung und eines konstanten -Werts in Wahrscheinlichkeitsabschätzungen seismischer Gefährdung zu große Vereinfachungen für die Marmara Region sind. Daher ist die -Wert-Studie und die Studie der oberflächennahen Gesteinseigenschaften ein Schritt hin zu einer so standort- und verwerfungsspezifischen seismischen Gefährdungsabschätzung wie möglich.