SİSTEMLERİ VE YAKLAŞIMLAR Jeofizik Mühendisliği Bölümü DEPREM ERKEN UYARI SİSTEMLERİ VE YAKLAŞIMLAR Kocaeli Üniversitesi Jeofizik Mühendisliği Bölümü Hamdullah LİVAOĞLU

1.Deprem Erken Uyarı Deprem erken uyarı,hasar oluşturabilecek düzeyde bir deprem oluşumunu,kaynağına en yakın konumlarda gerçek zamanda tespit edilmesi ve bir uyarı sinyalinin üretilmesidir. Deprem erken uyarı sistemindeki esas amaç, beklenen ilk hareketin ve kestirilen sismik şiddet hususunda erken uyarı sağlamaktır(depremle ilişkili zararların azaltılması). Bu kestirimler episantr çevresinde konuşlandırılmış sismograflar ile kaydedilen dalga formları verilerinin ‘hızlı’ odak ve magnitüd analizleri ile yapılmaktadır. Bilinmelidir ki Deprem Erken Uyarı Sistemleri, deprem tahmini (predict) değil, fay mekanizmaları sonucu oluşan depremin ve yayılan dalgaların analizleri sonucu, 4-60 sn (episantr uzaklığına bağlı olarak) lik bir erken uyarı ve zaman kazanımdır.

Şekil-1. Beklenen deprem dışmerkezi etrafında konuşlandırılan sismograflar ,P ve S dalgalarının zaman farkından yararlanarak,P dalgası ilk varışlarından Magnitüd, Odak ve Sismik şiddet kestiriminin Japonya örneği için genel şematik gösterimi

Erken uyarı ise, hasar yaratabilecek düzeyde bir deprem oluşumunu, kaynağına en yakın konumlarda tesbit ederek, oluşturulacak uyarı sinyalinin, konu ile ilgili olan kurumlara otomatik olarak iletilmesiyle, yüksek gerilim hatlarındaki akımın kesilmesi, kritik kimyasal üretim yapan fabrika, nükleer santral ve rafinerilerin tehlike yaratabilecek faaliyetlerinin durdurulması, metro, hızlı tren ve banliyö trenleri gibi toplu taşıma araçlarının durdurulması bunun gibi benzer birçok önemli tedbirlerin alınmasını mümkün kılmaktadır.

2.Genel Metodoloji ve Sistem Bir deprem sırasında oluşan sismik dalgalar, farklı hızlarda hareket ettiklerinden deprem kayıt istasyonlarına da belirli sıralarda ulaşırlar. Öncelikle, hızı 5.0 - 7.4 km/sn arası değişen P dalgası, ardından da 3.0 - 4.0 km/sn ile S dalgası gelir. P ve S dalgalarının bir istasyona varış zaman farkı, depremin odağından uzaklaştıkça da artar. Bu artış, “EU” anlamında zaman kazanmaktır. Bununla beraber, deprem istasyonları ile ana veri merkezi arasında, radyo frekansı ile yapılan veri iletişim hızının da çok yüksek olması (300.000 km/sn) EU sisteminde önemli yer tutar . EU sistemi, tahrip edici bir depremin yıkıcı S dalgasının gelişinden birkaç saniye ile onlarca saniye arasında olabilecek bir süre öncesinde uyarı yaparak, deprem sırasında ve sonrasında bir bölgede oluşabilecek ağır hasar ve zararların mümkün olan en aza indirgenmesine yardımcı olacaktır

Bütün EU sistemlerinde; ilk önce depremin tesbit edilmesi, sonra da kullanışlı bir uyarı sinyalinin kullanıcılara sağlıklı bir şekilde aktarılması gerekmektedir. Deprem tespiti ne kadar çabuk olursa, uyarı için kazanılacak zamanda o kadar fazla olacaktır. Odak, dışmerkez ile uyarılacak alan arasındaki mesafelerin uzunluğu, deprem EU sisteminin hem hatasız karar vermesine olanak sağlar hem de uyarılacak bölge/alan/noktalarda önceden planlanmış tedbirlerin hayata geçirilmesinde yeterli zaman sağlar. Bu tip, kaynağı uzak noktalarda karşılayarak tespit yapan metotlar kullanan sistemsel yaklaşım, “Cepheden Saptama” (Front Detection) olarak adlandırılır. Sürekli kuvvetli yer titreşimlerine maruz kalan ve aktif faylar üzerinde konuşlanmış şehirlere sahip bölgelerde, depremin tespitinde daha hızlı karar veren ve kestirime yönelik yaklaşımlar gerekmektedir. Bu da ancak, çok sayıda ve sık konuşlandırılmış istasyonlardan faydalanılması ile mümkün kılınmaktadır. (‘’Yerinde tespit ‘’(on-site))

Ayrıca, mühendislik amaçlı kurulan bazı EU sistemleri de P dalgasının tespitine çalışmadan, gelen sismik dalganın genliğinin belirli bir eşik seviyesini aşıp aşmadığının kontrolü yoluyla deprem alarmı üretirler. Belirlenen eşik seviyesi değerine, cihazların lokasyonu ve deprem dışmerkez mesafesine bağlı olarak, yine birkaç saniye ile onlarca saniye öncesinden bir yapı, tesis, alan ve bölgenin uyarılması, otomasyon sistemlerinin kapatılmasına olanak sağlar. Kısaca, uyarılacak bölge ile deprem kaynak noktası arasındaki uzaklığa bağlı olarak adlandırılan yaklaşımlar iki grupta toplanmıştır. Her iki grupta yapılan çalışmalar farklı metotları içerseler de netice itibariyle depremin tetiklenmesi ve lokasyon ve manyitüd tayini için kullanılır. Genel olarak bir EU uyarı sistemi; sismik istasyonlara, veri işlem merkezi için gerekli bilgisayar ve yazılıma, bu veri merkezi ile istasyonlar arasında sürekli veri iletişimini sağlayacak cihaz ve ekipmanlara, ve uyarı sinyalinin iletilmesi için gerekli tertibata ihtiyaç duyar.

Şekil -3. EU sistemlerinin grafiksel gösterimi.

Bir deprem erken uyarısına tepkilerin örnekleri

3.Deprem erken uyarı algoritmalarının sınırlamaları Dikkat edilmelidir ki deprem erken uyarısının doğruluğunun limitleri; Zamanlama: Erken uyarı alarmının, ana sarsıntı arasındaki (S waves) zamanın kısa olması( 4-60 sn) Yanlış alarm: Tek bir sismograf verileri kullanıldığında ‘gürültü’ler yanlış alarm üretebilir(cihaz arızası,yıldırım gibi kazalar). Magnitüd kestirimi: Büyük depremlerde magnitüd kestiriminin doğruluğu kısıtlı olabilir. Birçok deprem aynı anda veya birbirine çok yakınlarda olduğunda. Sismik şiddet kestirimi: istatistiksel sönüm formullerinden, zemin büyütme tahminlerinin doğruluğu sınırlıdır.

4.Yerinde tespit ve depremi uzak noktalarda karşılayıp, cepheden saptama, Dünya ve İstanbul deprem Eu sistemleri örnekleri; Genel olarak, az sayıda istasyondan faydalanarak, depremi yerinde tespit edip alarm üreten bu sistemlerin çok sayıda başarılı sonuçlar verdiği de bilinmektedir (Nakamura, 2008). Bu sistemlere ilaveten, Japon Meteoroloji Ajansı tarafından yürütülen ve ulusal sismik cihazlarını kullanan, hem tek istasyon hem de ağ yöntemini içeren bir erken uyarı sistemi bulunmaktadır (Kamigaichi, 2004). Yerinde tesbit çalışmalarına karşılık, depremi uzak noktalarda karşılayıp, cepheden saptama ile tesbit yapan metodlar da vardır. Bu yöntemler, EU mesajının verilebilmesi için yeterli zamanı sağlamaktadır. Mexico şehri (Meksika), Taipei (Tayvan), Bükreş (Romanya), ve İstanbul (Türkiye) da kurulu EU sistemleri bu tip sistemlere uygun örneklerdir. Deprem kaynağının Mexico Şehrinden yaklaşık 300 - 350 km uzaklıkta oluşu, Meksika’ da kurulu EU sistemini dünyadaki en rahat çalışan sistemlerden biri yapar. 300 - 350 km mesafede tesbit edilen deprem, yaklaşık 60 saniye civarında erken uyarı zamanı kazandırmaktadır.

İstanbul’ un ana Marmara fayına en yakın mesafesi yaklaşık 15 - 25 km arasındadır. Bu sebeple, eşik seviyesinin aşılması prensibine dayanan kolay ve basit bir mühendislik algoritması uygulayan İstanbul deprem EU sistemi, ilgili uyarı sinyalini, deprem kaynak parametrelerine ve etkilenecek konumun koordinatlarına bağlı olarak en fazla 8 saniye öncesinde verilebilecek durumdadır. Şekil 4- Dünyada kurulmuş olan EU sistemlerinden, alarm sağlayan (mavi renk ile yazılı) ile sadece test modunda çalıştırılan sistemlerin bulunduğu (yeşil renk ile yazılı) ülkeler.

Şekil-5. Istanbul Deprem EU istasyonlarının konumları. Şekil 5’ de gösterilen bu istasyonların yerleri, İstasyonlardan radyo-link vasıtasıyla gerçek zamanda sürekli olarak gelen veriler, ana merkezde devamlı olarak değerlendirilir. Sistem tarafından da sürekli olarak, 10 saniyelik (ayarlanabilir) zaman penceresi içinde, en az 3 istasyon tarafından eşik seviyelerinin aşılıp aşılmadığı kontrol edilir. Seviye değerinin aşılması durumunda, “kabul” ler sağlanmış olduğundan “deprem” kararı verilir ve yazılım tarafından otomatik olarak alarm mesajı / sinyali üretilir (Şekil 6). Depremin tetiklenmesinde en büyük ivme değeri, PGA (Peak Ground Acceleration), veya Kümülatif Mutlak Hız, CAV (Cumulative Absolute Velocity), eşik seviyelerinden faydalanılır. Mevcut sistem, hâli hazırda ivme eşik seviyesine göre çalıştırılmaktadır. Şekil-5. Istanbul Deprem EU istasyonlarının konumları.

yapılacaktır (Alcik ve diğ., 2009). Hasar yaratabilecek bir depremle ilgili uyarı sinyali, deprem kaynak parametrelerine ve etkilenecek konumun koordinatlarına bağlı olarak en fazla 8 saniye öncesinde verilebilecektir (Erdik ve diğ., 2003). 2002 yılında devreye alındığı tarihten itibaren test konumunda çalıştırılan EU sistemi, önümüzdeki tarihlerde Marmaray Tüp Geçidinin tamamlanmasıyla beraber, Marmaray otomasyon sistemi ile bağlantısı yapılacaktır (Alcik ve diğ., 2009). Şekil-6. Istanbul Deprem EU Sisteminde kullanılan eşik seviyesi yönteminin grafiksel gösterimi

5.Deprem erken uyarı parametreleri τ c ve Pd nin saptanması ve Magnitüd kestirimi ve Örnek Çalışma. Erken uyarıda temel prensip, uygun sismak ağlar ile depremin yerinin doğru saptanabilmesi ve hızlıca büyüklüğünün kestirilebilmesidir. Episantra yakın istasyonlar bu bağlamda daha iyi bir yakalaşım sağlarken hesaplama süresini de kısaltabilmektedir. τc ; yer-hareketi periyod parametresi, Pd; yüksek geçişli süzgeç uygulanmış yerdeğiştrime genlik parametresi. Bu parametreler P dalga formumun ilk 3 sn lik kısmından hesaplanır.(4<M<6 de en iyi performans, 7 den büyük depremlerde saturasyondan dolayı hatalı sonuçlar elde edilebilmektedir. Buna çözüm bkz;GPS, uzaktan algılama fenomenleri ile ilgili çalışmalar) Magnitüd kestiriminde τc ve Pd den elde edilen PGV (peak ground velocity) kullanılır. İki farklı erken uyarı yaklaşımında bahsetmiştik, bunlar; 1.Onsite warning(yerinde saptama,uyarı) 2.Rejyonel warning(bölgesel saptama,uyarı), Japonya ve Meksika örnekleri, tektonik rejimin getirtiği S-P zaman farkında dolayi süre kazanmada daha şanslılar.

Yerinde saptamada, (onsite) daha yoğun bi sismik ağ işleri kolaylaştırır. Şöyle ki; daha fazla istasyon daha fazla veri,doğru azimutal dağılım ;daha doğru P algılaması. Çünkü P nin ilk 3 sn τc nin hesaplanmasında önemlidir. Allen&Kanamori (2003) r:episantral uzaklık, u(t): yer-hareketi yerdeğiştirmesi, :kullanılan kayıt süresi(genellikle 3 sn) τc, deprem boyutunu temsil etmektedir. log(Pd ) = −3.463 + 0.729 × M − 1.374 × log(R) (Güney Kaliforniya için Pd-M ilişkisi,Pd>0.5 cm durumlarda hasar verici depremleri gösterrebilir)

Hesaplanan τc lerin M nin fonkisyonu oalrak gösterilmesi Hesaplanan τc lerin M nin fonkisyonu oalrak gösterilmesi. M arttukça τc nin da arttığı açıkça görülmektedir M>5.5 olaylar için bir saçılma görünmektedir bu da P nin İlk 3 s lik kısmında daki genliğin çok küçük olmasından dolayısiyle buda S/G oranında azalma gösterir. Şekil -7 : τc ölçümleri (içi boş daireler) 431 kayıttan M ye karşılık. 27 olayın için ortalmayı göstermektedir.(çalışma için seçilem depremlerin,Güney Kaliforniyadan bir çalışma)

Pd ve PGV ninTayvan ve Kalifroniya örnekleri kullanılarak karşılaştırılması ve Kaliforniya da oluşacaka daha büyük depremlere uyarlanması.Tayvanda büyük yer hareketleri için kayıtları ile Kaliforniya da oluşabilecek daha büyük yer hareketlerini eksterpole etmede kullanılmıştır. Çünkü Kal. Gözlemleri nispeten küçük Magnitüdlü olaylardır. log(PGV) = 0.903 log(Pd) + 1.609 ± 0.309 Şekil-8: Pd ve PGV ilişkisi,Tayvan(mavi) ve Kaliforniy(kırmızı) bir örnek ve episantr uzaklığı 30 km den küçük istasyon bilgileri kullanılarak uyduralan eğri (En Küçük kareler ile).