Transcript Document

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’ 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.
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.  c
0
.2
0
2
r  (  u (t )dt ) / (  u (t )dt )
0
 2 / r
Allen&Kanamori (2003)
0
r:episantral uzaklık,
u(t): yer-hareketi yerdeğiştirmesi,  0 :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. 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).