Sendai Depremi ve Tsunamisinin Jeolojisi

9,0 büyüklüğe karşılık gelen, yani depremde açığa çıkan enerji 3,9x1022 joule olarak hesaplanmıştır ki, bu 2004 yılında Sumatra’da meydana gelen büyük depremdekinden biraz daha düşüktür. Yani 1,500,000,000 ton dinamitin patlaması sonucu açığa çıkacak enerjiye eşittir. Bu enerji Hiroşima’ya 8 ağustos 1945 günü atılan atom bombasının açığa çıkarttığı enerjinin yaklaşık 33.000 katıdır.

A. M. Celâl Şengör1,2 ve M. Sinan Özeren1

1 İTÜ Avrasya Yerbilimleri Enstitüsü, Ayazağa 34469 İstanbul [email protected]

2 İTÜ Maden Fakültesi, Jeoloji Bölümü, Ayazağa 34469 İstanbul [email protected]

Bu muazzam enerji nasıl birikmiş, niçin 5 dakika gibi kısacık bir sürede açığa çıkarak herkesin televizyonlardan neredeyse saat be saat izleyebildiği o muazzam yıkıma neden olabilmiştir? Bu sorunun cevabı öncelikle gezegenimizin jeolojik davranışında, sonra da, Japonya’nın en büyük adası olan Honşu’nun (bkz. Şekil 1) özel jeolojik konumunda saklıdır.

Dünyanın tektonik davranışı Dünyamız bir ısı makinesidir. Çekirdeğindeki ısı 7000°C’tan fazlayken, yüzeyden 10.000 metre yukarılarda bu sıcaklık yer ve mevsime göre -50 ilâ -70°C arasında değişmektedir. Bu nedenle gezegenimiz sürekli ısı kaybeder. Uzayda ısı kuramsal olarak -270°C kadardır. Isı kaybetmenin üç yolu vardır: 1) Işıma yoluyla, 2) dokunma (kondüksiyon) yoluyla ve 3) madde akıntıları (konveksiyon) yoluyla.

Dünyamız bir soğan gibi tabakalı yapıya sahiptir. Yüzeyden 100-300 km derinliğe kadar dünya içinde deprem dalgalarının malzemeyi kırabildikleri katı bir malzemeden oluşur. Bu katı malzemeye jeologlar taşküre (litosfer) adını vermişlerdir. Bunun altında 2900 km derinliğe kadar uzanan ve manto adını taşıyan malzeme küresi ise katı olmakla beraber akışkandır ve burada konveksiyon akımları meydana gelir.

Konveksiyon akımlarının yüzeyde birbirinden uzaklaştıkları yerlerde okyanus ortası sırtları meydana gelir ve bunlar kıt’aları birbirinden ayırarak yeni okyanusların oluşmasına ve büyümesine neden olurlar. Meselâ Atlas Okyanusu senede 2,5 cm’lik bir hızla büyümektedir ki bu bir insanın ayak tırnaklarının ortalama uzama hızına eşittir.

Eğer dünya sırf okyanus ortası sırtlara sahip olsa, yüzeyinin ve dolayısıyla hacmının da sürekli büyümesi gerekir. Ama dünyamızın boyu ilk oluştuğu günlerden beri aşağı yukarı sabit kalmıştır. Dolayısıyla orta okyanus sırtlarında oluşan yeni satha karşılık bir yerlerde eski sathın tahrip edilmesi gerekmektedir. Bu da okyanuslardaki Marianlar veya Mindanao gibi büyük derin deniz hendekleri boyunca meydana gelir. Buralarda bir okyanus tabanı bir diğerinin veya bir kıt’anın altına dalarak tekrar mantoya döner ve bu şekilde bir konvektif sistemin soğuyarak ağırlaşmış bir kanadını temsil eder.

Kıt’alar, alta dalan okyanus tabanlarından yüksek basınç ve sıcaklık nedeniyle salıverilen suyun, alta dalan okyanus tabanı üzerinde kalan manto malzemesini kısmî ergitmesiyle meydana gelen katılaşım kayalardan oluşurlar. Bu malzemenin özgül ağırlığı yaklaşık 2,85 g/cm3‘dür. Halbuki mantonun üst kısımları 3,3 g/cm3‘lük bir özgül ağırlığa sahiptirler. Dolayısıyla kıt’alar, okyanus tabanları gibi kolayca batıp gidemezler ve bir kıt’a bir hendeğe vardığı zaman o hendeği tâbiri câizse «boğar» ve bir başka yerde yeni bir hendek oluşmasını gerektirir.

Bu karmaşıklıklar yüzünden, gezegenimizin sathında okyanus ortası sırtları ve derin deniz hendekleri dışında bir de büyük yanal atımlı faylar bulunur ki, ülkemizdeki Kuzey Anadolu Fayı veya ABD’nin batısındaki meşhur San Andreas veya Kraliçe Charlotte fayları bu tür büyük faylara örnektir (Şekil 2).

Gezegenimizin taşküresi, bu şekilde okyanus ortası sırtları, derin deniz hendekleri ve büyük yanal atımlı faylarla yaklaşık yedi tane büyük taşküre takkesine bölünmüştür. Jeologlar birbirlerine nazaran sürekli hareket eden bu taşküre takkelerine, tektonik levhalar adını vermişlerdir (bkz. Şekil 2).

Sendai depreminin olduğu yer, Şekil 2‘de de görüldüğü gibi, Honşu Adasının Tokyo’nun kuzeyinde kalan kısmı Kuzey Amerika Levhası üzerinde bulunduğu için, Kuzey Amerika Levhası ile Pasifik Levhası arasında bulunan derin deniz hendeğinin batısında ve 24 km derinlikte meydana gelmiştir.

SENDAİ DEPREMİNİN JEOLOJİK KONUMU

Japonya aslında tümüyle, Pasifik ve Filipin Denizi tabanlarının derin Japon ve Nankai hendekleri boyunca mantoya daldıkları yerlerin üzerinde inşa edilmiş kıt’a parçacıklarından oluşur (Şekil 1). Şekil 3 bu dalma-batma hareketinin neden olduğu depremlerin odaklarının harita üzerinde ve üç boyutlu bir diyagramda dağılımlarını göstermektedir. Görüldüğü gibi, mantoya dalan okyanus tabanı, dimdik batmak yerine, eğimli bir deprem koridoru boyunca dalmaktadır. Şekil 4 ise, Pasifik Okyanus tabanının Japon derin deniz hendeği boyunca dalmasının yüzeyden görünüşünü ve iki değişik kesitteki geometrisini gözler önüne sermektedir.

Görüldüğü gibi, okyanus tabanı dümdüz değil, çok engebelidir. Bu engebelerin bir kısmı okyanus tabanı dalmak üzere bükülürken meydana gelen kırıklardan, bir kısmı da okyanus tabanı üzerinde oluşmuş büyük yanardağların meydana getirdiği sualtı tepelerinden kaynaklanmaktadır.

Şekilde görüldüğü gibi, alta dalan okyanus tabanının üst yüzeyi ile onun üzerinde bulunan Honşu adası kütlesi arasında bir sürtünme meydana gelmektedir. Bu sürtünmeyi epey arttıran bir etken ise, dalan okyanus litosferinin üzerinin düz değil, çok engebeli olmasıdır. Dalan okyanus tabanı adeta ters bir rende gibi, Honşu’nun tabanını traşlamaktadır. Bunun en güzel kanıtı ise Honşu’nun özellikle sualtında bulunan kısmının son 25-30 milyon seneden beri sürekli çökmesidir. ABD Jeoloji Servisi jeologlarından Roland von Huene ve David Scholl, doksanlı yılların başından beri burada Japon meslektaşlarıyla yaptıkları denizaltı jeolojisi sondaj ve sismik yansıma çalışmalarında Şekil 5‘de gösterilen geometriyi tespit etmişlerdir.

Şekil 5‘de görülen ve erken Miyosen-geç Oligosen uyumsuzluğu işaretiyle gösterilen yüzey, 25-30 milyon sene evvel deniz yüzeyindeydi ve bir plaj oluşturuyordu. Bu plaj o zamandan günümüze 4-5 km kadar çökmüştür. Bu çökme ancak Honşu adasının buradaki malzemesinin incelmiş olmasıyla açıklanabilir. Bu incelmeyi yapabilecek tek etmen de, şekilde de gayet açıkç görüldüğü gibi, Honşu’nun tabanı altına dalan Pasifik levhasıdır. Bu levha, Honşu’yu sürekli «rendelemektedir».

Bu rendeleme, Honşu ile Pasifik tabanı arasında yüksek bir oranda sürtünmenin olduğuna işaret eder. İşte bu yüksek sürtünme zaman zaman Honşu ile Pasifik levhası arasındaki hareketi imkânsız hale getiren kitlenmelere sebep olmakta, bu suretle, Pasifik levhasının Honşu’ya doğru yaptığı hareket tamamen duramayacağı için burada giderek artan bir gerilmeye neden olmaktadır. Bu gerilmenin değeri, Pasifik Levhasının honşu’ya nazaran yaptığı harekete engel olan takılmanın direncini geçtiği an, takılmanın nedeni olan yer kırılmakta ve bu kırılma bir deprem olarak kendini bizlere belli etmektedir.

SENDAİ DEPREMİNİN JEOLOJİK

ÖZELLİKLERİ

Şekil 6 Japon meslektaşlarımızın belgelediği deprem odağı hareketinin şematik bir ifadesini sergilemektedir. Bu şekli, bir kürenin ekvator kesidinden alt yarımküresine baktığınız şeklinde yorumlayınız. O zaman hemen dikkatinizi çeken şey, iki tane düzlemin bu küreyi kestikleri büyük daire yaylarıdır. Bunlar potansiyel kırık yüzeyleridir. Bu yüzeylerden biri boyunca Honşu Adasının kabuğu kırılmış ve ada, Japon hendeğine nazaran 2.5 metre kadar doğuya, yani adanın doğu ucuna doğru itilmiştir.

Bu yüzeylerin biri yaklaşık 80° ile doğu-güneydoğuya, diğeri ise yaklaşık 10° ile batı-kuzeybatıya eğimlidir ki bunlardan depremi yaratan kırık yüzeyinin, yani fayın, 10° ile batı-kuzeybatıya eğimli olan fay olduğu kanaatindeyiz. Bu fay yüzeye doğru eğimi hızla artan, listrik, yani «kürek şekilli» bir bindirme fayıdır. Ancak bu kanaat henüz hiçbir doğrudan gözleme dayanmıyor. Ancak Şekil 7‘de gösterilen artçılar haritası, artçıların ana şokun doğusuna doğru saçıldıklarını göstermekte, dolayısıyla bunların muhtemelen Şekil 8‘de gösterildiği gibi, batıya eğimli bir faylar ailesini tetikledikleri izlenimini uyandırmaktadır

Honşu’nun 2,5 metre kaymış olması, dünya yüzeyindeki kütle dağılımında çok küçük de olsa bir değişikliğe neden olduğu için, gezegenimizin kendi ekseni etrafındaki dönüş hızını çok az da olsa arttırmış ve bir günün 1,8 mikrosaniye kısalmasına yol açmıştır.

Söz konusu 1,8 mikrosaniyelik kısalma değeri bir gözlem değil Caltech’in Jet Propulsion Laboratory’sinde bir araştırmacı olan Richard Gross‘un yaptığı bir hesabın sonucudur (Space.com). Gross, depremle ilgili yeni veriler geldikçe bu hesabın tekrarlanması gerektiğini belirterek, depremin yerkürenin şekil eksenini, yaklaşık 17 cm kıpırdattığını kaydetmiştir.

1 mikrosaniyenin 1 saniyenin milyonda birine eşit olduğunu düşündüğümüzde, bu etkinin ne kadar küçük olduğu ortaya çıkıyor. Mevsimsel değişiklikler (örneğin tropopozda, yani atmosferin troposfer ile stratosfer arasındaki yaklaşık 11-17 km irtifadaki geçiş alanında oluşan jet akımlarında yıl içinde meydana gelen değişimler), gün uzunluğunda mevsimsel olarak bu depremin yaptığı değişikliğin 500 katından fazla oynamaya neden olabiliyorlar.

Meydana gelen kaymaya neden olan fayın yüzeyi kırdığı, gerek depremin büyüklüğü, gerekse de meydana gelen tsunaminin oluşabilmiş olması nedeniyle muhakkaktır. Bu konuda henüz doğrudan deniz tabanına inilerek gözlemler yapılmadı. Ancak Japonya derin deniz jeolojisinde hem geniş imkânlara hem de büyük bir tecrübeye sahiptir (ABD, Almanya, Fransa ve Rusya ile beraber Japonya, derin deniz gözlemlerini doğrudan yapma yeteneğine sahip 5 ülkeden biridir) ve kuşkusuz Japon meslekdaşlarımız en kısa sürede gerekli gözlemlerle, Sendai depremine ve onu izleyen büyük artçılara neden olan denizaltı faylarını haritalayıp inceleyerek, bizleri bilgilendireceklerdir.

Şekil 9 Sendai depreminin ABD Jeoloji servisinden alınmış bir izoseist haritasını gösteriyor. İzoseist haritaları, eş sarsıntı haritalarıdır ve aynı şiddetle sarsılan yerleri gösterirler. Burada da sarsıntı alanının, merkez üssüne nazaran asimetrik olduğu ve doğuya doğru çok daha geniş alanların sarsıldığı görülmektedir. Bu da, ana fayın ve artçı depremlerin harekete geçirdiği faylarının büyük ölçüde batıya eğimli bir fay ailesi olduğu izlenimini doğrulamaktadır (Şekil 8).

TSUNAMİ

Sendai Depreminin yarattığı mega-tsunami tipik bir dalma-batma depremi tsunamisidir. Elimizde henüz detaylı sismolojik analizler olmadığı için, depremi yaratan kırığın karakteristiklerini ayrıntılarıyla bilmiyoruz, ancak bu büyüklükte bir dalma-batma depreminin kırığının 450-480 kilometreye yakın olabileceği tahmin ediliyor. Yani başka bir deyişle, bu uzunluktaki bir hat boyunca deniz tabanı bir anda düşey olarak yer değiştirmiştir. Olayın yatay ölçeği düşey ölçekten (denizin derinliğinden) çok büyük olduğu için bu tür tsunamilerin oluşumunu dalga mekaniği açısından «sığ su teorisi» çerçevesinde inceleyebiliriz.

Burada sığ sudan kastımız olayın cereyan ettiği yerin sığ olduğu anlamına gelmiyor tabiî (dalma batma hendeğinin derinliği ortalama 6000 metre ve daha batıda, Japonya sahiline hendekten daha yakın olan kırık bölgesinde ortalama su derinliği 1000 metre civarındadır). Depremde kırığın Japonya tarafı okyanus tarafına göre bir anda yükselince deniz yüzeyi de bir anda yükselmiştir. Fakat deniz yüzeyi bu şekilde kambur kalamayacağı için yerçekiminin etkisiyle eski düz şekline geri dönmeye çalışacaktır.

İşte bu geri dönmeye çalışma esnasında oluşan dalgalara biz tsunami dalgaları (Japonca «liman dalgası» demektir) diyoruz. Bu dalgalar kırık bölgesinden her yana yayılmaya başlar ama her yana yayılan dalgaların şekli kırığın yönü, kırıkla oluşan düşey yer değiştirmenin kırık boyunca değişimi ve deniz tabanının topografyasından (batimetri) etkilenerek farklılaşabilir. Derin yerlerde düşük genlik ve çok hızlı yayılma hızına sahip olan Tsunami dalgaları çok geçmeden yaklaşık 130 km batıdaki Japonya sahillerini dövmeye başlamıştır. Cuma sabahı televizyondan izlediğimiz ilk tsunami dalgaları sahilden oldukça açıkta kırılan dalgalardı. Tsunami dalgaları sahile yakınlaştıkça yayılma hızları düşer ve genlikleri artar ama dalga kırılması çok büyük tsunamiler dışında (örneğin 2004 Sumatra depreminin yarattığı tsunami) oldukça ender gözlenen bir olaydır. Sendai tsunamisinin Japonya’yı cehenneme çevireceği bu ilk dalgalardan belli olduydu. Sendai bölgesinin Kuaterner yaşlı çökellerden oluşan oldukça düz bir yer şeklinin olması sahile ulaşan tsunami dalgalarının ciddi bir doğal engelle karşılaşmadan karanın iç bölgelerine rahatça ilerlemelerine (havaalanı da dahil) ve imha alanlarını genişletmelerine neden oldu.

Her şeye rağmen bu bölgenin Japonya standartlarına göre nüfus yoğunluğunun nispeten düşük bir tarım bölgesi oluşu can kaybının en azından bu bölgede çok daha trajik boyutlara ulaşmasını engellemiştir. Buna rağmen Myagi eyaletinin tümünde şu an itibarı ile en az 10.000 kişinin Tsunami dalgalarına kapılarak ölmüş olmasından korkuluyor. Tsunaminin sahilde yarattığı kargaşa ve birbirine girmiş evler, arabalar ve diğer nesneler ölü sayısının daha kesin olarak belirlenmesini daha uzun süre geciktireceğe benziyor. Sahile vuran en yüksek tsunami dalgası 10m civarında olarak depremin merkez üssüne en yakın sahil noktası olan Sendai’de kaydedildi. Tsunami dalgaları Pasifik’te yaklaşık 7 saatlik bir yolculuktan sonra Hawaii’ye ulaştı. 12 saat geride bırakıldığında dalgalar Avustralya’nın bütün doğu kıyısını ve ABD’nin bütün batı kıyısını taramıştı (Şekil 10). Özellikle Endonezya’nın ve Papua Yeni Gine’nin yarattığı kırılmalar (refraksiyonlar) Avustralya’nın kuzey sahillerine dalgaların geç ve nispeten düşük genlikle ulaşmalarına neden oldu.

NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) global ölçekli numerik tsunami modeli bu deprem sonrasında da tıpkı 2006 Kuril Adaları tsunamisi ve daha bir çok tsunamide olduğu gibi «tsunami huzmeleri» (Tsunami beam) oluştuğunu gösteriyor. Bu huzmeler genellikle Tsunamiyi yaratan fayın doğrultusuna aşağı yukarı dik doğrultuda oluşuyorlar ve bu huzmeler boyunca dalga yükseklikleri çok yüksek olabiliyor.

Olay ışığın bir prizma tarafından kırılmasına (refraksiyon) benziyor. Huzmeler binlerce kilometre boyunca güneydoğuya doğru uzanıyorlar ve okyanusun ortalarına doğru su derinliğinde büyük yatay ölçeklerdeki farklılaşmaların yarattığı refraksiyonlar nedeniyle etkilerini yitiriyorlar (Şekil 11). Hawaii bu tsunamide şanslıydı, bu huzmelerin hepsinin kuzeyinde kaldığı için oraya ulaşan dalgalar çok büyük olmadı.

Buna rağmen sahildeki yapılarda bir miktar tsunami hasarı oldu. ABD’nin California ve Oregon eyâletlerinin sahilleri boyunca yükseklikleri 2,4 metreye ulaşan tsunami dalgaları gözlendi, ölen ya da yaralanan olmasa da toplam hasarın 10 milyon ABD doları civarında olduğu söyleniyor. Tsunami dalgaları oluşumlarından yaklaşık 21 saat sonra Peru sahillerine ulaşıp Pueblo Nuevo de Colan ve Pisco şehirlerinde 300 evde hasara neden oldular.

Yukarıda da dediğimiz gibi, Japonlar büyük olasılıkla en yakın zamanda deprem bölgesini denizaltılar, akustik sistemler ve sismik tekniklerle inceleyerek kırığın detaylı bir resmini ortaya çıkaracaklardır. Bu veriler ve dalga yüksekliği verileri matematiksel modelleme üzerine çalışanların modellerini denemeleri için (özellikle Tsunaminin sahile yakın non-lineer davranışı konusunda) eşsiz bir fırsat olacaktır.

DEĞİNİLEN BASILI KAYNAKLAR

FUJIOKA, K., TAIRA, A., KOBAYASHI, K., NAKAMURA, T., IIYAMA, T., CADET, J.-P., LALLEMAND, S. ve GIRARD, D., 1987, 6000 Meters Deep: A Trip to the Japanese Trenches—Photographic Records of the Nautile Dives in the Japanese Subduction Zones: University of Tokyo Press, IFREMER and CNRS, 105 ss.

SCHOLL, D. W. ve von HUENE, R., 2003, Crustal recyclineg at modern subduction zones applied to the past— Issues of growth and preservation of continental basement crust, mantle geochemistry, and supercontinent reconstruction: HATCHER, R. D., Jr., CARLSON, M. P., McBRIDE, J. H. ve MARTINEZ CATALÁN, J. R., yayın hazırlayanlar, 4-D Framework of Continental Crust, Memoir 200, Geological society of America, ss. 9-32.

ŞEKİL ALTLIKLARI

Şekil 8. Honşu’daki büyük depremi ve artçılarını meydana getirmiş olan fayların çok şematik kesitleri. Burada tüm fayların ana şoku oluşturmuş olan fay gibi batıya eğimli oldukları farz edilmiştir. Ewkserisinin kuşkusuz böyle olma ihtimalleri çok büyüktür, ama detaylı bilgiler arttıkça doğuya eğimli bindirmelerin veya kuzeye veya güneye eğimli normal fayların veya KD-GB veya KB-GD uzanan yanal atımlı fayların bulunması da kuvvetle muhtemeldir.

Şekil 9. Sendai ana şokunun izoseist, yani eş sarsıntı haritası (http://www.bbc.co.uk/news/world-asia-pacific-12720219).

Şekil 10. NOAA modeline göre Sendai tsunamisinin zaman içindeki evrimi (http://fr.wikipedia.org/wiki/Séisme_de_2011_au_Japon) DART: Deep-Ocean Assessment and reporting of Tsunamis (Tsunamilerin derin okyanusta değerlendirilmesi ve rapor edilmesi)

Şekil 11. Sendai tsunamisinin dalga yüksekliği haritası (NOAA’dan)