Homogenized Earthquake Catalog and Seismic Hazard Analysis for İzmir

Öz

Earthquake catalogues are the fundamental data for seismic hazard studies. Parametric differences, such as different magnitude scales and multiple magnitude estimates for the same earthquake, necessitate the use of a homogenized catalogue with a single, unified magnitude scale in seismic hazard analyses. In this study, a homogenized earthquake catalogue for the instrumental period (1900-present) was constructed for İzmir, which suffered severe damage during the 30.10.2020 Samos Earthquake (Mw 7.0), for use in seismic hazard analyses. Relationships among different magnitude scales were determined using orthogonal regression analysis, and equivalent moment magnitudes (Mw*) were calculated. Using the catalogue, which contains approximately 208,000 earthquakes, the Gutenberg–Richter cumulative frequency–magnitude relationship was established. The completeness magnitude is 2.4. The b-value and a-value are 1.03 and 7.34, respectively. A seismic hazard assessment was done with these results. The results indicate that the probability of an earthquake with a magnitude of Mw*≥6 occurring within the next 50 years is close to 100%. The mean recurrence interval for such a destructive earthquake is 20 years with a probability of 70%. The frequency distribution of earthquakes of the same magnitude in the catalogue over 20-year intervals also confirms the realization of this probability. İzmir and its surroundings will remain threatened by damaging earthquakes in the medium and long-term due to the region's active tectonics. Therefore, it is essential to improve the city's existing building stock and to prioritize structural design for resisting destructive earthquakes (Mw≥6), taking into account the findings of recent earth sciences and earthquake engineering studies.

Anahtar Kelimeler

• Earthquake
• Gutenberg–Richter relation
• Homogenized earthquake catalogue
• İzmir
• Seismic hazard
• Western Anatolia

Proje Numarası

121Y252,221M169

İzmir İçin Homojenleştirilmiş Deprem Kataloğu ve Deprem Tehlikesi Analizi, Batı Anadolu, Türkiye

Öz

Deprem katalogları, sismik tehlike çalışmalarının temel verisidir. Farklı büyüklük ölçekleri ve aynı deprem için farklı büyüklük hesaplamaları gibi parametrik farklılıklar nedeniyle sismik tehlike çalışmalarında tekil bir büyüklük ölçeğiyle homojenleştirilmiş katalog kullanımını gerekli kılmaktadır. Bu çalışmada, 30.10.2020 Sisam Depremi (Mw 7.0) ile büyük hasar gören İzmir'in sismik tehlike analizlerinde kullanılabilecek aletsel döneme (1900'den günümüze) ait homojenleştirilmiş bir deprem kataloğu oluşturulmuştur. Ortogonal regresyon analiziyle büyüklük ölçekleri arasında ilişkiler belirlenmiş ve eşlenik moment büyüklükleri (Mw*) hesaplanmıştır. Yaklaşık 208.000 deprem içeren katalog kullanılarak Gutenberg–Richter kümülatif frekans–büyüklük ilişkisi belirlenmiştir. Kataloğun tamlık değeri 2.4, b-değeri 1.03 ve a-değeri ise 7.34 olarak hesaplanarak çalışma alanı için güncel sismik tehlike değerlendirmesi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar 50 yıl içerisinde Mw*≥6 olan bir depremin meydana gelme olasılığının %100'e yakın olduğunu göstermiştir. Bu büyüklükteki yıkıcı bir depremin tekrarlanma aralığı ortalama 20 yıl ve bu dönem içinde olma olasılığı %70 olarak hesaplanmıştır. Katalogdaki aynı büyüklükteki depremlerin 20 yıllık aralıklarla frekans dağılımı da bu olasılığın gerçekleştiğini doğrulamaktadır. Geçmişte yıkıcı depremlerden etkilenen İzmir ve çevresi, bölgenin aktif tektonik yapısı nedeniyle orta ve uzun vadede olabilecek yıkıcı depremler tarafından tehdit edilecektir. Bu nedenle şehirdeki yapı stoğunun iyileştirilmesi, güncel yerbilimleri ve deprem mühendisliği çalışmalarının sonuçları dikkate alınarak yıkıcı depremlere dayanıklı (Mw≥6) yapı tasarımına önem verilmesi gerekmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Batı Anadolu
• Deprem
• Gutenberg–Richter ilişkisi
• Homojen deprem kataloğu
• İzmir
• Sismik tehlike

Destekleyen Kurum

TÜBİTAK

Proje Numarası

121Y252,221M169

Etik Beyan

Yazarlar tüm etik standartlara uyduklarını beyan ederler.

Teşekkür

Bu çalışma, 121Y252 numaralı ve "30 Ekim 2020 Ege Denizi Depreminden En Çok Etkilenen İzmir Bornova Havzası'nın Yerbilimsel Özelliklerinin Belirlenmesi" Projesi (TÜBİTAK 1001 Programı, ÇAYDAG) ve 221M169 numaralı "İzmir Bornova Baseninde Simülasyon-Tabanlı Deprem Senaryolarının Yapısal Hasargörebilirlik Dağılımı ve Dirençli Kentsel Planlama Üzerindeki Etkileri" (TÜBİTAK 1001 Programı, MAG) projeleriyle desteklenmiştir. Grafikler ve haritalar the Generic Mapping Tools (GMT, Wessel ve Smith 1998) ile çizilmiştir.

Kaynakça

1. Akkar, S., Eroğlu Azak, T., Çan, T., Çeken, U., Demircioğlu, M. B., Duman, T., Ergintav, S., Kadirioğlu, F. T., Kalafat, D., Kale, Ö., Kartal, R. F., Kılıç, T., Özalp, S., Şeşetyan, K., Tekin, S., Yakut, A., Yılmaz, M. T. ve Zülfikar Ö., 2014. Türkiye Sismik Tehlike Haritasının Güncellenmesi (UDAP – Ç – 13-06) Proje Raporu, AFAD Ulusal Deprem Araştırma Programı, Ankara.
2. Aki, K., 1965. Maximum Likelihood Estimate of Bin the Formula Log N = A-Bm and Its Confidence Limits. Bulletin of the Earthquake Research Institute, 43, 237-239. Akinci, A., Cheloni, D. and Dindar, A. A., 2021. The 30 October 2020, M7.0 Samos Island (Eastern Aegean Sea) Earthquake: effects of source rupture, path and local-site conditions on the observed and simulated ground motions. Bulletin of Earthquake Engineering, 19, 4745-4771.
3. Amorese, D., Grasso, J. R. and Rydelek, P. A., 2010. On varying b -values with depth: results from computer-intensive tests for Southern California. Geophys. J. Int., 180, 347–360.
4. Askan, A., Gülerce, Z., Roumelioti, Z., Sotiriadis, D., Melis, N.S., Altindal, A., Akbaş, B., Sopaci, E., Karimzadeh, S., Kalogeras, I. and Theodoulidis, N., 2022. The Samos Island (Aegean Sea) M7.0 earthquake: analysis and engineering implications of strong motion data. Bulletin of Earthquake Engineering, 20 (14), 7737-7762.
5. Atef, A.H., Liu, K.H. and Gao, S.S., 2009. Apparent weekly and daily earthquake periodicities in the Western United States. Bulletin of the Seismological Society of America 99 (4), 2273-2279.
6. Caputo R. and Pavlides S., 2013. The Greek Database of Seismogenic Sources (GreDaSS), version 2.0.0: A compilation of potential seismogenic sources (Mw > 5.5) in the Aegean Region. https://gredass.unife.it/
7. Castellaro, S., Mulargia, F. and Kagan, Y. Y., 2006. Regression problems for magnitudes, Geophys J Int., 165, 913-930.
8. Cetin, K.O., Papadimitriou, A.G., Altun, S., Pelekis, P., Unutmaz, B., Rovithis, E., Akgun, M., Klimis, N., Askan, A., Ziotopoulou, K. and Sezer, A., 2022. The role of site effects on elevated seismic demands and corollary structural damage during the October 30, 2020, M7. 0 Samos Island (Aegean Sea) Earthquake. Bulletin of Earthquake Engineering, 20 (14), pp.7763-7792.

9. Çağlar N., Kırtel, O., Vural, İ., Sümer, Y., Satıbıyık, A. ve 2020. 30 Ekim 2020 Mw 6.6 Ege Denizi Seferihisar (İzmir) Depremi İnceleme ve Değerlendirme Raporu, Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, Deprem Çalışmaları Uygulama ve Araştırma Merkezi–DAMER, 11 Kasım 2020.
10. Das, R., Wason, H. R. and Sharma, M. L., 2014. Unbiased Estimation of Moment Magnitude from Body- and Surface-Wave Magnitudes, Bull. Seismol. Soc. Am., 104 (4), 1802–1811.
11. Emre, Ö., Duman, T.Y., Özalp, S., Şaroğlu, F., Olgun, Ş., Elmacı, H., and Çan, T., 2018. Active fault database of Turkey. Bulletin of Earthquake Engineering, 16(8), 3229-3275.
12. Eyubagil, E. E., Solak, H. I., Kavak, U. S., Tiryakioğlu, I., Sözbilir, H., AKTUĞ, B., and Özkaymak, Ç., 2021. Present day strike-slip deformation within the southern part of the İzmir-Balıkesir Transfer Zone based on GNSS data and implications for seismic hazard assessment in western Anatolia. Turkish Journal of Earth Sciences, 30(2), 143-160.
13. Grünthal, G., Wahlström, R. and Stromeyer, D., 2009. The unified catalogue of earthquakes in central, northern, and northwestern Europe (CENEC) updated and expanded to the last millennium. Journal of Seismology, 13, 4, 517-541.
14. Gutenberg, B. and Richter, C., 1954. Seismicity of the Earth and Associated Phenomena, Princeton Univ. Press, Princeton, NJ, 310 pp.
15. Gülkan, H.P., Akansel, V.H. and Kalkan, E., 2023. Response spectrum shapes implied by earthquakes in Turkey: comparisons with design spectra. Journal of Seismology, 27(4), pp.681-692.
16. Inan S., Ergintav, S., Saatçilar, R., Tüzel, B. and İravul, Y., 2007. Turkey makes major investment in earthquake research. EOS, Transactions American Geophysical Union, 88(34), 333-334.
17. ISC, 2020. International Seismological Centre (ISC): On-line Bulletin.
18. Kagan, Y.Y., 2010. Earthquake size distribution: power-law with exponent?. Tectonophysics, 490, 103–114.
19. Karakostas, V., Tan, O., Kostoglou, A., Papadimitriou E. and Bonatis, P., 2021. Seismotectonic implications of the 2020 Samos, Greece, M w 7.0 mainshock based on high-resolution aftershock relocation and source slip model. Acta Geophysica, 69(3), 979-996.
20. Karagöz, Ö., 2022. Estimation of 1D deep Vs models in Çanakkale and surrounding area (Biga Peninsula, NW Turkey) verified with numerical ground motion simulation of moderate-sized earthquakes. Pure and Applied Geophysics, 179, 709–745.
21. Karagoz, O., Chimoto, K., Yamanaka, H., Ozel, O. and Citak, S., 2018. Broadband ground-motion simulation of the 24 May 24 Gokceada (North Aegean Sea) earthquake (Mw 6.9) in NW Turkey considering local soil effects. Bull Earthquake Eng., 16, 23–43.
22. Karagöz, Ö. and Tan, O., 2025. The 2017 Lesvos (Midilli) earthquake (Mw 6.3): Earthquake hazard implications from source modeling, numerical waveform simulation with regional 1D velocity structure and static stress field. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 140, p.104007.
23. Leptokaropoulos, K. M., Karakostas, V. G., Papadimitriou, E. E., Adamaki, A. K., Tan, O. and Inan, S., 2013. A Homogeneous Earthquake Catalog for Western Turkey and Magnitude of Completeness Determination, Bull. Seismol. Soc. Am., 103, 2739–2751.
24. Li, H., Wu, X., Nie, Q., Yu, J., Zhang, L., Wang, Q. and Gao, Q., 2025. Lifetime prediction of damaged or cracked concrete structures: A review. Structures, 71, 108095.
25. Reasenberg, P. 1985. Second order moment of central California seismicity, 1969–1982, J Geophys. Res. Solid Earth, 90 (B7), 5479–5495.
26. Rovida, A., Locati, M., Camassi, R., Lolli, B. and Gasperini, P., 2020. The Italian earthquake catalogue CPTI15. Bulletin of Earthquake Engineering, 18(7), 2953-2984.
27. Sesetyan, K., Demircioglu, M. B., Duman, T. Y., Çan, T., Tekin, S., Azak, T. E., and Fercan, Ö. Z., 2018. A probabilistic seismic hazard assessment for the Turkish territory—part I: the area source model. Bulletin of Earthquake Engineering, 16(8), 3367-3397.
28. Storchak, D.A., Harris, J., Brown, L., Lieser, K., Shumba, B., Verney, R., Di Giacomo, D. and Korger, E. I. M., 2017. Rebuild of the Bulletin of the International Seismological Centre (ISC), part 1: 1964–1979, Geosci. Lett., 4 (32).
29. Tan, O., Tapirdamaz, M.C. and Yörük, A., 2008. The earthquake catalogues for Turkey. Turkish Journal of Earth Sciences, 17(2), 405-418.
30. Tan, O., 2013. The dense micro-earthquake activity at the boundary between the Anatolian and South Aegean microplates. Journal of Geodynamics, 65, 199-217.
31. Tan, O., 2021. A homogeneous earthquake catalogue for Turkey. Natural Hazards and Earth System Sciences, 21(7), 2059-2073.
32. Tan, O., 2024. Long-term Aftershock Properties of the Catastrophic 6 February 2023 Kahramanmaraş (Türkiye) Earthquake Sequence. Acta Geophysica, 73(2), 1023-1040.
33. Tan, O., Karagöz, Ö., Ergintav, S. and Duran, K., 2023. The neglected Istanbul earthquakes in the North Anatolian Shear Zone: tectonic implications and broad-band ground motion simulations for a future moderate event. Geophysical Journal International, 233(1), 700-723.
34. Tiryakioğlu, İ., Umutlu, A. İ., ve Poyraz, F., 2019. Jeodezik yöntemlerle deprem tekrarlama periyotlarının belirlenmesi: Alaşehir Bölgesi örneği. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 19(3), 762-768.
35. TBDY (2018). Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, T.C Başbakanlık Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Resmi Gazete, 18 March 2018, 30364.
36. Tepe, Ç., Sözbilir, H., Eski, S., Sümer, Ö. and Özkaymak, Ç., 2021. Updated historical earthquake catalog of İzmir region (western Anatolia) and its importance for the determination of seismogenic source. Turkish Journal of Earth Sciences, 30(8), 779-805.
37. Utsu, T., 1965. A method for determining the value of bin a formula log n = a - bM showing the magnitude-frequency relation for earthquakes (with English summary), Geophys. Bull. Hokkaido Univ. 13, 99-103.
38. Wessel, P. and Smith, W. H. F., 1998. New, improved version of the Generic Mapping Tools released, EOS 79, 579.
39. Wiemer, S., 2001. A software package to analyze seismicity: ZMAP, Seism. Res. Lett., 72(3), 373-382.
40. Wyss, M., Hasegawa, A., Wiemer, S. and Umino, N., 1999. Quantitative mapping of precursory seismic quiescence before the 1989, M 7.1 off-Sanriku earthquake, Japan. Annal. Geofis., 42, 851–869.