Yazı Tarihi: Ocak 2023
Değerlendirme Yazısı
Kaynak gösterilerek kısmi alıntı yapılabilir.
DENİZ MÜHENDİSLİK ÇALIŞMALARI
Kıta kenarları, düz kıta sahanlıkları, tipik olarak 120 m su derinliğinde yer alan şelf kırığının ötesindeki nispeten dik kıtasal yamaçlar, yumuşak eğimlere sahip kıtasal yükselim ve görece yatay bir abisal düzlük bölgeleri ile karakterize edilir. Kıta yamaçları, denizaltı kanyonlarına ve kanal sistemlerine ev sahipliği yapar ve sığ kıtasal şelften derin basenlere, türbidite akıntıları, moloz akmaları ve denizaltı heyelanları şeklinde oluşan, büyük ölçekli tortul taşınma alanları olarak kabul edilir. Kanyon sistemleri, türbidite akıntıları yoluyla yamaç aşağı sediment taşınması için uygun yolları oluşturur. Kıtasal yamaçlar boyunca gravitasyonel yük, taban akıntıları, deprem aktivitesi ve deniz tabanı sıvı akışının varlığından kaynaklanan eğim aşağı tortul taşınımı süreçleri oldukça yaygındır.
Kıtasal kenarlarda inşa edilen mühendislik altyapıları, derin su açık deniz kaynaklarının işletilmesi için son yirmi yılda nispeten daha derin sulara taşınmıştır. Bu nedenle, denizaltı petrol ve gaz boru hatları, haberleşme kabloları, sondaj ve üretim platformları gibi bu mühendislik yapılarının güvenli bir şekilde kurulması ve işletilmesi için jeolojik tehlikelerin değerlendirilmesi gereklidir. Bu jeolojik tehlikeler tipik olarak şunları içerir:
- Düzensiz deniz tabanı morfolojisi
- Yamaçların aşırı dikleşmesi
- Denizaltı uçurumları
- Taban akıntılarının neden olduğu hareketli sedimentler
- En üstteki tortuların düşük taşıma kapasitesi
- Her türlü faylanma
- Heyelanlar
- Sığ gaz, gaz hidratlar ve çamur volkanları dahil olmak üzere denizaltı sıvı akışı
Ayrıca, genellikle deprem yükü tarafından tetiklenen büyük denizaltı kayma ve heyelanları, kıyı yapıları için potansiyel bir jeolojik tehlike oluşturan tsunamilere de neden olabilir. Bu amaçlarla yapılan mühendislik jeofiziği çalışmaları aşağıdaki amaçlarla yapılmaktadır:
- Son tortul süreçleri tanımlamak
- Kütle hareket türlerini ve bunların mühendislik yapısı üzerindeki olası etkilerini belirlemek
- Kütle hareketleri, faylar, hareketli sedimentler vb. ile ilişkili mevcut ve potansiyel jeolojik tehlikeleri tanımlamak
- En uygun karot yerlerini belirlemek
1. Deniz Tabanı Morfolojisi
Modern bir okyanus kenarının morfolojisi genel olarak (i) dar bir şelf platformuna, (ii) dik bir kıtasal yamaca, (iii) hafif eğimli bir kıtasal yükselime ve (iv) yatay bir abisal düzlüğe sahiptir. Mühendislik jeofiziği çalışmaları, deniz tabanı derinliğini ölçerek deniz tabanının morfolojik unsurlarını ortayı koymayı da içerir. Bu unsurlar arasında kıtasal yamaçlardaki kanyon sistemleri, geniş sırtlar, şelfler boyunca uzanan kanallar, volkanik yükselimler gibi jeolojik yapılar ve batık gemiler gibi insan yapısı oluşumlar yer alır.
Özellikle derin deniz boru hatları gibi mühendislik yapılarının konumlanmasında, kıtasal yamaçlar boyunca uzanan kanyon sistemlerinin detaylı şekilde haritalanması önem taşımaktadır. Ana kanyon eksenleri (thalweg), kanyon duvarları, sedimanter sırtlar, kanyon duvarları boyunca oluşan kanaletler (gully), kıtasal yamaç eğimi gibi unsurlar, çok ışınlı batimetrik sistemler kullanılarak haritalanır. Şekil 1, Batı Karadeniz Akçakoca açıklarının kanyon sistemlerinin çok ışınlı batimetrik haritasındaki görünümünü örnek olarak vermektedir.
Şekil 1. Batı Karadeniz Akçakoca açıklarının kanyon sistemleri ve deniz tabanı eğimi (Özel et al., 2022).
2. Yamacın Aşırı Dikleşmesi
Özellikle derin deniz marjinlerinde, şelf kırığının ötesinde uzanan kıtasal yamaçlarda aşırı eğimler meydana gelebilmektedir. Örneğin batı Karadeniz’de yamaç eğimleri 20°’nin üzerine çıkmaktadır (Şekil 1). Dik yamaçlar özellikle denizaltı boru hatları için ciddi yer tehlikeleri arasında kabul edilir. Bu gibi alanlar, özellikle gravitasyonel yamaç kaymalarının sıklıkla gözlendiği alanlardır (Şekil 2) ve deniz mühendislik yapılarının konumlandırılması sırasında dikkatle analiz edilmelidir.
Şekil 2. Chirp ve çok kanallı sismik veriler üzerinde, batı Karadeniz’de kanyon duvarlarında gözlenen gravitasyonel kaymalara örnekler (Nasıf and Dondurur, 2021).
3. Uçurumlar (scarps)
Deniz tabanı sedimentlerinde derinliğin ani şekilde değiştiği uçurum benzeri yapılar meydana gelebilir. Bunların nedeni (i) türbidite akıntıları gibi güçlü deniz tabanı akıntılarının oluşturduğu aşınmalar veya (ii) deniz tabanı kaymalarının oluşturduğu heyelan uçurumlarıdır. Şekil 3, şelf kırığının hemen ötesinde oluşan bu tür uçurum yapılarına örnekler vermektedir. Uçurum yapıları deniz tabanı eğiminin aşırı arttığı ve derinliğin çok hızlı değiştiği alanlardır. Bu alanların sismik ve batimetrik verilerle tanımlanarak haritalanması, deniz mühendislik yapılarının konumlandırılması öncesi önem taşımaktadır.
Şekil 3. deniz tabanı kaymalarının oluşturduğu heyelan uçurumlarına Chirp verisinden örnekler (Nasıf and Dondurur, 2021).
4. Taban Akıntılarının Neden Olduğu Hareketli Sedimentler
Türbidite akıntısı, askı sedimentlerini içerisinde barındıran ve yüksek yoğunlukla karakterize edilen deniz tabanı akıntılarıdır ve genellikle kanyon eksenlerini takip ederek yamaçlardan aşağıya doğru akarlar. Deniz tabanı kaymaları da türbidite akıntısı meydana getirebilir. Bunun nedeni, kayan kütlenin su kolonunda oluşturduğu basınçtır. Özellikle karasal sediment girdisinin yüksek olduğu nehir girişleri, bu akıntıların oluşumu için ideal bölgelerdir. Örneğin British Columbia açıklarında 600 m su derinliklerinde, 1 yılda 3 türbidite akıntısı tespit edilmiştir (Prior et al., 1987). Türbidite akıntısının hızı saatte 90 km’yi geçebilir. 1929 Great Banks depremi sonucu oluşan türbidite akıntısı hızı ölçülebilen ilk akıntı olup, hızı 30 m/s’ye ulaşmış ve deniz tabanında çok sayıdaki kabloyu koparmıştır. Oluşan türbidite akıntısının kalınlığı yüzlerce metre ile ifade edilmektedir. Kaliforniya açıklarındaki Monterey kanyonunda türbidite akıntılarının hızlarının 1.9 m/s’ye ulaştığı, akıntının ön kısmındaki hızının ise 1.7-2.8 m/s arasında değiştiği gözlenmiştir (Vangriesheim et al., 2009).
Yamaç aşağı türbidite akıntıları denizaltı iletişim kablolarını ve denizaltı petrol/doğal gaz boru hatlarını olumsuz etkileyebilirler. Kıtasal yamaçlardaki aktif kanyonlar, kanyon duvarlarındaki belirgin erozyonel aşınmalar ve kıtasal yükselimdeki kalın türbidit birikimleri, türbidite akıntısı aktivitesine işaret etmektedir. Şekil 4, Sakarya Kanyonu’nun uzak kısmından alınmış bir sismik kesitteki türbidit birikimlerine ve Chirp verisindeki türbidite kanallarına örnek olarak verilmiştir. Bu tür akıntılar, özellikle derin denizlerde kıtasal yükselim bölgesinde, kıtasal yamaç ile yükselimin birleştiği ve deniz tabanı eğiminin azaldığı alanlarda, bazen de kanyon duvarlarında sediment dalgaları da oluştururlar. Bu tür oluşumlar genellikle eğim yukarı tırmanan ardışık tepe ve tümseklerden meydana gelir ve oldukça hareketli bir deniz tabanı varlığını işaret ederler. Şekil 5, batı Karadeniz’in derin sularındaki türbidite akıntısı kaynaklı bir sediment dalgası oluşumunu içeren bir sismik kesiti göstermektedir.
Konumlandırılması olası herhangi bir denizaltı boru hattı veya iletişim kablosunun hasar almaması açısından, kıtasal yamaç üzerindeki türbidite akıntısı aktivitesinin bilinmesi, bu tür mühendislik yapılarının sürdürülebilir şekilde işletilmesi açısından önem taşımaktadır.
Şekil 4. Bir sismik kesitteki türbidit birikimlerine ve Chirp verisindeki türbidite kanallarına (scour marks) örnekler (Nasıf and Dondurur, 2021).
Şekil 5. Batı Karadeniz’in derin sularında sediment dalgası oluşumunu gösteren bir sismik kesit (Dondurur et al., 2013).
5. Faylar
Deniz tabanını da etkileyen her türlü faylanma, deniz mühendislik yapıları için önemli bir yer tehlikesidir. Son 10.000 yılda (Holosen dönemi) en az bir kez hareket etmiş ve deprem üretmiş olan faylar “aktif fay” olarak tanımlanır. Dolayısıyla, deniz mühendislik çalışmalarında, özellikle Holosen sedimentlerini de kesen aktif fayların haritalanması önem taşımaktadır. Bu tür sığ sedimentleri ve hatta deniz tabanını da etkileyen fayların haritalanması, Chirp mühendislik sismiği veya sparker yüksek ayrımlı deniz sismiği verileri ile yapılmaktadır. Şekil 6, İzmir Körfezi’ndeki aktif fayları gösteren bir Chirp mühendislik sismiği kesitine örnek olarak verilmiştir. Şekil 7 ise İzmir-Gülbahçe Körfezi’ndeki aktif fayları gösteren 2000 Joule tek kanallı sparker sismik kesitini göstermektedir.
Aktif faylar, deniz tabanında oluşturmaları olası deformasyon nedeniyle mühendislik yapılarına hasar verme potansiyeline sahiptir. Bu nedenle, deniz tabanı mühendislik yapıları mümkün olduğunca aktif faylardan uzağa konumlandırılırlar.
Şekil 6. İzmir Körfezi’ndeki aktif fayları gösteren örnek bir Chirp mühendislik sismiği kesiti (Dondurur et al., 2011).
Şekil 7. İzmir-Gülbahçe Körfezi’nden aktif fayları gösteren 2000 J tek kanallı sparker sismik kesiti.
6. Denizaltı Heyelanları
Tıpkı karada olduğu gibi, denizaltında da büyük çapta heyelan oluşumları gözlenmektedir. 1929 yılında Kanada/Newfoundland’daki Great Banks depremi bir denizaltı heyelanı meydana getirmiştir. Kayma sırasında denizaltı iletişim kabloları kopmuş, oluşan tsunami sonucu 27 kişi hayatını kaybetmiştir. Bu olay, denizaltının dinamik bir ortam olduğunu ve yıkıcı sonuçlara ulaşan yer tehlikeleri meydana gelebileceğini işaret eden ilk modern gözlem olmuştur.
Denizaltı kütle kaymaları ani şekilde büyük miktarlardaki sediment kütlesinin eğim aşağı hareket etmesi şeklinde oluşur. Kıtasal yamaçlar boyunca yamaç aşağı kaymalar ve heyelanlar, dik yamaçlar boyunca gravitasyonel yük, taban akıntıları, yerel deprem aktivitesi ya da sığ sedimentlerdeki gaz birikimleri, deniz tabanına gaz çıkışları, gaz hidratlar ve gaz bacaları gibi deniz altı sıvı akışının etkileri altında meydana gelir. Bu sedimanter süreçler kıtasal yamaçların morfolojisini oluşturur ve deniz altı boru hatları gibi açık deniz mühendislik yapıları için en önemli potansiyel yer tehlikeleri olarak kabul edilirler. Deniz tabanı kaymalarının petrol/sondaj platformlarına, denizaltı doğalgaz boru hatlarına ve iletişim kablolarına verdiği doğrudan hasarın yanı sıra, kaymalar denizel çevreye ve kıyısal tesis ve binalara da zarar verebilir. Bunun nedeni, depremler gibi deniz tabanı heyelanlarının da tsunami oluşturabilmesidir.
Birçok farklı sınıflaması olmasına karşın, denizaltı kütle kaymalarını genel şekliyle aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür:
- Küçük ölçekli gravitasyonel kaymalar (Şekil 2)
- Büyük ölçekli heyelan türü kaymalar (Şekil 8)
- Gömülü moloz akmaları (Şekil 9)
Deniz mühendislik yapılarının kurulumu öncesi yapılan yer tehlikelerinin değerlendirilmesi amaçlı jeofizik çalışmalarda, göz önünde bulundurulması gereken en önemli denizaltı yer tehlikesi deniz tabanı heyelanlarıdır. Daha önce oluşmuş heyelan yapılarının haritalanması kadar, oluşması olası heyelan alanları da tanımlanmalıdır. Çalışmalarda farklı türden jeofizik ve jeolojik yöntemler kullanılır. Bunların başında çok ışınlı batimetrik haritalamaları, çok kanallı sismik ve mühendislik sismiği çalışmaları ile jeolojik örneklemeler gelmektedir.
Şekil 8. Batı Karadeniz derin sularında gözlenen iki ayrı kayma yapısının (ASL1 ve ASL2) sismik verideki görünümü (Dondurur et al., 2013).
Şekil 9. Karadeniz’den gömülü moloz akmalarını gösteren sismik kesit (Dondurur and Nasıf, 2021).
7. Denizaltı Gaz/Gaz Hidrat Birikimleri ve Çamur Volkanları
Serbest gaz veya gaz hidratlar biçimindeki denizaltı sıvı akışı, deniz tabanının hemen altındaki sedimentlerde aşırı boşluk basıncına neden olabilir ve bu da dik kıtasal yamaçlar boyunca kaymalara neden olabilir. Kıtasal marjinlerde, aşağıdaki gibi sınıflandırılabilecek sıvı akış yapıları gözlenir:
- Sığ gaz birikimleri
- Sığ sedimentlerdeki gaz bacaları
- Gaz hidratlar
- Çamur volkanları
Sığ metan birikimlerinin ve bu birikimlerin deniz tabanı ve taban altı tortulları üzerindeki jeolojik, morfolojik ve jeoteknik etkilerinin bilinmesi, olası yer tehlikelerinin (geohazards) ortaya konulması, yüksek ayrımlı yer çalışmaları (high resolution site surveys) ile mümkündür. Sığ gaz birikimleri, sismik sinyali aşırı derecede soğurduğu için, özellikle yüksek ayrımlı sismik kesitlerdeki yansımasız saydam bölgeler ve/veya çok yüksek genlikli ve ters polariteli yansımalar, sığ gaz birikimlerini işaret etmektedir. Şekil 10, sismik kesitlerdeki sığ gaz birikimlerine ve bunların karmaşık nitelik analizine örnek olarak verilmiştir.
Şekil 10. (a) Sismik kesitlerdeki sığ gaz birikimleri (AT), (b) anlık genlik (zarf) , (c) anlık frekans ve (d) görünür polarite kesiti (Özel et al., 2022).
Gaz hidratların sediment içerisindeki doğal durağanlık koşulları değiştiğinde çözünürler ve açığa çıkan metan gazı, içerisinde bulunduğu ortamın boşluk basıncını artırarak duraysız bir zon meydana getirir. Bu zon boyunca deniz tabanında kaymalar meydana gelebilir. Bunların içerisinde, dünyanın en büyük denizaltı heyelanlarından biri olan Norveç açıklarındaki Storrega kayması sayılabilir. Gaz hidrat birikimlerinin kendisi bir yer tehlikesi oluşturmamakla birlikte, çözünmeleri sonucu ortaya çıkabilecek bu tür taban kaymaları, denizel mühendislik yapılarının sürdürülebilirliği üzerinde potansiyel bir olumsuz etkiye sahiptir. Özellikle sondaj platformlarının konumlandırılması ve sondaj işlemi sırasında, gaz hidrat çözünmesi sonucu oluşabilecek tehlikeler dikkatle değerlendirilmelidir. Petrol arama ve üretimi sırasındaki işlemler, taban altı koşullarında vibrasyon, basınç değişimi veya sıcaklık artışı gibi değişiklikler oluştururlar. Bu işlemler sırasında, kuyu gaz hidrat birikimine girdiğinde, kuyu duraysızlığı, açıklanamayan gaz çıkışları veya gaz patlamaları meydana gelebilir.
Ayrıca gaz hidrat birikimlerinin altına inmek üzere yapılan sondaj çalışmalarında ciddi sorunlar yaşanabilmektedir. Sondajın kendisi üst sediment tabakalarından bozulmalara neden olur. Sondaj sırasında gaz hidrat çözünmesi ile açığa çıkan serbest gaz, sondajda aşırı basınç oluşturarak patlamalara neden olabilmektedir. Bu yüzden, her iki çalışma alanında yapılacak olası sondaj işlemleri ve platformların konumlandırılması sırasında, gaz hidrat çözünmesi nedeniyle ortaya çıkabilecek potansiyel yer tehlikelerinin göz önünde bulundurulması gereklidir. Ayrıca, deniz tabanındaki ortamdan daha sıcak bir boru hattı çevresinin sıcaklık koşullarını değiştirerek gaz hidrat çözünmesine neden olabilir. Böyle bir durumda oluşacak kayma sonucu, boru hattının altında meydana gelebilecek geniş çaplı bir açılma, boru hattının kopmasına neden olabilecektir.
Sığ sedimentlerde gaz hidratların bulunması, çimentolama etkisinden dolayı, sedimentlerin kayma direnimini değiştirebilir. Gaz hidratlar, özellikle olası bir gaz hidrat ayrışması durumunda deniz tabanının duraylılık koşullarını olumsuz etkileyebilmektedir. Ayrışma durumunda açığa çıkan gaz miktarı, sulu çözeltide çözünmüş gazın çözünürlüğünün çok ötesinde olduğundan, üst tortul katmanlarda aşırı boşluk basıncına neden olabilir. Bu yüksek basınç koşulları daha sonra büyük bir yamaç kaymasıyla sonuçlanabilir. Şekil 11, Karadeniz’in derin sularında gözlenen bir heyelan bölgesindeki kaymaların, alandaki gaz hidrat birikimlerinin taban yansıması olan BSR’lar ile ilişkisini açıkça göstermektedir. Özellikle kayma düzleminin gaz hidratın tabanı ile çakışması durumunda kaymalar söz konusu olabilmektedir. Bu durum, gaz hidrat zonunun tabanını potansiyel bir yer tehlikesi haline getirmektedir. Bu nedenle, özellikle gaz hidratların durağan olduğu derin deniz mühendislik yapılarının konumlandırılması öncesi, gaz hidrat zonlarını işaret eden BSR yansımaları sismik kesitlerde haritalanmalıdır.
Şekil 11. Karadeniz’deki kaymaların, alandaki gaz hidrat birikimlerinin taban yansıması olan BSR’lar ile ilişkisi (Dondurur et al., 2013).
Çamur volkanları ise, çamur ve bazen de gaz püskürten yapılardır ve daha derin stratigrafik kayıtlardan jeolojik bilgi sağlayabilirler. Çamur volkanlarının oluşumuyla ilgili modern teorilere göre, yüksek sedimantasyon hızları ve hızlı sedimantasyon oranları, bunların oluşumlarında önemli rol oynamaktadır. Çamur volkanlarının oluşumuyla ilgili koşullar arasında kalın tortul örtü (8 ila 22 km), plastik şeyl tabakalarının varlığı, yoğunluk terslenmesi, yüksek sedimantasyon oranları, tektonik sıkıştırma ve ayrıca kil minerallerinin dehidrasyonu yer alır. Çamur volkanlarından püsküren malzeme genellikle volkan konisinin hemen altındaki besleyici kanal boyunca deniz tabanına yükselen plastik killi malzemedir. Yükselme sırasında bu malzeme, besleyici kanalın etrafındaki tortu parçacıklarını alarak deniz tabanına ulaşmasını sağlar. Genellikle killi veya siltli kil karışımı olan bu malzemeye "çamur breşi" adı verilir.
Çamur volkanlarına özellikle sıkışma tektoniğinin hakim olduğu doğu Akdeniz gibi veya kalın sediment örtüsüne sahip Karadeniz gibi basenlerde sıkça rastlanır. Çamur volkanları sismik kesitlerde tamamen saydam bir besleme kanalı ve deniz tabanında oluşturdukları genellikle pozitif batimetrik rölyef ile karakterize edilirler (Şekil 12). Denizel boru hatları veya iletişim kablolarının konumlandırılması sırasında bu tür yapıların haritalanması gerekir. Özellikle denizaltı boru hatları çamur volkanlarından ve çamur breşi akış yollarından mümkün olduğu kadar uzağa konumlandırılmalıdır.
Şekil 12. Karadeniz’de üç çamur volkanını (MV02, MV03 ve MV04) gösteren sismik ve Chirp mühendislik sismiği kesiti (Özel et al., 2022).
Kaynaklar
Dondurur, D., Küçük, H.M. and Çifçi, G., 2013. Quaternary Mass Wasting on the Western Black Sea Margin, offshore of Amasra, Global and Planetary Change, 103, 248-260.
Dondurur, D. and Nasıf, A., 2021. Stacked debris flows offshore Sakarya Canyon, western Black Sea: Morphology, seismic characterization and formation processes, Turkish Journal of Earth Sciences, 30, 247-267.
Dondurur, D., Çifçi, G., Drahor, M.G. and Coşkun, S., 2011. Acoustic evidence of shallow gas accumulations and active pockmarks in the Izmir Gulf, Aegean Sea, Marine and Petroleum Geology, 28, 1505-1516.
Nasıf, A. and Dondurur, D., 2021. Morphology and potential geohazards using seismo–acoustic data in Sakarya Canyon, Western Black Sea Margin, Geo-Marine Letters, 41:16.
Özel, Ö., Dondurur, D. and Klaucke, I., 2022. Seismic and geoacoustic evidence for subsurface fluid-flow and seepage offshore Akçakoca, South-Western Black Sea, Turkey, Geo-Marine Letters, 42: 17.
Prior, D.B., Bornhold, B.D., Wiseman Jr., W.J. and Lowe, D.R., 1987. Turbidity Current Activity in a British Columbia Fjord, Science, 237, 1330–1333.
Vangriesheim, A., Khripounoff, A. and Crassous, P., 2009. Turbidity Events Observed In Situ Along the Congo Submarine Channel, Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 56, 2208-2222.