Deprem Dalgaları: P, S ve Yüzey Dalgaları

Deprem dalgalarının tanımı ve enerji taşıması

Deprem dalgaları, deprem kaynağında oluşan titreşimlerin Dünya’nın içinden veya yüzeyine yakın bölgelerden çevreye yayılmasıyla meydana gelen mekanik dalgalardır. Mekanik dalgalar, yayılabilmek için madde içeren bir ortama ihtiyaç duyar. Deprem dalgası ilerlerken kayaçların ve zeminin her noktası dalganın geçtiği yörede titreşir; ancak ortamın maddesi dalgayla birlikte kaynaktan çok uzaklara taşınmaz. Taşınan temel büyüklük enerjidir.

Enerji aktarımı, bir parçacığın komşu parçacıkları etkilemesiyle gerçekleşir. Bir bölgedeki kayaç tanecikleri sıkıştığında veya yer değiştirdiğinde yakınındaki taneciklerde de titreşim başlar. Böylece bozuntu, ortam boyunca ilerler. Dalganın genliği, yani titreşim büyüklüğü, taşınan enerjiyle ilişkilidir. Genlik büyüdükçe zeminin yer değiştirmesi ve buna bağlı hasar da artabilir. Dalga kaynaktan uzaklaştıkça daha geniş bir alana yayıldığından genliği azalır; bu nedenle aynı dalganın etkisi kaynaktan uzaklaştıkça genellikle zayıflar.

Örneğin büyük genlikli deprem dalgaları bir kentte binaların, yolların ve diğer yapıların güçlü biçimde sarsılmasına neden olabilir. Sarsıntı sona erdiğinde zeminin hareketi durmuş olsa bile dalgaların taşıdığı enerjinin yapı üzerinde iş yaptığı görülür. Deprem dalgalarının farklı türlerde olması, enerjinin ortamı farklı doğrultularda titreştirmesinden kaynaklanır: Bazı dalgalarda parçacıklar ilerleme doğrultusunda, bazılarında ise bu doğrultuya dik hareket eder.

P dalgaları

P dalgaları, deprem dalgalarının boyuna veya basınç dalgalarıdır. Bu dalgalarda ortamı oluşturan parçacıkların titreşim yönü, dalganın ilerleme yönüyle aynıdır. Dalga ilerlerken kayaçta art arda sıkışma ve seyrekleşme bölgeleri oluşur. Bu nedenle P dalgası, yayıldığı maddede basınç değişimleri meydana getirerek ilerler.

P dalgalarının önemli özelliği katı, sıvı ve gaz ortamlarda yayılabilmeleridir. Çünkü boyuna dalganın ilerlemesi için ortamın sıkışıp gevşeyebilmesi yeterlidir. Katılarda parçacıklar birbirine bağlı olduğundan, sıvı ve gazlarda ise parçacıklar basınç değişimini aktarabildiğinden P dalgası bu üç ortamda da ilerleyebilir. Bununla birlikte hız, ortamın özelliklerine bağlıdır. Daha rijit, yani şekil değiştirmeye daha fazla karşı koyan ortamlarda dalga enerjisi parçacıklar arasında daha hızlı aktarılır. Bu yüzden P dalgaları rijit kayaçlarda daha hızlı, gevşek tortul malzemelerde daha yavaş ilerler.

P dalgaları genellikle deprem kaynağından uzak bir noktaya ulaşan ilk sismik dalgalardır. Kapsamlı kayaçlarda hızları yaklaşık 4-7 km/s aralığında verilir. Örneğin granit içinde ilerleyen bir P dalgası, aynı ortamda ilerleyen S dalgasından daha hızlıdır. Bir P dalgası sıvı bir bölgeden geçebilir; bu özellik onu S dalgasından ayırır. Bu nedenle Dünya’nın iç kısımlarındaki sıvı bölgelerin incelenmesinde P dalgalarının izlediği yol önemli bilgiler sağlar.

S dalgaları

S dalgaları, enine veya kesme dalgalarıdır. Bu dalgalarda ortam parçacıkları, dalganın ilerleme doğrultusuna dik yönde titreşir. Örneğin dalga sağa doğru ilerlerken kayaç parçacıkları yukarı-aşağı ya da bir yana doğru hareket edebilir. Bu hareket, ortamın kesilmeye karşı direnebilmesine dayanır.

S dalgaları yalnızca katı ortamlarda yayılır. Katı maddelerde parçacıklar arasındaki bağlar, bir parçacığın yanındaki parçacığı enine doğrultuda çekmesine veya itmesine izin verir. Sıvı ve gazlarda ise kalıcı bir kesme gerilimini taşıyacak rijit yapı bulunmadığından bu tür dalgalar ilerleyemez. Bu, S dalgalarının en ayırt edici özelliğidir. Bir S dalgası sıvı bir bölgeye ulaştığında o bölgeden geçemez; bu nedenle sismik dalgaların izlenmesi, Dünya’nın bazı iç katmanlarının sıvı olduğunu anlamaya yardımcı olur.

S dalgalarının hızı P dalgalarından daha küçüktür. Kayaçların özelliklerine bağlı olarak S dalgaları için yaklaşık 2-5 km/s aralığı verilir. Örneğin aynı granit ortamında P dalgası önce ilerler, S dalgası ise daha sonra ulaşır. S dalgasının enine hareketi zemini yukarı-aşağı veya yana doğru sarsabildiği için yapılarda belirgin titreşimler oluşturabilir. Böylece bir deprem kaydında P dalgasından sonra gelen, yalnızca katı bölgelerde ilerleyebilen dalga S dalgası olarak ayırt edilir.

Yüzey dalgaları

Yüzey dalgaları, Dünya’nın yüzeyine veya yüzeye yakın katmanlara bağlı olarak ilerleyen deprem dalgalarıdır. Su yüzeyindeki dalgalara benzer biçimde, yüzeye yakın malzemenin hareket etmesine neden olurlar. Derinlik boyunca ilerleyen P ve S dalgalarından farklı olarak etkileri özellikle yeryüzüne yakın bölgelerde belirgindir. Yüzey dalgalarında zemin parçacıkları yatay, düşey veya eliptik yollar izleyebilir; bu hareket biçimi dalganın türüne ve zeminin özelliklerine göre değişir.

Yüzey dalgaları genellikle P ve S dalgalarından sonra belirginleşir ve enerjilerini yüzeye yakın bölgelerde yoğunlaştırır. Bu nedenle uzun süreli ve geniş genlikli zemin hareketleri oluşturabilirler. Bir binanın temelinin bulunduğu zemin yatay ve düşey yönde art arda hareket ettiğinde kolonlar, kirişler ve bağlantılar zorlanır. Örneğin aynı depremde yüzeye yakın zemin üzerinde bulunan bir yapı, derinlerde kalan bir noktaya göre daha belirgin sarsıntı yaşayabilir. Yüzey dalgalarının yapılarda daha fazla hasar oluşturabilmesi, yüzeye yakın ilerlemeleri ve zeminin büyük ölçekte hareket etmesine yol açmalarıyla ilişkilidir.

P, S ve yüzey dalgalarının karşılaştırılması

P, S ve yüzey dalgalarını ayırt etmek için dört ölçüt birlikte kullanılabilir: parçacıkların hareket yönü, yayılma ortamı, hız ve ulaşma sırası. P dalgasında parçacıklar ilerleme doğrultusunda titreşir ve dalga katı, sıvı ya da gazlarda ilerleyebilir. S dalgasında parçacıklar ilerleme doğrultusuna dik titreşir ve yalnızca katılarda yayılır. Yüzey dalgaları ise yeryüzüne yakın katmanlarda ilerler; parçacıkların hareketi yüzeye göre yatay, düşey veya karmaşık olabilir.

P ve S dalgaları Dünya’nın içinden geçebilen dalgalardır. P dalgası daha hızlı olduğu için ölçüm noktasına önce gelir; S dalgası daha yavaş ilerlediğinden aradaki zaman farkı yol boyunca büyür. Kapsamlı kayaçlarda P dalgaları yaklaşık 4-7 km/s, S dalgaları ise yaklaşık 2-5 km/s hızlara sahip olabilir. Her iki dalganın hızı da ortamın rijitliğine bağlıdır: Daha rijit bir ortamda dalga enerjisi parçacıklar arasında daha kolay aktarıldığı için hız artar. Gevşek tortul malzemelerde ise iki dalga da daha yavaş ilerler.

Yüzey dalgaları, yüzeye yakın hareket ettikleri için yapılardaki hasar bakımından özellikle önemlidir. Bir gözlem noktasına ulaşma sırası çoğunlukla P dalgası, S dalgası ve ardından yüzey dalgaları şeklindedir. Bu nedenle sismograf kayıtlarında ilk küçük titreşim P dalgasını, daha sonra görülen farklı titreşim S dalgasını, uzun süren yüzey hareketleri ise yüzey dalgalarını gösterebilir. Örneğin bir kayıt noktasında ilk gelen dalga sıvı bir bölgeden de geçmişse P dalgası olma olasılığı yüksektir; çünkü S dalgası sıvı bölgelerde ilerleyemez.

Kısaca P dalgası hızlı ve boyuna, S dalgası daha yavaş ve enine, yüzey dalgası ise yüzeye yakın ve yapılar üzerinde daha belirgin etkili dalgadır. P-S geliş zamanları arasındaki fark, dalgaların kaynağa olan uzaklığı hakkında bilgi vermek için kullanılabilir; bu fark, P ve S dalgalarının farklı hızlarda ilerlemesinden kaynaklanır.

Dalga hızı, frekans ve dalga boyu ilişkisi

Bir dalganın hızı, frekansı ve dalga boyu arasındaki temel bağıntı v = fλ şeklindedir. Burada v dalganın yayılma hızı, f frekansı ve λ dalga boyudur. Dalga boyu, aynı özellikteki iki ardışık nokta arasındaki uzaklıktır; örneğin iki ardışık sıkışma bölgesi arasındaki mesafe P dalgasının dalga boyunu gösterebilir. Frekans ise bir saniyedeki titreşim sayısıdır.

Aynı ortam ve sabit koşullar altında dalga hızı sabit kabul edilirse frekans ile dalga boyu ters orantılı olur. Frekans arttığında dalga boyu küçülür; frekans azaldığında dalga boyu büyür. Örneğin bir deprem dalgasının hızı 6 km/s ve frekansı 2 Hz ise dalga boyu λ = v/f bağıntısıyla 3 km bulunur. Hız kilometre/saniye cinsinden verildiği için dalga boyu da kilometre cinsinden çıkar. Bir ortam değiştiğinde rijitlik ve yoğunluk değişebileceğinden dalga hızı da değişebilir; bu durumda aynı frekansta dalga boyu da değişir.

P ve S dalgalarının hızlarının farklı olması, aynı kaynaktan çıkan bu dalgaların ölçüm noktasına farklı zamanlarda ulaşmasına yol açar. P dalgası daha hızlı olduğundan daha kısa sürede yol alır. Bu nedenle hız bağıntısı yalnızca hesaplama yapmak için değil, deprem kayıtlarındaki dalga geliş zamanlarını ve dalgaların birbirinden ayrılmasını yorumlamak için de kullanılır.