Theses supervised by Prof. Dr. Fatih Külahcı
11 theses · Fırat University
Monte Carlo simulations of radon-seismo-ionospheric trilogy in some parts on the North Anatolian fault zone
For decades, researchers have examined the relationship between seismicity and Ionospheric variability (Karpov et al., 2012; Nesterov et al., 2019; Pulinets et al., 2015; Sorokin et al., 2001). The increase in radon exhalation rate during or near seismic activities, was one of the reasons why scientist claim its relationship with seismicity (Barkat et al., 2018; Fu et al., 2017; Ghosh et al., 2007; Külahcı and Şen, 2014; Pulinets et al., 1999; Segovia et al., 2005; Singh et al., 2017). Radon decays by ionizing the surroundings when it reaches the soil surface. Moreover, its progeny polonium and bismuth decay by ionizing the atmosphere and also enhancing aerosol charges when attached. The half-life of 222Rn as well as its ubiquity made it the best candidate ionization source in the lower atmosphere besides cosmic radiation. In this research, we will conduct a comprehensive study on radon time series near some of the most seismically active places in Turkey (alone major fault lines). Besides studying how it relates to earthquake, we shall also analyze the ionospheric anomalies related to this events.
The possibility of earthquake forecasting with ionospheric total electron content and radon-222 concentrations using Monte Carlo simulations
This study was handled and discussed in two different dimensions in order to make future earthquake forecasting. First, the role of Radon-222 inert gas as an earthquake prediction precursor is discussed, and the factors affecting soil Rn concentration are examined in a multidisciplinary context in physics, artificial intelligence, geology, and geophysical frameworks. Determining the seismo-ionospheric changes of soil Rn-222 gas requires complex physical and mathematical calculations and forecasting. Secondly, the Total Electron Content (TEC), one of the ionospheric precursors of earthquakes, was discussed. Our aim here was to obtain solid physical evidence for earthquake-based gas and ion exchanges between the earth and the atmosphere; therefore, radon, atmospheric pressure, atmospheric temperature, soil temperature and their interactions were examined at various soil depths to see the physical changes in the journey of the above-mentioned variables from the underground to the Earth's atmosphere (Ionosphere). For all variables, three Autoregressive Integrated Moving Average (ARIMA) models were proposed. Then, the main statistical characteristics of the data were determined and future values of the variables were predicted using Monte-Carlo Simulations (MCSs). In addition to all these, Multiple Linear Regression and Multiple Artificial Neural Network models were obtained for Radon-222 using certain meteorological parameters. While obtaining all these models, as many variables as possible were used to increase the reliability of the calculations and the results were widely discussed within the framework of the relevant field.
Evaluation of the effects of earthquakes on radon and total electron content values and meteorological changes: A Monte Carlo simulation prediction
An ARIMA and Monte Carlo simulation application are proposed to analyze the relationship of soil Rn-222 gas, ionospheric Total Electron Content (TEC) and some meteorological variables with earthquakes from the North Anatolian Fault Zone, Corum, Turkiye, one of the most active fault lines in the world. With the obtained results, statistically significant results are obtained for Earthquake-Radon gas changes and Seismo- Ionospheric Coupling. In addition, predictions were made and interpreted for future dates with unknown Rn gas concentrations. We think that this study will be an important step for further studies on earthquake prediction.
Toprak radon gazı (222Rn), deprem ve meteorolojik değişkenler arasındaki ilişkinin modellenmesi
Toprak ve yeraltı sularındaki 222Rn konsantrasyonlarının ölçümü, sismik ve tektonik aktiviteler nedeniyle fay hatlarındaki stres değişimini izlemek için kullanılır. Yeraltı gazlarının jeokimyasal davranışı genellikle kimyasal yapılarına bağlıdır. Diğer materyaller de asal gazların yer katmanlarındaki göçüne eşlik edebilir. Böylece dünyanın derinliklerinden yüzeye salınan gazlar üst tabakalar hakkında faydalı bilgiler sağlayabilir. 222Rn, sismik aktivite sırasında yeryüzü gerilmelerindeki değişikliklere diğer gazlardan daha fazla reaksiyon gösterir. Bu sebeple, deprem öngörü çalışmalarında kullanılan en etkili parametrelerden biridir. Herhangi bir değişkenin, fiziksel veya kimyasal değişimlerini görmek için, 3-boyutlu görsellerin kullanımı faydalı yorumlar yapmaya neden olur. Genel olarak, bu görsellerde enlem ve boylam esas alınır ve incelenen parametrelerin değişimi gözlenir. Bu değişikliklerin en iyi şekilde yapılandırılması ve yorumlanması, kontur haritaları ile 3-boyutlu olarak gerçekleştirilir. Bu çalışmada Kuzey Anadolu Fay Hattı üzerindeki Dereköy (Kargı, Çorum) istasyonundan alınan 222Rn konsantrasyonları üzerinde çalışıldı. 222Rn'nin deprem ve meteorolojik faktörlerle olan değişimi incelendi ve 3-boyutlu harita çizimleri elde edildi. Anahtar Kelimeler: Radon, Sismik Aktivite, Meteorolojik Faktörler, Deprem
On determination of soil Radon-222 gas, meteorological parameters, atmospheric total electron content and possible relationships between earthquakes: A Monte Carlo forecasting simulation application
In the literature, no research is available on determining the relationship between earthquakes and Total Electron Content (TEC) and Radon-222 gas concentrations. One of the main reasons for this study is to take an important step to close the gap mentioned in this field. In this area, there are studies on the change of TEC in the atmosphere close to the ground and the relationship between earthquakes and researches on Rn-222 and earthquake co-exchange. However, no research has yet been conducted where three of these changes are together. In this study, Erzincan-Ekşisu, a seismically highly active region on the North Anatolian Fault Line, was chosen as the research area. The statistical distributions of the data obtained were determined and modelled using ARIMA and Monte Carlo Simulation techniques and predictions were made for future data estimates.
On physical mechanisms of radon transport from soil to air
Since the prediction of earthquakes is an object of controversies, studies continue to work on this issue. radon observing site was located in Turkey/ Erzincan / Ekşisu, Radon Data has been given by the General Directorate of Disaster Affairs of the Prime Ministry in accordance with the scientific agreement we have made so that we can use scientific studies. Historical earthquake data within 100 km of Ekşisu will be supplied from Bogazici University Kandilli observatory. this thesis provides a comprehensive overview of the radon releases from ground to the atmosphere, and other factors controlling radon migration process, such as Surficial radionuclide content in the soil, radon emanation coefficient, radon diffusivity, soil's porosity, permeability, temperature, and pressure effects, furthermore, describes radon characteristics and its aids as tracer for earthquake prediction, by time series analysis. herein, tried to demonstration the correlation between variables by drawing graphs that manifesting the anomalies of radon concentration with earthquakes and meteorological effects. consequently, many studies made certain that no significant change has been seen in Radon anomaly in the same season of different years, except the abnormally radon concentration change before /after and during the mainshock of quake can be obviously seen that radon release strongly correlated with earthquakes activities.
Kaotik zaman serileri analizi ile radon gazı (222Rn), deprem ve meteorolojik parametreler arasındaki ilişkinin modellenmesi
Doğrusal olmayan zaman serilerinin analizi son yıllarda bilimin birçok alanında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Araştırmalarda verilerin doğrusal olmama durumunu gösterebilmek için kaos analiz yöntemlerinden yararlanılır. Bu yöntemlerden bazıları, Lyapunov Üstelleri (Lyapunov Exponent), Vekil Veri Analizi (Surrogate Data Analysis), Hurst Üsteli (Hurst Exponent), Güç Spektrumu (Power Spectrum), Korelasyon Boyutu (Correlation Dimension), Karşılıklı Bilgi Fonksiyonu (Mutual Information) ve Geçici En Yakın Komşular metodudur (False Nearest Neighborhood). Araştırmada, Doğu Anadolu Fay Zonundaki Nurdağı (Gaziantep), Kozan (Adana), Yakapınar (Adana), Osmaniye ve Mersin bölgelerine ait 222Rn verisi kullanıldı. Verilerin gerçek değerleri ve kestirilen değerleri arasında istatistiksel olarak uyumlu sonuçlar elde edildi. İstatistiksel analizlerle sonuçların doğruluğu teyit edildi. Çalışmada, topraktan alınan 222Rn konsantrasyonlarının değişiminin doğrusal olmayan davranışlarının açıklanması için yeni bir bakış açısı elde edildi.
Doğu anadolu fay hattından alınan toprak 222rn gazının depremlerle olan ilişkisinin belirlenmesi için matematiksel ve istatistiksel modellerin elde edilmesi
Depremlerin önceden saptanması konusunda yapılan çalışmalarda, istatiksel analiz ve jeofiziksel metotlardan oldukça fazla yararlanılır. Yeraltından sızan radonun yoğunluğundaki anomaliler jeofiziksel değişimler arasındadır. Yeryüzünün derinliklerinden çıkan radon, depremlerden önce bazı sistematik değişiklikler göstermekte ve yeryüzünde yapılan radon ölçümleri depremlerin önceden saptanmasına yardımcı olma umudu verir. Araştırma bölgesi, Dünyanın sismik olarak en aktif fay hatlarından biri olan Doğu Anadolu Fay hattı üzerindedir. Yaklaşık olarak 300 km uzunluğundaki çalışma bölgesi, 8 istasyondan oluşmaktadır. Bu araştırma, 2007-2010 tarihleri arasında aralıksız gözlemlenen toplam 836.160 toprak 222Rn verisi kullanarak gerçekleştirildi. 222Rn derişimlerinin aylık ortalamaları alınarak 222Rn gazının geleceğe yönelik risk analizi yapıldı. Bununla birlikte, araştırma süresi boyunca istasyonlarda meydana gelen deprem büyüklüklerinden faydalanarak, deprem oluşumu risk değerleri elde edildi. Hesaplanan risk değerleri dağılım fonksiyonlarıyla incelendi ve belirli döngü aralıklarında deprem kestirimlerin yapılması mümkün oldu. Toprak 222Rn gazı derişimi değerleri ile ilgili tarihlerde bölgede meydana gelen deprem büyüklüğü arasındaki ilişki TYV metodu ile incelenerek, deprem-222Rn karakteristikleri elde edildi. Toprak 222Rn gazı derişiminin değişimi, sadece bölgenin jeolojik özelliklerine ve meydana gelen depremlere bağlı olmayıp, aynı zamanda meteorolojik değişkenlerden de etkilenir. Bu nedenle, toprak 222Rn gazının, meteorolojik değişkenler ile olan ilişkisi incelendi. Bu tez çalışmasının temel amacı, gelecekte meydana gelecek depremler belirsizlik içermesine rağmen, geçmiş yıllarda olmuş deprem büyüklükleri ile toprak 222Rn gazı ve meteorolojik değişkenler arasındaki matematiksel ve istatistiksel ilişkilere yönelik modeller oluşturmak ve çalışma alanı içerisinde meydana gelebilecek deprem riskini hesaplamaktır. Anahtar Kelimeler: Radon, Deprem, Deprem Kestirimi, Zaman Serileri, Risk Analizi, Kümülatif Yarıvaryogram, Meteorolojik Değişkenler, Olasılık Dağılım Fonksiyonları
Deprem habercisi olarak radon ve depremler arasındaki ilişkinin belirlenmesi için yeni bir metot: Regresif uzay-zaman noktasal toplam yarıvariogram
Radon (222Rn), uranyum taşıyan kaya katmanlarında sürekli olarak üretilen 226Ra'nın alfa parçacığı yayınlaması sonucunda oluşan radyoaktif asal bir gazdır. Kendi bozunum ve asal gaz karakteristiğinden dolayı, özellikle jeolojik çevrede zamanla değişen süreçlerin belirlenmesinde önemli bir tanımlayıcıdır. Bu nedenle, topraktaki 222Rn akısının zamansal ve konumsal değişiminin analizi sismik aktiviteler ile ilgili jeodinamik değerlendirmeler yapmak ve ilgili bölgenin 222Rn karakteristiğini belirlemek için oldukça önemlidir. Jeolojik olayların oluşumu, kaya ve toprak katmanlarının dağılımı ne homojen ne de izotropik bir dağılım gösterir. Tüm bunlar 222Rn'nin homojen olmayan bir dağılım göstermesine neden olur. Bu tür davranış sergileyen değişkenlerin modellenmesinde uzaysal analiz yöntemleri oldukça kullanışlıdır. Bununla birlikte 222Rn derişimi çevresel değişkenlere bağlı olarak da değişim göstermektedir. Bu nedenle tüm bu etkileri kapsayan uzaysal bir model, bölgenin karakteristiğini belirlemede daha fayda sağlayacaktır. Bu amaçla, çalışmada tüm bu etkenleri içeren yeni bir model (Regresif Uzay Zaman Noktasal Toplam Yarıvariogram) önerilerek Doğu Anadolu Fayı üzerinde yer alan istasyonlara uygulandı ve bölgenin karakteristiği çıkarılmaya çalışıldı. Bunun yanısıra, Yapay Sinir Ağlarının farklı öğrenme algoritmaları kullanılarak modelleme yapıldı ve elde edilen sonuçlar ile önerilen yöntemin güvenilirliği test edildi. Zaman Serisi analizi ile de meydana gelen 222Rn anomalilerinin kaynağı belirlenmeye çalışıldı. Anahtar Kelimeler: Radon, Deprem, Yarıvariogram, Jeoistatistik, Konumsal Kestirim, Regresif Uzay Zaman Noktasal Toplam Yarıvariogram
Study possible correlations among solar activities, geomagnetic storms, radon gas, ionospheric and atmospheric anomalies with some earthquakes
This study examined the variations of soil air radon gas concentration measured by an AlphaMETER-611 detector at 100 cm depth in Gebze station- Türkiye from 01-01-2006 to 01-04-2008. The main objective was to detect possible seismically generated radon anomalies after eliminating both normal variations like diurnal and seasonal and meteorological produced variations namely soil and atmospheric temperatures, relative humidity and precipitation. For this purpose, ARIMA, MCS, and forward-MLR were used and they simultaneously detected radon anomalies in 2007 prior to earthquakes. Then, an Actual Feed ARIMA was proposed to improve the predictability of the simple ARIMA model, it was observed that the AFARIMA model was superior ARIMA model in terms of longer Rn anomaly detection as the new approach used the actual data to predict the next forecasted data. Moreover, the previous techniques detected anomalies were confirmed by applying Rn-Rn anomaly detection methods. In 2006 and 2007, anomalies were observed 22 days and 21 days before the earthquakes, respectively. Moreover, another aim was to investigate possible radon-generated anomalies in atmospheric AT and ARH, and ionospheric TEC anomalies before the considered earthquakes due to the possible radon air ionization by applying µ±2σ technique. The observed TEC anomaly at the ista-station inside the preparation zone about three days before the earthquakes in 2006 can be viewed as a possible precursor because it is synchronized with Rn anomalies, and it is observed during a quiet geomagnetic storm and inactive solar activities.
İyonosferik toplam elektron içeriği ve radon konsantrasyonunun depremlerle olan ilişkilerinin ARIMA ve Monte Carlo simülasyonu ile incelenmesi
Bu çalışmanın amacı, depremler ile Radon (Rn) ve atmosferdeki Toplam Elektron İçeriği (TEİ) arasındaki olası ilişkiyi bulmak ve olası depremlerin önceden tespiti ile can ve mal kayıplarını azaltmaya dönük veri ve bilgi sunmaktır. Depremlerle toprak Rn gazı arasında genellikle doğrusal bir ilişki olduğu bilinmektedir. Ayrıca depremler ile İyonosferik TEİ arasında da korelasyonlar olduğu bilinmektedir. Böylece, depremler ile Rn ve TEİ arasında bir ilişki olduğu varsayılabilir. Bu çalışmada deprem oluş zamanından önce TEİ ve Rn değerlerinde anomalileri belirlemek için Çapraz Korelasyonlar incelendi. ARIMA modeli ile öngörüler yapılabileceği görüldü. Elde edilen modellerle sonuçlarındaki belirsizliği hesaplamak için Monte Carlo Simülasyonu uygulandı. ARIMA ve Monte Carlo Simülasyonları ile öngörü çalışmaları yapılmış, bu çalışmalarda bilinmeyen zaman dilimleri için (Rn ve TEİ verisi mevcut olmayan) Rn ve TEİ verileri elde edilerek yeni modeller, zaman serileri ve algoritmalar elde edilmiştir. Ayrıca, depremlerin meteorolojik parametrelerle ilişkileri incelenmiş ve aralarındaki anlamlı ilişkilere ulaşılmıştır. Son olarak Rn, TEİ ve deprem büyüklüğü verilerinin olasılık yoğunlukları hesaplanarak, büyüklüğe göre araştırma alanı içerisindeki deprem olma yüzdeleri öngörülmüştür.