logo NCGeo

Improving radar interferometry for monitoring fault-related surface deformation

PoG 81, Miguel Caro Cuenca, Improving radar interferometry for monitoring fault-related surface deformation

Applications for the Roer Valley Graben and coal mine induced displacements in the southern Netherlands

Miguel Caro Cuenca

Publications on Geodesy 81
Delft, 2013. 166 pagina's. ISBN: 978 90 6132 341 9. Alleen verkrijgbaar als pdf.


Summary

Radar interferometry (InSAR) is a valuable tool to measure surface motion. Applying time series techniques such as Persistent Scatterer Interferometry (PSI), InSAR is able to provide surface displacements maps with mm-precision. However, InSAR can still be further optimized, e.g. by exploiting spatial characteristics of the signal of interest. This study addresses surface deformation associated with geological faults. In principle, this signal is generally spatially smooth but with significant-to-large gradients at fault locations.

We first focus on optimizing InSAR time series analysis, in particular the PSI method, for this specific class of ground deformation processes. Secondly, we apply the improved technique to study fault-related motion in the southern Netherlands, with special interest in detecting neotectonic motion in the Roer Valley Graben and deformation in the abandoned mines of South Limburg.

The proposed optimization adapts PSI to analyze in an iterative manner the signal of interest to estimate spatially the probability density function of displacements. Since the signal is expected to change quickly near faults, we do not restrict this distribution to be unimodal but we allow it to have any shape. Finally, we use the determined distribution to constrain, through Bayesian inference, phase unwrapping (the operation of unfolding the phase outside its natural range of (-phi, phi] radians). We demonstrate a substantial benefit of the Bayesian approach as we show a decrease in the number of unwrapping errors. This thesis also suggests a method that analyzes interferometric phases to estimate noise variance. It is built upon the assumption that coherence can be spatially correlated. The estimated stochastic parameters are used in phase unwrapping by assigning lower weights to noisy observations.

The improved methodology is applied to study fault-related motion in the southern Netherlands, exploiting data from three satellite missions: ERS-1, ERS-2 and Envisat. In particular, we focus on two main areas: the Roer Valley Graben and the abandoned mines of south Limburg.

In the Roer Valley Graben area, a deformation signal associated with geological faults is detected. However, we do not observe any significant indication to attribute a tectonic origin to this signal for two main reasons. First, during large part of the studied period the most of the graben uplifts with respect to adjacent horsts at rates of ~1 mm/yr, behaving opposite to predicted by tectonics. Second, the deformation signal in this area appears to be largely related to water pumping. For example, we observe an uplift signal of about +4 mm/yr that matches in time and space with the cease of pumping in the Erkelenz Coal District, which is located in the Peel horst, adjacent to the Roer Valley Graben.

Concerning the mines of South Limburg, we detect strong surface displacements (uplift) which appear to be centered on the old mines and constrained by tectonic faults. The signal is variable in space and time, with uplift rates up to 20 cm in 18 years, and relatively large gradients across faults (~5 cm/km), in the same time span. Laterally the uplift signal propagates towards the west in this period. The comparison of surface displacements with rising groundwater levels reveal a strong correlation between the two, suggesting the groundwater to be the cause of the uplift.

Assuming that rising ground water levels in the abandoned mines are responsible for the uplift, we estimate the relation between the groundwater and the associated uplift. The skeletal storage coefficient, which directly depends on porosity, is on average 0.5±0.1·10−3, implying that 1 m of water level increase produces 0.5 mm uplift. As we expect that the water may rise many tens of meters, especially in the western side, this may result in everal additional centimeters of future uplift.

Essentially, the surface displacements that we observe in the southern Netherlands seem to be mainly caused by fluctuations in groundwater flow, which appear to be constrained by faults.


Table of contents

Preface … iii
Acknowledgements … v
Summary … vii
Samenvatting (summary in Dutch) … x
Nomenclature … xi
1. Introduction … 1
2. Ground Deformation in the Southern Netherlands … 5
3. Time Series InSAR Analysis: The Persistent Scatterer Interferometry Approach … 23
4. Improvements to Persistent Scatterer Interferometry … 49
5. Surface Deformation in the Roer Valley Rift System Observed by PSI … 77
6. Surface Deformation in the Dutch Coal Field Observed by PSI … 97
7. Conclusions and Recommendations … 115
A. Used software tools … 121
B. Used SAR data … 123
About the Author … 139
Index … 141


Samenvatting

Radar interferometrie (InSAR) is een erkende techniek voor het meten van bewegingen van het aardoppervlak. Door het toepassen van tijdreekstechnieken zoals Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) is het mogelijk door middel van InSAR bodembewegingen tot op de millimeter nauwkeurig in kaart te brengen. Maar InSAR kan nog verder worden geoptimaliseerd door onder meer het onderzoeken van de ruimtelijke eigenschappen van het signaal. Deze studie onderzoekt de vervormingen van het aardoppervlak gerelateerd aan geologische breuklijnen. Over het algemeen is dit signaal ruimtelijk heel vlak maar kan significante tot grote gradiënten bevatten op de locaties van de breuklijnen. We richten ons eerst op het optimaliseren van de InSAR tijdreeksanalyse, met in het bijzonder de PSI methode, toegepast op deze soort van bodembeweging. Vervolgens passen we de verbeterde techniek toe voor het onderzoeken van breuklijngebonden bewegingen in het zuiden van Nederland, met in het bijzonder het detecteren van neotektonische bewegingen in de Roerdalslenk en vervormingen in de voormalige mijngebieden van Zuid-Limburg. De optimalisatie die hier wordt voorgesteld past de PSI methode zodanig aan dat het signaal op een iteratieve manier wordt geanalyseerd om de kansdichtheid van de deformaties te schatten. Aangezien we verwachten dat het signaal sterk varieert in de nabijheid van een breuklijn, gaan we de kansverdeling niet beperken tot een unimodale verdeling maar staan we elke kansverdeling toe. Uiteindelijk gebruiken we de nieuwe kansverdeling om de phase unwrapping (het als het ware ontvouwen van de fractionele fase buiten zijn natuurlijke marges van (-phi, phi] radialen) te beheersen door middel van Bayesiaanse interferentie. We tonen een essentieel voordeel van de Bayesiaanse benadering aan met een daling van het aantal fouten in de phase unwrapping. In deze thesis wordt ook een methode voorgesteld die de interferometrische fase analyseert om de variatie in de ruis te schatten. De geschatte stochastische parameters worden gebruikt in de phase unwrapping door het toewijzen van een lagere weegfactor aan waarnemingen met veel ruis. De aangepaste methode is toegepast om de breuklijngebonden bodembewegingen in het zuiden van Nederland te onderzoeken. Er wordt data van drie satellietmissies gebruikt: ERS-1, ERS-2, en Envisat. We concentreren ons hoofdzakelijk op twee gebieden: de Roerdalslenk en de voormalige mijngebieden van Zuid-Limburg.

In de Roerdalslenk detecteren we bodembewegingen in de nabijheid van geologische breuklijnen. Hiervoor kan echter geen significante verklaring gevonden worden in de tektoniek omwille van twee redenen. Ten eerste, gedurende een groot deel van de bestudeerde periode stijgt het merendeel van de slenken ten opzichte van de horsten met een snelheid van ~1 mm/jaar, wat het tegenovergestelde is van wat voorspeld wordt door de tektoniek. Ten tweede is de bodembeweging in dit gebied erg gerelateerd aan het pompen van grondwater. Zo observeren we bijvoorbeeld een bodemstijging van 4 mm/jaar die zowel in tijd als ruimte overeenkomt met het staken van grondwater pompactiviteiten in het Erkelenz koolmijngebied, dat gelegen is op de Peelhorst naast de Roerdalslenk. Betreffende de mijnen in Zuid-Limburg detecteren we sterke bodemstijgingen midden op de oude mijnschachten. Opmerkelijk is dat de bodemstijging stopt aan de tektonische breuklijnen. Het signaal varieert tot een maximum van 20 cm in een tijdsspanne van 18 jaren met relatief grote gradiënten over de breuklijnen (~5 cm/km). We ontdekken ook dat tijdens deze periode de bodemstijging westwaards migreerde. Als we vervolgens de bodembewegingen vergelijken met het stijgende grondwaterpeil, vinden we een sterke overeenkomst tussen beiden, wat er sterk op wijst dat het grondwater de bodemstijging veroorzaakt. Als we aannemen dat het stijgende grondwaterpeil in de verlaten mijngangen en -schachten verantwoordelijk is voor de bodemstijging, kunnen we de relatie tussen het grondwater en de bodemstijging schatten. De opslagcoëfficiënt, die afhankelijk is van de porositeit, heeft gemiddelde een waarde van 0,5±0,1×10-3, wat betekent dat een stijging van het waterpeil van 1 m resulteert in een bodemstijging van 0,5 mm. Aangezien het water enkele tientallen meters kan stijgen, voornamelijk in de westkant, kan dit leiden tot een bodemstijging van enkele centimeters. Over het algemeen kunnen de bodembewegingen in het zuiden van Nederland verklaard worden door schommelingen in de stroming van het grondwater gebonden aan de ligging van de breuken.

Ga naar boven
JSN Boot template designed by JoomlaShine.com