Advanced InSAR methodologies to study subsidence and fracturing caused by groundwater withdrawal in Valley of Mexico

Siles, Gabriela Llanet

Radarfernerkundungstechniken sind gut geeignet um Deformationsprozesse zu studieren. Beispielsweise wurden die Setzungen in Mexico City mit konventionellen und multitemporalen Methoden erfasst; allerdings wurde bis jetzt keine komplette Charakterisierung und detaillierte zeitliche Analyse der Landbesiedelung im gesamten Tal von Mexiko, die das Seebett von fünf ehemaligen Seen (Chalco, Xochimilco, Texcoco, Xaltocan und Zumpango) beinhaltet, durchgeführt. In dieser Arbeit wurde die Bodensenkungen und die dazugehörigen Boden-Brüche im Tal von Mexiko mit Hilfe der Small Baseline Methode von StaMPS kartiert und analysiert. Die dazugehörige Inversionsmethode wurde im Detail studiert und interpretiert und dieser Algorithmus auf Basis der geologischen Information so angepasst, dass die Ergebnisse als räumliche Referenz dienen können. Dieser erweiterte Algorithmus wurde durch den Vergleich mit existierenden Ergebnissen aus dem südlichen Tal validiert. Das „Unwrapping“ und die Qualität der Zeitreihen wurden mit statistischen Verfahren bewertet. Detaillierte Analysen von ERS- und ENVISAT-Daten mit konventionellem und multitemporalem InSAR für die Zeiträume von 1999-2000 und von 2002-2010 wurden im Norden des Talbereiches von Mexico durchgeführt. Sowohl die städtischen als auch die ländlichen Bereiche erfahren Bodensenkungen. Große Setzungsraten wurden besonders in dicht bevölkerten Gebieten gefunden oder in Bereichen mit beträchtlicher Wasserentnahme zur Feldbewässerung. Die Zeitreihen wurden verwendet um die Auswirkungen der GW-Entnahme auf wichtige Infrastrukturprojekte zu bewerten,z.B. den Tunel Emisor Oriente. Als weiterer Schwerpunkt wurde die Flexibilität des verwendeten InSAR Algorithmus genutzt, um nichtlineare Verformung zu identifizieren und eine Methode zur Lokalisierung von Boden-Bruchzonen zu entwickeln und um ihre Dynamik zu verstehen. Die Lage der mit dieser Methode identifizierten Bruchzonen stimmt mit existierenden Aufzeichnungen von Bruchaktivitäten überein. Die Bruchauslösemechanismen werden an den Stellen diskutiert und bewertet, an denen deutliche Beschleunigungen oder Verzögerungen erkannt wurden. Der vorgestellte Ansatz zur Identifikation der Brüche stellt nützliche und wertvolle Informationen für die Verbesserung der Schadenskarten in diesem Gebiet dar.

Radar remote sensing techniques are well suited for deformation studies. The Mexico City subsidence,for example, has been mapped using both the conventional and multi-temporal methods; however, no complete characterization and detailed temporal analysis of the land settlement in the entire Valley of Mexico, covering the lakebed of the five ancient lakes (Chalco, Xochimilco, Texcoco, Xaltocan and Zumpango) has been performed until now. In this work, we mapped and analysed the subsidence and associated earth fissuring in the Valley by exploiting, for the first time, the Small Baseline method from StaMPS. The inversion methodology was studied in detail and interpreted, and the algorithm was adjusted to select a spatial reference on the basis of the surface geology information. This extended algorithm was assessed by comparing the results obtained with existing ones particularly over the southern Valley. Furthermore, unwrapping and quality of the times series were analysed using maps of system misclosure. Our results indicate that the proposed algorithm adapts adequately to the study area. Detailed ERS and ENVISAT conventional and multi-temporal InSAR analysis for the 1999-2000 and 2002-2010 periods, respectively, were performed on northern Valley of Mexico. Both urban and rural areas are experiencing subsidence, and rapid rates were found in densely populated areas or where sizeable volumes of water are used for crop irrigation. Time series were used to evaluate the impact of the subsidence on important infrastructure such as the Tunel Emisor Oriente. As second main aspect, the flexibility of the proposed InSAR algorithm to identify points undergoing non-linear deformation was exploited to develop a methodology that contributes to the location of soil fractures and to the understanding of their dynamics. Fissure-prone zones identified by this method, effectively coincided with existing records of ground failures. The fracture trigger mechanisms are furthermore discussed and evaluated where notable acceleration or deceleration is found. The proposed soil fracture identification approach provided useful and valuable information for improving the vulnerability maps in the area.

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Siles, Gabriela Llanet: Advanced InSAR methodologies to study subsidence and fracturing caused by groundwater withdrawal in Valley of Mexico. 2015.

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