TY - THES A1 - Metzger, Sabrina T1 - Neotectonic deformation over space and time as observed by space-based geodesy T1 - Über die Vermessung neotektonischer Deformation in Raum und mit Hilfe von satellitengestützter Geodäsie N2 - Alfred Wegeners ideas on continental drift were doubted for several decades until the discovery of polarization changes at the Atlantic seafloor and the seismic catalogs imaging oceanic subduction underneath the continental crust (Wadati-Benioff Zone). It took another 20 years until plate motion could be directly observed and quantified by using space geodesy. Since then, it is unthinkable to do neotectonic research without the use of satellite-based methods. Thanks to a tremendeous increase of instrumental observations in space and time over the last decades we significantly increased our knowledge on the complexity of the seismic cycle, that is, the interplay of tectonic stress build up and release. Our classical assumption, earthquakes were the only significant phenomena of strain release previously accumulated in a linear fashion, is outdated. We now know that this concept is actually decorated with a wide range of slow and fast processes such as triggered slip, afterslip, post-seismic and visco-elastic relaxation of the lower crust, dynamic pore-pressure changes in the elastic crust, aseismic creep, slow slip events and seismic swarms. On the basis of eleven peer-reviewed papers studies I here present the diversity of crustal deformation processes. Based on time-series analyses of radar imagery and satellited-based positioning data I quantify tectonic surface deformation and use numerical and analytical models and independent geologic and seismologic data to better understand the underlying crustal processes. The main part of my work focuses on the deformation observed in the Pamir, the Hindu Kush and the Tian Shan that together build the highly active continental collision zone between Northwest-India and Eurasia. Centered around the Sarez earthquake that ruptured the center of the Pamir in 2015 I present diverse examples of crustal deformation phenomena. Driver of the deformation is the Indian indenter, bulldozing into the Pamir, compressing the orogen that then collapses westward into the Tajik depression. A second natural observatory of mine to study tectonic deformation is the oceanic subduction zone in Chile that repeatedly hosts large earthquakes of magnitude 8 and more. These are best to study post-seismic relaxation processes and coupling of large earthquake. My findings nicely illustrate how complex fashion and how much the different deformation phenomena are coupled in space and time. My publications contribute to the awareness that the classical concept of the seismic cycle needs to be revised, which, in turn, has a large influence in the classical, probabilistic seismic hazard assessment that primarily relies on statistically solid recurrence times. N2 - Alfred Wegeners Thesen des Kontinentaldrifts fanden erst in den 1960er und 1970er Jahren Akzeptanz, als die krustalen Polarisationswechsel auf dem atlantischen Meeresboden entdeckt wurden und Erdbebenkataloge das Abtauchen von ozeanischer Kruste unter kontinentale Kruste abbildeten (Wadati-Benioff-Zone). Es dauerte jedoch weitere 20 Jahre, bis die Geodäsie erstmals Plattenbewegung sicht- und quantifizierbar machte. Seit dann sind satellitengestützte Messmethoden aus der neotektonischen Forschung nicht mehr wegzudenken. Dank einer stetig (zeitlich und räumlich) wachsenden Anzahl instrumenteller Beobachtungsdaten wird unser Verständnis des Erdbebenzyklus—des Wechselspiels zwischen tektonischem Spannungsauf- und -abbau—immer komplexer. Das klassische Konzept, nur Erdbeben setzten die zuvor linear aufgebaute Spannungsenergie instantan frei, wird heutzutage durch eine Vielzahl von zusätzlichen schnelleren und langsameren Prozessen ergänzt. Beispiele dafür sind getriggerte Versätze (triggered slip), Nachbeben (afterslip), postseismische und visko-elastische Relaxation der tieferen Kruste, dynamische, elastische Veränderungen des Gesteins-Porendrucks, aseismisches Kriechen sowie Spannungsabbau durch kleine Erdbebenschwärme. Anhand von elf begutachteten und bereits veröffentlichten Arbeiten präsentiere ich in meiner Habilitationsschrift die Diversität krustaler Deformationsprozesse. Ich analysiere Zeitreihen von Radar-Satellitenaufnahmen und satellitengestützten Positionierungssystemen um die tektonische Oberflächenbewegung zu quantifizieren. Der Vergleich von kinematischen Beobachtungen mit geologischen und seismischen Indizien sowie die Simulation ebenjener durch rechnergestützte Modelle ermöglichen mir, die verursachenden krustalen Prozesse besser verstehen. Der Hauptteil meiner Arbeiten beschreibt rezente, krustale Bewegungen im Pamir, Hindu Kush und Tien Shan, welche zusammen das westliche Ende der kontinentalen Kollisionszone zwischen dem indischen und eurasischen Kontinent bilden. Rund um ein starkes Erdbeben, welches 2015 den Zentralpamir erschüttert hat, zeige ich vielseitige Beispiele von hochaktiver krustaler Deformation. Verursacht werden diese Bewegungen durch den nordwestindischen Kontinentalsporn, welcher (fast) ungebremst in den Pamir hineinrammt, ihn auftürmt, zusammenquetscht, und ihn gravitationsbedingt gegen Westen ins tadschikische Becken kollabieren lässt. Der zweite thematische Schwerpunkt liegt auf Prozessen, welche durch Megathrust-Erdbeben, also Beben mit einer Magnitude>8, hervorgerufen werden. Diese Anwendungen fokussieren sich auf die ozeanischen Subduktionszone von Chile und zeigen die Wichtigkeit vertikaler Hebungsdaten um, beispielsweise, den Einfluss tektonischer Prozesse auf den Gesteins-Porendruck zu verstehen. Zusammenfassend veranschaulichen und bestätigen meine Arbeiten, wie stark und komplex die oben beschriebenen Prozesse räumlich und zeitlich korrelieren, und dass das klassische Konzept des Erdbebenzyklus überholt ist. Letztere Einsicht hat grossen Einfluss auf probabilistische seismische Gefährdungsanalysen, welche grundsätzlich statistische Vorhersagbarkeit annehmen. KW - radar satellite interferometry KW - tectonics KW - geodesy KW - seismology KW - earthquakes KW - InSAR KW - InSAR KW - Erdbeben KW - Geodäsie KW - Radar-Satelliteninterferometrie KW - Seismologie KW - Tektonik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599225 ER - TY - JOUR A1 - Morishita, Yu A1 - Lazecky, Milan A1 - Wright, Tim J. A1 - Weiss, Jonathan R. A1 - Elliott, John R. A1 - Hooper, Andy T1 - LiCSBAS BT - an open-source InSAR time series analysis package integrated with the LiCSAR automated Sentinel-1 InSAR processor JF - Remote sensing N2 - For the past five years, the 2-satellite Sentinel-1 constellation has provided abundant and useful Synthetic Aperture Radar (SAR) data, which have the potential to reveal global ground surface deformation at high spatial and temporal resolutions. However, for most users, fully exploiting the large amount of associated data is challenging, especially over wide areas. To help address this challenge, we have developed LiCSBAS, an open-source SAR interferometry (InSAR) time series analysis package that integrates with the automated Sentinel-1 InSAR processor (LiCSAR). LiCSBAS utilizes freely available LiCSAR products, and users can save processing time and disk space while obtaining the results of InSAR time series analysis. In the LiCSBAS processing scheme, interferograms with many unwrapping errors are automatically identified by loop closure and removed. Reliable time series and velocities are derived with the aid of masking using several noise indices. The easy implementation of atmospheric corrections to reduce noise is achieved with the Generic Atmospheric Correction Online Service for InSAR (GACOS). Using case studies in southern Tohoku and the Echigo Plain, Japan, we demonstrate that LiCSBAS applied to LiCSAR products can detect both large-scale (>100 km) and localized (similar to km) relative displacements with an accuracy of <1 cm/epoch and similar to 2 mm/yr. We detect displacements with different temporal characteristics, including linear, periodic, and episodic, in Niigata, Ojiya, and Sanjo City, respectively. LiCSBAS and LiCSAR products facilitate greater exploitation of globally available and abundant SAR datasets and enhance their applications for scientific research and societal benefit. KW - InSAR KW - Sentinel-1 KW - time series analysis KW - deformation monitoring KW - tectonics KW - subsidence KW - automatic processing KW - global Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.3390/rs12030424 SN - 2072-4292 VL - 12 IS - 3 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Morishita, Yu A1 - Lazecky, Milan A1 - Wright, Tim J. A1 - Weiss, Jonathan R. A1 - Elliott, John R. A1 - Hooper, Andy T1 - LiCSBAS BT - An Open-Source InSAR Time Series Analysis Package Integrated with the LiCSAR Automated Sentinel-1 InSAR Processor T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - For the past five years, the 2-satellite Sentinel-1 constellation has provided abundant and useful Synthetic Aperture Radar (SAR) data, which have the potential to reveal global ground surface deformation at high spatial and temporal resolutions. However, for most users, fully exploiting the large amount of associated data is challenging, especially over wide areas. To help address this challenge, we have developed LiCSBAS, an open-source SAR interferometry (InSAR) time series analysis package that integrates with the automated Sentinel-1 InSAR processor (LiCSAR). LiCSBAS utilizes freely available LiCSAR products, and users can save processing time and disk space while obtaining the results of InSAR time series analysis. In the LiCSBAS processing scheme, interferograms with many unwrapping errors are automatically identified by loop closure and removed. Reliable time series and velocities are derived with the aid of masking using several noise indices. The easy implementation of atmospheric corrections to reduce noise is achieved with the Generic Atmospheric Correction Online Service for InSAR (GACOS). Using case studies in southern Tohoku and the Echigo Plain, Japan, we demonstrate that LiCSBAS applied to LiCSAR products can detect both large-scale (>100 km) and localized (~km) relative displacements with an accuracy of <1 cm/epoch and ~2 mm/yr. We detect displacements with different temporal characteristics, including linear, periodic, and episodic, in Niigata, Ojiya, and Sanjo City, respectively. LiCSBAS and LiCSAR products facilitate greater exploitation of globally available and abundant SAR datasets and enhance their applications for scientific research and societal benefit. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1078 KW - InSAR KW - Sentinel-1 KW - time series analysis KW - deformation monitoring KW - tectonics KW - subsidence KW - automatic processing KW - global Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472431 SN - 1866-8372 IS - 1078 ER - TY - JOUR A1 - Loibl, David A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Valade, Sebastien A1 - Schneider, Christoph T1 - OSARIS, the "Open Source SAR Investigation System" for Automatized Parallel InSAR Processing of Sentinel-1 Time Series Data With Special Emphasis on Cryosphere Applications JF - Frontiers in Earth Science N2 - With the advent of the two Sentinel-1 (S1) satellites, Synthetic Aperture Radar (SAR) data with high temporal and spatial resolution are freely available. This provides a promising framework to facilitate detailed investigations of surface instabilities and movements on large scales with high temporal resolution, but also poses substantial processing challenges because of storage and computation requirements. Methods are needed to efficiently detect short term changes in dynamic environments. Approaches considering pair-wise processing of a series of consecutive scenes to retain maximum temporal resolution in conjunction with time series analyses are required. Here we present OSARIS, the “Open Source SAR Investigation System,” as a framework to process large stacks of S1 data on high-performance computing clusters. Based on Generic Mapping Tools SAR, shell scripts, and the workload manager Slurm, OSARIS provides an open and modular framework combining parallelization of high-performance C programs, flexible processing schemes, convenient configuration, and generation of geocoded stacks of analysis-ready base data, including amplitude, phase, coherence, and unwrapped interferograms. Time series analyses can be conducted by applying automated modules to the data stacks. The capabilities of OSARIS are demonstrated in a case study from the northwestern Tien Shan, Central Asia. After merging of slices, a total of 80 scene pairs were processed from 174 total input scenes. The coherence time series exhibits pronounced seasonal variability, with relatively high coherence values prevailing during the summer months in the nival zone. As an example of a time series analysis module, we present OSARIS' “Unstable Coherence Metric” which identifies pixels affected by significant drops from high to low coherence values. Measurements of motion provided by LOSD measurements require careful evaluation because interferometric phase unwrapping is prone to errors. Here, OSARIS provides a series of modules to detect and mask unwrapping errors, correct for atmospheric disturbances, and remove large-scale trends. Wall clock processing time for the case study (area ~9,000 km2) was ~12 h 4 min on a machine with 400 cores and 2 TB RAM. In total, ~12 d 10 h 44 min (~96%) were saved through parallelization. A comparison of selected OSARIS datasets to results from two state-of-the-art SAR processing suites, ISCE and SNAP, shows that OSARIS provides products of competitive quality despite its high level of automatization. OSARIS thus facilitates efficient S1-based region-wide investigations of surface movement events over multiple years. KW - remote sensing KW - InSAR KW - high mountain environments KW - rock glacier KW - sentinel-1 KW - time series analysis Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.3389/feart.2019.00172 SN - 2296-6463 VL - 7 PB - Frontiers Media CY - Lausanne ER - TY - JOUR A1 - Liu, Yuan-Kai A1 - Ruch, Joël A1 - Vasyura-Bathke, Hannes A1 - Jónsson, Sigurjón T1 - Influence of ring faulting in localizing surface deformation at subsiding calderas JF - Earth & planetary science letters N2 - Caldera unrest can lead to major volcanic eruptions. Analysis of subtle subsidence or inflation at calderas helps understanding of their subsurface volcanic processes and related hazards. Several subsiding calderas have shown similar patterns of ground deformation composed of broad subsidence affecting the entire volcanic edifice and stronger localized subsidence focused inside the caldera. Physical models of internal deformation sources used to explain these observations typically consist of two magma reservoirs at different depths in an elastic half-space. However, such models ignore important subsurface structures, such as ring faults, that may influence the deformation pattern. Here we use both analog subsidence experiments and boundary element modeling to study the three-dimensional geometry and kinematics of caldera subsidence processes, evolving from an initial downsag to a later collapse stage. We propose that broad subsidence is mainly caused by volume decrease within a single magma reservoir, whereas buried ring-fault activity localizes the deformation within the caldera. Omitting ring faulting in physical models of subsiding calderas and using multiple point/sill-like sources instead can result in erroneous estimates of magma reservoir depths and volume changes. (C) 2019 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - volcanic deformation KW - ring faulting KW - caldera collapse KW - analog models KW - boundary element modeling KW - InSAR Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2019.115784 SN - 0012-821X SN - 1385-013X VL - 526 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Neelmeijer, Julia A1 - Motagh, Mandi A1 - Bookhagen, Bodo T1 - High-resolution digital elevation models from single-pass TanDEM-X interferometry over mountainous regions: A case study of Inylchek Glacier, Central Asia JF - ISPRS journal of photogrammetry and remote sensing : official publication of the International Society for Photogrammetry and Remote Sensing N2 - This study demonstrates the potential of using single-pass TanDEM-X (TDX) radar imagery to analyse inter- and intra-annual glacier changes in mountainous terrain. Based on SAR images acquired in February 2012, March 2013 and November 2013 over the Inylchek Glacier, Kyrgyzstan, we discuss in detail the processing steps required to generate three reliable digital elevation models (DEMs) with a spatial resolution of 10 m that can be used for glacial mass balance studies. We describe the interferometric processing steps and the influence of a priori elevation information that is required to model long wavelength topographic effects. We also focus on DEM alignment to allow optimal DEM comparisons and on the effects of radar signal penetration on ice and snow surface elevations. We finally compare glacier elevation changes between the three TDX DEMs and the C-band shuttle radar topography mission (SRTM) DEM from February 2000. We introduce a new approach for glacier elevation change calculations that depends on the elevation and slope of the terrain. We highlight the superior quality of the TDX DEMs compared to the SRTM DEM, describe remaining DEM uncertainties and discuss the limitations that arise due to the side-looking nature of the radar sensor. (C) 2017 International Society for Photogrammetry and Remote Sensing, Inc. (ISPRS). Published by Elsevier B.V. All rights reserved. KW - TanDEM-X KW - InSAR KW - DEM generation KW - Inter-annual glacier elevation change KW - Inylchek Glacier Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2017.05.011 SN - 0924-2716 SN - 1872-8235 VL - 130 SP - 108 EP - 121 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Bufe, Aaron A1 - Bekaert, David P. S. A1 - Hussain, Ekbal A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Burbank, Douglas W. A1 - Jobe, Jessica Ann Thompson A1 - Chen, Jie A1 - Li, Tao A1 - Liu, Langtao A1 - Gan, Weijun T1 - Temporal changes in rock uplift rates of folds in the foreland of the Tian Shan and the Pamir from geodetic and geologic data JF - Geophysical research letters N2 - Understanding the evolution of continental deformation zones relies on quantifying spatial and temporal changes in deformation rates of tectonic structures. Along the eastern boundary of the Pamir-Tian Shan collision zone, we constrain secular variations of rock uplift rates for a series of five Quaternary detachment- and fault-related folds from their initiation to the modern day. When combined with GPS data, decomposition of interferometric synthetic aperture radar time series constrains the spatial pattern of surface and rock uplift on the folds deforming at decadal rates of 1-5mm/yr. These data confirm the previously proposed basinward propagation of structures during the Quaternary. By fitting our geodetic rates and previously published geologic uplift rates with piecewise linear functions, we find that gradual rate changes over >100kyr can explain the interferometric synthetic aperture radar observations where changes in average uplift rates are greater than similar to 1 mm/yr among different time intervals (similar to 10(1), 10(4-5), and 10(5-6) years). KW - InSAR KW - Tian Shan KW - folds KW - uplift rate changes KW - geologic versus geodetic rates KW - continental neotectonics Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1002/2017GL073627 SN - 0094-8276 SN - 1944-8007 VL - 44 SP - 10977 EP - 10987 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - THES A1 - Teshebaeva, Kanayim T1 - SAR interferometry analysis of surface processes in the Pamir – Tien Shan active orogens - emphasis on coseismic deformation and landslides T1 - SAR Interferometrie Analyse von Erdoberflächen-Veränderungen im tektonisch aktiven Pamir-Tien Shan Gebirge - Schwerpunkt auf koseismische Verformung und Hangrutschungen N2 - This thesis presents new approaches of SAR methods and their application to tectonically active systems and related surface deformation. With 3 publications two case studies are presented: (1) The coseismic deformation related to the Nura earthquake (5th October 2008, magnitude Mw 6.6) at the eastern termination of the intramontane Alai valley. Located between the southern Tien Shan and the northern Pamir the coseismic surface displacements are analysed using SAR (Synthetic Aperture RADAR) data. The results show clear gradients in the vertical and horizontal directions along a complex pattern of surface ruptures and active faults. To integrate and to interpret these observations in the context of the regional active tectonics a SAR data analysis is complemented with seismological data and geological field observations. The main moment release of the Nura earthquake appears to be on the Pamir Frontal thrust, while the main surface displacements and surface rupture occurred in the footwall and along of the NE–SW striking Irkeshtam fault. With InSAR data from ascending and descending satellite tracks along with pixel offset measurements the Nura earthquake source is modelled as a segmented rupture. One fault segment corresponds to high-angle brittle faulting at the Pamir Frontal thrust and two more fault segments show moderate-angle and low-friction thrusting at the Irkeshtam fault. The integrated analysis of the coseismic deformation argues for a rupture segmentation and strain partitioning associated to the earthquake. It possibly activated an orogenic wedge in the easternmost segment of the Pamir-Alai collision zone. Further, the style of the segmentation may be associated with the presence of Paleogene evaporites. (2) The second focus is put on slope instabilities and consequent landslides in the area of prominent topographic transition between the Fergana basin and high-relief Alai range. The Alai range constitutes an active orogenic wedge of the Pamir – Tien Shan collision zone that described as a progressively northward propagating fold-and-thrust belt. The interferometric analysis of ALOS/PALSAR radar data integrates a period of 4 years (2007-2010) based on the Small Baseline Subset (SBAS) time-series technique to assess surface deformation with millimeter surface change accuracy. 118 interferograms are analyzed to observe spatially-continuous movements with downslope velocities up to 71 mm/yr. The obtained rates indicate slow movement of the deep-seated landslides during the observation time. We correlated these movements with precipitation and seismic records. The results suggest that the deformation peaks correlate with rainfall in the 3 preceding months and with one earthquake event. In the next step, to understand the spatial pattern of landslide processes, the tectonic morphologic and lithologic settings are combined with the patterns of surface deformation. We demonstrate that the lithological and tectonic structural patterns are the main controlling factors for landslide occurrence and surface deformation magnitudes. Furthermore active contractional deformation in the front of the orogenic wedge is the main mechanism to sustain relief. Some of the slower but continuously moving slope instabilities are directly related to tectonically active faults and unconsolidated young Quaternary syn-orogenic sedimentary sequences. The InSAR observed slow moving landslides represent active deep-seated gravitational slope deformation phenomena which is first time observed in the Tien Shan mountains. Our approach offers a new combination of InSAR techniques and tectonic aspects to localize and understand enhanced slope instabilities in tectonically active mountain fronts in the Kyrgyz Tien Shan. N2 - Die vorliegende Arbeit stellt neue Ansätze zu Methoden des „Synthetic Aperture Radar“ (SAR) vor und wendet diese auf tektonisch aktive Systeme und die damit einhergehende Oberflächenverformung an. In drei wissenschaftlich begutachteten Publikationen in internationalen Fachzeitschriften werden im wesentlichen zwei Fallstudien präsentiert: (1) Die koseismische Verformung in Folge des Nura-Erdbebens (5. Oktober 2008, Mw 6.6) am östlichen Rand des intramontanen Alai-Beckens. Die koseismischen Verformungen an der Erdoberfläche wurden im Bereich zwischen dem südlichen Tien Shan und dem nördlichen Pamir mit Hilfe von SAR („Synthetic Aperture Radar“) Daten analysiert. Die Ergebnisse zeigen klare, sowohl horizontale als auch vertikale Gradienten, die entlang eines komplexen Musters von Brüchen an der Oberfläche und aktiven Störungen ausgebildet sind. Um diese Beobachtungen interpretieren und in den regionalen tektonischen Zusammenhang stellen zu können, wurde die SAR-Analyse durch seismologische und geologische Felduntersuchungen ergänzt. Die hauptsächliche Freisetzung der seismischen Energie des Nura-Erdbebens scheint an der frontalen Pamir-Überschiebung erfolgt zu sein, während die Hauptverformung und Oberflächenrupturen im Liegenden und entlang der NE-SW streichenden Irkeshtam-Störung auftraten. Unter Nutzung von InSAR-Daten von den aufsteigenden und absteigenden Satelliten-Bahnen sowie von Pixel-Versatz-Messungen wurde das Nura-Erdbeben als ein segmentierter Bruch modelliert. Dabei entspricht ein Segment einer steilen spröden Verwerfung an der frontalen Pamir-Überschiebung, während zwei andere Segmente mittel-steile und reibungsarme Verwerfungen an der Irkeshtam-Störung zeigen. Die integrierte Analyse der koseismischen Deformation spricht für eine Segmentierung des Bruches und eine Verteilung der Verformung in Folge des Erdbebens. Dies hat möglicherweise einen Gebirgskeil im äußersten östlichen Teil der Pamir-Alai-Kollisionszone aktiviert. Zudem könnte die Art der Segmentierung mit der Ablagerung von Paläogenen Evaporiten assoziiert sein. (2) Der zweite Schwerpunkt wurde auf tief-liegende langsame Böschungsverformungen gelegt, die insbesondere im Gebiet des markanten Übergangs zwischen dem Fergana-Tal und dem Hochrelief der Alai-Gebirgskette ausgeprägt sind. Die Alai-Kette stellt einen aktiven Gebirgskeil der Pamir-Tien-Shan-Kollisionszone dar, welche als ein sich stufenweise nach Norden fortsetzender Falten- und Überschiebungsgürtel beschrieben wird. Die interferometrische Analyse von ALOS/PALSAR-Radardaten deckt einen Zeitraum von vier Jahren ab (2007-2010) und nutzt den „Small-Basline-Subset“ (SBAS) Zeitreihenansatz um Oberflächendeformationen mit Millimeter-Genauigkeit zu bestimmen. 118 Interferogramme wurden analysiert, um die räumlich-kontinuierlichen Bewegungen mit Hangabwärts-Geschwindigkeiten von bis zu 71 mm/Jahr zu beobachten. Die erhaltenen Raten weisen auf eine langsame Bewegung von tief-verwurzelten Hangrutschungen während der Beobachtungszeit hin. Wir korrelierten diese Bewegungen mit Niederschlags- und seismischen Beobachtungen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die größten Deformationen mit den Regenmengen der drei vorhergehenden Monate und mit einem Erdbebenereignis korrelieren. Im nächsten Schritt wurden die tektonischen und lithologischen Verhältnisse mit den Mustern der Oberflächendeformation kombiniert, um das räumliche Muster der Hangrutschungsprozesse zu verstehen. Wir zeigen, dass die lithologischen und tektonischen Strukturen die Hauptkontrollmechanismen für das Auftreten von Hangrutschungen und für den Grad der Oberflächendeformation sind. Darüber hinaus ist die aktive Kontraktion und Einengungstektonik an der Vorderseite und Front des kontinentalen Akkretionskeils der hauptsächliche Mechanismus der Relieferhaltung. Einige der langsameren aber kontinuierlich in Bewegung befindlichen Instabilitäten stehen in direktem Zusammenhang mit der tektonisch aktiven Störungen und Hebung sowie mit unkonsolidierten, jung-quartären synorogenen Molassesedimenten. Unser Ansatz bietet eine neue Kombination von InSAR-Techniken und tektonischen Aspekten um Hanginstabilitäten in tektonisch aktiven Gebirgsfronten im Kirgisischen Tien Shan zu lokalisieren und zu verstehen. KW - Synthetic Aperture Radar KW - earthquake KW - landslide KW - Pamir-Tien Shan KW - InSAR KW - Synthetic Aperture Radar KW - Erdbeeben KW - Hangrutsch KW - Pamir-Tien Shan KW - InSAR- Techniken Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96743 ER - TY - THES A1 - Bathke, Hannes T1 - An investigation of complex deformation patterns detected by using InSAR at Llaima and Tendürek volcanoes T1 - Eine Untersuchung von komplexen Erdoberflächenverformungen gemessen mit InSAR, an den Vulkanen Llaima und Tendürek N2 - Surface displacement at volcanic edifices is related to subsurface processes associated with magma movements, fluid transfers within the volcano edifice and gravity-driven deformation processes. Understanding of associated ground displacements is of importance for assessment of volcanic hazards. For example, volcanic unrest is often preceded by surface uplift, caused by magma intrusion and followed by subsidence, after the withdrawal of magma. Continuous monitoring of the surface displacement at volcanoes therefore might allow the forecasting of upcoming eruptions to some extent. In geophysics, the measured surface displacements allow the parameters of possible deformation sources to be estimated through analytical or numerical modeling. This is one way to improve the understanding of subsurface processes acting at volcanoes. Although the monitoring of volcanoes has significantly improved in the last decades (in terms of technical advancements and number of monitored volcanoes), the forecasting of volcanic eruptions remains puzzling. In this work I contribute towards the understanding of the subsurface processes at volcanoes and thus to the improvement of volcano eruption forecasting. I have investigated the displacement field of Llaima volcano in Chile and of Tendürek volcano in East Turkey by using synthetic aperture radar interferometry (InSAR). Through modeling of the deformation sources with the extracted displacement data, it was possible to gain insights into potential subsurface processes occurring at these two volcanoes that had been barely studied before. The two volcanoes, although of very different origin, composition and geometry, both show a complexity of interacting deformation sources. At Llaima volcano, the InSAR technique was difficult to apply, due to the large decorrelation of the radar signal between the acquisition of images. I developed a model-based unwrapping scheme, which allows the production of reliable displacement maps at the volcano that I used for deformation source modeling. The modeling results show significant differences in pre- and post-eruptive magmatic deformation source parameters. Therefore, I conjecture that two magma chambers exist below Llaima volcano: a post-eruptive deep one and a shallow one possibly due to the pre-eruptive ascent of magma. Similar reservoir depths at Llaima have been confirmed by independent petrologic studies. These reservoirs are interpreted to be temporally coupled. At Tendürek volcano I have found long-term subsidence of the volcanic edifice, which can be described by a large, magmatic, sill-like source that is subject to cooling contraction. The displacement data in conjunction with high-resolution optical images, however, reveal arcuate fractures at the eastern and western flank of the volcano. These are most likely the surface expressions of concentric ring-faults around the volcanic edifice that show low magnitudes of slip over a long time. This might be an alternative mechanism for the development of large caldera structures, which are so far assumed to be generated during large catastrophic collapse events. To investigate the potential subsurface geometry and relation of the two proposed interacting sources at Tendürek, a sill-like magmatic source and ring-faults, I have performed a more sophisticated numerical modeling approach. The optimum source geometries show, that the size of the sill-like source was overestimated in the simple models and that it is difficult to determine the dip angle of the ring-faults with surface displacement data only. However, considering physical and geological criteria a combination of outward-dipping reverse faults in the west and inward-dipping normal faults in the east seem to be the most likely. Consequently, the underground structure at the Tendürek volcano consists of a small, sill-like, contracting, magmatic source below the western summit crater that causes a trapdoor-like faulting along the ring-faults around the volcanic edifice. Therefore, the magmatic source and the ring-faults are also interpreted to be temporally coupled. In addition, a method for data reduction has been improved. The modeling of subsurface deformation sources requires only a relatively small number of well distributed InSAR observations at the earth’s surface. Satellite radar images, however, consist of several millions of these observations. Therefore, the large amount of data needs to be reduced by several orders of magnitude for source modeling, to save computation time and increase model flexibility. I have introduced a model-based subsampling approach in particular for heterogeneously-distributed observations. It allows a fast calculation of the data error variance-covariance matrix, also supports the modeling of time dependent displacement data and is, therefore, an alternative to existing methods. N2 - Oberflächenverschiebungen an Vulkanen können einerseits durch unterirdische Magmen- oder Fluidbewegungen oder andererseits durch Gravitation verursacht werden. So sind insbesondere vor Eruptionen oft Aufwölbungen an Vulkanen zu beobachten, verursacht durch Magmenintrusion in die Erdkruste. Nach Eruptionen hingegen sinkt das Vulkangebäude aufgrund von Magmenextrusion wieder. Kontinuierliche Messungen an Vulkanen ermöglichen es, Eruptionen teilweise bis auf wenige Tage vorherzusagen. Die gemessenen Oberflächenverschiebungen können in analytischen oder numerischen Modellierungen genutzt werden, um Parameter eines möglichen Quellprozesses abzuschätzen. Auf diese Art und Weise kann das Verständnis über die unterirdischen Prozesse, die an Vulkanen stattfinden, verbessert werden. Obwohl es in den letzten Jahrzehnten eine enorme Entwicklung und Verbesserung der Überwachung von Vulkanen gab, sind viele Vorhersagen sehr vage und ungenau. Mit dieser Arbeit möchte ich einen Beitrag zum Verständnis von unterirdischen Prozessen an Vulkanen und auf lange Sicht gesehen, zur Vorhersage von Eruptionen leisten. Ich habe die Vulkane, Llaima in Chile und Tendürek im Osten der Türkei, mit Hilfe der Interferometrie von Radardaten (InSAR) untersucht. Die somit gemessenen Verschiebungen an der Erdoberfläche ermöglichen es, durch Modellierung der möglichen Deformationsquellen, Informationen über die Untergrundstrukturen dieser beiden bisher kaum erforschten Vulkane zu bekommen. Obwohl unterschiedlich in Aufbau, Gesteinszusammensetzung und Entstehung, zeigen beide Vulkane Anzeichen dafür, dass jeweils mehrere interagierende Deformationsquellen im Untergrund existieren. Am Vulkan Llaima war es schwierig, aufgrund der starken Dekorrelation des Radarsignals zwischen den Satellitenaufnahmen, die InSAR Methode anzuwenden. Ich entwickelte eine Methode um die doppeldeutigen relativen Phasenwerte der Interferogramme modellbasiert in eindeutige relative Phasenwerte umzurechnen. Die damit erzeugten Oberflächenverschiebungskarten am Vulkan eigneten sich nun für eine anschließende Modellierung der Deformationsquelle. Die Modellierungsergebnisse zeigen signifikante Unterschiede zwischen den Parametern der präeruptiven- und posteruptiven Deformationsquellen. Demzufolge könnten zwei unterschiedliche, interagierende Magmenkammern unter Llaima existieren, eine tiefe, posteruptiv aktive Kammer und eine flache, durch den Aufstieg von Magma präeruptiv aktive Kammer. Am Vulkan Tendürek ist eine langfristige, kontinuierliche Senkung des Vulkangebäudes zu beobachten, die mit einem großen, aufgrund von Kühlung sich kontrahierenden, magmatischen Sill, erklärbar ist. Unter Hinzunahme von hochauflösenden, optischen Daten jedoch, sind bei genauerer Untersuchung bogenförmige Strukturen an der Erdoberfläche sichtbar. Diese sind Anzeichen dafür, dass Verwerfungen existieren, die das gesamte Vulkangebäude in einem elliptischen Ring umgeben. Dabei ist zu beobachten, dass die Ringstörungen über Jahrtausende, möglicherweise sogar kontinuierlich, geringe Magnituden von Versatz aufweisen. Bei langer, kontinuierlicher Aktivität über mehrere zehntausende von Jahren, könnte dies ein weiterer Mechanismus zur Entstehung von Calderastrukturen an Vulkanen darstellen, der jedoch sehr langsam verläuft. Im Gegensatz dazu ist die heutige weit verbreitete Auffassung, dass Calderen als Folge katastrophaler Einstürze von Vulkangebäuden entstehen. Um zu untersuchen welche Geometrie die vorgeschlagenen Strukturen Sill und Ringstörungen an Tendürek im Untergund haben könnten, vollführte ich eine weitaus komplexere numerische Modellierung. Diese zeigt, dass die Größe des Sills ohne Berücksichtigung der Ringstörung um ein Vielfaches überschätzt ist. Die Orientierung und Geometrie der Ringstörungen ist jedoch nicht eindeutig nur mit Oberflächenverschiebungsdaten auflösbar. Unter der Berücksichtigung von geologischen und physikalischen Gesichtspunkten sind nach Außen einfallende Aufschiebungen im Westen und nach Innen einfallende Abschiebungen im Osten die plausibelste Erklärung. Außerdem habe ich eine Methode zur Datenreduzierung entwickelt. Abhängig vom zu untersuchenden Prozess sind für die Modellierung von unterirdischen Deformationsquellen verhältnismäßig wenige gut verteilte Messpunkte an der Erdoberfläche ausreichend. Satelliten gestützte Radaraufnahmen haben jedoch oft mehrere Millionen dieser Punkte. Deshalb müssen diese riesigen Datensätze auf eine Art und Weise reduziert werden, dass keine oder nur möglichst wenige Informationen verloren gehen. Für diesen Zweck habe ich, ausgehend von einem existierenden Algorithmus, eine modellbasierte Methode zur Reduzierung von besonders heterogen verteilten Oberflächendaten entwickelt. Diese Methode ist besonders gut auf Zeitreihendatensätze anwendbar und stellt somit eine Alternative zu existierenden Algorithmen dar. KW - InSAR KW - Deformationsquellenmodellierung KW - Llaima Vulkan KW - Tendürek Vulkan KW - Ringstörungen KW - InSAR KW - deformation source modeling KW - Llaima volcano KW - Tendürek volcano KW - ring-fault Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70522 ER - TY - THES A1 - Nikolaeva, Elena T1 - Landslide kinematics and interactions studied in central Georgia by using synthetic aperture radar interferometry, optical imagery and inverse modeling T1 - Studien zur Kinematic und Interaction von Hangrutschen in Zentral Georgien mit Radarinterferometrie, optischen daten und inverser Modellierung N2 - Landslides are one of the biggest natural hazards in Georgia, a mountainous country in the Caucasus. So far, no systematic monitoring and analysis of the dynamics of landslides in Georgia has been made. Especially as landslides are triggered by extrinsic processes, the analysis of landslides together with precipitation and earthquakes is challenging. In this thesis I describe the advantages and limits of remote sensing to detect and better understand the nature of landslide in Georgia. The thesis is written in a cumulative form, composing a general introduction, three manuscripts and a summary and outlook chapter. In the present work, I measure the surface displacement due to active landslides with different interferometric synthetic aperture radar (InSAR) methods. The slow landslides (several cm per year) are well detectable with two-pass interferometry. In same time, the extremely slow landslides (several mm per year) could be detected only with time series InSAR techniques. I exemplify the success of InSAR techniques by showing hitherto unknown landslides, located in the central part of Georgia. Both, the landslide extent and displacement rate is quantified. Further, to determine a possible depth and position of potential sliding planes, inverse models were developed. Inverse modeling searches for parameters of source which can create observed displacement distribution. I also empirically estimate the volume of the investigated landslide using displacement distributions as derived from InSAR combined with morphology from an aerial photography. I adapted a volume formula for our case, and also combined available seismicity and precipitation data to analyze potential triggering factors. A governing question was: What causes landslide acceleration as observed in the InSAR data? The investigated area (central Georgia) is seismically highly active. As an additional product of the InSAR data analysis, a deformation area associated with the 7th September Mw=6.0 earthquake was found. Evidences of surface ruptures directly associated with the earthquake could not be found in the field, however, during and after the earthquake new landslides were observed. The thesis highlights that deformation from InSAR may help to map area prone landslides triggering by earthquake, potentially providing a technique that is of relevance for country wide landslide monitoring, especially as new satellite sensors will emerge in the coming years. N2 - Erdrutsche zählen zu den größten Naturgefahren in Georgien, ein gebirgiges Land im Kaukasus. Eine systematische Überwachung und Analyse der Dynamik von Erdrutschen in Georgien ist bisher nicht vorhanden. Da Erdrutsche durch extrinsische Prozesse ausgelöst werden, wird ihre Analyse zusammen mit Niederschlag und Erdbeben zu einer besonderen Herausforderung. In dieser Dissertation beschreibe ich die Potenziale und Limitierungen der Fernerkundung für die Detektion und das Verständnis von Erdrutschen in Georgien. Die Arbeit ist in einer kumulativen Form geschrieben, und besteht aus einer allgemeinen Einführung, drei Manuskripten sowie einer Zusammenfassung und einem Ausblick. In der vorliegenden Arbeit, Gestimme ich die Oberflächenverschiebung von aktiven Erdrutschen mit Methoden der Radarinterferometrie (InSAR). Die langsamen Erdrutsche (cm pro Jahr) konnten im einfachen Vergleich zeitlich unterschiedlicher Radaraufnahmen (two-pass InSAR), gut nachgewiesen werden. Die extrem langsamen Erdrutsche (mm pro Jahr) konnten hingegen nur mit InSAR Zeitreihentechniken nachgewiesen werden. Der Erfolg der angewandten InSAR Techniken wird durch die erfolgreiche Identifikation von bisher unbekannten Erdrutschen in Zentral Georgien veranschaulicht. Sowohl das Ausmaß als auch die Verschiebungsrate der Erdrutsche wurden quantifiziert. Ferner, um die mögliche Tiefe und Lage von potentiellen Gleitflächen zu bestimmen, wurden inverse Modelle entwickelt. Inverse Modellierung sucht nach Parametern der Quelle, welche die beobachtete Verschiebungsverteilung reproduzieren können. Ferner habe ich anhand der ermittelten Verschiebungsverteilung aus InSAR in Verbindung mit der Morphologie aus Luftaufnahmen das Volumen der untersuchten Erdrutsche empirisch abgeleitet. Ich habe eine Volumenformel für unseren Fall angepasst, und die verfügbaren Datensätze bezüglich Seismizität und Niederschlag kombiniert, um potenzielle auslösende Faktoren zu analysieren. Eine leitende Frage hierbei war: Was sind die Ursachen für die Beschleunigung von Erdrutschen, wie sie in den InSAR Daten beobachtet werden konnte? Das Untersuchungsgebiet in Zentral Georgien ist seismisch sehr aktiv. Als zusätzlichen Produkt der InSAR Datenanalyse wurde ein Deformationsgebiet gefunden, welches im Zusammenhang mit dem Mw=6.0 Erdbeben vom 7. September 2009 zusammenhängt. Beweise für Oberflächenbrüche, die direkt mit dem Erdbeben zusammenhängen, konnten in dem Gebiet nicht gefunden werden, jedoch konnten während und nach dem Erdbeben neue Erdrutsche beobachtet werden. Die Dissertation unterstreicht, dass Verformungsinformationen aus InSAR Analysen helfen können ein Gebiet, welches von Erdbebeninduzierten Erdrutschen gefährdet ist, zu kartieren. Potenziell stellt InSAR eine Technik dar, die von Bedeutung für die landesweite Überwachung von Erdrutschen sein kann, insbesondere im Hinblick auf die neuen Satellitensensoren, die in den kommenden Jahren verfügbar sein werden. KW - Erdrutsch KW - Georgien KW - InSAR Datenanalyse KW - Landslide KW - remote sensing KW - Georgia KW - displacement KW - InSAR Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70406 ER -