SAR interferometry analysis of surface processes in the Pamir – Tien Shan active orogens - emphasis on coseismic deformation and landslides

SAR Interferometrie Analyse von Erdoberflächen-Veränderungen im tektonisch aktiven Pamir-Tien Shan Gebirge - Schwerpunkt auf koseismische Verformung und Hangrutschungen

  • 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 IrkeshtamThis 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.show moreshow less
  • 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 geologischeDie 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Kanayim Teshebaeva
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96743
Advisor:Helmut Echtler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/07/18
Release Date:2016/10/10
Tag:Erdbeeben; Hangrutsch; InSAR- Techniken; Pamir-Tien Shan; Synthetic Aperture Radar
InSAR; Pamir-Tien Shan; Synthetic Aperture Radar; earthquake; landslide
Pagenumber:128
RVK - Regensburg Classification:UT 2700, TP 6860, RB 10232
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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