Christin Lubitz

• Direct anthropogenic influences on the Earth’s subsurface during drilling, extraction or injection activities, can affect land stability by causing subsidence, uplifts or lateral displacements. They can occur in localized as well as in uninhabited and inhabited regions. Thus the associated risks for humans, infrastructure, and environment must be minimized. To achieve this, appropriate surveillance methods must be found that can be used for simultaneous monitoring during such activities. Multi-temporal synthetic aperture radar interferometry (MT-InSAR) methods like the Persistent Scatterer Interferometry (PSI) and the Small BAseline Subsets (SBAS) have been developed as standard approaches for satellite-based surface displacement monitoring. With increasing spatial resolution and availability of SAR sensors in recent years, MT-InSAR can be valuable for the detection and mapping of even the smallest man-made displacements. This doctoral thesis aims at investigating the capacities of the mentioned standard methods for this purpose,Direct anthropogenic influences on the Earth’s subsurface during drilling, extraction or injection activities, can affect land stability by causing subsidence, uplifts or lateral displacements. They can occur in localized as well as in uninhabited and inhabited regions. Thus the associated risks for humans, infrastructure, and environment must be minimized. To achieve this, appropriate surveillance methods must be found that can be used for simultaneous monitoring during such activities. Multi-temporal synthetic aperture radar interferometry (MT-InSAR) methods like the Persistent Scatterer Interferometry (PSI) and the Small BAseline Subsets (SBAS) have been developed as standard approaches for satellite-based surface displacement monitoring. With increasing spatial resolution and availability of SAR sensors in recent years, MT-InSAR can be valuable for the detection and mapping of even the smallest man-made displacements. This doctoral thesis aims at investigating the capacities of the mentioned standard methods for this purpose, and comprises three main objectives against the backdrop of a user-friendly surveillance service: (1) the spatial and temporal significance assessment against leveling, (2) the suitability evaluation of PSI and SBAS under different conditions, and (3) the analysis of the link between surface motion and subsurface processes. Two prominent case studies on anthropogenic induced subsurface processes in Germany serve as the basis for this goal. The first is the distinct urban uplift with severe damages at Staufen im Breisgau that has been associated since 2007 with a failure to implement a shallow geothermal energy supply for an individual building. The second case study considers the pilot project of geological carbon dioxide (CO2) storage at Ketzin, and comprises borehole drilling and fluid injection of more than 67 kt CO2 between 2008 and 2013. Leveling surveys at Staufen and comprehensive background knowledge of the underground processes gained from different kinds of in-situ measurements at both locations deliver a suitable basis for this comparative study and the above stated objectives. The differences in location setting, i.e. urban versus rural site character, were intended to investigate the limitations in the applicability of PSI and SBAS. For the MT-InSAR analysis, X-band images from the German TerraSAR-X and TanDEM-X satellites were acquired in the standard Stripmap mode with about 3 m spatial resolution in azimuth and range direction. Data acquisition lasted over a period of five years for Staufen (2008-2013), and four years for Ketzin (2009-2013). For the first approximation of the subsurface source, an inversion of the InSAR outcome in Staufen was applied. The modeled uplift based on complex hydromechanical simulations and a correlation analysis with bottomhole pressure data were used for comparison with MT-InSAR measurements at Ketzin. In response to the defined objectives of this thesis, a higher level of detail can be achieved in mapping surface displacements without in-situ effort by using MT-InSAR in comparison to leveling (1). A clear delineation of the elliptical shaped uplift border and its magnitudes at different parts was possible at Staufen, with the exception of a vegetated area in the northwest. Vegetation coverage and the associated temporal signal decorrelation are the main limitations of MT-InSAR as clearly demonstrated at the Ketzin test site. They result in insufficient measurement point density and unwrapping issues. Therefore, spatial resolutions of one meter or better are recommended to achieve an adequate point density for local displacement analysis and to apply signal noise reduction. Leveling measurements can provide a complementary data source here, but require much effort pertaining to personnel even at the local scale. Horizontal motions could be identified at Staufen by only comparing the temporal evolution of the 1D line of sight (LOS) InSAR measurements with the available leveling data. An exception was the independent LOS decomposition using ascending and descending data sets for the period 2012-2013. The full 3D displacement field representation failed due to insufficient orbit-related, north-south sensitivity of the satellite-based measurements. By using the dense temporal mapping capabilities of the TerraSAR-X/TanDEM-X satellites after every 11 days, the temporal displacement evolution could be captured as good as that with leveling. With respect to the tested methods and in the view of generality, SBAS should be preferred over PSI (2). SBAS delivered a higher point density, and was therefore less affected by phase unwrapping issues in both case studies. Linking surface motions with subsurface processes is possible when considering simplified geophysical models (3), but it still requires intensive research to gain a deep understanding.…
• Die Stabilität der oberen Gesteinsschichten kann durch anthropogene Aktivitäten, wie Bohrungen, Gas- oder Fluidextraktionen, beziehungsweise –injektionen, so beeinflusst werden, dass Oberflächenhebungen, Senkungen und seitliche Lageverschiebungen auftreten können. Diese Bewegungen können lokal begrenzt sein, in bewohnten als auch unbewohnten Gebieten in Erscheinung treten und ein Risiko für Mensch, Umwelt und Infrastruktur darstellen. Die Einschätzung und Überwachung dieser Risiken kann lokal durch geophysikalische und geodätische Verfahren erfolgen, und mittels fernerkundlichen Analysen in einen räumlich zeitlichen Zusammenhang gebracht werden. Methoden der Synthetischen Apertur Radar Interferometrie (MT-InSAR) wie die Persistent Scatterer Interferometry (PSI) oder das Small BAseline Subsets (SBAS) Verfahren haben sich als Standardanwendung für die satellitengestützte Messung von Oberflächenverschiebungen etabliert. Immer hochauflösendere Systeme sowie die Zunahme an zur Verfügung stehenden Sensoren in den letzten Jahren erlauben dasDie Stabilität der oberen Gesteinsschichten kann durch anthropogene Aktivitäten, wie Bohrungen, Gas- oder Fluidextraktionen, beziehungsweise –injektionen, so beeinflusst werden, dass Oberflächenhebungen, Senkungen und seitliche Lageverschiebungen auftreten können. Diese Bewegungen können lokal begrenzt sein, in bewohnten als auch unbewohnten Gebieten in Erscheinung treten und ein Risiko für Mensch, Umwelt und Infrastruktur darstellen. Die Einschätzung und Überwachung dieser Risiken kann lokal durch geophysikalische und geodätische Verfahren erfolgen, und mittels fernerkundlichen Analysen in einen räumlich zeitlichen Zusammenhang gebracht werden. Methoden der Synthetischen Apertur Radar Interferometrie (MT-InSAR) wie die Persistent Scatterer Interferometry (PSI) oder das Small BAseline Subsets (SBAS) Verfahren haben sich als Standardanwendung für die satellitengestützte Messung von Oberflächenverschiebungen etabliert. Immer hochauflösendere Systeme sowie die Zunahme an zur Verfügung stehenden Sensoren in den letzten Jahren erlauben das Aufspüren und Kartieren von kleinsten menschengemachten Bewegungen der oberen Gesteinsschichten mittels MT-InSAR. Ziel dieser Doktorarbeit ist die Untersuchung der oben genannten Standardmethoden hinsichtlich ihrer Eignung zur räumlich zeitlichen Analyse von lokalen Bewegungen. Vor dem Hintergrund einer nutzerfreundlichen Anwendung werden dabei drei Punkte eingehend betrachtet: (1) die Bewertung der raum-zeitlichen Signifikanz gegenüber dem Nivellement, (2) die Eignungsbeurteilung beider Methoden unter verschiedenen Bedingungen und (3) die Analyse der Verknüpfbarkeit von Oberflächenbewegungen und Untergrundprozessen. Als Grundlage für diese Untersuchung dienen zwei bekannte Bohrprojekte in Deutschland. Das erste ist ein fehlgeschlagenes Projekt zur geothermalen Energieversorgung eines einzelnen Gebäudes in Staufen im Breisgau im Jahr 2007. Damit in Verbindung steht eine ausgeprägte innerstädtische Hebung mit ernsten Schäden an der Wohnbebauung. Das zweite ist ein Pilotprojekt zur geologischen Speicherung von Kohlenstoffdioxid (CO2) in Ketzin, welches Bohrungen und Fluidinjektionen von mehr als 67 kt CO2 zwischen 2008 und 2013 umfasst. Die Nivellement-Messungen in Staufen sowie das umfangreiche Hintergrundwissen durch verschiedene in-situ Messungen zu den Untergrundprozessen an beiden Standorten bieten eine solide Grundlage für diese vergleichende Studie und ihre Ziele. Da beide Standorte sich stark unterscheiden, insbesondere hinsichtlich ihres städtischen beziehungsweise ländlichen Charakters, erlauben diese Fallstudien eine Untersuchungen der Grenzen in der Anwendbarkeit von den Methoden PSI und SBAS. Für die Untersuchung wurden Bilddaten im X-Band von den deutschen Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X im Standardmodus Stripmap mit etwa 3m Azimut- und Entfernungsauflösung aufgenommen. Die Datenakquise für Staufen umfasste fünf Jahre (2008-2013) und für Ketzin vier Jahre (2009-2013). In Staufen wurde durch eine Inversion der InSAR-Resultate eine erste Näherung zur Lokalisierung einer Volumenexpansion im Untergrund erzielt, welche ursächlich für die an der Oberfläche beobachteten Hebungen ist. Für das Ketzin-Projekt wurden komplexe hydromechanische Simulationen durchgeführt und darauf basierende modellierte Hebungen zum Vergleich mit den MT-InSAR-Messungen herangezogen. Zusätzlich erfolgte eine vergleichende Korrelationsanalyse mit den Druckdaten aus der Injektionsbohrung. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Im Vergleich zu den gängigen Nivellement-Messungen ein deutlich höherer Detailgrad in der Kartierung der Oberflächenbewegungen durch das fernerkundliche MT-InSAR Verfahren erlangt werden konnte (1). Die klare Abgrenzung des elliptischen Hebungsfeldes in Staufen sowie seiner variierenden Magnituden an verschiedenen Positionen konnte deutlich gezeigt werden, mit Ausnahme einer Vegetationsfläche im nordwestlichen Abschnitt. Die Fallstudie zu Ketzin demonstriert ebenfalls die methodischen Einschränkungen bei MT-InSAR durch Vegetation und den damit einhergehenden Signalverlusten. Als Folge traten eine unzureichende Messpunktdichte und Probleme in der Phasenabwicklung auf. Eine räumliche Auflösungen von einem Meter oder besser würde die Wahrscheinlichkeit einer geeigneten Punktdichte erhöhen. Außerdem ermöglicht sie die Anwendung passender Methoden zur Rauschreduzierung des Signals unter geringen Verlusten in der räumlichen Auflösung. Dennoch zeigte sich, dass Nivellement-Kampagnen als ergänzende Datenquelle wertvolle Informationen liefern, auch wenn diese einen hohen Arbeitsaufwand selbst für lokale Ereignisse erfordern. Die Identifizierung von Horizontalbewegungen in Staufen war nur durch den Vergleich des zeitlichen Hebungsverlaufes von Nivellement- und den 1D InSAR-Resultaten festellbar. Eine Ausnahme bildete die davon unabhängige Verschneidung zweier Datensätze von je einem aufsteigenden und absteigenden Orbit für den Zeitraum 2012-2013. Die Darstellung eines kompletten, satellitengestützten 3D-Bewegungsfeldes scheitert an der ungenügenden, umlaufbahnbedingten Sensitivität in Nord-Süd-Richtung. Die zeitlich dichte Kartierung durch TerraSAR-X und TanDEM-X alle 11 Tage ermöglicht eine ebenso detaillierte zeitliche Erfassung der Entwicklung wie mittels Nivellement. Die Untersuchungen an beiden Standorten haben gezeigt, dass das SBAS-Verfahren im Allgemeinen nützlichere Ergebnisse liefert, als das PSI-Verfahren (2). Das SBAS-Verfahren lieferte die höhere Punktdichte und zeigte aufgrund dessen weniger Probleme bei der Phasenabwicklung. Die Verknüpfung von Bewegungen in den oberen Gesteinsschichten mit deren ursächlichen Untergrundprozessen ist unter Einbeziehung vereinfachter geophysikalischer Modelle möglich (3), verlangt aber noch weiterführende Analysen für ein tieferes Verständnis.…