Métodos diferenciales e interferométricos para la evaluación de deformaciones de la corteza terrestre mediante técnicas GNSS e InSAR
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Prieto, Juan
2017-A
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Métodos diferenciales e interferométricos para la evaluación de deformaciones de la corteza terrestre mediante técnicas GNSS e InSAR
La actividad volcánica interviene en multitud de facetas de la propia actividad humana, no
siempre negativas. Sin embargo, son más los motivos de peligrosidad y riesgo que incitan al
estudio de la actividad volcánica. Existen razones de seguridad que inciden en el mantenimiento
del seguimiento y monitorización de la actividad volcánica para garantizar la vida y la seguridad
de los asentamientos antrópicos en las proximidades de los edificios volcánicos. En esta
tesis se define e implementa un sistema de monitorización de movimientos de la corteza en las
islas de Tenerife y La Palma, donde el impacto social que representa un aumento o variación
de la actividad volcánica en las islas es muy severo. Aparte de la alta densidad demográfica del
Archipiélago, esta población aumenta significativamente, en diferentes periodos a lo largo del
año, debido a la actividad turística que representa la mayor fuente de ingresos de las islas.
La población y los centros turísticos se diseminan predominantemente a lo largo de las
costas y también a lo largo de los flancos de los edificios volcánicos. Quizá el mantenimiento
de estas estructuras sociales y socio-económicas son los motivos más importantes que justifican
una monitorización de la actividad volcánica en las Islas Canarias.
Recientemente se ha venido trabajando cada vez más en el intento de predecir la actividad
volcánica utilizando los nuevos sistemas de monitorización geodésica, puesto que la actividad
volcánica se manifiesta anteriormente por deformación de la corteza terrestre y cambios en la
fuerza de la gravedad en la zona donde más tarde se registran eventos volcánicos.
Los nuevos dispositivos y sensores que se han desarrollado en los últimos años en materias
como la geodesia, la observación de la Tierra desde el espacio y el posicionamiento por satélite,
han permitido observar y medir tanto la deformación producida en el terreno como los
cambios de la fuerza de la gravedad antes, durante y posteriormente a los eventos volcánicos que
se producen. Estos nuevos dispositivos y sensores han cambiado las técnicas o metodologías
geodésicas que se venían utilizando hasta la aparición de los mismos, renovando métodos
clásicos y desarrollando otros nuevos que ya se están afianzando como metodologías probadas y
reconocidas para ser usadas en la monitorización volcánica.
Desde finales de la década de los noventa del siglo pasado se han venido desarrollando en
las Islas Canarias varios proyectos que han tenido como objetivos principales el desarrollo de
nuevas técnicas de observación y monitorización por un lado y el diseño de una metodología
de monitorización volcánica adecuada, por otro. Se presenta aquí el estudio y desarrollo de
técnicas GNSS para la monitorización de deformaciones corticales y su campo de velocidades
para las islas de Tenerife y La Palma.
En su implementación, se ha tenido en cuenta el uso de la infraestructura geodésica y de
monitorización existente en el archipiélago a fin de optimizar costes, además de complementarla
con nuevas estaciones para dar una cobertura total a las dos islas. Los resultados obtenidos
en los proyectos, que se describen en esta memoria, han dado nuevas perspectivas en la
monitorización geodésica de la actividad volcánica y nuevas zonas de interés que anteriormente no
se conocían en el entorno de las Islas Canarias.
Se ha tenido especial cuidado en el tratamiento y propagación de los errores durante
todo el proceso de observación, medida y proceso de los datos registrados, todo ello en aras
de cuantificar el grado de fiabilidad de los resultados obtenidos. También en este sentido, los
resultados obtenidos han sido verificados con otros procedentes de sistemas de observación
radar de satélite, incorporando además a este estudio las implicaciones que el uso conjunto de
tecnologías radar y GNSS tendrán en un futuro en la monitorización de deformaciones de la
corteza terrestre.
Differential and interferometric methods for the evaluation of crustal deformation by GNSS and InSAR techniques
Volcanic activity occurs in many aspects of human activity, and not always in a negative
manner. Nonetheless, research into volcanic activity is more likely to be motivated by its
danger and risk. There are security reasons that influence the monitoring of volcanic activity in
order to guarantee the life and safety of human settlements near volcanic edifices. This thesis
defines and implements a monitoring system of movements in the Earth’s crust in the islands of
Tenerife and La Palma, where the social impact of an increase (or variation) of volcanic activity
is very severe. Aside from the high demographic density of the archipelago, the population
increases significantly in different periods throughout the year due to tourism, which represents
a major source of revenue for the islands.
The population and the tourist centres are mainly spread along the coasts and also along
the flanks of the volcanic edifices. Perhaps the preservation of these social and socio-economic
structures is the most important reason that justifies monitoring volcanic activity in the Canary
Islands.
Recently more and more work has been done with the intention of predicting volcanic activity,
using new geodetic monitoring systems, since volcanic activity is evident prior to eruption
because of a deformation of the Earth’s crust and changes in the force of gravity in the zone
where volcanic events will later be recorded.
The new devices and sensors that have been developed in recent years in areas such as
geodesy, the observation of the Earth from space, and satellite positioning have allowed us to
observe and measure the deformation produced in the Earth as well as the changes in the force
of gravity before, during, and after the volcanic events occur. The new devices and sensors have
changed the geodetic techniques and methodologies that were used previously. The classic
methods have been renovated and other newer ones developed that are now vouched for as
proven recognised methodologies to be used for volcanic monitoring.
Since the end of the 1990s, in the Canary Islands various projects have been developed whose
principal aim has been the development of new observation and monitoring techniques on
the one hand, and the design of an appropriate volcanic monitoring methodology on the other.
The study and development of GNSS techniques for the monitoring of crustal deformations
and their velocity field is presented here.
To carry out the study, the use of geodetic infrastructure and existing monitoring in the
archipelago have been taken into account in order to optimise costs, besides complementing it
with new stations for total coverage on both islands. The results obtained in the projects, which
are described below, have produced new perspectives in the geodetic monitoring of volcanic
activity and new zones of interest which previously were unknown in the environment of the
Canary Islands.
Special care has been taken with the treatment and propagation of errors during the entire
process of observing, measuring, and processing the recorded data. All of this was done
in order to quantify the degree of trustworthiness of the results obtained. Also in this sense,
the results obtained have been verified with others from satellite radar observation systems,
incorporating as well in this study the implications that the joint use of radar technologies and
GNSS will have for the future of monitoring deformations in the Earth’s crust.
Índice general
Índice de figuras
Índice de cuadros
Abreviaturas y acrónimos
Agradecimientos
Resumen
Abstract
Introducción
1 Técnicas geodésicas para posicionamiento en geodinámica
1.1 Introducción
1.2 Técnicas geodésicas clásicas
1.3 Limitaciones de los métodos geodésicos clásicos
1.4 Sistemas de posicionamiento geodésico por satélite
1.4.1 Principio de multilateración espacial
1.4.2 Determinación del tiempo de viaje de la señal
1.4.3 Estructura de la señal GNSS
1.4.4 Medidas que realiza un receptor GNSS
1.4.4.1 Medida sobre el código
1.4.4.2 Medida de la fase de la onda portadora
1.4.5 Combinación lineal de medidas de fase GNSS
1.4.5.1 Combinación entre observables registrados en un mismo receptor
1.4.5.2 Combinación entre observables de varios receptores
1.4.5.2 Combinación entre observables de varios receptores
1.4.6 Combinaciones de frecuencias
1.4.6.1 Combinaciones libres de ionosfera
1.4.6.2 Combinaciones libres de geometría
1.4.6.3 Combinaciones Wide-lane
1.4.6.4 Combinaciones Narrow-lane
1.4.6.5 Combinación Melbourne-Wübbena
1.4.6.6 Posicionamiento de punto preciso GNSS
1.5 Sistemas de referencia de tiempo y espacio usados en GNSS
1.5.1 Sistema de referencia de tiempos
1.5.2 Sistema de referencia de espacio
1.5.2.1 Sistemas de referencia de espacio actuales
1.5.2.2 Sistemas de referencia de espacio de constelaciones GNSS
1.5.2.3 Sistemas de referencia de espacio instantáneos
1.6 Fuentes de error que afectan a las señales GNSS
1.6.1 Fuentes convencionales de error de las señales GNSS
1.6.1.1 Órbitas de los satélites y errores en sus relojes
1.6.1.2 Retardo ionosférico
1.6.1.3 Retardo troposférico
1.6.1.4 Error del reloj del receptor
1.6.1.5 Multipath y ruido de la medida
1.6.2 Fuentes especiales de error
1.6.2.1 Efecto relativista
1.6.2.2 Marea terrestre
1.6.2.3 Carga oceánica
1.6.2.4 Carga atmosférica
1.6.2.5 Efecto Phase Wind Up
1.6.2.6 Desplazamiento del centro de fase de las antenas y su variación
1.7 Sistemas diferenciales de Rádar de Apertura Sintética
1.7.1 Rádar de Apertura Sintética
1.7.2 Interferometría rádar
1.7.3 Interferometría rádar diferencial
1.7.4 Procesado multitemporal
2 Marco geológico y geodinámico de las islas de Tenerife y La Palma
2.1 Introducción
2.2 Situación tectónica y geodinámica regional
2.2.1 Origen y tectónica del archipiélago canario
2.2.2 Evolución del archipiélago
2.2.3 Estado actual
2.3 Marco tectónico y geodinámico de la isla de Tenerife
2.4 Marco tectónico y geodinámico de la isla de La Palma
2.5 Peligrosidad potencial en las islas de Tenerife y La Palma
3 Estudios geodésicos previos
3.1 Introducción
3.2 Estudios generales en el archipiélago y de marcos geodésicos de referencia
3.2.1 Posicionamiento y marcos de referencia
3.2.2 Gravimetría estructural
3.2.3 Otros estudios
3.3 Nuevas técnicas espaciales
3.4 Estudios anteriores en Tenerife y La Palma
3.4.1 Posicionamiento: métodos clásicos
3.4.2 DInSAR
3.4.3 GNSS
3.4.4 Gravimetría y estudios estructurales
4 Redes GNSS diseñadas para la monitorización de las islas de Tenerife y La Palma
4.1 Introducción
4.2 Red GNSS en la Isla de Tenerife
4.2.1 Características espaciales de la red de monitorización
4.2.2 Metodología de diseño y establecimiento de la red
4.2.2.1 Accesibilidad
4.2.2.2 Seguridad
4.2.2.3 Estabilidad del suelo
4.2.2.4 Horizonte despejado
4.2.2.5 Multipath
4.2.2.6 Monumentación de la red
4.2.2.7 Sistema de estacionamiento en superficie
4.2.2.8 Instalación y rutina de observación
4.2.3 Instrumentación y observación de campañas
4.3 Red GNSS en la Isla de La Palma
4.3.1 Diseño y establecimiento
4.3.2 Instrumentación y observación de campañas
4.3.3 Aplicación del GNSS a estudios estructurales
5 Estrategia de cálculo y proceso de datos GNSS
5.1 Introducción
5.2 Elección del software de proceso de datos GNSS
5.2.1 Categorías de software
5.2.2 Software para el proceso de datos GNSS de las redes de las islas de Tenerife y La Palma
5.3 Estructura de Software GAMIT y Bernese
5.3.1 Estrategia de proceso de datos
5.4 Resultados red de monitorización de Tenerife
5.4.1 Proceso GAMIT
5.4.2 Proceso Bernese
5.5 Resultados red de monitorización de La Palma
5.5.1 Proceso GAMIT
5.6 Resultados red de GNSS para estudios estructurales de La Palma
6 Tratamiento e interpretación de las soluciones GNSS
6.1 Introducción
6.2 Eliminación de valores anómalos en campañas
6.2.1 Isla de Tenerife
6.2.1.1 Procesado de datos con GAMIT
6.2.1.2 Procesado de datos con Bernese
6.2.2 Estudio comparativo
6.2.3 Procesado GAMIT red de la Isla de La Palma
6.3 Cálculo de series temporales y velocidades en las estaciones de monitorización .
6.3.1 Isla de Tenerife
6.3.1.1 Campo de velocidades para la Isla de Tenerife
6.3.2 Isla de La Palma
6.3.2.1 Campo de velocidades para la Isla de La Palma
6.4 Discusión de resultados
6.4.1 Isla de Tenerife
6.4.2 Isla de La Palma
6.5 Implicaciones de los resultados obtenidos en el diseño de la vigilancia geodésica
Conclusiones
Bibliografía
A Series temporales por campañas (incluido en CD adjunto)
A.1 Series temporales de repetibilidades del proceso con GAMIT de la red de monitorización de la Isla de Tenerife
A.2 Repetibilidades medias sin valores anómalos del proceso con GAMIT de la red de monitorización de la Isla de Tenerife
A.3 Series temporales de repetibilidades del proceso con Bernese de la red de monitorización de la Isla de Tenerife
A.4 Repetibilidades medias sin valores anómalos del proceso con Bernese de la red de monitorización de la Isla de Tenerife
A.5 Series temporales de repetibilidades del proceso con GAMIT de la red de monitorización de la Isla de La Palma
A.6 Repetibilidades medias sin valores anómalos del proceso con GAMIT de la red de monitorización de la Isla de La Palma
B Incertidumbres y diferencias en los procesados de las redes de la Isla de Tenerife (incluido en CD adjunto)
B.1 Incertidumbres en los procesados de Tenerife
B.2 Diferencias de coordenadas en los procesados de Tenerife
Conclusiones
Esta memoria de tesis doctoral se ha centrado en la observación y obtención de resultados
de desplazamientos del terreno mediante el uso de datos derivados de técnicas geodésicas
GNSS y su validación con técninas DInSAR. En este trabajo se han planteado dos objetivos
principales y uno secundario. A continuación, se describen de forma resumida las principales
conclusiones y resultados obtenidos para cada uno de ellos.
Conclusiones por objetivos
Objetivo 1: “Estudio y diseño de redes de monitorización geodésica y diseño de la metodología de
observación.”
Objetivo 1.a: “Diseño de las redes de monitorización, que también contemple la minimización
del impacto ambiental y los costes de ejecución que pueda ser extensible para el conjunto del
Archipiélago Canario.”
Se han analizado las diferentes redes geodésicas desplegadas a lo largo de la historia en
las Islas Canarias, comprobando su aplicación y propósito, las precisiones e incertidum-
bres obtenidas, su grado de cobertura, su monumentación, la metodología de observación
y el instrumental utilizado (ver Cap. 4).
Se han revisado los métodos de trabajo con las técnicas GNSS comprobando la precisión
que se obtiene y los requerimientos de las metodologías. También se han revisado las
fuentes de error a fin de obtener el máximo de precisión con una adecuada relación con
el coste de observación de las redes (Sección 1.6). Se han definido unos criterios de
accesibilidad, seguridad, estabilidad del suelo, horizonte despejado y multipath (Sección 4.2.2),
que deben tener las estaciones de monitorización.
También se han diseñado las condiciones que han de que tener las redes (Sección 4.2.1). así
como el diseño de una monumentación que incorpora las monumentaciones geodésicas
revisadas que mantienen estabilidad para garantizar la precisión requerida (ver Sección
4.2.2.6). Así se han recuperado en el diseño de las redes de monitorización de Tenerife y
La Palma las estaciones geodésicas con pilar de hormigón de de la red REGCAN95 de La
Quinta (QUIN), Abona (ABON), Chinobre (CHIN), Pinar de Chío (CHIO), Cobre (COBR),
Coloradas (COLO), Gordo (GORD), Mozos (MOZO), Rasca (RASC), Regatón (REGA),
Retama (RETA), Rique (RIQU), Taco (TACO), Teide (TEID), Puerto de la Cruz (CRUZ),
Bocinegro (BOCI) y Ucanca (UCAN) en Tenerife, y Fernando Porto (FPOR), Time (TIME),
Roque de los Muchachos (ROQU), Don Pancho (DPAN), Jedey (JEDE), Tirimaga (TIRI) y
San Antonio (SANO) en La Palma. También se han usado las estaciones de la RCO canaria
C774 y C747. Además se han implantado cuatro nuevas estaciones en Tenerife (CLV1-CLV4)
y 20 en La Palma (LP01-LP21), con una monumentación perdurable en el tiempo
y con impacto ambiental y paisajístico mínimo a través de clavos de acero. También se
han planificado algunas estaciones de apoyo puntual para la fase de observación de las
campañas (ver el Capítulo 4).
Objetivo 1.b: “Dado que la mayor magnitud de la deformación de la corteza terrestre se espera
en el sentido vertical, el diseño de la metodología de observación deberá tener esto en cuenta
para minimizar las incertidumbres de observación.”
Se han revisado los sistemas de estacionamiento de precisión de antenas GNSS tanto para
pilares de hormigón como para clavos de referencia empotrados en roca (Sección 4.2.2.7).
Se ha diseñado un sistema de estacionamiento con bastón metálico que permite la orientación
de la antena y tiene la altura de la antena al clavo de referencia constante, eliminando
en la práctica el error en altura por estacionamiento de la antena. La incertidumbre
horizontal del estacionamiento se mantiene controlada con la adaptación de un nivel esférico
de precisión. Se han mecanizado y construido varios ejemplares de este diseño con el que
se han observado las diferentes redes (Sec. 4.2.2.7). En el diseño del sistema de estacionamiento
se han tenido en cuenta las particularidades de los materiales, la altura mínima
necesaria para evitar el efecto multipath y el sistema de nivelación del mismo.
En base a la revisión previa realizada para fijar la magnitud de los desplazamientos espe-
rables, se elige el método de observación GNSS más adecuado, como el método estático
relativo por diferencia de fase, así como el tipo y características de equipos receptores y
la duración de las sesiones de observación.
Objetivo 1.c: “Localización de las áreas de mayor peligrosidad por volcanismo en las islas
Tenerife y La Palma para incluir éstas en el diseño de las redes.”
En la Sección 2.2 se ha revisado la situación tectónica y geológica regional del archipiélago,
focalizando el estudio sobre las islas de Tenerife y La Palma, desde su evolución
histórica hasta definir su situación actual.
Se ha estudiado el marco tectónico y geodinámico de la isla de Tenerife (Secc. 2.3) y el
marco tectónico y geodinámico de la isla de La Palma (Secc. 2.4).
Con esta información se han definido las zonas de peligrosidad potencial en las islas de
Tenerife y La Palma (Secc. 2.5) y se han enumerado los parámetros a los que un sistema
completo de monitorización y vigilancia volcánica debería atender.
Finalmente se han definido, como zonas de peligrosidad donde focalizar la monitorización
geodésica, las estructuras tipo dorsales de Santiago, Nor-este y Sur en Tenerife, y la dorsal norte-sur
de Cumbre Vieja en La Palma (Figura 2.10); las zonas de esfuerzos tensionales originados por
la inyección continuada de diques en estas estructuras activas, a ambos lados de las dorsales anteriores.
Las calderas y valles calderiformes originados por
deslizamientos de grandes masas, Las Cañadas, Icod, La Orotava y Güímar en Tenerife,
y Taburiente y Cumbre nueva en La Palma. Algunos de estos colapsos gravitacionales están
aún en periodo de formación, lo que supone un riesgo adicional al propiamente eruptivo.
También las calderas incipientes, la hipotética que se generaría en la zona de fallas de la erupción del volcán San Juan – Llano del Banco en 1949 en La Palma; y el edificio central
del estratovolcán Teide-Pico Viejo.
Objetivo 2: “Establecimiento de redes de monitorización GNSS en las islas de Tenerife y La Palma.”
Objetivo 2.a: “Observación de distintas campañas GNSS, separadas en el tiempo, a fin de tener
un conjunto histórico de coordenadas, y su variación temporal, de las estaciones de monitorización.”
Definidas y planificadas las redes de monitorización con una filosofía de costes reducidos,
además de la metodología de su observación, se ha procedido a ejecutar en campo esta
observación periódica de campañas de monitorización GNSS en Tenerife. En concreto se
han realizado, después de la campaña del año 2000 (no planificada ni ejecutada por el
autor), en los sucesivos años 2001, 2002, 2004, 2005, 2006 y 2007 (ver Sección 4.2.3).
Las campañas se han realizado con observaciones en sesiones que van desde cuatro hasta
ocho horas con al menos seis receptores GNSS en observación simultánea y con al menos
doble sesión de observación en cada una de las estaciones de monitorización. La existencia
de dos sesiones de observación en cada estación permitiría disponer de la posterior
repetibilidad de la solución en cálculo a fin de evaluar la calidad del posicionamiento
GNSS determinado. El detalle de la pauta temporal de las observaciones se ha incluido
en los Cuadros 4.1 hasta 4.6.
Con los mismos criterios de planificación y ejecución en campo se ha realizado la observación
periódica de campañas de monitorización GNSS para la Isla de La Palma. En este
caso se han observado cuatro campañas en los años 2006, 2007, 2008 y 2011 (ver Sección 4.3).
Se ha seguido el mismo criterio de observación en doble sesión con al menos seis receptores
GNSS para disponer también, para la monitorización de esta isla, de la posterior
repetibilidad de la solución en cálculo a fin de evaluar la calidad del posicionamiento
obtenido. El detalle de la pauta temporal de las observaciones se ha incluído en los Cuadros
4.7 hasta 4.10.
Objetivo 2.b: “Comparación de al menos dos procesados con software GNSS científico de de la
mas alta precisión a fin de conocer las incertidumbres y repetibilidades de las soluciones que
se obtienen con este tipo de software y este tipo de redes geodésicas. Cálculo de las distintas
campañas GNSS observadas.”
En función de las fuentes de error que afectan a las observaciones GNSS para conseguir
un posicionamiento de alta precisión estudiadas en la Sección 1.6, se ha realizado un
estudio de los diferentes tipos de software GNSS que existen en la actualidad, con atención
a los métodos GNSS que soportan, las fuentes de error que modelan y la accesibilidad a
los mismos (Sección 5.2).
En base al estudio anterior y a las necesidades de la precisión sub-centimétrica requerida
para la resolución de las redes GNSS observadas, se han seleccionado los paquetes de
procesado GNSS GAMIT versión 10.33 (Herring y otros, 2008), desarrollado por el Massachusetts
Institute of Technology, y Bernese Software (BERNESE), versión 5.0 desarrollado en
el Astronomisches Institut Universität Bern (Dach y otros, 2007).
Con una estrategia de procesado GNSS similar (ver Sección 5.3.1) se ha procedido a
calcular el conjunto de campañas con mayor cantidad de datos, las anteriormente citadas
siete campañas de observación de la red de Tenerife, con la asistencia de los dos
programas elegidos. Se han calculado las soluciones diarias para cada una de las campañas,
se ha realizado una compensación ponderada por cada campaña y se han analizado las
repetibilidades de las distintas soluciones que se han obtenido para todos los puntos,
juntamente con los errores formales que también se han obtenido con el proceso paralelo
con ambos programas. Se han generado también para cada campaña las series temporales
de repetibilidades de cada una de las estaciones calculadas campaña por campaña. La
totalidad de estas series han sido añadidas como Apéndice A a esta memoria.
Los resultados completos de incertidumbres se han incorporado en el Apéndice B,
Sección B.1. En la sección 6.2.2 se incluye un resumen de los mismos (Cuadro 6.21). Se han
calculado también valores promedio de los parámetros de error calculados mediante los
dos programas. Analizando estos valores promedios de todas las campañas (Cuadro 6.21
anterior), se llega a la conclusión que la desviación estándar media obtenida con Bernese
para la componente Este fue de 0,1 cm, de 0,1 cm para la componente Norte y 0,1 cm para
la componente en Altitud, y las desviaciones estándar medias obtenidas con GAMIT son
de 0,1 cm para la componente Norte, de 0,1 cm para la componente Este y de 0,5 cm para
la componente en Altitud. Podríamos resumir este estudio diciendo que la posición
horizontal con Bernese presenta una incertidumbre una o dos veces menor que con GAMIT,
mientras que en caso de la posición vertical la incertidumbre es unas cuatro veces menor.
Además del estudio de errores también se ha abordado un estudio directo de las diferencias
de coordenadas calculadas con los dos programas para cada una de las estaciones
monitorizadas (ver el Cuadro 6.22). La diferencia media en la componente Este fue de 0,7
cm con una desviación estándar de ±0,7 cm. La diferencia media en la componente Norte
fue de −0,7 cm con una desviación estándar de ±0,4 cm, mientras que en la componente
en Altura, la diferencia media fue de 0,6 cm ±0,5 cm.
De las comparativas anteriores, se llega a la conclusión que los resultados obtenidos con
Bernese son demasiado optimistas si comparamos sus desviaciones estándar con las repetibilidades
obtenidas o, incluso, con las diferencias entre las coordenadas obtenidas con
los dos procesados. De resultados de errores de algún milímetro se han obtenido, realmente,
repetibilidades y diferencias del tipo no milimétrico aunque si sub-centimétrico.
Por tanto se deduce que las coordenadas obtenidas mediante los dos programas están
ambos en el orden de la precisión esperada, pero son más realistas los indicadores de
error que proporciona GAMIT. Es por ello que se ha decidido completar el resto de los
trabajos de proceso de datos GNSS con el software GAMIT y así se ha procedido con
el proceso de datos GNSS de las cuatro campañas de monitorización de la Isla de La Palma.
Objetivo 2.c: “Estudio de las deformaciones temporales en las islas de Tenerife y La Palma con
cobertura global para las dos islas.”
Para el cálculo de las deformaciones detectadas en cada punto se ha procedido a eliminar
los posibles valores anómalos en alguna de las soluciones de las estaciones calculadas. A
tal fin se ha fijado un criterio estadístico de rechazo de soluciones anómalas en función
de la incertidumbre media de cada campaña (ver las Secciones 6.2.1.1, 6.2.1.2 y 6.2.3)
estableciendo un valor crítico de incertidumbre máxima para cada caso. En esta fase se
han detectado varias estaciones con resultados anómalos a los que se ha intentado dar
una justificación en función de las incertidumbres obtenidas.
Se han unificado los marcos de referencia en que estaban calculadas las coordenadas de
las series temporales de repetibilidades y se han transportado a una misma época común,
a fin de poder proceder a la estimación directa de las deformaciones en las estaciones
monitorizadas. Dado que los datos de partida para el cálculo de las campañas (posiciones
ITRF de las estaciones elegidas para el ajuste constreñido de cada campaña y las efemérides
precisas de los satélites observados) están referidas a las posiciones geocéntricas de la
época en que fueron observadas y al marco geodésico de referencia oficial en cada fecha
(ver las Secciones 1.5.2.1 y 1.5.2.2), de esta forma se ha eliminado la componente residual
de desplazamiento temporal por placa tectónica, llevando las posiciones a un marco de
referencia regional en cada isla.
Las coordenadas obtenidas para las campañas de la Isla de Tenerife se han referido a los
marcos ITRF97, ITRF2000 e ITRF2005, mientras que las coordenadas calculadas para la
Isla de La Palma se han obtenido en el marco ITRF2005 e ITRF2008. Para el transporte
de las coordenadas desde su época de observación hasta una época de referencia común
para el conjunto de las campañas calculadas para cada isla, dentro de su marco
correspondiente se ha seguido el proceso descrito en Boucher y Altamimi (2011) y Altamimi y
otros (2002b) (ver la Sección 6.3).
Después de haber barajado varias soluciones, se ha optado por unificar los marcos de
referencia geodésicos de cada campaña mediante una translación local evaluada en las
estaciones CORS del IGS de Maspalomas (MAS1) y La Palma (LPAL), utilizando las
posiciones de estas estaciones en los diferentes marcos de referencia geodésicos (ver la Sección
6.3.1). Este modelo, que también hemos usado con éxito en la estimación de deformaciones
durante la erupción del volcán Nyamulagira del año 2010 en la R.D. del Congo (Smets
y otros, 2014), es apto para regiones con escaso referencial geodésico de precisión y elimi-
nar la componente residual por movimiento de la placa tectónica.
Para la Isla de Tenerife, se han vuelto a calcular nuevas series temporales históricas de las
estaciones de monitorización en el marco común ITRF97 y época 2000.6. El conjunto de
estas series temporales se han incorporado estación por estación desde la Figura 6.1 hasta
la Figura 6.10.
Así mismo, se han calculado todas las coordendas de las cuatro campañas de
monitorización de la Isla de La Palma al marco ITRF2008 época 2011.7, con el mismo
procedimiento anterior (ver la Sección 6.3.2). Las nuevas series temporales obtenidas estación
por estación se han incluido desde la Figura 6.13 hasta la Figura 6.26.
Objetivo 2.d: “Determinación del campo de velocidades medias de las deformaciones en un
periodo lo mas amplio posible.”
Se ha procedido a la determinación del campo de velocidades medias para el conjunto de
estaciones de la red de monitorización de la Isla de Tenerife junto con sus incertidumbres
para el periodo 2000-2007, y se han resumido en el Cuadro 6.29 (ver Sección 6.3.1.1).
En esta fase se han eliminado las estaciones con una serie histórica corta. Los resultados
gráficos se han incorporado en las Figuras 6.11 y 6.12, con indicación de su incertidumbre.
Para la Isla de La Palma se ha procedido de forma similar, obteniéndose el campo de
velocidades medias para el conjunto de estaciones de la red de esta isla junto con sus
incertidumbres para el periodo 2006-2011, y se han incorporado resumidas en el Cuadro
6.30 (ver Sección 6.3.2.1). En esta fase se han eliminado también las estaciones con una
serie histórica corta. Los resultados gráficos se han incorporado en las Figuras 6.27, 6.28,
6.29 y 6.30, con indicación también de su incertidumbre.
Objetivo 2.e: “Validación de los resultados obtenidos mediante otras técnicas de cobertura total de las islas.”
Los resultados obtenidos de desplazamientos y velocidades medias anuales, han sido de
alta calidad a tenor de la magnitud de las incertidumbres encontradas en cada uno de
los procesados estudiados. Aún así se han verificado estos datos con estudios InSAR con
cobertura también total para las islas. El campo de desplazamientos determinado para la
Isla de Tenerife se ha contrastado con los estudios de Fernández y otros (2009b), que usa-
ron 55 imágenes radar obtenidas entre 1992 y 2005, procesadas con técnica DInSAR-SBAS.
Las velocidades en el citado estudio y las calculadas en esta tesis llegan a un acuerdo de
tipo milimétrico para un conjunto de estaciones que tienen resultados fiables en ambos
estudios (ver Sección 6.4.1).
Para la verificación de los resultados obtenidos de desplazamientos y velocidades medias
anuales en la Isla de La Palma con GNSS, los estudios DInSAR generales en esta isla son
mas limitados. Se ha contrastado el campo de velocidades medias aquí determinado con
el estudio que de la parte sur de la isla realizaron González y otros (2010c). Estos autores
usaron una combinación de imágenes Envisat. Aunque según los autores sus velocidades
determinadas tienen mucho ruido debido a que solo se ha podido disponer de las velocidades
estimadas y son de magnitud milimétrica muy cercana al propio nivel de la
incertidumbre, se han podido contrastar los desplazamientos en varias de las estaciones
de monitorización. Además, se ha constatado un cierto hundimiento en la parte sur deisla (ver Sección 6.4.2).
También se han comparado los resultados de las velocidades medias por nosotros obtenidos
en La Palma con el estudio de gravimetría estructural de Camacho y otros (2009a).
De la comparación de sus datos se pueden correlar las tendencias de elevación en el norte
de la isla con el macizo que forman la Caldera de Taburiente y el escudo de Cumbre
Nueva, y el hundimiento de la zona de Cumbre Vieja al sur de la isla, junto con el volcán Teneguía.
Objetivo secundario: “Diseño de la metodología de observación para dotar de coordenadas a
las observaciones de gravimetría estructural.”
Se ha conseguido planificar y observar además una campaña GNSS para realizar un estudio
de gravimetría combinada con GNSS, a fin de poder obtener resultados sobre las
propiedades estructurales de la isla conectada con su entorno tectónico y el vulcanismo
local (Camacho y otros, 2009a). Se han observado un total de 315 puntos con una distribución
uniforme en toda la isla (ver la Figura 4.6).
Los datos observados se han procesado con el programa Leica Geo Office, modelado el
retardo troposférico (Hopfield, 1969), con correcciones de los centros de fase de las antenas,
resolución de ambigüedades con algoritmos FARA, efemérides precisas del IGS y modelo
ionosférico global del CODE. Las líneas base resultantes varían entre 400 m de distancia
mínima hasta 34 km de máxima. Se calcularon un total de 315 puntos, donde también se
obtuvo datos de medidas de la gravedad, con una precisión obtenida para 286 de ellos
mejor que los 2 cm, para sus componentes vertical y horizontal.
Consideraciones finales
Como consideraciones finales sobre los objetivos planteados en esta tesis podemos decir
que se han analizado las características de una red de monitorización, se han tenido en cuenta
las particularidades de las dos islas de Tenerife y La Palma y se ha diseñado por primera vez
las redes de monitorización para las dos islas.
Estas dos redes son las primeras redes de monitorización de deformaciones y determinación
de campos de velocidades que se realizan en las Islas Canarias con una cobertura
total de cada isla observada, y suponen una novedad en este campo y un avance en el
conocimiento de la geodinámica de estas dos islas.
Se ha diseñado y se ha puesto en práctica un sistema de observación que elimina la incertidumbre
vertical en el posicionamiento vertical y minimiza los errores en posicionamiento horizontal.
Se ha comparado con doble chequeo de datos de procesado, comparación GAMIT-Bernese
para este tipo de redes analizando precisiones y comparándolas con las diferencias de
coordenadas con ambos programas.
Se ha conseguido un estudio de deformaciones en Tenerife y La Palma con GNSS con
cobertura total y también se ha conseguido un campo de velocidades para estas dos islas.
Los resultados han sido contrastados con InSAR y otros estudios.
Durante los periodos de monitorización en las dos islas no ha habido ningún proceso
volcánico eruptivo, por lo que estos campos de velocidades medias obtenidos pueden
ser considerados como de carácter de situación normal y rutinaria. La definición y
conocimiento de este estado normal es importante en un proceso de vigilancia a la hora
de poder detectar una deformación o velocidad anómala que sí esté relacionada con un
futuro proceso eruptivo.
Aunque los objetivos logrados han sido alcanzados con éxito, ciertas deficiencias han sido
encontradas durante su desarrollo y ejecución, que ya han sido puestos en evidencia a lo
largo de los capítulos que integran esta memoria, y que se van a resumir escuétamente a
continuación para posibles trabajos futuros.
El uso de antenas GNSS de alta calidad es imprescindible para mantener garantía de un
posicionamiento de precisión. El uso de antenas con pobre calibración durante la
campaña del año 2001 en la red de la Isla de Tenerife ha provocado que no se hayan podido
determinar ambigüedades con GAMIT en algunos de las estaciones observadas, mientras
que con Bernese, aunque sí se han podido fijar ambigüedades, la precisión en estos puntos
es muy baja.
La repetibilidad de las soluciones determinadas con el software Bernese es peor que las
determinadas con el software GAMIT. Por, otro lado, las incertidumbres con el software
GAMIT son mas reales que las que ofrece el software Bernese.
Ha habido una colección de soluciones que el filtrado de detección de valores anómalos
ha rechazado por exceder el umbral de incertidumbre horizontal cuando la incerdumbre
en la posición vertical era óptima. Este efecto está correlacionado con una deficiente
nivelación del sistema de observación en superficie para la instalación de la antena GNSS.
Para futuras campañas se deberá revisar la precisión del sistema de nivelado, para que
un defecto en su nivelación sea detectado y habría que volver a formar a los operadores
de campo en su uso.
Igualmente, no se ha podido fijar ambigüedades en algunas de las observaciones. Como
la observación estaba inicialmente planificada con dos sesiones por estación, al solo
disponer finalmente de una única solución, no se puede comprobar la repetibilidad de
la solución adoptada por ser única. Para futuras campañas habría que planificar las
observaciones de campo con al menos tres sesiones por cada punto de estación. De esta forma,
si alguna de las sesiones no fuese finalmente calculable, aún quedarían dos de las
tres soluciones que permitirían comprobar la repetibilidad de las mismas.
La existencia de artificios troposféricos siempre está presente tanto en las señales GNSS
como en las señales InSAR. Estos artificios provocan incertidumbres en la componente
vertical en el caso de las observaciones GNSS. Si bien los modelos troposféricos usados
son de alta calidad, nuevos modelos han aparecido cuya utilización sería de interés para
futuros trabajos similares si es que los paquetes de proceso de datos los implementan.
Así mismo, y dado el carácter insular de la zona de las Islas Canarias objeto de estudio,
la precisión y repetibilidad de las soluciones, por la incorporación de modelos regionales
para el efecto de carga oceánica, se debería evaluar y tener en cuenta. En esta tesis
únicamente se han usado modelos globales.
El efecto multipath puede ser minimizado aún más con la incorporación de filtros sidéreos
sobre los datos (Agnew y Larson, 2007). Esto exigiría una observación continua de
24 horas en cada estación, pero el filtro estimado para esta sesión de 24 horas podría
ser extrapolado para el total de sesiones de una campaña completa. Los estudios de Ragheb
y otros (2007) aconsejan la utilización de este tipo de filtros.
Líneas futuras de investigación
Como futuras líneas de investigación en las que progresar en la monitorización geodésica
de las islas podríamos señalar:
Dada la calidad de los resultados obtenidos estamos en condiciones de poder extender esta
metodología al resto de las islas activas del Archipiélago Canario, a fin de obtener un
mapa de deformaciones y un campo de velocidades completos para todas las islas.
El desarrollo de una metodología que permitiera la fusión integral de datos SAR y GNSS
será capaz de aprovechar las ventajas que tiene la determinación de las tres componentes
de la deformación observadas mediante GNSS sobre el conjunto de deformaciones los
obtenidas con SAR. Esto permitiría extender y aumentar las prestaciones del SAR hacia
una determinación 3-D real en todas las islas. En esta línea, ya se han realizado estudios
similares en otros lugares (Samsonov y Tiampo, 2006; González, 2010).
La integración de este tipo de monitorización junto con medidas microgravimétricas
daría respuesta al tipo, forma y profundidad de las fuentes intrusivas mediante las
deformaciones detectadas con GNSS a la vez que la microgravimetría daría respuesta a las
densidades de los materiales y a la aparición de nuevo magma (Battaglia y otros, 2008).