Συμβολομετρική χαρτογράφηση της παραμόρφωσης στην Θεσσαλία μεταξύ 1992-2000 με χρήση μεθόδου SBAS (Small Baseline Subset). Αθανάσιος Γκανάς 1, Simone Atzori 2, Cristiano Tolomei 2 & Stefano Salvi 2 (1) National Observatory of Athens, Institute of Geodynamics, 11810 Athens, Greece, e- mail: aganas@gein.noa.gr (2) Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Via de Vigna Murata 605, 00143 Roma, Italy Περίληψη Η εργασία παρουσιάζει χάρτες παραμόρφωσης με χρήση της συμβολομετρικής τεχνικής SBAS (Small Baseline Subset) από το αρχείο εικόνων SAR των Ευρωπαϊκών δορυφόρων ERS1, ERS2. Η περιοχή μελέτης είναι η Θεσσαλία η οποία είναι μία τεκτονικά ενεργός περιοχή με επιφανειακές παραμορφώσεις που προέρχονται από φυσικά και ανθρωπογενή αίτια. Τα αποτελέσματα της μελέτης επαληθεύονται σε δύο περιπτώσεις από ανεξάρτητα δεδομένα GPS που μετρήθηκαν κατά το χρονικό διάστημα που καλύπτει η συμβολομετρία (1992 2000). Ο χάρτης της κατακόρυφης συνιστώσας της ταχύτητας δείχνει 3-4 mm/yr σχετική ανύψωση της δυτικής οροσειράς (περιοχή Ελασσώνας - Τυρνάβου) σε σχέση με την Όσσα. Ο χάρτης της οριζόντιας συνιστώσας Ανατολή Δύση δείχνει έκταση του φλοιού με ταχύτητες 6 10 mm/yr έτος στην δυτική οροσειρά ενώ η ανατολική περιοχή βρίσκεται υπό συμπίεση. Για την πόλη και τα προάστια της Λάρισας βρέθηκε μία συνεχής καθίζηση η οποία κυμαίνεται μεταξύ 4-25 mm/yr (κατά τόπους) και η οποία οφείλεται στην ταπείνωση του υδροφόρου ορίζοντα εξ αιτίας της υπεράντλησης την δεκαετία του 1990. 1. Εισαγωγή Η τεχνική της συμβολομετρίας επιτρέπει την ανάλυση της παραμόρφωσης με τον εντοπισμό της διαφοράς φάσης μεταξύ ζευγών εικόνων SAR (Massonnet, & Feigl, 1998). Ο χάρτης διαφοράς φάσης ονομάζεται συμβολογράφημα. Στην παρούσα εργασία η συμβολομετρία εφαρμόστηκε σε σειρά εικόνων ραντάρ από τους δορυφόρους ERS-1 και Τηλεπισκόπηση: Εξελίξεις και Εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 22-23 Φεβρουαρίου, 2007 1
ERS-2. Οι δορυφόροι ERS παρέχουν εικόνες με υψηλή γωνία παρατήρησης (23º) στον δίαυλο C (5.6 cm) με κάθετη πόλωση (VV). Η διακριτική ικανότητα των εικόνων SAR είναι περίπου 20 m, ενώ η συνολική έκταση που καλύπτουν σε ένα πέρασμα είναι περίπου 100 40 km (Σχήμα 1), δηλαδή συνήθως περιέχεται σε αυτές πλήρης εικόνα της παραμόρφωσης μετά από μεγάλους σεισμούς. Σχήμα 1. Γεωεγγραμμένη εικόνα multilook της Θεσσαλίας από την κατερχόμενη τροχιά του δορυφόρου ERS. Η επιφάνειες με υψηλή ανακλαστικότητα φαίνονται λαμπρές. Η πόλη της Λάρισας διακρίνεται στο κέντρο της πεδιάδας από την ισχυρή οπισθοσκέδαση. Στα ανατολικά της πόλης διακρίνεται το αεροδρόμιο. Η περιοχή μελέτης είναι η Κεντρική και Βόρειος Θεσσαλία η οποία είναι μία τεκτονικά ενεργός περιοχή (Caputo and Pavlides, 1993, Mountrakis et al., 1993, Caputo et al., 2004) με επιφανειακές παραμορφώσεις που προέρχονται από φυσικά και ανθρωπογενή αίτια. Από μελέτη της βιβλιογραφίας διαπιστώθηκε ότι δύο μεγάλες ομάδες κανονικών ρηγμάτων επικρατούν στην περιοχή μελέτης. Η πρώτη ομάδα περιλαμβάνει μεγάλα κανονικά ρήγματα ΒΒΔ-ΝΝΑ έως ΒΔ-ΝΑ παράταξης και δημιουργήθηκαν από τη δράση ενός εφελκυστικού πεδίου τάσης με διεύθυνση της ελάχιστης, κύριας συνιστώσας τάσης σ 3 ΒΑ-ΝΔ. Τα ρήγματα αυτά παρατηρούνται στους σχηματισμούς του υποβάθρου Τηλεπισκόπηση: Εξελίξεις και Εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 22-23 Φεβρουαρίου, 2007 2
(Πελαγονική ζώνη) και οριοθετούν τα Πλειοκαινικά ιζήματα. Ακόμη, αυτά τα ρήγματα δημιουργούν το τεκτονικό κέρας των κεντρικών λόφων της Θεσσαλικής πεδιάδας και διαχωρίζουν έτσι την λεκάνη της Λάρισας από το δυτικό τμήμα της Θεσσαλικής πεδιάδας, τη λεκάνη της Καρδίτσας - Τρικάλων. Η δεύτερη ομάδα περιλαμβάνει νεώτερα ρήγματα με παράταξη Α-Δ έως ΒΑ-ΝΔ. Οι δομές αυτές τέμνουν και μετατοπίζουν τις προγενέστερες εφελκυστικές δομές και επηρεάζουν το σύνολο των γεωλογικών σχηματισμών της περιοχής και το υδρογραφικό δίκτυο όπως παρατηρείται στην ροή του ποταμού Πηνειού. Αυτές οι νεώτερες ρηξιγενείς δομές δημιουργήθηκαν από τη δράση ενός εφελκυστικού πεδίου τάσης με διεύθυνση της τάσης σ 3 Β-Ν. 2. Επεξεργασία εικόνων ραντάρ Στα πλαίσια της μελέτης παρήχθησαν χάρτες παραμόρφωσης με χρήση της συμβολομετρικής τεχνικής SBAS (Small Baseline Subset, Berardino et al., 2002). H τεχνική SBAS βασίζεται στην χρήση διαφορικών συμβολογραφημάτων με μικρή γραμμή βάσεως (απόσταση μεταξύ διαδοχικών τροχιών) και στην εφαρμογή της μεθόδου singular value decomposition (SVD): η πρώτη μέθοδος αντιμετωπίζει το πρόβλημα της ελλείψεως συνοχής φάσης, η δε δεύτερη επιτρέπει την σύνδεση ανεξάρτητων εικόνων SAR οι οποίες χωρίζονται από μεγάλες γραμμές βάσεως. Επίσης αντιμετωπίστηκαν οι τεχνητές μορφές (artifacts) λόγω της ατμόσφαιρας ώστε να βελτιωθεί η ακρίβεια των εντοπισθέντων παραμορφώσεων. Αυτό έγινε με την χρήση διπλού φιλτραρίσματος, σε χωρική και χρονική διάσταση, με βάση την παρατήρηση ότι η «ατμοσφαιρική φάση» παρουσιάζει υψηλή συσχέτιση στον χώρο αλλά χαμηλή συσχέτιση στον χρόνο. Πρόσφατες εκτιμήσεις του σφάλματος της τεχνικής SBAS έγιναν από την ομάδα του IREA (Νάπολη, Ιταλία) και αναφέρουν τυπική απόκλιση στις ταχύτητες 1-2 mm/yr (κατακόρυφη συνιστώσα) σε σχέση με τοπογραφικά δεδομένα αναφοράς από δίκτυα 1ης τάξεως. 3. Αποτελέσματα Τα αποτελέσματα της μελέτης επαληθεύονται σε δύο περιπτώσεις από ανεξάρτητα δεδομένα GPS της βιβλιογραφίας για την περιοχή της Θεσσαλίας (Clark et al., 1998) που Τηλεπισκόπηση: Εξελίξεις και Εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 22-23 Φεβρουαρίου, 2007 3
μετρήθηκαν κατά το χρονικό διάστημα που καλύπτει η συμβολομετρία (1992 2000, Tolomei et al., 2005). Ο χάρτης της κατακόρυφης συνιστώσας της ταχύτητας (μετατόπιση του ραντάρ ανηγμένη στην κατακόρυφο / χρόνο) δείχνει 3-4 mm/yr σχετική ανύψωση της δυτικής οροσειράς σε σχέση με την Όσσα. Αυτό εξάγεται από την μελέτη του «σήματος» χαμηλής χωρικής συχνότητας. Στον ίδιο χάρτη παρατηρούνται υψηλές χωρικές συχνότητες (μεταβολές τιμής και προσήμου) κοντά σε μεγάλα, ενεργά ρήγματα. Ο χάρτης της οριζόντιας συνιστώσας Ανατολή Δύση δείχνει αξιοσημείωτη έκταση του φλοιού με ταχύτητες 6 10 mm/yr στην δυτική οροσειρά (Σχήμα 2). Ο ανατολικός τομέας (Όσσα κλπ) βρίσκεται υπό συμπίεση. Για την πόλη της Λάρισας βρέθηκε μία συνεχή καθίζηση 4-25 mm/yr (0.4-2.5 cm/yr) (κατά περιοχές) η οποία οφείλεται στην ταπείνωση του υδροφόρου ορίζοντα εξ αιτίας της υπεράντλησης την δεκαετία του 1990. Τα ίδια αποτελέσματα επίσης δείχνουν μία περιοδική αυξομείωση στον ρυθμό καθίζησης που πιθανόν να σχετίζεται με την εποχική μεταβολή της πιεζομετρικής στάθμης. Επίσης παρατηρούνται και πλευρικές ασυνέχειες στο χάρτη ταχυτήτων οι οποίες πιθανόν σχετίζονται με την υδραυλική του υδροφορέα και την ύπαρξη στεγανών επιφανειών ρηγμάτων. Τηλεπισκόπηση: Εξελίξεις και Εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 22-23 Φεβρουαρίου, 2007 4
Σχήμα 2. Χάρτης της οριζόντιας συνιστώσας Ανατολή Δύση του ανύσματος ταχυτήτων με συνδυασμό δεδομένων ανερχόμενης και κατερχόμενης τροχιάς. Οι ταχύτητες > 0 σημαίνουν ότι το έδαφος κινείται ανατολικά ενώ οι ταχύτητες < 0 κίνηση προς Δυσμάς, αντίστοιχα. Όλες οι ταχύτητες είναι σχετικές ως προς το σημείο εκκίνησης (Τύρναβος). Εκεί παρατηρούμε ότι έχουμε έκταση του φλοιού Α-Δ ως προς άξονα με διεύθυνση Β-Ν. Αντίθετα στην περιοχή Μακρυχωρίου Γόννων παρατηρείται βράχυνση ως προς άξονα ΒΒΔ ΝΝΑ. 4. Δίκτυο GPS στην Κεντρική Βόρεια Θεσσαλία (THESNET) Το Γεωδυναμικό Ινστιτούτο του ΕΑΑ με χρηματοδότηση του Υπουργείου Ανάπτυξης στα πλαίσια ερευνητικού έργου διακρατικής συνεργασίας προχώρησε στην ίδρυση μήμόνιμου γεωδαιτικού δικτύου ακριβείας στην περιοχή μελέτης. Η εγκατάσταση του δικτύου έγινε τον Ιανουάριο του 2003 με την ίδρυση 9 σταθμών (Σχήμα 3). Ένας ακόμη σταθμός ιδρύθηκε νοτιοδυτικά του χωριού Γόννοι Λαρίσης τον Ιούνιο του 2003 μετά την ισχυρή σεισμική δόνηση της 9ης Ιουνίου (Ms=5.5, Pavlides et al., 2004). Η 1η μέτρηση Τηλεπισκόπηση: Εξελίξεις και Εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 22-23 Φεβρουαρίου, 2007 5
έγινε τον Ιούνιο του 2003. Η 2η μέτρηση έγινε τον Ιούνιο του 2005. Το νοητό κέντρο του δικτύου είναι ο σταθμός MNDR βορείως του χωριού Μάνδρα Λαρίσης όπου διασταυρώνονται γραμμές βάσης 30-60 km. Τα πρώτα αποτελέσματα (χάρτης ταχυτήτων, χάρτης ανηγμένης παραμόρφωσης) θα εξαχθούν μετά την 3 η μέτρηση του δικτύου η οποία προγραμματίζεται εντός του 2007. Σχήμα 3. Χάρτης του Γεωδαιτικού Δικτύου Θεσσαλίας THESNET. Σε όλους τους σταθμούς έχει υλοποιηθεί η εγκατάσταση οργάνων GPS τρις-διάστατου τύπου για την καλύτερη τοποθέτηση της κεραίας ώστε να αποκτήσουμε τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα στις δύο μετρήσεις τα έτη 2003 και 2005 και να έχουμε την ταχύτερη δυνατή λειτουργία των οργάνων σε περίπτωση σεισμικής δραστηριότητας. Μετά το τέλος της τρίτης επαναμέτρησης του δικτύου GPS τα ανύσματα των μετατοπίσεων που θα έχουν παραχθεί θα συγκριθούν με τις 1-D μετρήσεις της διαφορικής συμβολομετρίας για την επαλήθευση των τελευταίων και για την κοινή ερμηνεία των αποτελεσμάτων. 5. Συμπεράσματα Τηλεπισκόπηση: Εξελίξεις και Εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 22-23 Φεβρουαρίου, 2007 6
1. Οι έρευνες με χρήση συμβολομετρίας ραντάρ στην κεντρική Θεσσαλία απέδωσαν με την παραγωγή χαρτών εδαφικής ταχύτητας. Αυτή η μελέτη αποτελεί την πρώτη εφαρμογή της τεχνικής SBAS στην Ελλάδα. 2. Παρατηρείται ανύψωση των ορεινών όγκων κυρίως δυτικά της Λάρισας 3. Παρατηρείται σημαντική οριζόντια (τεκτονική) συνιστώσα Α-Δ. 4. Τα δεδομένα για την πόλη της Λάρισας δείχνουν μια περιοδική, ημιτονοειδή συμπεριφορά εντός του πλαγιο-καθοδικού διαγράμματος της καθίζησης η οποία οφείλεται πιθανόν στις εποχικές αυξομειώσεις της στάθμης του υδροφόρου ορίζοντα. Οι αυξομειώσεις διακρίνονται σαφέστερα μετά το 1996 και οφείλονται στην υπεράντληση του υδροφόρου για αγροτικές χρήσεις κατά τους θερινούς μήνες. Ευχαριστίες Ευχαριστούμε τον Νεονέλλη Τζαννέτο, για βοήθεια στο στήσιμο και τις μετρήσεις του δικτύου GPS. Στο διακρατικό ερευνητικό πρόγραμμα επίσης συνεργάστηκαν οι Marco Anzidei, Sergio Del Mese, Angelo Massucci. Αυτό το έργο χρηματοδοτήθηκε από την Γενική Γραμματεία Έρευνας Τεχνολογίας του Υπουργείου Ανάπτυξης και το Ιταλικό Υπουργείο Εξωτερικών. Τα δεδομένα ραντάρ παραχωρήθηκαν από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA) μέσω ενός προγράμματος που ανέλαβε ο Α. Γκανάς (Announcement of Opportunity 1453). Βιβλιογραφία Berardino, P., Fornaro, G., Lanari, R., & Sansosti, E., 2002. A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 40 (11), 2375-2383. Caputo, R, Helly, B, Pavlides, S, & Papadopoulos, G, 2004. Seismological investigation of the Tyrnavos Fault (Thessaly, Central Greece). Tectonophysics, 394 (1-2): 1-20. Τηλεπισκόπηση: Εξελίξεις και Εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 22-23 Φεβρουαρίου, 2007 7
Caputo, R., and Pavlides, S., 1993. Late Cainozoic geodynamic evolution of Thessaly and surroundings (Central-Northern Greece). Tectonophysics, 223, 3-4, 339-362. Clarke, PJ; Davies, RR; England, PC; et al., 1998. Crustal strain in central Greece from repeated GPS measurements in the interval 1989-1997. Geophysical J. International, 135, 195-214. Massonnet D. and Feigl K, 1998. Radar Interferometry and its application to changes in the earth surface. Reviews of Geophysics, 36, 4, 441-500. Mountrakis, D., Killias, A., Pavlides, S., Zouros, N., Spyropoulos, N., Tranos, M., and Soulakellis, N., 1993. Field study of the Southern Thessaly highly active fault zone. Proceedings 2nd Congress, Greek Association of Geophysicists, Florina, May 5-7, 1993. Pavlides, S., Kouskouna, V., Ganas, A., Caputo, R., Karastathis, V. & Sokos, E., 2004. The Gonnoi (NE Thessaly - Greece) Earthquake (June 2003, Ms=5.5) and the Neotectonic Regime of Lower Olympus. 5th International Symposium on Eastern Mediterranean Geology, Thessaloniki, Greece, 14-20 April 2004, Reference T5-35. Tolomei, C., Atzori, S., Salvi, S., Ganas, A., & Stramondo, S., 2005. Ground deformation in Thessaly, Central Greece between 1992 and 2000 by means of ERS multi-temporal InSAR. In: FRINGE 2005 Abstract Book, Frascati, Rome, Italy (http://earth.esa.int/cgibin/conffringe.pl?abstract=508; last visited 1 March 2006) Τηλεπισκόπηση: Εξελίξεις και Εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 22-23 Φεβρουαρίου, 2007 8