Integration of satellite interferometry and geological methods for landslide research

• Autores: Cristina Reyes Carmona
• Directores de la Tesis: Jorge Pedro Galve Arnedo (codir. tes.), Rosa María Mateos Ruiz (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• ISBN: 9788411179003
• Número de páginas: 195
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
• Resumen
  • español

    La cartografía y caracterización geológica de los movimientos de ladera son el primer paso para la evaluación de su peligrosidad. A pesar del impacto que generan a nivel mundial y de ser el segundo peligro geológico más dañino en España (después de las inundaciones), todavía existe poca concienciación social sobre los movimientos de ladera. Este hecho evidencia la necesidad de realizar esfuerzos adicionales para el estudio de estos fenómenos naturales. La aplicación de un enfoque multi-técnica que combine métodos innovadores de teledetección, como la interferometría de satélite radar, con métodos geomorfológicos y geológicos ya ha demostrado ser muy eficaz para la investigación de movimientos de ladera. La presente Tesis Doctoral se desarrolla en este marco y mejora el conocimiento de los movimientos de ladera aplicando dicha combinación de técnicas. El estudio de esta tesis se ha focalizado en zonas críticas y de interés de la Provincia de Granada (Sur de España): Sierra Nevada y el Embalse de Rules. Sierra Nevada es una cadena montañosa de gran altitud, en la que algunos movimientos de ladera no han sido identificados, a pesar de ser susceptible a ellos. En este caso, se integraron técnicas de Interferometría Diferencial de Radar de Apertura Sintética (DInSAR) y de Análisis del Relieve para optimizar la cartografía de movimientos de ladera y proporcionar un inventario actualizado de estos. El Análisis del Relieve se basó en la identificación de anomalías en ríos, utilizando el índice de pendiente doble normalizada (ksnn), una novedosa derivación del índice de pendiente normalizada convencional (ksn), mediante el cual se redujo la influencia de la tectónica activa de la zona. Así, se detectaron 28 nuevos movimientos de ladera mediante la visualización de anomalías del índice ksnn y de las zonas inestables del terreno obtenidas de los mapas de velocidad DInSAR. La nueva cartografía revela un aumento significativo de la superficie afectada por movimientos de ladera (33.5%) en comparación con el inventario anterior del Instituto Geológico y Minero de España (IGME-CSIC) (14.5%). Otro hallazgo importante ha sido la identificación, por primera vez en Sierra Nevada, de dos tipos de movimientos de ladera: Deformaciones Gravitacionales Profundas de Ladera (DGSDs) y deslizamientos en roca. Los límites difusos, la litología homogénea (esquistos) y las morfologías glaciares dificultaron la delimitación de estos movimientos, pero las técnicas utilizadas facilitaron enormemente el proceso. Las observaciones geomorfológicas realizadas en campo y la exploración de mapas (p. ej. pendiente, sombreado, orientación, rugosidad) derivados de Modelos Digitales de Elevación (DEMs) de alta resolución fueron fundamentales para definir con precisión los límites de los movimientos de ladera, así como para describir sus morfologías. Debido al gran tamaño y a la tipología de estos movimientos, se ha proporcionado una visión preliminar sobre su peligrosidad y posible impacto en la región. El Embalse de Rules es una de las infraestructuras más estratégicas de la Provincia de Granada y bien conocido por los problemas de inestabilidad del terreno que ocurrieron durante y después de su construcción. En este caso, se aplicaron técnicas DInSAR en las laderas del embalse para obtener mapas de velocidad del terreno, que revelaron la existencia de tres deslizamientos activos. La exhaustiva investigación geomorfológica basada en observaciones de campo y fotointerpretación de imágenes aéreas históricas, permitió distinguir entre dos tipologías de deslizamientos: rotacionales (Lorenzo-1 y Viaducto de Rules) y traslacionales (El Arrecife), así como identificar daños superficiales relacionados con la actividad de estos. Las series temporales de desplazamiento acumulado (TSs) derivadas de DInSAR revelaron una correlación entre la aceleración del movimiento de los deslizamientos rotacionales y los descensos del nivel de agua del embalse. Las dimensiones, el carácter rotacional y las leves aceleraciones de estos deslizamientos, hacen que sea poco probable que se produzca un colapso repentino y rápido de las laderas en el embalse. Sin embargo, estos suponen un riesgo para las infraestructuras cercanas por su evolución retrogresiva: el Deslizamiento Lorenzo-1 ya está afectando a la Carretera Nacional N-323, mientras que el Deslizamiento del Viaducto de Rules puede estar deformando el tramo sur del Viaducto de Rules (Autovía A-44). En cuanto al Deslizamiento de El Arrecife, su carácter traslacional lo hace potencialmente más peligroso, lo cual ha motivado realizar una caracterización más detallada del mismo. El Deslizamiento de El Arrecife está situado en la ladera occidental del Embalse de Rules y se identificó gracias a los datos DInSAR, ya que sus límites poco definidos dificultaron su reconocimiento en el paisaje. Este deslizamiento ha sido analizado mediante un enfoque multi-técnica para elaborar una caracterización rápida y una comprensión exhaustiva de su estructura, volumen y actividad histórica. Mediante el trabajo de campo estructural, se pudieron identificar varias orientaciones de la foliación de las rocas (filitas), y se obtuvo la orientación más probable para generar una rotura planar de la ladera mediante un análisis cinemático. También se estimó la estimación de la superficie de rotura, determinando así el volumen extremadamente grande del deslizamiento (14.7 millones de m3). Los datos DInSAR mostraron la actividad a corto plazo del deslizamiento (5 años), mientras que los datos geofísicos obtenidos de Radar de Penetración Terrestre (GPR) revelaron su actividad a medio plazo (últimos 22 años). Con ambas técnicas se obtuvo un movimiento vertical del deslizamiento de alrededor de 2 cm/año. También se aplicaron técnicas fotogramétricas basadas en el método ‘Structurefor- Motion’ (SfM), pero no se detectaron movimientos rápidos superficiales durante el periodo analizado (14 años). Además de su movimiento traslacional general, el pie del deslizamiento está formado por deslizamientos rotacionales de menor tamaño. Las series temporales (TS) derivadas de DInSAR indican que las variaciones en el nivel de agua del embalse no afectan a todo el cuerpo del deslizamiento, pero los descensos del nivel del embalse sí que aceleran el movimiento de los movimientos rotacionales del pie. Por lo tanto, el peligro más significativo del deslizamiento de El Arrecife está relacionado con estos deslizamientos rotacionales, que ya han estado generando daños en la Carretera Nacional N-323 durante varias décadas y se espera que persistan. Aunque es improbable, la posibilidad de una aceleración rápida y repentina de todo el deslizamiento y su posterior colapso en el embalse no debe descartarse, debido a su cinemática traslacional y tamaño. Por lo tanto, es de vital importancia considerar la respuesta de este deslizamiento ante posibles escenarios peligrosos derivados de acontecimientos extraordinarios, tales como una reducción drástica del nivel de agua del embalse, precipitaciones intensas o un terremoto.

  • English

    Properly assessing the hazard of landslides begins with mapping and characterising them from a geological perspective. Although landslides have demonstrated a worldwide impact and are the second most damaging geohazard in Spain (after floods), there is still little social awareness about them. This fact evidences the necessity of additional efforts for the study of these natural phenomena. The integration of an innovative remote sensing technique, like satellite radar interferometry, with geomorphological and geological methods has demonstrated to be an effective multi-technique approach for landslide research. The present Ph.D. Thesis is developed in this framework and improves the knowledge of landslides by applying such combination of methodologies. Two critical and interesting areas in the Province of Granada (Southern Spain) have been selected for study: the Sierra Nevada Range and the Rules Reservoir. The Sierra Nevada is a high-elevation mountain range where some landslides have been unreported or unnoticed, despite being susceptible to slope movements. In this case, Differential Synthetic Aperture Radar (DInSAR) and Landscape Analysis techniques were integrated to optimise landslide mapping and provide an updated landslide inventory map of the range. The Landscape Analysis was based on the identification of river anomalies by the double normalised channel steepness (ksnn) index, a novel derivation from the conventional normalised steepness index (ksn) that reduced the active tectonics signal of the area. The visual exploration of ksnn anomalies and the unstable ground areas obtained from DInSAR velocity maps evidenced 28 new landslides. This mapping reveals a significant increase of the area affected by landslides (33.5%) compared with the previous inventory from the Geological and Mining Institute of Spain (IGME-CSIC) (14.5%). A relevant finding of this study is the identification, for the first time, in the Sierra Nevada, of two landslide typologies: Deep-Seated Gravitational Slope Deformations (DGSDs) and rockslides. Their diffuse boundaries, homogeneous lithology (schists), and previous glacial morphologies made delimiting these landslides difficult, but the utilised techniques greatly facilitated the process. The geomorphological observations made in the field and the exploration of maps (e.g. slope, hillshade, aspect, rugosity) derived from high-resolution Digital Elevation Models (DEMs) were fundamental procedures for accurately defining the landslides’ boundaries, as well as to describe landslide-related morphologies. Due to the large size and typology of these landslides, attempts were made to provide a first insight about their hazard and potential impacts in the region. The Rules Reservoir is one of the most strategic infrastructures in the Province of Granada, with well-known slope instability problems during and after its construction. In this case, DInSAR techniques were applied in the reservoir’s slopes to derive ground velocity maps that revealed three active landslides. The thorough geomorphological investigation, based on field observations and photo-interpretation of historical aerial images, allowed to distinguish between rotational (Lorenzo-1 and Rules Viaduct landslides) and translational (El Arrecife Landslide) landslide typologies, as well as to identify surficial damages related to their activity. The DInSAR-derived times series of accumulated displacement (TSs) revealed a correlation between the acceleration of the rotational landslides’ movement and drawdowns of the reservoir water level. Due to their dimensions, rotational character and minor accelerations, a rapid slope failure and sudden collapse into the reservoir is not expected from the Lorenzo-1 and Rules Viaduct landslides. However, they pose a risk to nearby infrastructures due to the retrogressive evolution of these landslides: the Lorenzo-1 Landslide is already affecting the N-323 National Road, while the Rules Viaduct Landslide may be provoking deformation on the southern sector of the Rules Viaduct (A-44 Highway). Regarding the El Arrecife Landslide, its translational character implies a greater potential hazard and further efforts were made to characterise this landslide. The El Arrecife Landslide is located in the western slope of the Rules Reservoir and it was identified by using DInSAR data, as the poorly defined boundaries of the landslide made its recognition in the landscape challenging. This landslide was analysed by a multitechnique approach to provide a rapid characterisation and comprehensive understanding of its structure, volume and historical activity. The structural field surveys enabled the identification of many foliation orientations of the rocks (phyllites) and a kinematic analysis revealed the most probable orientation to cause a planar slope failure. The estimated location of the surface of rupture allowed determining the extremely large volume of the landslide (14.7 million m3). The short-term activity of the landslide (last 5 years) was evidenced by DInSAR, while geophysical data based on Ground Penetrating Radar (GPR) data revealed its medium-term activity (last 22 years). Both techniques evidenced a vertical movement of the landslide around 2 cm/yr. Photogrammetric techniques based on the Structure-for-Motion (SfM) method were also applied, but no rapid shallow movements were detected during the analysed period (14 years). Besides having an overall translational movement, the landslide’s foot is composed by smallersize rotational landslides. The DInSAR TSs indicated that variations in the reservoir water level do not affect the overall landslide body, but drawdowns of the water level do accelerate the movement of these rotational slides. Therefore, the most significant hazard of the El Arrecife Landslide is related to such rotational slides, that have been causing damage to the N-323 National Road for several decades and are expected to persist. Although improbable, the possibility of a rapid and sudden acceleration of the entire landslide and subsequent collapse into the reservoir cannot be underestimated, given its translational kinematics and large size. It is therefore crucial to consider the response of this landslide to possible hazardous scenarios derived from extraordinary events, such as drastic reservoir water level drawdowns, intense precipitation, or an earthquake.