Wie verformt sich die Schweiz? Aktueller Stand des Projektes Swiss 4D II A. Villiger, A. Geiger, Ph. Limpach, A. Kretz, M. Mueller, D. Perler Projekt SWISS 4D II SWISS 4D I: Geschwindigkeit und Deformationsanalyse basierend auf den Auswertungen der CHTRF 2004 Kampagne Neue Methode: Adaptive Least Square Collocation (ALSC) Anpassung der Metrik für die Berechnung der Korrelationslängen Unterteilung in tektonische und lokale Signale SWISS 4D II: Nachfolgeprojekt von SWISS 4D II Geschwindigkeit und Deformationsanalyse basierend auf den Auswertungen der CHTRF 2010 Kampagne Erweiterung des existierenden ALSC Algorithmus Bestimmung des Deformationsfeldes anhand der vorhandenen Daten Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 2 Überblick: Datengrundlage Permanente GNSS Netzwerk (AGNES) CHTRF – Kampagnen Stationsanalye Jährliche Bewegung Multipath Common-Mode Analyse Datenanalyse Einfaches Blockmodell Adaptive least square collocation Fazit / Ausblick Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 3 Datengrundlage AGNES Network CHTRF Kampagne (CHTRF 2010) Nivellement Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 4 Automated GNSS Network Switzerland (AGNES) Permanent GNSS stations Global Navigation Satellite System: GPS and GLONASS Goals: Online realization for CHTRS95 Cadastral surveying Swipos (positioning servise) Scientific applications: Atmosphere Geodynamics Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 5 Automated GNSS Network for Switzerland (AGNES) 10 „double sites“: Accuracy of velocity estimation increases with time Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 6 Automated GNSS Network for Switzerland Time series: de-trended horizontal component Original up-component ETHZ 2 cm Zimmerwald 1998 Freitag, 20. Januar 2012 2010 1998 D-BAUG / IGP / GGL 2010 7 Zeitreihe Station ZIMM 5 mm 5 mm Zimmerwald 15 mm Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 8 Zeitreihe Station ETHZ 5 mm 5 mm ETHZ 15 mm Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 9 Zeitreihe Station ETHZ 5 mm Bau Sporthalle neben der Station ETHZ 5 mm ETHZ 15 mm Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 10 Standort ETH Zürich Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 11 Seasonal Effects (Stacking) Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 12 Stacking: ZIMM 3 [mm] 1.6 [mm] Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 13 Seasonal Effects (Stacking) Velocity assumption: nullifies when having long time series (> 4 years) Seasonal trends can be seen Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 14 Stacking: ETHZ 1.6 [mm] 1.2 [mm] Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 15 Station ANDE 15 mm 6 mm 15 mm Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 16 Stacking: ANDE 6 [mm] 16 [mm] Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 17 6 mm / 30 °C ANDE: Correlation with Temperature Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 18 ANDE: Correlation with Temperature Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 19 ANDE: Correlation with Temperature Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 20 Multipath mittels Zero-Difference Residuen GNSS Signale werden am Boden und Objekten reflektiert Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 21 Urban Canyon Effect Computed position Modeled as clock error True position Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 22 Multipath: Workflow Starting with double difference residual Transformation into single difference residuals using a weighted zero mean assumption Transformation into zero difference residuals using a weighted zero mean assumption Weight: Reducing the weight of Satellites with low elevation Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL Satelliten : A, B Stationen : i, j AB AB AB ij i j AB A B i i i dd = sd − sd sd = zd − zd ∑ w *sd = 0 ∑ w *zd = 0 s z Weight : sin 2 ( Elevation) 23 Multipath: ZIMM Multipath (2006) Freitag, 20. Januar 2012 Standardabweichung 2006 D-BAUG / IGP / GGL 24 Multipath: ZIMM Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 25 Multipath: ETHZ Multipath (2006) Freitag, 20. Januar 2012 Standardabweichung 2006 D-BAUG / IGP / GGL 26 Multipath: ETHZ Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 27 Multipath: ANDE Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 28 Multipath: ANDE Multipath (2006) Freitag, 20. Januar 2012 Standardabweichung 2006 D-BAUG / IGP / GGL 29 Multipath: ANDE Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 30 Common-Mode Analyse Vergleich der verschiedenen Zeitserien untereinander Bestimmung von gemeinsamen Bewegungsanteile Æ Detektion von Gebietsabhängigen Korrelationen Verschiedene Varianten: Stationen im Gebirge Stationen nördlich der Alpen Gesamte Schweiz Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 31 Common-Mode Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 32 Resultate: Gesamte Schweiz Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 33 Resultate: Stationen nördlich der Alpen Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 34 Overview: GNSS derived velocities relative to the European Plate Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 35 CHTRF 2010 Campaigns Campaign for the Swiss terrestrial reference frame 2010 Materialisation of the Swiss terrestrial reference system CHTRF Campaigns in 1998, 2004, 2010, (2016) The GNSS data processing includes measurements from 1988 to 2010 Denser network in the Swiss Plateau Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 36 GNSS derived velocities 233 velocities Velocities relative to Zimmerwald Very small velocities ( most < 1 mm/a ) Local effects critical (land slides, monumentation instabilities, ...) Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 37 GNSS velocities including data from 1998-2004 (CHTRF 2004) Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 38 GNSS velocities including data from 1998-2010 CHTRF 2010 Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 39 Histogram of the velocities CHTRF2010 / 2004 [ mm / year ] [ mm / year ] Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 40 Kann aus den GNSS Messungen tektonische Informationen gewonnen werden? Einfaches Block Model Adaptive Least Squares Collocation Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 41 First Version of a rigid block model • • • Block definition based on: GPS Velocity Earthquake occurrences [ECOS02 Database of the Swiss Seismological Service] Model: • 2 translations • 1 rotation • robust estimation Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 42 First Version of a rigid block model Used criteria: • Earthquake occurrences • GPS velocities [ECOS02 Database of the Swiss Seismological Service] Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 43 First Version: Rigid block model Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 44 First version of rigid block model Residuals • Block velocities and residuals are in the same order of magnitude Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 45 2nd Approach: Adaptive least squares collocation First presented in [Egli et al., Geophys. J. Int. ,2007] Least Squares Collocation approach Boundary condition: zero velocity Needs to be improved (leads to artefacts on border regions) Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 46 Deformationsanalyse Vorgehen: 1) Geschwindigkeitsfeld interpolieren 2) Deformation berechnen (strain) = Ableitung des Geschwindigkeitsfeldes Strain: 1 nstrain = 1mm / 1000 km Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 47 2nd Approach: Adaptive least squares collocation • Stochastic determination of the trend function (tectonic part) • No preliminary information on the tectonic setting is needed • Inhomogeneous trend covariance matrix, adjusted iteratively based on the strain field • Long correlation length • Signal determination using a homogenous covariance matrix • Small correlation length Freitag, 20. Januar 2012 ⎛ r0 2 ⎞ ⎟ Ctt(r1 , r2 ) = σ 0 ∗ ⎜⎜ 2 2 ⎟ ⎝ ro + r12 ⎠ 2 D-BAUG / IGP / GGL 48 Adaptive least squares collocation (starting metric of the trend) • Input velocities • Outliers removed Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 49 Adaptive least squares collocation (final metric of the trend) 2 ⎛ ⎞ r 2 0 ⎟ Ctt(r1 , r2 ) = σ 0 ∗ ⎜⎜ 2 2 ⎟ ⎝ ro + r12 ⎠ Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 50 2nd Approach: Results Trend (60 km) Tectonic Movement Average inter station distance = ca. 15 km Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 51 2nd Approach: Results Signal (20 km) Local Effects (Monumentation instabilities, land slides, …) Average inter station distance = ca. 15 km Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 52 Trend (CHTRF 2010) Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 53 Trend (CHTRF 2004) 1 mm / a Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 54 2nd Approach: Results • Collocated strain rates • Movement outside assumed to be zero Extension Compression Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 55 Comparison with seismic findings • [Kastrup et al., JGR, 2004] • Earthquake catalogue covers 1961–1998 • Comparison to seismic estimates 25 nstrain / year Stress regimes from [Kastrup et al., JGR, 2004] Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 56 Kostrov Summation Bachelorarbeit an der ETH Zurich Strain-Berechnung anhand von bekannten Herdlösungen Katalog: [Kastrup et al., JGR, 2004] Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 57 Kostrov Summation Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 58 Kostrov Summation Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 59 Kostrov Summation Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 60 Fazit: Die lokalen und tektonische Verschiebungen haben die gleiche Grössenordnung (< 1 mm) Um die beiden Anteile zu trennen, ist ein dichtes Netzwerk vonnöten Der Kollokationsansatz erweist sich als effizientes Mittel um dies zu Bewerkstelligen Ergebnisse aus GNSS Messungen und seismischen Messungen zeigen teilweise ähnliche Deformationen auf Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 61 Ausblick: Die CHTRF Punkte werden auf ihre Stabilität überprüft Erweiterung der Kollokation in die dritte Dimension Berechnung des 3D-Strains Weitere Vergleiche mit seismischen Resultaten Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 62 Reference Egli, R., A. Geiger, A. Wiget, and H.-G. Kahle (2007), A modied least-squares collocation method for the determination of crustal deformation: first results in the Swiss Alps, Geophysical Journal International, 168 (1), 1-12 Kastrup, U., M. L. Zoback, N. Deichmann, K. F. Evans, D. Giardini, and A. J. Michael (2004), Stress field variations in the Swiss Alps and the northern Alpine foreland derived from inversion of fault plane solutions, J. Geophys. Res., 109 Freitag, 20. Januar 2012 D-BAUG / IGP / GGL 63
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