Contribución a la definición de un modelo de velocidades de la corteza terrestre para Ecuador a partir de datos GNSS

Luna Ludeña, Marco (2017). Contribución a la definición de un modelo de velocidades de la corteza terrestre para Ecuador a partir de datos GNSS. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. en Topografía, Geodesia y Cartografía (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.48790.

Descripción

Título: Contribución a la definición de un modelo de velocidades de la corteza terrestre para Ecuador a partir de datos GNSS
Autor/es:
  • Luna Ludeña, Marco
Director/es:
  • Staller Vázquez, Alejandra
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: Junio 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: Series temporales; GNSS; Geodinámica; Ecuador; Modelo de Velocidades; Kriging; Colocación Mínimo Cuadrática = Time‐series; GNSS; Geodynamics; Ecuador; Velocity model; Kriging; Least squares colocation method
Escuela: E.T.S.I. en Topografía, Geodesia y Cartografía (UPM)
Departamento: Ingeniería Topográfica y Cartografía [hasta 2014]
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La presente Tesis doctoral es una contribución a la definición de un modelo de velocidades de la corteza terrestre para Ecuador a partir de datos GNSS. Para ello se utilizan las observaciones GNSS durante el periodo 2008‐2014 de 33 estaciones de la Red GNSS de Monitoreo Continuo del Ecuador (REGME), además se incorporan otras 17 estaciones pertenecientes a IGS (International GNSS Service) con el fin de vincular la solución al marco de referencia global ITRF2008. Los datos GNSS fueron procesados con el software Bernese 5.0 siguiendo las recomendaciones del IGS, obteniendo series temporales diarias en coordenadas cartesianas y locales topocéntricas en el sistema ITRF2008 (IGb08) para cada estación. Previo al análisis de las series temporales se detectaron y corrigieron offsets y se eliminaron outliers para obtener series libres de valores anómalos. Posteriormente se realizó un análisis exhaustivo de las series temporales mediante la descomposición aditiva, considerando que los datos de las series se generan como la suma de tres factores: tendencia, estacionalidad o periodicidad y ruido. La tendencia de una serie viene dada por el movimiento a largo plazo de los datos que la conforman, inicialmente se ha calculado utilizando una regresión lineal ponderada, aproximando a una línea recta el movimiento de cada estación. La periodicidad se ha determinado mediante análisis espectral de las series para datos que no están igualmente espaciados. El tipo de ruido se ha determinado mediante el cálculo del índice espectral a través del análisis del espectro de potencia aproximado a una ley de potencia dependiente de la frecuencia. Hemos incluido el análisis del ruido a fin de evaluar la magnitud de su efecto en relación con el cálculo de la velocidad a estimar y su incertidumbre. Obtenidos la tendencia, estacionalidad y tipo de ruido, se introducen en el modelo general de la serie para calcular mediante estimación mínimo cuadrática nuevamente los parámetros sinusoidales de la periodicidad, ordenada en el origen y tendencia de la serie, de forma que se obtiene una estimación más realista de la magnitud de la velocidad y su incertidumbre. Todo este proceso se encuentra programado mediante scripts en Matlab, el archivo de entrada es el fichero SINEX resultante del procesamiento GNSS, generando como salida principal la velocidad con su respectiva incertidumbre para cada estación, de acuerdo a la tendencia, estacionalidad y tipo de ruido que presenten. El campo de velocidades ITRF2008 final obtenido fue referido a un marco de referencia fijo en la placa Sudamérica, calculando para ello el polo SOAM/ITRF2008 a partir de cinco estaciones de IGS ubicadas en la parte estable de placa Sudamérica. El análisis de nuestro campo de velocidades refleja claramente el movimiento del bloque Norandino hacia el NNE con respecto a la placa Sudamérica y un régimen tectónico transpresivo con deslizamiento lateral dextral del sistema de complejo de fallas que forma el denominado Sistema Mayor Dextral de los Andes. Nuestros resultados muestran un comportamiento tectónico claramente diferenciado entre el norte y el sur de Ecuador, coincidiendo con la diferencia de comportamiento de la subducción ecuatoriana, con un acoplamiento más débil y superficial (0‐15 km) al sur de Ecuador y un incremento del acoplamiento hacia el norte en la zona donde han ocurrido los mega‐terremotos de subducción del último siglo. Además, las estaciones situadas al sur del golfo de Guayaquil, tienen componente ESE‐SE lo cual indica que estas estaciones pertenecen al denominado Blolque Inca o Perú. A partir del campo de velocidades absoluto y relativo a Sudamérica para Ecuador, se realiza la modelización mediante la aplicación de dos técnicas que se utilizan con mayor frecuencia para representar una superficie continua de velocidades: el método geoestadístico Kriging y el método de colocación mínimos cuadrados. Los resultados obtenidos con ambos métodos fueron comparados con velocidades de estaciones utilizadas para la verificación y mediante validación cruzada. De entre las diferentes técnicas Kriging, la que mejor se ajusta al campo de velocidad de la corteza terrestre para Ecuador es el método Kriging Universal con un modelo de semivariograma esférico. El error cuadrático medio de predicción obtenido en este método es de 1.76 mm/a en la componente este y 1.81 mm/a en la componente norte, mientras que con el método de colocación mínimos cuadrados se obtuvieron errores cuadráticos medios de predicción de 1.70 mm/a y 1.73 mm/a para las componentes este y norte, respectivamente. Aunque ambas técnicas presentan errores de predicción muy parecidos, se concluye que el método que presenta mejor ajuste y fiabilidad para representar el modelo de velocidades de Ecuador es el método de colocación mínimo cuadrática. Se aportan los scripts desarrollados en Matlab con el modelo de velocidades de la corteza para Ecuador, el cual permite obtener la velocidad e incertidumbre de cualquier punto dentro del territorio ecuatoriano. Por primera vez para Ecuador, se obtiene un campo de velocidades preciso a partir de datos GNSS continuos de las estaciones REGME, definiendo, a partir de éste, un modelo preciso de velocidades para la corteza terrestre para Ecuador, lo cual contribuye al conocimiento de la tectónica regional y geodinámica de la zona, así como la definición de un marco de referencia estable para el país. ----------ABSTRACT---------- The present PhD thesis is a contribution for defining a velocity model of the crust of Ecuador from GNSS data. A set of GNSS observations from 33 stations of the REGME (GNSS Continuous Monitoring Network of Ecuador) network, covering the period 2008‐ 2014 are used for this purpose. In addition, another 17 IGS (International GNSS Service) stations are considered in order to link the solution with the global reference framework ITRF2008. GNSS data are processed using the software Bernese 5.0 following the IGS recommendations to obtain daily time series for each station, both in cartesian coordinates and in topocentric local coordinates in the ITRF2008 (IGb08) system. The series are depurated of anomalous values by the detection and correction of offsets and by the removal of outliers prior to the time series analysis. Subsequently, an exhaustive analysis of the time series is carried out by additive decomposition, considering that the data generated by the series are the sum of three factors: trend, seasonality or periodicity and noise. The trend of a series is given by the long term motion of the data that compose it. Initially, it is calculated by weighted linear regression, adjusting the motion at a station to a straight line. The periodicity is determined by a spectral analysis of the series for unequally‐spaced data. The type of noise is computed from the spectral index derived from the power spectra analysis approximated to a frequency‐dependent power law. Results of the noise analysis will help evaluating its impact of the velocity calculations and their uncertainties. The trend, seasonality and type of noise are introduced in a general model of the series to recalculate the parameters of the series, namely periodicity, intercept and trend by least squares adjustment. The new estimates of these parameters provide more realistic magnitudes of the velocities and their uncertainties. This entire process is programmed in Matlab scripts. The input file is the SINEX file resulting from the GNSS processing, generating as the main output the velocity and the uncertainty for each station, according to the respective trend, seasonality and type of noise. The ITRF2008 velocity field finally obtained is referred to a reference frame fixed to the South American plate. This required the computation of the SOAM/ITRF2008 pole from five IGS stations located in the stable part of South America. The analysis of the velocity field clearly reflects the north‐northeastward motion of the North Andean Block with respect to the South American plate and a transpressive tectonic regime with dextral lateral slip of a complex fault system that constitutes the so‐called Andean Major Dextral System. Results show a clearly different tectonic behavior of the northern and southern parts of Ecuador. This coincides with the different behavior of the Ecuadorian subduction, with a weaker and shallower (0‐15 km) coupling in southern Ecuador and a northwards increase of the coupling, where last subduction mega‐earthquakes of the last century took place. Moreover, the stations located to the south of the Guayaquil Gulf present ESESE components that indicate that these stations are located in the Inca (or Peru) tectonic block. A velocity model for Ecuador is carried out from the absolute velocity field and relative to South America for Ecuador, applying the two techniques that are most often used to represent a continuous velocity surface: the geostatistical method Kriging and the least squares colocation method. The results obtained with both methods are compared with velocities of the stations used for the verification and with cross validation. From the different kriging techniques, the one that best fits the velocity field for the Ecuadorian crust is the Universal kriging method with a spherical semivariogram model. The root mean square error of the prediction obtained with this method is 1.76 mm/yr in east component and 1.81 mm/yr in north component. The colocation least squares method gives RMS errors of 1.70 mm/yr and 1.73 mm/yr for East and North components, respectively. Although both approaches have similar prediction errors, it is concluded that the method that presents a better fit and reliability for representing the velocity field of Ecuador is the least squares colocation method. The Matlab scripts developed with the crustal velocity model of Ecuador are provided. This allows obtaining the velocity and the uncertainty in any location of the Ecuadorian territory. For the first time in Ecuador, an accurate velocity field is obtained from continuous GNSS data of REGME stations. From this, it is defined a precise velocity model for the crust for Ecuador. This contributes to the understanding of the regional tectonics and geodynamics of the area, and to define a stable reference framework for Ecuador.

Más información

ID de Registro: 48790
Identificador DC: http://oa.upm.es/48790/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48790
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.48790
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 09 Ene 2018 08:52
Ultima Modificación: 09 Jul 2018 22:30
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