Identificación de señales de origen tectónico en series de tiempo del Global Navigation Satellite System (GNSS)

Abstract

La corteza terrestre sufre procesos de deformación de manera continua como consecuencia de la tectónica de placas, así como de otros procesos físicos relacionados con efectos gravitacionales, ciclos hidrológicos, entre otros. En este contexto, la geodesia espacial ha experimentado un crecimiento exponencial en las últimas décadas, en variedad, cantidad de observaciones disponibles y en la precisión con la que se pueden medir desplazamientos corticales. Dado este exquisito conjunto de observaciones, se vuelve clave el contar con herramientas computacionales que permitan identificar y aislar las señales de interés, dentro de todas las señales presentes en dichas observaciones. En este trabajo se analiza datos procedentes de redes de instrumentos del Global Navigation Satellite System (GNSS), en la forma de series de tiempo posicionales de cada estación GNSS, con el fin último de identificar y discriminar, de manera automática, las señales presentes en las series de tiempo que estén asociadas a procesos tectónicos, de las que puedan estar asociados a otras causas (e.g., cambios de hardware en los instrumentos GNSS). En este trabajo de tesis se desarrolló una metodología de detección automática de discontinuidades en las series de tiempo posicionales de los instrumentos GNSS. Dicha metodología consiste en tres pasos: 1) Identificación de posibles discontinuidades; 2) Refinamiento de la información obtenida del primer paso, en base a filtros determinados por los errores de las discontinuidades estimadas y por su correlación espacial con las discontinuidades detectadas en instrumentos cercanos; 3) Determinación de las amplitudes asociadas a las discontinuidades finales. Para llevar a cabo estos pasos, se generan modelos de trayectoria ad-hoc, para luego utilizar el enfoque de Basis Pursuit, en donde se busca encontrar soluciones sparse, identificando la mínima cantidad necesaria de funciones base para modelar las series de tiempo. Se valida y analiza los alcances de la metodología propuesta utilizando un conjunto de datos sintéticos. Luego se aplicó la metodología para series de tiempo posicionales obtenidas a partir de instrumentos GNSS en la zona del Norte de Chile y de la red GEONET de Japón, donde se determinó de manera automática el tiempo de ocurrencia y la amplitud de los desplazamientos co-sísmicos presentes en series de tiempo posicionales que registraron los terremotos de Pisagua (Mw 8.2) 2014 y Tohoku-Oki (Mw 9.0) 2011, obteniéndose el tiempo de ocurrencia y amplitudes de discontinuidad similares a los obtenidos en procedimientos previos en que se fija y se asume conocido el tiempo de ocurrencia de la discontinuidad. A la vez, se encontró un rango de validez del algoritmo en función de la razón señal/ruido, en donde para valores de ésta mayores a 2, la mitad de las discontinuidades eran detectadas correctamente, mientras que al aumentar la razón señal ruido el procentaje de detección aumentaba drásticamente.