An InSAR-GNSS displacement timeseries and velocity field for Aotearoa/New Zealand following the 2016 Kaikōura Earthquake

Technische Samenvatting: Een InSAR-GNSS Deformatie-tijdreeks en Snelheidsveld voor Aotearoa/Nieuw-Zeeland

Probleemstelling
Het begrijpen van bodemdeformatie over variërende ruimtelijke en temporele schalen is cruciaal voor het beoordelen van seismische gevaren, het detecteren van vulkanische onrust en het evalueren van de impact van verticale landbeweging (VLM) op de zeespiegelstijging. Hoewel Interferometrische Synthetische Apertuur Radar (InSAR) de deformatiemeting heeft gerevolutioneerd, vertrouwden eerdere studies in Nieuw-Zeeland sterk op campagne- en continue GNSS-datasets of InSAR-gegevens met een lagere resolutie (bijv. Envisat). Deze eerdere inspanningen beschikten vaak niet over de ruimtelijke resolutie om lokale variaties in VLM te vangen of de temporele dichtheid om complexe post-seismische transiënten na grote seismische gebeurtenissen te verklaren. Specifiek genereerde de aardbeving van de 2016 Mw 7.8 Kaikōura aanzienlijke post-seismische deformatie en triggerde het Slow Slip Events (SSE's), wat een hoogwaardige, meerjarige dataset noodzakelijk maakte om het evoluerende snelheidsveld en de kust-VLM nauwkeurig te karakteriseren.

Methodologie
De auteurs genereerden een nationale 3D-deformatie-tijdreeks en een snelheidsveld met een resolutie van 1 km voor Nieuw-Zeeland, de periode van januari 2017 tot januari 2026 besleurend. De methodologie integreerde twee primaire databronnen:

1. InSAR-data: Een 50 m resolutie Persistent Scatterer (PS) en Distributed Scatterer (DS) tijdreeks afgeleid van Sentinel-1 SAR-data (2017–2026) met behulp van de RapidSAR-verwerkingsketen. Dit omvatte het genereren van interferogrammen met volledige resolutie, het identificeren van coherente reflectoren via sibling-gebaseerde coherentie-inschatting, en het toepassen van atmosferische filtering (Gaussische ruimtelijke filter en Atmospheric Phase Screen).
2. GNSS-data: Continue 3-component GNSS-tijdreeksen van het nationale GeoNet-netwerk en commerciële exploitanten. De gegevens werden verwerkt in het IGB20-referentiekader met behulp van GAMIT/GLOBK 10.7.

Integratie en Verwerkingsstappen:

• Uitlijning van Referentiekader: GNSS-deformaties werden elke 12 dagen geschat (de herbezoektijd van Sentinel-1) en geïnterpoleerd met behulp van een driehoekige mesh (Velmap-methode) met Laplacian-smoothing. Om de grote post-seismische transient nabij het epicentrum van Kaikōura te behandelen, werden specifieke GNSS-locaties (KAIK en CLRR) gebruikt om het deformatieveld binnen door breuken begrensde blokken aan te passen, terwijl campagnegegevens de correcties voor het voetwandblok informeerden.
• InSAR koppelen aan GNSS: De InSAR-data werden gekoppeld aan het GNSS-referentiekader door het best passende polynomiale oppervlak en de lineaire fase-hoogte relatie tussen InSAR en geïnterpoleerde GNSS-residuen te schatten en te verwijderen. Punten op kale rotsen en stedelijke gebieden kregen een hoger gewicht dan die op landbouwgrond of bossen om fasebias te minimaliseren.
• Resampling en 3D-schatting: De gecorrigeerde InSAR-tijdreeksen werden gehersampled op een 1-km rooster, gewogen op basis van nabijheid tot GNSS-stations en gelijkenis met GNSS-waarden (met behulp van een Cauchy-wegingsschema). Een gewogen kleinste-kwadratenmethode werd vervolgens gebruikt om het volledige 3D-deformatieveld (Oost, Noord, Verticaal) bij elk tijdstip (epoch) op te lossen, waarbij zowel stijgende als dalende InSAR-data en geïnterpoleerde GNSS-data werden gecombineerd.
• Snelheid en Onzekerheidsschatting: Om vroege post-seismische deformatie en transiënten te isoleren, identificeerde een Pruned Exact Linear Time-benadering veranderpunten in de tijdreeks (met name in april 2018, 2019 en begin 2022/2023). Lineaire snelheden werden geïnverteerd voor specifieke intervallen (2017–2018, 2018–2019, 2019–2026). Fourier-analyse werd toegepast om periodieke signalen (1-jaar en 4-jaar cycli) te verklaren, en statische offsets werden berekend voor grote SSE's. Temporele variabiliteit werd beoordeeld met behulp van bewegende vensters (3, 4 en 5 jaar).
• Hoge-resolutie Kust-VLM: Een aparte hoog-resolutie VLM-inschatting werd gegenereerd (50 m voor <1 km van de kust, 100 m voor 1–5 km) met gebruik van dezelfde wegings- en resamplingprocedures. De temporele onzekerheid werd verbeterd door de snelheidsinschattingen te verstoren met een 8-jarig bewegend venster dat in stappen van 30 dagen over de 2004–2016 interseismische periode verschoof.

Belangrijkste Resultaten

• Nauwkeurigheid: De gecombineerde InSAR-GNSS-tijdreeks vertoont een sterke overeenstemming met onafhankelijke GNSS-locaties, met gemiddelde RMS-misfits van 0,16 mm (Oost), 0,08 mm (Noord) en 0,21 mm (Verticaal). Voor locaties die niet voor de beperking (constraint) zijn gebruikt, bleven de misfits laag (0,24–0,35 mm).
• Post-seismische Deformatie: Het deformatieveld wordt gedomineerd door post-seismische transiënten van de Kaikōura-aardbeving. Vroege post-seismische beweging vertoont significante oost-noordoostelijke beweging, tegenover de langetermijnplaatbeweging in, met name in de regio Cape Campbell.
• Veranderingen in het Snelheidsveld:
  • Wellington: Verticale snelheden verschoven van ~-3 mm/jaar (subsidentie) vóór de aardbeving naar bijna nul na de aardbeving.
  • Noordelijke Zuidereiland: Opstijgingssnelheden namen toe van pre-event subsidentie (-1 tot -3 mm/jaar) naar 15–20 mm/jaar.
  • Taupo Volcanische Zone: Voortdurende wijdverspreide subsidentie die 10 mm/jaar overschrijdt, met hogere snelheden nabij geothermische velden.
  • Slow Slip Events: Significante veranderingen in de deformatiesnelheden werden waargenomen in de Manawatu-regio (begin 2022) en de Oostkust (Gisborne/East Cape) als gevolg van SSE's.
• Kust-VLM: De hoog-resolutie kustanalyse onthult gelokaliseerde variaties die door eerdere 2-km binning vaak over het hoofd werden gezien. Opvallende verschillen ten opzichte van eerdere interseismische schattingen zijn bijna-nul snelheden in de Bay of Plenty (voorheen 10 mm/jaar opstuwing) en toegenomen subsidentie in Taranaki (3 mm/jaar versus voorheen 0,5 mm/jaar).
• Validatie: Statistische tests (Kolmogorov-Smirnov en Wilcoxon signed-rank) bevestigden dat er geen significante systematische bias bestaat tussen de nieuwe InSAR-afgeleide snelheden en onafhankelijke GNSS-datasets binnen de kuststrook.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert de eerste hoog-resolutie (1 km) nationale 3D-deformatie-tijdreeks en snelheidsveld voor Nieuw-Zeeland te bieden, bijgewerkt tot januari 2026. Door Sentinel-1 en GNSS te combineren, biedt deze studie een bijgewerkte schatting van de kust-VLM met een resolutie van 50–100 m, inclusief verbeterde onzekerheidskwantificering en temporele variabiliteit.

De auteurs stellen dat deze dataset de beperkingen van eerdere 2-km resolutie modellen aanpakt, die lokale VLM-variaties maskeerden die cruciaal zijn voor nauwkeurige projecties van de zeespiegelstijging. De studie benadrukt dat, hoewel de nieuwe schattingen over het algemeen overeenkomen met de eerdere interseismische snelheden buiten de Kaikōura-breukzone, er significante lokale afwijkingen bestaan door post-seismische transiënten en SSE's. De auteurs concluderen dat de verbeterde ruimtelijke en temporele resolutie die huidige en toekomstige SAR-missies bieden, een herbeoordeling van de kust-VLM noodzakelijk maakt om robuuste, actuele schattingen te leveren voor zeespiegelstijging-modellering en gevaaranalyse.