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

Resumo Técnico: Uma Séries Temporais de Deslocamento e Campo de Velocidade InSAR-GNSS para Aotearoa/Nova Zelândia

Definição do Problema
Compreender a deformação do solo em diversas escalas espaciais e temporais é crítico para avaliar riscos sísmicos, detectar instabilidades vulcânicas e avaliar os impactos do movimento vertical da terra (VLM) na subida do nível do mar. Embora o Interferometria de Radar de Abertura Sintética (InSAR) tenha revolucionado a medição de deformação, estudos anteriores na Nova Zelândia basearam-se fortemente em campanhas e conjuntos de dados GNSS contínuos ou dados InSAR de menor resolução (ex: Envisat). Esses esforços anteriores frequentemente careciam da resolução espacial para capturar variações locais de VLM ou da densidade temporal para resolver transientes pós-sísmicos complexos após grandes eventos sísmicos. Especificamente, o terremoto de Kaikōura de magnitude Mw 7.8 em 2016 gerou uma deformação pós-sísmica significativa e desencadeou Eventos de Deslizamento Lento (SSEs), necessitando de um conjunto de dados de alta resolução e multianual para caracterizar com precisão o campo de velocidade em evolução e o VLM costeiro.

Metodologia
Os autores geraram uma série temporal de deslocamento 3D e um campo de velocidade em escala nacional, com resolução de 1 km, para a Nova Zelândia cobrindo o período de janeiro de 2017 a janeiro de 2026. A metodologia integrou duas fontes de dados primárias:

1. Dados InSAR: Uma série temporal de Dispersores Persistentes (PS) e Dispersores Distribuídos (DS) com resolução de 50 m, derivada de dados Sentinel-1 SAR (2017–2026) usando a cadeia de processamento RapidSAR. Isso envolveu a geração de interferogramas de resolução total, identificação de refletores coerentes via estimativa de coerência baseada em irmãos e aplicação de filtragem atmosférica (filtro espacial Gaussiano e Tela de Fase Atmosférica).
2. Dados GNSS: Séries temporais GNSS contínuas de 3 componentes da rede nacional GeoNet e operadores comerciais. Os dados foram processados no referencial IGB20 usando GAMIT/GLOBK 10.7.

Integração e Etapas de Processamento:

• Alinhamento de Referencial: Os deslocamentos GNSS foram estimados a cada 12 dias (tempo de revisita do Sentinel-1) e interpolados usando uma malha triangular (método Velmap) com suavização Laplaciana. Para lidar com o grande transiente pós-sésmico próximo ao epicentro de Kaikōra, sítios GNSS específicos (KAIK e CLRR) foram usados para ajustar o campo de deslocamento dentro de blocos delimitados por falhas, enquanto dados de campanha informaram as correções para o bloco do pé da falha (footwall).
• Vinculação do InSAR ao GNSS: Os dados InSAR foram vinculados ao referencial GNSS através da estimativa e remoção da superfície polinomial de melhor ajuste e da relação de fase-altura linear entre o InSAR e os resíduos interpolados do GNSS. Pontos em rocha nua e áreas urbanas receberam maior peso do que em áreas de cultivo ou floresta para mitigar o viés de fase.
• Reamostragem e Estimativa 3D: As séries temporais InSAR corrigidas foram reamostradas em uma grade de 1 km, ponderadas pela proximidade das estações GNSS e similaridade com os valores GNSS (usando um esquema de ponderação de Cauchy). Uma abordagem de mínimos quadrados ponderados foi então usada para resolver o campo de deslocamento 3D completo (Leste, Norte, Vertical) em cada época, combinando dados InSAR ascendentes/descendentes e GNSS interpolados.
• Estimativa de Velocidade e Incerteza: Para isolar a deformação pós-sísmica precoce e os transientes, uma abordagem de Tempo Linear Exato Podado (Pruned Exact Linear Time) identificou pontos de mudança nas séries temporais (notadamente em abril de 2018, 2019 e início de 2022/2023). Taxas lineares foram invertidas para intervalos específicos (2017–2018, 2018–2019, 2019–2026). A análise de Fourier foi aplicada para considerar sinais periódicos (ciclos de 1 e 4 anos), e offsets estáticos foram resolvidos para grandes SSEs. A variabilidade temporal foi avaliada usando janelas móveis (3, 4 e 5 anos).
• VLM Costeiro de Alta Resolução: Uma estimativa de VLM separada de alta resolução (50 m para <1 km da costa, 100 m para 1–5 km) foi gerada usando os mesmos procedimentos de ponderação e reamostragem. A incerteza temporal foi aprimorada perturbando as estimativas de velocidade usando uma janela móvel de 8 anos deslocada em incrementos de 30 dias durante o período interseismicidade de 2004–2016.

Principais Resultados

• Precisão: A série temporal combinada InSAR-GNSS mostra forte concordância com sítios GNSS independentes, com erros médios de RMS de 0,16 mm (Leste), 0,08 mm (Norte) e 0,21 mm (Vertical). Para sítios não utilizados no condicionamento, os erros permaneceram baixos (0,24–0,35 mm).
• Deformação Pós-Sísmica: O campo de deformação é dominado por transientes pós-sísmicos do terremoto de Kaikōura. O movimento pós-sísmico inicial mostra um movimento significativo para leste-nordeste, oposto ao movimento de placa de longo prazo, particularmente na região de Cape Campbell.
• Mudanças no Campo de Velocidade:
  • Wellington: As velocidades verticais mudaram de ~-3 mm/ano (subsidência) pré-terremoto para quase zero pós-terremoto.
  • Norte da Ilha Sul: As taxas de soerguimento aumentaram de subsidência pré-evento (-1 a -3 mm/ano) para 15–20 mm/ano.
  • Zona Vulcânica de Taupo: Subsidência generalizada contínua excedendo 10 mm/ano, com taxas mais altas próximas a campos geotérmicos.
  • Eventos de Deslizamento Lento (SSEs): Mudanças significativas nas taxas de deslocamento foram observadas na região de Manawatu (início de 2022) e na Costa Leste (Gisborne/East Cape) devido a SSEs.
• VLM Costeiro: A análise costeira de alta resolução revela variações localizadas frequentemente perdidas pelo binamento anterior de 2 km. Diferenças notáveis em relação às estimativas interseísmicas anteriores incluem taxas próximas a zero na Baía de Plenty (anteriormente 10 mm/ano de soerguimento) e aumento da subsidência em Taranaki (3 mm/ano vs. 0,5 mm/ano anteriormente).
• Validação: Testes estatísticos (Kolmogorov-Smirnov e Wilcoxon signed-rank) confirmaram que não há viés sistemático significativo entre as novas velocidades derivadas de InSAR e os conjuntos de dados GNSS independentes dentro da faixa costeira.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer a primeira série temporal de deslocamento 3D e campo de velocidade de alta resolução (1 km) para a Nova Zelândia, atualizada até janeiro de 2026. Ao combinar Sentinel-1 e GNSS, o estudo oferece uma estimativa atualizada do VLM costeiro com resolução de 50–100 m, incluindo melhor quantificação de incerteza e variabilidade temporal.

Os autores afirmam que este conjunto de dados aborda as limitações dos modelos anteriores de resolução de 2 km, que obscureciam variações locais de VLM críticas para projeções precisas de subida do nível do mar. O estudo destaca que, embora as novas estimativas geralmente concordem com as taxas interseísmicas anteriores fora da zona de ruptura de Kaikōura, existem desvios locais significativos devido a transientes pós-sísmicos e SSEs. Os autores concluem que a melhoria na resolução espacial e temporal proporcionada pelas missões SAR atuais e futuras exige uma reavaliação do VLM costeiro para fornecer estimativas robustas e atualizadas para a modelagem da subida do nível do mar e avaliação de riscos.