Integration of satellite interferometry and geological methods for landslide research

Resumen

La cartografía y caracterización geológica de los movimientos de ladera son el primer paso para la evaluación de su peligrosidad. A pesar del impacto que generan a nivel mundial y de ser el segundo peligro geológico más dañino en España (después de las inundaciones), todavía existe poca concienciación social sobre los movimientos de ladera. Este hecho evidencia la necesidad de realizar esfuerzos adicionales para el estudio de estos fenómenos naturales. La aplicación de un enfoque multi-técnica que combine métodos innovadores de teledetección, como la interferometría de satélite radar, con métodos geomorfológicos y geológicos ya ha demostrado ser muy eficaz para la investigación de movimientos de ladera. La presente Tesis Doctoral se desarrolla en este marco y mejora el conocimiento de los movimientos de ladera aplicando dicha combinación de técnicas. El estudio de esta tesis se ha focalizado en zonas críticas y de interés de la Provincia de Granada (Sur de España): Sierra Nevada y el Embalse de Rules. Sierra Nevada es una cadena montañosa de gran altitud, en la que algunos movimientos de ladera no han sido identificados, a pesar de ser susceptible a ellos. En este caso, se integraron técnicas de Interferometría Diferencial de Radar de Apertura Sintética (DInSAR) y de Análisis del Relieve para optimizar la cartografía de movimientos de ladera y proporcionar un inventario actualizado de estos. El Análisis del Relieve se basó en la identificación de anomalías en ríos, utilizando el índice de pendiente doble normalizada (ksnn), una novedosa derivación del índice de pendiente normalizada convencional (ksn), mediante el cual se redujo la influencia de la tectónica activa de la zona. Así, se detectaron 28 nuevos movimientos de ladera mediante la visualización de anomalías del índice ksnn y de las zonas inestables del terreno obtenidas de los mapas de velocidad DInSAR. La nueva cartografía revela un aumento significativo de la superficie afectada por movimientos de ladera (33.5%) en comparación con el inventario anterior del Instituto Geológico y Minero de España (IGME-CSIC) (14.5%). Otro hallazgo importante ha sido la identificación, por primera vez en Sierra Nevada, de dos tipos de movimientos de ladera: Deformaciones Gravitacionales Profundas de Ladera (DGSDs) y deslizamientos en roca. Los límites difusos, la litología homogénea (esquistos) y las morfologías glaciares dificultaron la delimitación de estos movimientos, pero las técnicas utilizadas facilitaron enormemente el proceso. Las observaciones geomorfológicas realizadas en campo y la exploración de mapas (p. ej. pendiente, sombreado, orientación, rugosidad) derivados de Modelos Digitales de Elevación (DEMs) de alta resolución fueron fundamentales para definir con precisión los límites de los movimientos de ladera, así como para describir sus morfologías. Debido al gran tamaño y a la tipología de estos movimientos, se ha proporcionado una visión preliminar sobre su peligrosidad y posible impacto en la región. El Embalse de Rules es una de las infraestructuras más estratégicas de la Provincia de Granada y bien conocido por los problemas de inestabilidad del terreno que ocurrieron durante y después de su construcción. En este caso, se aplicaron técnicas DInSAR en las laderas del embalse para obtener mapas de velocidad del terreno, que revelaron la existencia de tres deslizamientos activos. La exhaustiva investigación geomorfológica basada en observaciones de campo y fotointerpretación de imágenes aéreas históricas, permitió distinguir entre dos tipologías de deslizamientos: rotacionales (Lorenzo-1 y Viaducto de Rules) y traslacionales (El Arrecife), así como identificar daños superficiales relacionados con la actividad de estos. Las series temporales de desplazamiento acumulado (TSs) derivadas de DInSAR revelaron una correlación entre la aceleración del movimiento de los deslizamientos rotacionales y los descensos del nivel de agua del embalse. Las dimensiones, el carácter rotacional y las leves aceleraciones de estos deslizamientos, hacen que sea poco probable que se produzca un colapso repentino y rápido de las laderas en el embalse. Sin embargo, estos suponen un riesgo para las infraestructuras cercanas por su evolución retrogresiva: el Deslizamiento Lorenzo-1 ya está afectando a la Carretera Nacional N-323, mientras que el Deslizamiento del Viaducto de Rules puede estar deformando el tramo sur del Viaducto de Rules (Autovía A-44). En cuanto al Deslizamiento de El Arrecife, su carácter traslacional lo hace potencialmente más peligroso, lo cual ha motivado realizar una caracterización más detallada del mismo. El Deslizamiento de El Arrecife está situado en la ladera occidental del Embalse de Rules y se identificó gracias a los datos DInSAR, ya que sus límites poco definidos dificultaron su reconocimiento en el paisaje. Este deslizamiento ha sido analizado mediante un enfoque multi-técnica para elaborar una caracterización rápida y una comprensión exhaustiva de su estructura, volumen y actividad histórica. Mediante el trabajo de campo estructural, se pudieron identificar varias orientaciones de la foliación de las rocas (filitas), y se obtuvo la orientación más probable para generar una rotura planar de la ladera mediante un análisis cinemático. También se estimó la estimación de la superficie de rotura, determinando así el volumen extremadamente grande del deslizamiento (14.7 millones de m3). Los datos DInSAR mostraron la actividad a corto plazo del deslizamiento (5 años), mientras que los datos geofísicos obtenidos de Radar de Penetración Terrestre (GPR) revelaron su actividad a medio plazo (últimos 22 años). Con ambas técnicas se obtuvo un movimiento vertical del deslizamiento de alrededor de 2 cm/año. También se aplicaron técnicas fotogramétricas basadas en el método ‘Structurefor- Motion’ (SfM), pero no se detectaron movimientos rápidos superficiales durante el periodo analizado (14 años). Además de su movimiento traslacional general, el pie del deslizamiento está formado por deslizamientos rotacionales de menor tamaño. Las series temporales (TS) derivadas de DInSAR indican que las variaciones en el nivel de agua del embalse no afectan a todo el cuerpo del deslizamiento, pero los descensos del nivel del embalse sí que aceleran el movimiento de los movimientos rotacionales del pie. Por lo tanto, el peligro más significativo del deslizamiento de El Arrecife está relacionado con estos deslizamientos rotacionales, que ya han estado generando daños en la Carretera Nacional N-323 durante varias décadas y se espera que persistan. Aunque es improbable, la posibilidad de una aceleración rápida y repentina de todo el deslizamiento y su posterior colapso en el embalse no debe descartarse, debido a su cinemática traslacional y tamaño. Por lo tanto, es de vital importancia considerar la respuesta de este deslizamiento ante posibles escenarios peligrosos derivados de acontecimientos extraordinarios, tales como una reducción drástica del nivel de agua del embalse, precipitaciones intensas o un terremoto.