Deutsche Geodätische Kommission der Bayerischen Akademie der Wissenschaften Reihe C Dissertationen Heft Nr. 773 Thomas Fuhrmann Surface Displacements from Fusion of Geodetic Measurement Techniques Applied to the Upper Rhine Graben Area München 2016 Verlag der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Kommission beim Verlag C. H. Beck ISSN 0065-5325 ISBN 978-3-7696-5185-0 Diese Arbeit ist gleichzeitig veröffentlicht in: Online-Plattform KITopen der Bibliothek des Karlsruher Instituts für Technologie - KIT (http://dx.doi.org/10.5445/IR/1000056073): DOI(KIT): 10.5445/IR/1000056073, URN: urn:nbn:de:swb:90-560733, KITopen ID: 1000056073) Deutsche Geodätische Kommission der Bayerischen Akademie der Wissenschaften Reihe C Dissertationen Heft Nr. 773 Surface Displacements from Fusion of Geodetic Measurement Techniques Applied to the Upper Rhine Graben Area Inaugural dissertation for the fulfilment of the requirements for the academic degree of Doctor of Engineering (Dr.-Ing.) accepted by the Department of Civil Engineering, Geo and Environmental Sciences of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) submitted by Dipl.-Ing. Thomas Fuhrmann from Oberderdingen, Baden-Württemberg, Germany München 2016 Verlag der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Kommission bei der C. H. Beck'schen Verlagsbuchhandlung München ISSN 0065-5325 ISBN 978-3-7696-5185-0 Diese Arbeit ist gleichzeitig veröffentlicht in: Online-Plattform KITopen der Bibliothek des Karlsruher Instituts für Technologie - KIT (http://dx.doi.org/10.5445/IR/1000056073): DOI(KIT): 10.5445/IR/1000056073, URN: urn:nbn:de:swb:90-560733, KITopen ID: 1000056073) Adresse der Deutschen Geodätischen Kommission: Deutsche Geodätische Kommission Alfons-Goppel-Straße 11 ! D – 80 539 München Telefon +49 – 89 – 23 031 1113 ! Telefax +49 – 89 – 23 031 - 1283/ - 1100 e-mail [email protected] ! http://www.dgk.badw.de Main referee: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Bernhard Heck, Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany Co-referees: Prof. Dr.-Ing. Stefan Hinz, Karlsruhe Institute of Technology Karlsruhe, Germany Prof. Dr. ir. Ramon Hanssen, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands Further members of the doctoral committee: Prof. Dr. Philipp Blum, Karlsruhe Institute of Technology Karlsruhe, Germany Prof. Dr. rer. nat. Martin Breunig, Karlsruhe Institute of Technology Karlsruhe, Germany Prof. Dr. rer. nat. Nico Goldscheider, Karlsruhe Institute of Technology Karlsruhe, Germany Prof. Dr.-Ing. Maria Hennes, Karlsruhe Institute of Technology Karlsruhe, Germany PD Dr.-Ing. Boris Jutzi, Karlsruhe Institute of Technology Karlsruhe, Germany Prof. Dr. rer. nat. Frank Schilling, Karlsruhe Institute of Technology Karlsruhe, Germany Day of examination: 12.04.2016 Diese Dissertation ist auf dem Server der Deutschen Geodätischen Kommission unter <http://dgk.badw.de/> sowie auf dem Server des Karlsruher Instituts für Technologie unter <http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/volltexte/1000045959> elektronisch publiziert © 2016 Deutsche Geodätische Kommission, München Alle Rechte vorbehalten. Ohne Genehmigung der Herausgeber ist es auch nicht gestattet, die Veröffentlichung oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfältigen ISSN 0065-5325 ISBN 978-3-7696-5185-0 “Zwischen all den Sternen schaut ein Satellit auf mich, ich kann ihn zwar nicht sehn, doch sieht er alles, glaube ich.” (“Between all those stars, a satellite looks down on me, I cannot see it, but it sees everything, I guess.”) from “Satellitenbild (satellite image)”, The Wohlstandskinder, German rock band (1995–2005) Artist view on Karlsruhe and the Upper Rhine Graben, assembled by C. Fuhrmann, image source: Google Earth, ESA v Abstract Detailed information on the present-day intraplate deformation of the Upper Rhine Graben (URG) is of interest for both researchers and decision makers. The URG is part of the Eu- ropean Cenozoic Rift System and carrying a significant probability for strong earthquakes. Furthermore, anthropogenic activities such as mining, groundwater usage and geothermal energy production may affect the deformation of the complex fault system. Within this work, surface displacements in the URG area bounded by the Rhenish Massif in the north and the Alps in the south are detected with geodetic measurement techniques. The three consid- ered techniques use (i) terrestrial measurements from precise levelling, (ii) satellite signals received at ground-based GNSS1 antennas and (iii) spaceborne radar data acquired by SAR2 satellites. Levelling data measured in several campaigns between 1867 and 2012 provides detailed in- sight into the vertical displacements of the investigation area. A least-squares adjustment of a large database of levelling measurements from Germany, France and Switzerland yields vertical displacement rates at 14,098 levelling benchmarks with a mean standard deviation (1s) of 0.18 mm/a. GNSS signals observed by a network of permanently operating sites are analysed to estimate 3D coordinates. Horizontal and vertical displacement rates are derived from the coordinate time series between 2002 and 2011 at 85 GNSS sites in the URG area. Resulting standard deviations (2s) of horizontal and vertical site velocities are 0.4 mm/a and 1.3 mm/a, respectively. SAR data acquired by the ERS3 and Envisat4 missions provide surface displacements along the slant line of sight towards the satellites in two time intervals, 1992– 2000 and 2002–2010, respectively. A combination of displacement time series of both time intervals results in mean standard deviations (2s) of displacement rates of 0.6 mm/a. The SAR data available at one descending and two ascending tracks covering the whole URG area are analysed, resulting in slant displacement components with different looking directions. The results of the single-technique analyses provide useful information on the current defor- mation behaviour of the investigation area. The levelling results reveal uplift tendencies in the Black Forest and in parts of the Vosges Mountains and the Palatinate Forest w.r.t. subsidence in most parts of the URG. Horizontal velocities at GNSS sites evidence a relative southward motion of the Rhenish massif w.r.t. a northward motion of the Alps resulting in sinistral shear- ing at the URG. InSAR5 is most suitable to investigate the temporal and spatial behaviour of surface displacements related to anthropogenic activities in the URG area. In order to exploit the advantages of the three techniques w.r.t. accuracy, sensitivity to different displacement components and spatial as well as temporal resolution, a new approach for the fusion of dis- placements from levelling, GNSS and InSAR is presented. The resulting map of 3D surface displacement rates resolves the neotectonic movements in the URG area with unprecedented spatial resolution and accuracy. With mean standard deviations of 0.4 and 0.2 mm/a for the horizontal and vertical velocities, respectively, the combined velocity solution is particularly able to resolve the relative movements of the graben interior. The 3D velocity field contributes to an improved understanding of intraplate deformation processes and strain accumulation 1 GNSS: Global Navigation Satellite Systems such as the Global Positioning System (GPS) 2 SAR: Synthetic Aperture Radar 3 ERS: European Remote Sensing Satellites 4 Envisat: Environmental Satellite 5 InSAR: Interferometric SAR vi in the URG. In addition, the temporal and spatial behaviour of surface displacements related to anthropogenic activities is resolved at several places, providing a fundamental basis for interpretation and discussion, for researchers as well as for decision makers. vii Zusammenfassung Detaillierte Informationen zum heutigen Deformationszustand des Oberrheingrabens (ORG) und seiner Umgebung sind von großem Interesse für Wissenschaftler und Entscheidungsträ- ger. Der ORG ist der prominenteste Teil eines mitteleuropäischen Riftsystems, das Europa vom Mittelmeer bis zur Nordsee durchquert. Die tektonisch interessante Grabenstruktur ist in den letzten Jahrzehnten von moderater seismischer Aktivität geprägt. Allerdings gibt es eine signifikante Wahrscheinlichkeit für starke Erdbeben bis zur Magnitude MW = 7. Außer- dem kommt es durch die intensive Nutzung des Untergrunds im Oberrheingrabengebiet in den letzten Jahrzehnten verstärkt zu größeren, anthropogenen Deformationen, die im Zusam- menhang mit Erdölförderung, Bergbau, Grundwasserentnahme oder Geothermie stehen. In der vorliegenden Arbeit werden Oberflächenbewegungen im Gebiet des ORG zwischen dem Rheinischen Schiefergebirge im Norden und den Alpen im Süden aus drei geodätischen Ver- fahren abgeleitet. Die drei Verfahren verwenden (1) terrestrische Messungen mittels Präzi- sionsnivellement, (2) Satellitensignale, die an GNSS1-Antennen auf der Erde empfangen wer- den und (3) satellitengestützte Radardaten, die von SAR2-Satelliten aufgezeichnet werden. Die Nivellementdaten im Bereich der trinationalen Oberrheingrabenregion wurden von den zuständigen Landesvermessungsbehörden aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz in mehreren Kampagnen gemessen. Als Datenbasis stehen Nivellementmessungen aus den Jahren 1867 bis 2012 zur Verfügung. Aus Messdaten an mehrfach beobachteten Nivelle- mentpunkten können vertikale Verschiebungen der Erdoberfläche berechnet werden. Dazu werden die gemessenen Höhenunterschiede an den Nivellementpunkten mit einem kinema- tischen Modell nach der Methode der kleinsten Quadrate ausgeglichen. Aus mehr als 40.000 Beobachtungen können vertikale Verschiebungsraten