Análisis de series de tiempo de desplazamiento del terreno derivadas de interferometría de radar de apertura sintética [InSAR] para la detección de componentes no lineares - Cañas Manzo, Juan Carlos (My University, 2024)
La Ciudad de México constituye uno de los conglomerados urbanos más extensos del mundo, contando con más de 9 millones de habitantes (INEGI 2020). La alta densidad poblacional implica una gran demanda de recursos, entre los que destacan el suministro de agua potable principalmente para consumo doméstico, industrial, agropecuario, público, urbano (Diario Oficial de la Federación 2013). El volumen de extracción de agua subterránea en la Ciudad de México se estima en 993.2 Mm3/año (CONAGUA 2023), mientras que el volumen de recarga se estima en 512.8 Mm3/año (CONAGUA 2023). Por ende, el acuífero se encuentra en un déficit de recarga ocasionando su sobreexplotación. Esto, en conjunto con las propiedades mecánicas del acuífero rico en arcillas (Palomera & Sanchez 1989), provoca la subsidencia del terreno a velocidades de hasta 400 mm/año (Poreh et al. 2021). Este fenómeno trae consigo severas repercusiones, como cambios en las propiedades de los materiales del subsuelo, agrietamiento, fracturamiento, subsidencia diferencial y daños a la infraestructura. En la actualidad, se realizan diversos estudios acerca de la evolución de la subsidencia en la Ciudad de México entre los que se encuentran aquellos que utilizan datos InSAR (Osmano˘glu et al. 2011, Yan et al. 2012, Poreh et al. 2021, Avilés y Pérez-Rocha 2010). Estos estudios analizan la respuesta de este fenómeno ante los factores geológicos e hidrológicos involucrados mediante el análisis de series de tiempo InSAR. Las mediciones de subsidencia en la Ciudad de México indican una tendencia lineal pronunciada a lo largo del tiempo. Los estudios mencionados se enfocan al entendimiento de la subsidencia en la Ciudad de México a una escala espacial regional. A partir del sismo del 19 de septiembre del 2017, cobraron relevancia las evidencias de fracturamiento en regiones bien definidas, como en el piedemonte de la Sierra de Santa Catarina, resultado de la subsidencia diferencial (Carreón-Freyre et al. 2017), convirtiéndola en un gran prospecto para el estudio local de los cambios en el terreno provocado por eventos tectónicos (Ovando-Shelley E., Ossa A., & Miguel P. 2007). Esta zona presenta una complejidad reconocida en cuanto al comportamiento mecánico del acuífero (Palma et al. 2022), asociada a la disposición del sistema acuífero en el subsuelo (Palomera & Sanchez 1989) y a los agresivos regímenes de extracción de agua subterránea (CONAGUA 2023). Los estudios basados en series temporales de InSAR, hasta la actualidad, carecen de detalle al profundizar en el análisis de los desplazamientos del terreno en la Sierra de Santa Catarina. Así mismo, ningún estudio se ha centrado en caracterizar la zona de estudio considerando la respuesta del terreno tras sismos de importancia en la Ciudad. Sobre todo, no se han explorado las señales temporales que no corresponden al comportamiento altamente lineal asociado a la subsidencia regional del terreno. En este trabajo, se realiza un análisis detallado de datos de series de tiempo InSAR procesados con una técnica de lineas base cortas utilizando datos obtenidos por los Satélites Sentinel-1A y B entre 2014 y el 2021. La contribución principal de este trabajo radica en el estudio de las componentes residuales de las series temporales, después de eliminar la componente lineal, en las cercanías de la Sierra de Santa Catarina. Esto permitirá identificar patrones de comportamiento que pueden ser de utilidad para predecir o entender los efectos de la subsidencia en la Ciudad de México y localizarlos en el espacio.
Las técnicas de análisis de series de tiempo de desplazamiento del terreno generalmente simplifican los desplazamientos reales a través de un modelo lineal. Dicho modelo lineal puede ser descrito a través de la ecuación cartesiana de una recta y=mx+b, en donde y es el desplazamiento del terreno, m es la pendiente de la recta, x es el tiempo y b es la ordenada al origen. Sin embargo, las visualizaciones de las tendencias en el tiempo basadas en dicho modelo dificultan la visualización de fenómenos no lineales. La tendencia lineal de los desplazamientos se conoce como componente secular por su larga duración en el tiempo, y es generalmente la que genera desplazamientos de mayor magnitud en fenómenos naturales como la subsidencia del terreno. Sin embargo, muchos fenómenos en la naturaleza siguen un comportamiento que puede ser lineal por segmentos, no lineal, o que puede tener escalones, entre otros. A este tipo de desplazamientos se les puede asociar con desplazamientos que experimentan aceleración, transitorios (como aquellos asociados a sismos), estacionales (como aquellos asociados al ciclo del agua) o esporádicos (aquellos cuya temporalidad no está bien definida). En este trabajo se busca analizar las componentes no lineales de desplazamiento del terreno a partir de series de tiempo InSAR. La correcta detección y visualización de dichas componentes puede llegar a significar un entendimiento mejorado de fenómenos no lineales. Por ejemplo, la subsidencia del terreno es mayormente lineal en un periodo de observación anual a decenales, pero tiene componentes de aceleración que se ajustan a modelos logarítmicos en las primeras etapas de su gestación. De igual modo, el entendimiento de las componentes no lineales de las series de tiempo podría facilitar la detección de precursores de desplazamiento, es decir, señales de poca magnitud que se generan antes de la ocurrencia de un desplazamiento mayor.
Keywords: Geología; Series de Tiempo; Procesamiento de datos InSAR; Subsidencia en México; Análisis de datos geoespaciales