Actividad de los movimientos de ladera de la Serra de Tramuntana (Mallorca). Aplicación de técnicas remotas (DInSAR) y simulación de desprendimientos rocosos

Abstract

[eng] Innovative tools have been applied in this research work, such as Advanced Radar Interferometry techniques and rockfall simulation software in order to analyse the dangers of landslides in the Tratamuntana Range of the Island of Mallorca. The precise application of both techniques have good baseline data such as: the detailed inventory of ground movements, knowledge of the determination factors of instabilities (geology, geomorphology, material resistance, slopes etc.), the analysis of triggering factors (precipitation, temperature, sea and torrential erosion) and other parameters relating to the impact caused by these natural hazards, such as damage to homes and infrastructure, and economic losses concerning both direct and indirect costs generating from this. From previous work focusing on the landslides in the Tratamuntana Range (Mateos, 2001), relating to the data provided by the Department of Highways Mallorca Island Council and Emergency Department of the Balearic Government, together with the field work and aerial photography analysis conducted for their project, 934 landslides have been logged and characterized in the eighteenth century. This inventory includes the following types: rockfalls, landslides (rock and soil), flow, lateral spreading and nature karstic collapse. The points logged in GIS have enabled the study of distribution along the mountains and a detailed analysis of factors affecting movements has been carried out. This has shown that 65,5% of the movements in the mountains correspond to rockfalls and 25% due to landslides. 54% of inventoried events are located in the coastal strip of this mountain range. The rockfalls mainly take place (52% of cases) with hard materials 'Lias' (mainly limestone and dolomitic breccias) associated with the main escarpments of the range, and especially the fronts of thrust that make up the geological structure of the Tramuntana. Landslides in soil mainly affect the soft Keuper sediments (clays and gypsum) and the Quaternary colluvial deposits, which are mainly concentrated in the southwestern half of the Range. The cold and rainy period in 2008-2010 triggered an unusual number of landslides (14 rockfalls 1 rock avalanche, 15 landslides and 4 karstic collapses) has allowed a detailed analysis of the triggering factors to be carried out . Thus, rockfalls occurred after the occurrence of heavy rain, with values above 90 mm / 24h or saturated rock mass (accumulated rainfall> 800 mm / 3 months) with several cycles of freeze-thaw on previous days. Soil landslides occurred after heavy rainfall, moderate to extreme, and high levels of accumulated rainfall (> 850 mm / 3 months). Undoubtedly, one of the main engines of the process is the intense gravitational dynamic coastline of the northern coast, as reflected in the high distribution movements registered along the coastal strip. The collaboration of different social agents of the island (municipalities, departments of local and regional administration etc.,) has allowed the assessment of economic losses caused by landslides during that period 2008-2010, which affected many homes and infrastructure, and especially the road network of the range. The economic losses(direct and indirect) during that period amounted to 11 M €, which represents 0.042% of the Balearic islands GDP. The spatial distribution of damage shows that the southwest sector of the Range is the one that has endured greater economic losses, especially the municipalities of Andratx (losses of € 2,072,457) and the municipality of Calvià (€ 1.7 million). Advanced Radar Interferometry techniques (DInSAR) have been applied in order to detect hotspot ground deformations. To this end, many processed radar images have been obtained by several satellites: ALOS, ENVISAT, ERS, COSMO SKY- MED, covering a temporal space of 20 years (1992- 2012). The set of images were selected corresponding to PALSAR ALOS satellite sensor (14/17 images with an interval in the sequence of 46 days), as its L-band allows for greater density of points in adverse areas, and also its temporary coverage covers the humid period 2008-2010. The processing method used has been Advanced Differential Interferometric processing technique Persistent Scattering (PSI) developed by Arnaud et al. (2003); Hard et al. (2005). In order to correct geometric distortion generated by the mode of acquisition of satellite data, it has projected the estimated deformation in the line of sight of the satellite (VLOS) along the steepest slope (VSLOPE ). Deformation thresholds established in the study area have been: ± 3 mm / year for VLOS deformation speed, and - 5 mm / year for the deformation speed VSLOPE. Overlapping data strain rate and inventory map, along with the geomorphological observations (DEM, topography, orthophotos) and in field tests, have identified the active landslides. The results are: (1) 22% of mapped landslides are active; (2) they have been 5 new landslides identified, (3) the geometry of 5 existing landslides have been redefined, and (4) the identification of new potentially dangerous areas. Throughout the Ma-10 highway, which is the main infrastructure of the Range, the radar has identified 18 active areas which have an average value of VSLOPE exceeding 10 mm / year damages threshold proposed by Masour et al. (2011). From the SAR images it has also been possible to quantify deformations related to lateral spreading processes identified in the southern sector of the Tramuntana. The obtained strain rates lower than -16 mm / year, confirm the slowness of these movements, although in areas takeoff speeds soar to 3 cm / year, which shows the danger of these movements. Thanks to the high number of inventoried rockfalls (103) of variable frequency and magnitude, it has been able to calibrate and validate the STONE Code (Guzzetti et al., 2002) in the Tramuntana Range. This software requires 5 ASCII input maps (digital terrain model, source areas, normal restitution energy coefficient, tangential restitution energy coefficient and dynamic friction coefficient). The calibration dynamic coefficients have been carried out with reference to 40 well-characterised rockfalls, and performing a statistical estimate of the values obtained for each parameter, selecting the simulation that best fits reality. The parameters calibrated have been validated in a first stage, with 10 rockfalls triggered during the humid period 2008-2010 and, in a second stage, with 63 inventoried landslides along the Ma-10 road, which have occurred during the last 18 years. In the first stage of validation it shows that the accuracy of the model varies the scope and the off-path blocks. Rockfalls with a preferential trajectory and shorter range are better represented. In the second stage it is observed that the rockfall with source area in rock massif escarpments present a degree of confidence (81,5% of the events were correctly identified) that the rockfalls with the source area in the road cuttings (only 49% of the rockfalls were identified). Finally, the results obtained have been used to design the main lines of action in the Ma10 versus protection of rockfalls. Three working phases have been established : (1) short-term measures taken in areas where no registered events and results were obtained with simulation STONE; (2) medium-term measures taken where there have been rock falls but the model obtained no results and (3) long-term measures taken for road sections where no rockfalls occurred, but the model obtained results. This research aims to provide a series of calibrated and validated tools in the study area as a basis for future work (regional and/or local) to assess hazard, vulnerability and risk.

[spa] En el presente trabajo de investigación se han aplicado herramientas novedosas, como son las técnicas de Interferometría Radar Avanzada y los modelos de simulación de desprendimientos rocosos, para analizar la peligrosidad por movimientos de ladera en la Serra de Tramuntana de la Isla de Mallorca. La aplicación de ambas técnicas precisa disponer de buenos datos de partida como son: el inventario detallado de los movimientos del terreno, el conocimiento de los factores condicionantes de las inestabilidades (geología, geomorfología, resistencia de materiales, pendientes, etc.), el análisis de los factores desencadenantes (precipitación, temperatura, erosión marina y torrencial), así como de otros parámetros relativos al impacto generado por estos peligros naturales, tales como los daños causados en viviendas e infraestructuras, y las pérdidas económicas generadas, referentes tanto a los costes directos como indirectos. A partir de trabajos previos focalizados en los movimientos de ladera en la Serra de Tramuntana (Mateos, 2001), de los datos facilitados por el Servicio de Carreteras del Consell Insular de Mallorca y la Dirección General de Emergencias del Govern Balear, junto con el trabajo de campo y el análisis de la fotografía aérea llevado a cabo para el presente trabajo, se han inventariado y caracterizado 934 movimientos de ladera en la Serra de Tramuntana desde el siglo XVIII. El inventario incluye las siguientes tipologías: desprendimientos rocosos, deslizamientos (de roca y en suelo), flujos, expansión lateral y colapsos de naturaleza kárstica. La proyección de los puntos inventariados en GIS ha facilitado el estudio de su distribución a lo largo de la Serra y ha permitido llevar a cabo el análisis pormenorizado de los factores que condicionan los movimientos. Se ha podido constatar que el 65,5 % de los movimientos registrados en la Serra corresponden a desprendimientos rocosos y el 25% a deslizamientos. El 54% de los eventos inventariados se localizan en la franja costera de esta cadena montañosa. Los desprendimientos rocosos tienen lugar principalmente (52% de los casos) en los materiales duros del Lías (calizas y brechas dolomíticas principalmente) asociados a los principales escarpes de la Serra, y especialmente a los frentes de cabalgamiento que configuran la estructura geológica de la Tramuntana. Los deslizamientos en suelos afectan principalmente a los sedimentos blandos del Keuper (arcillas versicolores con yesos) y a los depósitos coluviales del Cuaternario, y se concentran principalmente en la mitad suroccidental de la Serra. El evento frío y lluvioso del periodo 2008-2010, que desencadenó un número inusual de movimientos de ladera (14 desprendimientos, 1 avalancha de rocas, 15 deslizamientos, y 4 colapsos Kársticos), ha permitido llevar a cabo un análisis pormenorizado de los factores desencadenantes. Así, los desprendimientos rocosos tuvieron lugar después de la ocurrencia de lluvias intensas, con valores superiores a 90 mm/24h, o bien en macizos rocosos saturados (lluvias acumuladas >800 mm/3 meses) con varios ciclos de hielo-deshielo días previos a la rotura. Los deslizamientos en suelos tuvieron lugar después de lluvias intensas, de moderadas a extremas, y con valores elevados de lluvia acumulada (> 850 mm/3 meses). Sin duda alguna, otro de los motores principales de los procesos gravitacionales es la intensa dinámica litoral de la costa norte, tal y como refleja la elevada distribución de movimientos registrados a lo largo de la franja costera. La colaboración con diferentes agentes sociales de la isla (ayuntamientos, departamentos de la administración local y autonómica etc.,) ha permitido la valoración de las pérdidas económicas causadas por los movimientos de ladera durante el citado periodo 2008-2010, que afectaron a numerosas viviendas e infraestructuras, y principalmente a la red viaria de la Serra. Las pérdidas económicas (directas e indirectas) durante el citado periodo ascendieron a 11 M €, lo que representa el 0,042% del PIB de Baleares. La distribución espacial de los daños muestra que el sector suroeste de la Serra es el que ha soportado mayores pérdidas económicas, especialmente los municipios de Andratx (pérdidas de 2.072.457 €) y el municipio de Calvià (1.700.000 €). Las técnicas de Interferometría Radar Avanzada (DInSAR) se han aplicado con la finalidad de detectar zonas activas con deformaciones del terreno. Para ello, se han procesado numerosas imágenes radar obtenidas por varios satélites: ALOS, ENVISAT, ERS, COSMO SKY- MED, que cubren un espacio temporal de 20 años (desde 1992- 2012). Del conjunto de imágenes, se han seleccionado las correspondientes al sensor PALSAR del satélite ALOS (14/17 imágenes con un intervalo en la secuencia de 46 días), ya que su banda L permite obtener mayor densidad de puntos en zonas desfavorables, y además su cobertura temporal cubre el periodo húmedo 2008-2010. El método de procesado empleado ha sido la técnica Avanzada de procesamiento Diferencial Interferométrico de Dispersión Persistente (PSI) desarrollada por Arnaud et al. (2003); Duro et al. (2005). Con la finalidad de corregir la distorsión geométrica generada por el modo de adquisición de los datos del satélite, se ha proyectado la velocidad estimada de la deformación en la línea de vista del satélite (VLOS) a lo largo de la línea de máxima pendiente (VSLOPE). Los umbrales de deformación establecidos en el área de estudio han sido de: ± 3 mm/año para la velocidad de deformación VLos, y de - 5 mm/año para la velocidad de deformación Vslope. La superposición de los datos de velocidad de deformación al mapa inventario, junto con las observaciones geomorfológicas (DEM, topografía, ortofotos) y comprobaciones en campo, han permitido identificar los deslizamientos activos. Los resultados son: (1) un 22% de los deslizamientos cartografiados son activos; (2) se han identificado 5 deslizamientos nuevos, (3) se ha redefinido la geometría de 5 deslizamientos existentes, y (4) se han identificado nuevas áreas potencialmente peligrosas. A lo largo de la carretera Ma-10, principal infraestructura de la Serra, el radar ha identificado 18 zonas activas que presentan un valor medio de VSLOPE que excede los 10 mm/año, umbral de daños propuesto por Masour et al. (2011). Las imágenes SAR también han permitido cuantificar deformaciones relacionadas con procesos de expansión lateral identificadas en el sector meridional de la Tramuntana. Las velocidades de deformación obtenidas, inferiores a -16 mm/año, confirman la lentitud de estos movimientos, aunque en las zonas de despegue, las velocidades se disparan hasta los 3 cm/año, lo que denota la peligrosidad de estos movimientos. Gracias al elevado número de desprendimientos rocosos inventariados (103), de magnitud y frecuencia variable, se ha podido calibrar y validar el Código STONE (Guzzetti et al., 2002) en la Serra de Tramuntana. Se trata de un software que requiere 5 mapas de entrada en formato ASCII (modelo digital del terreno, áreas fuente, coeficiente de energía de restitución normal, coeficiente de energía de restitución tangencial y coeficiente de fricción dinámica). La calibración de los coeficientes dinámicos se ha llevado a cabo tomando como referencia 40 desprendimientos bien caracterizados, y realizando una estimación estadística de los valores obtenidos para cada parámetro, seleccionando la simulación que mejor se ajusta a la realidad. Los parámetros calibrados se han validado, en una primera etapa, con 10 de los desprendimientos desencadenados durante el periodo húmedo 2008-2010 y, en una segunda etapa, con 63 desprendimientos inventariados a lo largo de la carretera Ma-10, y ocurridos durante los últimos 18 años. En la primera etapa de validación se observa que la precisión del modelo varía dependiendo del alcance y el recorrido de los bloques desprendidos. Desprendimientos con una trayectoria preferencial y menor alcance están mejor representados. En la segunda etapa se observa que los desprendimientos de rocas con el área fuente en escarpes de macizos rocosos presentan más grado de confianza (se identificaron correctamente el 81,5 % de los eventos) que los desprendimientos con el área fuente en taludes de la carretera (solo se identificaron el 49% de los desprendimientos). Finalmente, los resultados obtenidos se han utilizado para diseñar las líneas principales de actuación en la Ma-10 frente a su protección a los desprendimientos. Se han establecido tres fases de trabajo: (1) medidas a corto plazo en aquellas zonas donde hay eventos registrados y se obtuvieron resultados con la simulación del STONE; (2) medidas a medio plazo donde se han registrado caídas de rocas pero el modelo no ha obtenido resultados y (3) medidas a largo plazo para los tramos de carretera donde no se registraron caída de rocas, pero el modelo obtuvo resultados. El presente trabajo de investigación pretende ofrecer una serie de herramientas calibradas y validadas en la zona de estudio como base para futuros trabajos (regionales y/o locales) de peligrosidad, vulnerabilidad y riesgo por movimientos de ladera.

[cat] En el present treball de recerca s'han aplicat eines noves, com són les tècniques de Interferometria Radar Avançada i els models de simulació de despreniments rocosos, per analitzar la perillositat per moviments de vessant en la Serra de Tramuntana de l' illa de Mallorca. L'aplicació d'ambdues tècniques precisa disposar de bones dades de partida com són : l'inventari detallat dels moviments del terreny, el coneixement dels factors condicionants de les inestabilitats (geologia, geomorfologia, resistència de materials, pendents, etc.), l'anàlisi dels factors desencadenants (precipitació, temperatura, erosió marina i torrencial), així com d'altres paràmetres relatius a l'impacte generat per aquests perills naturals, tals com els danys causats en habitatges i infraestructures, i les pèrdues econòmiques generades, referents tant als costos directes com als indirectes. A partir de treballs previs focalitzats en els moviments de vessant en la Serra de Tramuntana (Mateos, 2001), de les dades facilitades pel Servei de Carreteres del Consell Insular de Mallorca i la Direcció General d'Emergències del Govern Balear, juntament amb el treball de camp i l'anàlisi de la fotografia aèria dut a terme per al present treball de camp, s'han inventariat i caracteritzat 934 moviments de vessant en la Serra de Tramuntana des del segle XVIII. L'inventari inclou les següents tipologies: despreniments rocosos, lliscaments (de roca i en sòl), fluxos, expansió lateral i col.lapses de naturalesa càrstica. La projecció dels punts inventariats en GIS ha facilitat l'estudi de la seva distribució al llarg de la Serra i ha permès dur a terme l'anàlisi detallada dels factors que condicionen els moviments. S'ha pogut constatar que el 65,5% dels moviments registrats en la Serra corresponen a despreniments rocosos i el 25% a lliscaments. El 54% dels esdeveniments inventariats es localitzen a la franja costanera d'aquesta cadena muntanyenca. Els despreniments rocosos tenen lloc principalment (52% dels casos) en els material durs del Lias (calcàries i bretxes dolomítiques principalment) associats als principals penya-segats de la Serra, i especialment als fronts d'encavalcament que configuren l'estructura geològica de la Tramuntana. Els lliscaments en sòls afecten principalment als sediments tous del keuper (argiles versicolors amb guixos) i als dipòsits col.luvials del Quaternari, i es concentren principalment en la meitat suroccidental de la Serra. L'esdeveniment fred i plujós del període 2008-2010, que va desencadenar un nombre inusual de moviments de vessant (14 despreniments, 1 devessall de roques, 15 lliscaments, i 4 col.lapses càrstics), ha permès dur a terme una anàlisi detallada dels factors desencadenants. Així, els despreniments rocosos van tenir lloc després de l'ocurrència de pluges intenses, amb valors superiors a 90 mm/24h, o bé en massissos rocosos saturats (pluges acumulades >800 mm/3 mesos) amb diversos cicles de geldesglaç dies previs al trencament. Els lliscaments en sòls van tenir lloc després de pluges intenses, de moderades a extremes, i amb valors elevats de pluja acumulada (> 850 mm/3 mesos). Sens dubte, un altre dels motors principals del processos gravitacionals és la intensa dinàmica litoral de la costa nord, tal com reflecteix l'elevada distribució de moviments registrats al llarg de la franja costanera.La col.laboració amb diferents agents socials de la illa (ajuntaments, departaments de l'administració local i autonòmica etc.,) ha permès la valoració de les pèrdues econòmiques causades pels moviments de vessant durant el citat període 2008-2010, que van afectar a nombrosos habitatges i infraestructures, i principalment a la xarxa viària de la Serra. Les pèrdues econòmiques (directes i indirectes) durant el citat període van ascendir a 11 M €, la qual cosa representa el 0,042% del PIB Balears. La distribució espacial dels danys mostra que el sector sud-oest de la Serra és el que ha suportat majors pèrdues econòmiques, especialment els municipis d'Andratx (pèrdues de 2.072.457 €) i el municipi de Calvià (1.700.000 €). Les tècniques de Interferometria Radar Avançada (DInSAR) s'han aplicat amb la finalitat de detectar zones actives amb deformacions del terreny. Per a això, s'han processat nombroses imatges radar obtingudes per diversos satèl.lits: ALOS, ENVISAT, ERS, COSMO SKY-MED, que cobreixen un espai temporal de 20 anys (des de 1992-2012). Del conjunt d'imatges, s'han seleccionat les corresponents al sensor PALSAR del satèl.lit ALOS (14/17 imatges amb un interval en la seqüencia de 46 dies), ja que la seva banda L permet obtenir major densitat de punts en zones desfavorables, i a més la seva cobertura temporal cobreix el període humit 2008-2010. El mètode de processament emprat ha estat la tècnica Avançada de processament Diferencial Interferomètric de Dispersió Persistent (PSI) desenvolupada per Arnaud et al. (2003); Dur el al. (2005). Amb la finalitat de corregir la distorsió geomètrica generada per la manera d'adquisició de les dades del satèl.lit, s'ha projectat la velocitat estimada de la deformació en la línia de vista del satèl.lit (VLOS) al llarg de la línia de màxima pendent (VSLOPE). Els llindars de deformació establerts a l'àrea d'estudi han estat de :± 3 mm/any per a la velocitat de deformació VLOS , i de -5 mm/any per a la velocitat de deformació VSLOPE. La superposició de les dades de velocitat de deformació al mapa d'inventari, juntament amb les observacions geomorfològiques (DEM, topografia, ortofotografia) i comprovacions en camp, han permès identificar els lliscaments actius. Els resultats són: (1) un 22% dels lliscaments cartografiats són actius; (2) s'han identificat 5 lliscaments nous, (3) s'ha redefinit la geometria de 5 lliscaments existents, i (4) s'han identificat noves àrees potencialment perilloses. Al llarg de la carretera Ma-10, principal infraestructura de la Serra, el radar ha identificat 18 zones actives que presenten un valor mitjà de VSLOPE que excedeix els 10 mm/any, llindar de danys proposat per Masour et al. (2011) Les imatges SAR també han permès quantificar deformacions relacionades amb processos d'expansió lateral identificades en el sector meridional de la Tramuntana. Les velocitats de deformació obtingudes, inferiors a - 16 mm/any confirmen la lentitud d'aquests moviments, encara que a les zones de desenganxament, les velocitats es disparen fins als 3 cm/any, la qual cosa denota la perillositat d'aquests moviments. Gràcies a l'elevat nombre de despreniments rocosos inventariats (103), de magnitud i freqüència variable, s'ha pogut calibrar i validar el Codi STONE (Guzzetti et al., 2002) en la Serra de Tramuntana. Es tracta d'un programari que requereix 5 mapes d'entrada en format ASCII (model digital del terreny, àrees font, coeficient d'energia de restitució normal, coeficient d'energia de restitució tangencial i coeficient de fricció dinàmica). El calibratge dels coeficients dinàmics s'ha dut a terme prenent com a referència 40 despreniments ben caracteritzats, i realitzant una estimació estadística dels valors obtinguts per a cada paràmetre, seleccionant la simulació que millor s'ajusta a la realitat. Els paràmetres calibrats s'han validat, en una primera etapa, amb 10 dels despreniments desencadenats durant el període humit 2008-2010 i, en una segona etapa, amb 63 despreniments inventariats al llarg de la carretera Ma-10, i ocorreguts durant els últims 18 anys. En la primera etapa de validació s'observa que la precisió del model varia depenent de l'abast i el recorregut dels blocs despresos. Els despreniments amb una trajectòria preferent i de menor abast estan millor representats. En la segona etapa s'observa que els despreniments de roques amb l'àrea font en escarpes de massissos rocosos presenten més grau de confiança (es van identificar correctament el 81,5 % dels esdeveniments) que els despreniments amb l'àrea font en talussos de la carretera (solament es van identificar el 49% dels despreniments). Finalment, els resultats obtinguts s'han utilitzat per dissenyar les línies principals d'actuació en la Ma-10 enfront de la seva protecció als despreniments. S'han establert tres fases de treball: (1) Mesures a curt termini en aquelles zones on hi ha esdeveniments registrats i es van obtenir resultats amb la simulació del STONE, (2) Mesures a mitjà termini on s'han registrat caigudes de roques però el model no ha obtingut resultats i (3) mesures a llarg termini per als trams de carretera on no es van registrar caiguda de roques, però el model va obtenir resultats. El present treball de recerca pretén oferir una sèrie d'eines calibrades i validades a la zona d'estudi com a base per a futurs treballs (regionals i/o locals) de perillositat, vulnerabilitat i risc per moviments de vessant.