Estudio y Análisis de procesos relacionados con las variaciones de los recurso hídricos en la región del Campo de Hielo Sur a partir del uso de la señal GPS

Abstract

La región del Campo de HieloPatagónico Sur está sujeta a procesos de deformación de la corteza terrestre nosolo asociados a cambios en las masas de nieve y hielo, sino también a cambiosdel nivel de agua de los grandes lagos que lo rodean. El requerimiento deobtener posicionamientos precisos en estudios de la dinámica de la Tierra,donde los fenómenos que se quieren observar presentan efectos de apenas unospocos milímetros, lleva a considerar factores que determinarán y condicionaránlos resultados a obtener. En ese sentido, resulta de vital importancia tener encuenta el tipo de antena a utilizar, evitar inclinaciones en la monumentación yla aplicación de los archivos de correcciones a los centros de fases de las.Previamente a losestudios de deformación regional se efectuaron test de antenas paracumplimentar con el objetivo de evaluar la repetividad de una posición al usardiferentes modelos de antenas y estimar la influencia debido a la falta deverticalidad en las coordenadas resultantes. Los resultados dieron el fundamentopara decidir y evaluar los diferentes tipos de monumentaciones a utilizar enlas estaciones episódicas GPS de la región. La comparación entre antenas mostróresultados con diferencias significativas en la componente vertical,principalmente cuando se utilizan antenas diseñadas para uso topográfico ocartográfico. Además, se observaron variaciones en las coordenadas cuando lamonumentación fue inclinada aproximadamente 5º.La red regional GPS,ubicada al oeste de la Provincia Santa Cruz, permitió comprender la deformaciónregional de la corteza terrestre a partir monitoreo de los sitios que componendicha red en el período 2011-2018. Las tasas de deformaciones verticalesobtenidas, procedentes del procesamiento de esta red, evidenciaron que losmayores desplazamientos ocurren en la cercanía al Campo de Hielo Patagónico Sury, estas tasas disminuyen en los sitios distanciados al este de esta región.Los desplazamientos obtenidos en las componentes horizontales, manifiestan unatendencia en dirección noreste que refleja una deformación a escala regionalindicando que la zona del Campo de Hielo Patagónico Sur puede considerarse comoun sector no perteneciente al cratón sudamericano. En adición, el procesamientode esta red sirvió de base para determinar posiciones precisas diarias de laestación ECGM (Estación Continua Glaciar Moreno) y el análisis de dicha serietemporal GPS, a los fines de determinar si existe respuesta elástica de laTierra debido a las variaciones del nivel de agua del lago Brazo Rico, BrazoSur y Lago Roca, cuando se producen los represamientos del glaciar PeritoMoreno.Dentro de la cuenca dellago más grande de Argentina, lago Argentino, el glaciar Perito Moreno, através de sus oscilaciones frontales, genera represamientos que producen variacionesdel nivel de agua del Brazo Rico, Brazo Sur y Lago Roca, que vierten sus aguassobre el lago Argentino. Estos represamientos, en el proceso de carga ydescarga de agua, pueden generar deformación cortical en respuesta a lasvariaciones del nivel de agua almacenada, tanto en su carga como en su descargaluego de la ruptura y redistribución en el lago Argentino. Sin embargo, muypoco se conoce acerca de la influencia de dicho represamiento en los procesosde deformación local. Por ello, se propone estudiar el efecto, a partir deobservaciones GPS de la estación ECGM, que ejerce sobre la tierra sólida lainteracción entre el glaciar Perito Moreno y los cambios de volúmenes de aguadurante los eventos de represamiento registrados entre 2011 y 2018. Para esto,se estimará la variación de volumen que será utilizada para estimar ladeformación de la corteza mediante un modelo de respuesta elástica por cargasuperficial. Se analizarán las series temporales GPS filtrando aquellascomponentes como tendencia y variaciones estacionales para obtener unacomponente resultante que refleje el efecto de carga producido por lasvariaciones de volumen de agua del Brazo Rico, Brazo Sur y Lago Roca. Lasdiscrepancias entre el modelo de respuesta elástica y las oscilacionesobservadas en la serie temporal de ECGM indicarían que estas variaciones devolumen no tienen influencia apreciable sobre la corteza terrestre. Dichasoscilaciones, responderían a fenómenos a escala regional que representan unárea de investigación poco abordada.Por otro lado, losglaciares del Campo de Hielo Patagónico Sur han estado retrocediendo ydisminuyendo a altas tasas en las últimas décadas, contribuyendosignificativamente al aumento del nivel del mar. A pesar de la importancia dela zona como reserva estratégica de agua dulce, hay pocos estudios que abordanla acumulación/ablación de nieve en el plateau, su balance de masa y, además,los modelos utilizados para estimar balances de masas carecen de validación insitu. Las variaciones del nivel de nieve normalmente son medidas con estacadasgraduadas ubicadas en la nieve, siendo posible la automatización de esta tomade datos mediante el uso de sensores, basados en láser, radar o ultrasonido,instalados como parte de estaciones meteorológicas automáticas. En este estudiose utiliza por primera vez en el Campo de Hielo Patagónico Sur la técnicaReflectometría usando el Sistema de Posicionamiento Global para medir loscambios en el nivel de nieve. Esta técnica utiliza las observaciones de satélitesGNSS rastreados por estaciones terrestres. Normalmente se instalan de acuerdocon los estándares geodésicos con fines geodinámicos (por ejemplo, estudios derebote isostático glacial), estas estaciones GNSS también registraninadvertidamente la señal reflejada en la superficie de la nieve en losalrededores de la antena. Las variaciones en el nivel de nieve obtenidas condicha técnica fueron comparadas con los datos registrados por un sensor deultrasonido instalado en las cercanías, operando simultáneamente entre octubrede 2015 y febrero de 2016. Durante este período, los dos conjuntos de datosmostraron una correlación de 0.91, lo que confirma que los receptores GNSSpueden utilizarse no sólo con fines geodésicos y geofísicos, sino también parael monitoreo de la acumulación/ablación de nieve en la región.

The region of the Southern Patagonian Ice Field is subject to processes of deformation of the earth's crust not only associated with changes in the masses of snow and ice, but also to changes in the water level of the large lakes that surround it. The requirement to obtain precise positions in studies of the dynamics of the Earth, where the phenomena to be observed have effects of only a few millimeters, leads to consider factors that determine and condition the results to be obtained. In this sense, the antenna model to use, avoid inclinations in the mount and the application of corrections files of the antenna phase centers are of high relevance. Previous to the regional crustal deformation studies, antennas were tested in order to evaluate the repeatability of a position using different antenna models and to estimate the influence of tilting antenna mounts on the resulting coordinates. The results provided the academic support to decide and evaluate the different types of monuments to be used in the episodic GPS stations of the region. The comparison between antennas showed results with significant differences in the vertical component, mainly when topographic or cartographic antennas are used. In addition, if the monument was tilted approximately 5º, variations in coordinates were observed. The regional GPS network made it possible to understand the regional deformation of the earth's crust from the monitoring of the sites that compose the network for the period 2011-2018. The vertical displacement rates obtained from the processing of this network showed that the greatest displacements occur in the vicinity of the Southern Ice Field and, these rates decrease in the distant sites toward the east of this region. The displacements obtained in the horizontal components reflect northeastern direction trend that reflects a deformation on a regional scale pointing that the area of the Southern Ice Field can be considered as a sector that does not belong to the South American craton. In addition, the processing of this network is the base of the GPS time series analysis of the ECGM station (Glaciar Moreno Continuous Station), in order to determine if there is an elastic response of the Earth due to variations in the water level of Brazo Rico, Brazo Sur and Lake Roca, when the Perito Moreno glacier dams. Within the basin of the largest lake in Argentina, Argentino lake, the Perito Moreno glacier, through its frontal oscillations, generates dams that produce variations in the water level of Brazo Rico, Brazo Sur and Lago Roca, which pour out their waters 6 over Argentino lake. Due to the accumulation of water and the relative volume variations that occur due to loading and unloading, these dams can generate cortical deformation both in response to variations in the level of stored water and its unloading after the rupture and redistribution in Argentino lake. However, there is not mucho knowledge about the influence of this dam on local deformation processes. Therefore, it is proposed to study the effect of the interaction between the Perito Moreno glacier and the changes in water volumes on the solid Earth during the damming events recorded between 2011 and 2018. GPS data from the ECGM station will be used during this period. For this, the volume variation will be estimated, which will be used to estimate the crust deformation by means of an elastic response model by surface load. The GPS time series will be analyzed by filtering those components such as trend and seasonal variations to obtain a resulting component that reflects the load effect produced by the variations in water volume of Brazo Rico, Brazo Sur and Lago Roca. The differences between the elastic response model and the oscillations observed in the ECGM time series would indicate that these volume variations have no noticeable influence on the earth's crust. Such oscillations would respond to regional scale phenomena that represent a hardly addressed area of research. On the other hand, the glaciers of the Southern Patagonian Ice Field have been retreating and decreasing at high rates in recent decades, contributing significantly to sea level rise. Despite the importance of the area as a strategic freshwater reserve, there is no much knowledge about its mass balance, and the models have no in situ validation, such as snow accumulation/ablation. Snow changes are normally measured with snow stakes located in the snow, being possible the automation of this data collection through the use of range sensors, based on laser, radar or ultrasound installed as part of automatic meteorological stations. In this study we used for the first time in the Southern Ice Field the GPS reflectometry technique (GPS-R) to measure in snow level variations. GPS-R uses observations from GPS satellites tracked by GPS ground stations. Normally installed according to geodetic standards for geodynamic purposes (e.g. glacial isostatic adjustment studies), these GPS stations also record the reflected signal on the snow surface around the antenna. The snow level variations retrieve from the GPS-R were compared to an ultrasonic sensor installed nearby, operating simultaneously between October 2015 and February 2016. During this period, the two data sets showed a correlation of 0.91, confirming that GPS receivers can be used not 7 only for geodetic purposes, but also for monitoring snow accumulation/ablation in the region.

La regione del Campo di Ghiaccio Patagonia Meridionale è soggetta a processi di deformazione della crosta terrestre non solo associati a variazioni delle masse di neve e ghiaccio, ma anche a variazioni del livello dell'acqua dei grandi laghi che la circondano. L'esigenza di ottenere posizioni precise negli studi della dinamica della Terra, dove i fenomeni da osservare hanno effetti di pochi millimetri, porta a considerare fattori che determinano e condizionano i risultati da ottenere. In questo senso, è di vitale importanza prendere in considerazione il tipo di antenna da utilizzare, per evitare inclinazioni nella monumentalizzazione e l'applicazione dei file di correzione ai centri delle fasi. Prima degli studi di deformazione regionale, sono state effettuate prove di antenna per valutare la ripetibilità di una posizione utilizzando diversi modelli di antenna e per stimare l'influenza dovuta alla mancanza di verticalità delle coordinate risultanti. I risultati hanno fornito la base per decidere e valutare le diverse tipologie di monumenti da utilizzare nelle stazioni GPS episodiche della regione. Il confronto tra antenne ha mostrato risultati con differenze significative nella componente verticale, soprattutto quando si utilizzano antenne progettate per uso topografico o cartografico. Inoltre, sono state osservate variazioni di coordinate quando il monumento è stato inclinato di circa 5º. La rete regionale GPS, situata ad ovest della provincia di Santa Cruz, ha permesso di comprendere la deformazione regionale della crosta terrestre attraverso il monitoraggio dei siti che compongono la rete nel periodo 2011-2018. I tassi di deformazione verticale ottenuti dall'elaborazione di questa rete hanno mostrato che i maggiori spostamenti si verificano nelle vicinanze del Campo di Ghiaccio della Patagonia meridionale, e questi tassi diminuiscono nei siti distanti ad est di questa regione. Gli spostamenti ottenuti nelle componenti orizzontali, manifestano una tendenza in direzione nord-est che riflette una deformazione su scala regionale che indica che la zona del Campo di Ghiaccio della Patagonia Meridionale può essere considerata come un settore non appartenente al cratone sudamericano. Inoltre, l'elaborazione di questa rete è servita come base per determinare con precisione le posizioni giornaliere della stazione ECGM (Moreno Glacier Continuous Station) e l'analisi di questa serie temporale GPS, al fine di determinare se vi sia una risposta 9 elastica della Terra a causa delle variazioni del livello delle acque dei laghi Brazo Rico, Brazo Sur e Roca, quando si verificano le dighe del ghiacciaio Perito Moreno. All'interno del bacino del lago più grande dell'Argentina, il lago Argentino, il ghiacciaio Perito Moreno, attraverso le sue oscillazioni frontali, genera dighe che producono variazioni nel livello delle acque del Brazo Rico, del Brazo Sur e del lago Roca, che riversano le loro acque nel lago Argentino. Queste dighe, nel processo di carico e scarico dell'acqua, possono generare deformazioni corticali in risposta alle variazioni del livello dell'acqua stoccata, sia nel suo carico che nello scarico dopo la rottura e la ridistribuzione nel Lago Argentino. Tuttavia, si sa molto poco sull'influenza di questa diga sui processi di deformazione locali. Si propone pertanto di studiare l'effetto, dalle osservazioni GPS della stazione ECGM, che esercita sul terreno solido l'interazione tra il ghiacciaio Perito Moreno e le variazioni di volume d'acqua durante gli eventi di sbarramento registrati tra il 2011 e il 2018. A tal fine, verrà stimata la variazione di volume che verrà utilizzata per stimare la deformazione della crosta per mezzo di un modello di risposta elastica per carico superficiale. Le serie temporali GPS saranno analizzate filtrando quelle componenti come l'andamento e le variazioni stagionali per ottenere un componente risultante che rifletta l'effetto di carico prodotto dalle variazioni di volume d'acqua di Brazo Rico, Brazo Sur e Lago Roca. Le discrepanze tra il modello di risposta elastica e le oscillazioni osservate nelle serie temporali dell'ECGM indicherebbero che queste variazioni di volume non hanno un'influenza apprezzabile sulla crosta terrestre. Tali oscillazioni risponderebbero a fenomeni di scala regionale che rappresentano un'area di ricerca scarsamente trattata. D'altra parte, i ghiacciai del Campo di Ghiaccio della Patagonia meridionale si sono ritirati e sono diminuiti a ritmi elevati negli ultimi decenni, contribuendo in modo significativo all'innalzamento del livello del mare. Nonostante l'importanza dell'area come riserva strategica di acqua dolce, sono pochi gli studi che riguardano l'accumulazione/ablazione della neve sull'altopiano, il suo bilancio di massa e, inoltre, i modelli utilizzati per stimare i bilanci di massa non hanno una validazione in situ. Le variazioni del livello di neve sono normalmente misurate con picchetti graduati posizionati nella neve, ed è possibile l'automazione.