Estimation of Deformation Intensity above a Flooded Potash Mine Near Berezniki (Perm Krai, Russia) with SAR Interferometry

Abstract

In this study we used RADARSAT-2 and Sentinel-1 Synthetic Aperture Radar data for measuring subsidence above a flooded potash mine, which is almost entirely located within the city of Berezniki (Perm Krai, Russia), population 150,000. This area has experienced very fast subsidence since October 2006 when the integrity of the Berezniki-1 mine was compromised, resulting in water intrusion, subsequent flooding and closure of the mine. Due to the ongoing dissolution of carnallite, subsidence in this region is expected to continue in the foreseeable future. In addition to rapid subsidence, at least five sinkholes have formed in the region, with the largest being 440 × 320 m. We observed ground subsidence during the period October 2011–April 2014 (RADARSAT-2) with a vertical rate up to 14 cm/year and horizontal rate up to 10 cm/year; during the period July 2016–June 2020 (Sentinel-1) with a vertical rate up to 17 cm/year. Our results were validated by precise leveling, with a coefficient of correlation of 0.75. Subsidence faster than 17 cm/year observed by precise leveling was not resolvable with Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (DInSAR). Our results show the complementary nature of ground-based and space-borne measurement techniques. The precise leveling captures subsidence along profile lines with high precision but lower temporal resolution, while DInSAR captures subsidence with high spatial and temporal resolutions but with lower precision. DInSAR is also significantly affected by decorrelation outside of urban areas. An important advantage of our methodology is the ability to measure the horizontal east component of the ground deformation when both, ascending and descending, data are available. This measurement directly characterizes the level of anthropogenic load on buildings and infrastructure. We recommend continuing monitoring subsidence using both measurement techniques, which can also be complemented by continuous Global Navigation Satellite System (GNSS).

Monitoring of subsidence in Berezniki (Perm region) by SAR interferometry: I. Differential interferometry

“…Съемка с двух орбит дает два уравнения типа (1) с различными углами. Предполагая, что смещения на север невелики, авторы работы [Samsonov, Baryakh, 2020] определили горизонтальные смещения в восточном направлении. При этом ими использовались средние скорости смещений на спутник, определенные методами устойчивых отражателей по снимкам, выполненным с двух орбит спутником Radarsat-2 в С-диапазоне.…”

“…3, вверху) на геодезическом пункте, обозначенном черным крестом, зафиксировано оседание, составляющее 200-250 мм/год. Согласно спутниковым оценкам, приводимым в [Samsonov, Baryakh, 2020], здесь присутствует еще и горизонтальное смещение на восток около 100 мм/год. В таком случае величина U LOS в этой области составит 106-146 мм/год, а величина субвертикальных оседаний -130-180 мм/год.…”

“…Получить оценки восточной компоненты смещений в районе г. Березники по данным с двух треков, как это сделано в [Samsonov, Baryakh, 2020], не удается, так как в настоящее время для этой территории съемка с двух орбит не выполняется. Подобная съемка с двух орбит выполнялась здесь только в 2011-2014 гг.…”

“…Выполняется численное геомеханическое моделирование, разработана и реализована система комплексного мониторинга, позволяющая принимать превентивные решения по защите рудников и расположенных в зоне их влияния селитебных территорий [Барях, Санфиров, Дягилев, 2013]. Ранее [Гневанов, Шамин, 2012;Михайлов и др., 2019;Samsonov, Baryakh, 2020] для территории г. Березники методами радарной спутниковой интерферометрии выполнялись оценки полей смещений, в частности, в течение нескольких лет осуществлялся регулярный спутниковый мониторинг [Буш и др., 2009], который после длительного перерыва был возобновлен в 2020 г. Принимая во внимание, что к настоящему времени наметился значительный прогресс в области спутниковой радарной интерферометрии, включая запуск новой серии спутников Sentinel, и поскольку в последние годы процесс оседания мог существенно измениться, возникла задача уточнения методики проведения мониторинга и ее практического опробования на территории г. Березники.…”

Настройка Геомеханической Модели Подработанной Толщи С Учетом Данных Радарной Интерферометрии

“…Одним из важных аспектов при этом является площадной ко нтроль оседаний земной поверхности, который преимущественно осуществляется методами радарной интерферометрии. Применению этих методов на месторождениях калийных солей посвящены работы [1][2][3]. Цель настоящей статьи состояла в моделировании текущей геомеханической ситуации на основе данных радарной интерферометрии при оценке смещений земной поверхности на примере участка отработки в северной части Тюбегатанского месторождения калийных солей.…”