Investigations of hydrological contributions to terrestrial gravity measurements

Abstract

This thesis discusses the hydrological gravity signal in gravity time series from two different perspectives. The two perspectives are how we reduce the influence of hydrological dynamics and how we isolate hydrological signals from gravity time series. These two points of view are discussed based on observations of gravity data collected using absolute and spring-based relative gravimeters.

In the first case, the investigation is started by proposing a refined methodology to reduce the influence of hydrological dynamics on gravity time series by combining the global hydrological model with a regional runoff model. The use of a regional runoff model, which has a finer spatial resolution, is expected to better represent local hydrological dynamics than using a global hydrological model. In addition, the concept of the 'umbrella effect' is also adopted into hydrological gravity modeling to closely mimic the actual dynamics of water flow around buildings. As a proof of concept, the proposed methodology was first tested on gravity time series data measured using a superconducting gravimeter (more precise than absolute and spring-based relative gravimeters) in Wettzell, Germany. The results show that the application of the proposed methodology can reduce the variability of gravity data by up to 75% compared to uncorrected gravity data.

The methodology was then applied to absolute gravity observations measured using FG5-type absolute gravimeters at Norwegian absolute gravity stations. Reductions in gravity variability were observed at most absolute gravity stations, with reductions of up to 40% for frequently measured and 24% for less frequently measured gravity stations. One of the applications of absolute gravity measurements in Norway is to monitor secular gravity trends due to glacial isostatic adjustment. Therefore, this thesis also looks at the effect of the application of the refined hydrological correction in determining secular gravity trends. In general, the estimated trends become closer to the theoretical trends after applying the methodology to reduce the influence of hydrology on the gravity time series.

In the second case, investigations were conducted in Bandung, Indonesia, which experiences significant subsidence allegedly due to groundwater depletion. The groundwater gravity signal is isolated by subtracting the observed gravity change from the gravity change due to the land subsidence. Furthermore, the effect of mass redistribution due to compaction is also taken into account when estimating the change in gravity due to land subsidence. The results show that the groundwater gravity field has a negative value in most of the study area. The comparison between estimated groundwater gravity signals and in-situ groundwater observations shows a similar trend, suggesting a subsurface mass loss due to groundwater depletion.

Denne avhandlingen diskuterer det hydrologiske tyngdesignalet i tyngdetidsserier fra to forskjellige perspektiver. De to perspektivene er hvordan vi reduserer påvirkningen av hydrologisk dynamikk og hvordan vi isolerer hydrologiske signaler i tyngdetidsserier. Disse to perspektivene diskuteres basert på tyngdeobservasjoner samlet inn ved bruk av absolutte og fjær-baserte relative gravimetere.

I det første tilfellet startes undersøkelsen med å foreslå en raffinert metodikk for å redusere påvirkningen av hydrologisk dynamikk på tyngdetidsserier ved å kombinere en global hydrologiske modell med den regional nedbør-avrenningsmodell. Bruken av en regional nedbør-avrenningsmodell, som har en finere romlig oppløsning, forventes å representere lokal hydrologisk dynamikk bedre enn å bruke en global hydrologisk modell. I tillegg hensyntas "paraplyeffekten" i den hydrologiske gravitasjonsmodelleringen for å etterligne den faktiske dynamikken i vannstrømmen rundt bygninger. Som et bevis på konseptet ble den foreslåtte metodikken først testet på tyngdetidsseriedata målt ved hjelp av et superledende gravimeter (mer presist enn absolutte og fjær-baserte relative gravimetere) i Wettzell, Tyskland. Resultatene viser at anvendelsen av den foreslåtte metodikken kan redusere variasjonen av gravitasjonsdata med opptil 75% sammenlignet med ukorrigerte gravitasjonsdata.

Metodikken ble deretter anvendt på absolutte tyngdeobservasjoner målt ved hjelp av FG5-type absolutte gravimetere ved norske absolutte tyngdeobservasjoner. Reduksjoner i tyngdevariasjoner ble observert ved de fleste absolutte tyngdestasjoner, med reduksjoner på opptil 40% for ofte besøkte og 24% for sjeldnere besøkte tyngdestasjoner. En av anvendelsene av absolutte tyngdemålinger i Norge er å overvåke sekulære tyngdetrender på grunn av postglasial landhevning. Derfor undersøker denne avhandlingen også effekten av den raffinerte hydrologiske korreksjonen på sekulære tyngdetrender. I hovedsak stemmer de estimerte trendene bedre med teoretiske trender ved bruk av raffinert korreksjon.

I det andre tilfellet ble det utført undersøkelser i Bandung, Indonesia, som opplever betydelige innsynkninger angivelig på grunn av utarming av grunnvann. Grunnvannets gravitasjonssignal isoleres ved å trekke den observerte gravitasjonsendringen fra gravitasjonsendringen på grunn av landsynkingen. For sistnevnte er effekten av masseomfordeling på grunn av komprimering også tatt i betraktning. Resultatene viser at grunnvannets gravitasjonsfelt har negativ verdi i brorparten av undersøkelsesområdet. Sammenligningen mellom estimerte grunnvannsrelaterte gravitasjonssignaler og in-situ grunnvannsobservasjoner viser en samsvarende trend, og antyder et tap av masse under overflaten på grunn av grunnvannsutarming.