Crustal deformation in Africa by Global Navigation Satellite Systems (GNSS) measurements from 2009-2019 Krustenverformung in Afrika durch Global Navigation Satellite Systems (GNSS) Messungen von 2009-2019

The theory of plate tectonics posits that tectonic plates behave as rigid body, moving across the Earth’s surface with deformation occurring primarily at plate boundaries. However, the recent expansion of high-precision Global Navigation Satellite System (GNSS) stations has revealed subtle deformation patterns within the African continent. These patterns, identified through detailed analysis of relative motions between hundreds of stations, highlight the importance of determining a velocity field for Africa, which is crucial for establishing the African Reference Frame and understanding the continent’s movement. Velocity estimates derived from GNSS coordinate time series are essential for identifying and investigating potential geophysical phenomena in specific areas. Therefore, accurately estimating the rate of measured coordinates is vital for properly interpreting GNSS signals. This study aims to determine the velocity fields for African by utilizing continuously operating GNSS stations. It examines the impact of surface loading on GNSS coordinates time series, analyzes network solutions, and compares them with the Precise Point Positioning (PPP) velocity field. Additionally, the study examines the geodetic strain rates of the Nubian and Somalian plates and constrains the relative motions over the East African Rift. The GNSS data, spanning eleven years (2009-2019), from all stations were processed and analyzed using the EPOS.P8 software developed by the German Research Centre for Geosciences (GFZ), with hydrological and atmospheric loading correction models provided by the Earth System Modeling group at Deutsches GeoForschungsZentrum (ESMGFZ). Data from nine continuously recording GNSS stations from the International GNSS Service (IGS) network were also analyzed to establish a link to the global reference frame ITRF2014 (IGb14). These stations were selected to ensure consistency in the timeframe between the IGS and African data, with at least 11 years of available data analyzed from 2009 to 2019. The results indicate that Africa is moving in a northeast direction. Station coordinates derived with PPP show average RMS values of 2.9 mm, 9.9 mm, and 8.5 mm for the north, east, and up components, respectively, relative to the estimated trajectory models. Horizontal velocities at sites on the stable Nubian plate align with a single plate model, with residual motion below 1 mm/yr. Significant southeast motion was confirmed in Morocco and Zambia, with residual velocities of 1.4 mm/yr and 0.9 mm/yr, respectively. The Euler Poles for Nubia and Somalia were estimated at 48.59◦N, -78.64◦E, 0.264◦/Myr, and 60.38◦N, -83.33◦E, 0.272◦/Myr, respectively. Vertical velocities range from -2 to +2 mm/yr, close to their uncertainties, with no distinct geographic pattern. Hydrological loading corrections applied to surface deformation showed improvements at about 40% of the stations. Atmospheric loading corrections led to a 57% improvement, with amplitude values reducing from 4.1-8.1 mm to 3.5-6.2 mm, indicating that loading corrections can reduce amplitude in some African regions. Finally, the findings suggest that the geodetic strain rate distribution in the Eastern branch of the Main Ethiopian Rift (MER) is primarily driven by extension due to dike intrusions and volcanic events rather than fault movements, with the rift experiencing northeast-southwest extension at an average rate of 4 mm per year. Nach der Theorie der Plattentektonik verhalten sich tektonische Platten wie starre Körper, die sich über die Erdoberfläche bewegen, wobei die Verformung hauptsächlich an den Plattengrenzen stattfindet. Der Ausbau von hochpräzisen GNSS-Stationen (Global Navigation Satellite Systems) hat subtile Deformationsmuster innerhalb des afrikanischen Kontinents aufgedeckt. Diese Muster, die durch eine detaillierte Analyse der relativen Bewegungen zwischen Hunderten von Stationen ermittelt wurden, unterstreichen, wie wichtig die Bestimmung eines Geschwindigkeitsfeldes für Afrika ist. Dies ist für die Festlegung des afrikanischen Referenzrahmens und das Verständnis der Bewegung des Kontinents von entscheidender Bedeutung. Geschwindigkeitsschätzungen abgeleitet aus GNSS-Koordinatenzeitreihen sind für die Identifizierung und Untersuchung potenzieller geophysikalischer Phänomene in bestimmten Gebieten unerlässlich. Diese Studie zielt darauf ab, die Geschwindigkeitsfelder für Afrika durch die Verwendung kontinuierlich arbeitender GNSS-Stationen zu bestimmen. Sie untersucht die Auswirkungen der Oberflächenauflasten auf die GNSS-Koordinatenzeitreihen, analysiert die GNSS-Netzlösungen und vergleicht sie mit dem PPP-Geschwindigkeitsfeld. Darüber hinaus untersucht die Studie die geodätischen Dehnungsraten der nubischen und somalischen Platte und grenzt die relativen Bewegungen über dem Ostafrikanischen Graben ein. Die GNSS-Daten aller Stationen aus elf Jahren (2009-2019) wurden mit der vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) entwickelten Software EPOS.P8 verarbeitet und analysiert, wobei hydrologische und atmosphärische Auflastkorrekturmodelle von der Gruppe Erdsystemmodellierung am Deutschen GeoForschungsZentrum (ESMGFZ) bereitgestellt wurden. Die Daten von neun kontinuierlich aufzeichnenden GNSS-Stationen aus dem Netzwerk des International GNSS Service (IGS) wurden ebenfalls analysiert, um eine Verbindung zum globalen Referenzrahmen TRF2014 (IGb14) herzustellen. Diese Stationen wurden ausgewählt, um die Konsistenz des Zeitrahmens zwischen den IGSund den afrikanischen Daten zu gewährleisten, wobei 11 Jahre verfügbarer Daten von 2009 bis 2019 analysiert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Afrika in Richtung Nordosten bewegt. Die mit PPP abgeleiteten Stationskoordinaten zeigen durchschnittliche RMS-Werte von 2,9 mm, 9,9 mm bzw. 8,5 mm für die Nord-, Ost- und Aufwärtskomponente im Vergleich zu den geschätzten Trajektorien. Die horizontalen Geschwindigkeiten an Standorten auf der stabilen nubischen Platte stimmen mit dem Modell einer einzelnen Platte überein, wobei die Restbewegung unter 1 mm/Jahr liegt. Signifikante südöstliche Bewegungen wurden in Marokko und Sambia bestätigt, mit Restgeschwindigkeiten von 1,4 mm/Jahr bzw. 0,9 mm/Jahr. Die Euler-Pole für Nubien und Somalia wurden auf 48,59◦N, - 78,64◦E, 0,264◦/Myr, bzw. 60,38◦N, -83,33◦E, 0,272◦/Myr geschätzt. Die vertikalen Geschwindigkeiten liegen im Bereich von -2 bis +2 mm/Jahr, nahe an ihren Unsicherheiten, und weisen kein ausgeprägtes geografisches Muster auf. Hydrologische Auflastkorrekturen, die auf die Oberflächendeformation angewendet wurden, zeigten Verbesserungen bei etwa 40% der Stationen. Atmosphärische Auflastkorrekturen führten zu einer Verbesserung von 57%, wobei die Amplitudenwerte von 4,1 bis 8,1 mm auf 3,5 bis 6,2 mm sanken, was darauf hindeutet, dass Auflastkorrekturen die Amplitude in einigen afrikanischen Regionen verringern können. Schließlich zeigen die Ergebnisse, dass die geodätische Verteilung der Belastungsrate im östlichen Zweig des Äthiopischen Hauptgrabens (MER) in erster Linie durch die Ausdehnung aufgrund von Dyke Intrusion und vulkanischen Ereignissen und nicht durch Verwerfungsbewegungen bestimmt wird, wobei der Graben eine Nordost-Südwest-Ausdehnung mit einer durchschnittlichen Rate von 4 mm pro Jahr erfährt.