Actividad Pre-Eruptiva Del Volcán Tungurahua

      El estudio también intenta explorar los fundamentos y factores que intervienen en la localización de un sismo. Para ello inicialmente, mediante el método de ensayo y error se encontró que el mejor modelo de velocidades (semi-espacio) para el Volcán Tungurahua presentó una Vp de 2.3 km/s. Este modelo se repartió en dos capas de acuerdo al modelo geológico. Luego, empleando este modelo, se relocalizaron eventos sísmicos aislados. Posteriormente, mediante el trazado de rayos teóricos se estudió la configuración de la red sísmica actual y algunos casos que presentaban leves modificaciones de la misma, con el fin de determinar su incidencia en las localizaciones hipocentrales y su posible mejoramiento. Los resultados obtenidos muestran que las localizaciones podrían mejorar si se instalara una estación en la cumbre del volcán. La resolución dada por la red sísmica actual nos permite obtener localizaciones con un ERH que puede variar de 0-2 Km, un ERZ de 0.2-2, un RMS de 0-0.34, al igual que una buena confiabilidad hipocentral para eventos que tengan profundidades menores o iguales a 6 km. Sin embargo, para obtener una localización precisa y una disminución de los errores estadísticos es necesario relocalizar los eventos con el mismo modelo pero cambiando la profundidad de iteración en el programa Hypo71. 

      Also the study aims to explore the basis and factors for locating a seism. For that initially, through the trial and error method it was found that the best half-space velocity that matches Tungurahua Volcano was that which presented a Vp of 2.3 km/s. This model was distributed in two layers according to the hypothesized geological model. Then, by employing this model, isolated seismic events were re-located. Subsequently, through theoretical ray-tracing the configuration of the present seismic net and also some cases which presented slight modifications of the net were studied, with the objective of determining its incidence on the hypocentral locations and their possible improvement. The results that were obtained show that the locations of seismic events could improve if we install a station on the volcano’s summit. The resolution given by the present seismic network permits us to obtain locations with a ERH that can range from 0-2 km, a ERZ from 0.2-2 km, and a RMS from 0-0.34 and as well as good hipocentral confidence for events that have depths shallower or equal to 6 km. However, to obtain a precise location it is necessary to relocate the events with the same model by changing the iteration depth in the Hypo71 program.

Lista de Figuras v

Lista de Tablas viii

Lista de Anexos x

Objetivos xi

Resumen xii

Abstract xiii

Résumé xiv

INTRODUCCION 1
1. GENERALIDADES 3
1.1 MARCO TECTONICO REGIONAL 3
1.2 MARCO TECTONICO LOCAL 5
1.3 GENERALIDADES Y LOCALIZACION DE LA ZONA DE ESTUDIO 6
1.4 HISTORIA ERUPTIVA 7
1.5 ACTIVIDAD ERUPTIVA RECIENTE Y RED SISMICA DE MONITOREO 10
1.6 ESTUDIOS ANTERIORES 15

2. CARACTERIZACION DE LOS EVENTOS VOLCANICOS 18
2.1 TIPOS DE EVENTOS VOLCANICOS 18
2.2 METODOLOGIA Y TECNICAS EMPLEADAS EN LA CLASIFICACION DE SEÑALES SISMICAS 19
2.2.1 Forma de onda y espectros 19
2.2.2 Filtraje de eventos 20
2.2.3 Stacks (apilamientos), sobrelapes y espectrogramas 21
2.2.4 Correlación de eventos tremóricos 22
2.3 TIPOS DE EVENTOS VOLCANICOS REGISTRADOS EN EL VOLCAN TUNGURAHUA 22
2.3.1 Eventos volcano-tectónicos (VT) 22
2.3.1.1 Número de eventos VT 26
2.3.1.2 Mecanismo de generación de los eventos VTH y VTL 27
2.3.2 Eventos de largo período (LP) 31
2.3.2.1 Número de eventos LP 35
2.3.2.2 Mecanismo de generación de eventos LP 36
2.3.3 Eventos híbridos (HB) 41
2.3.3.1 Número de eventos HB 43
2.3.3.2 Mecanismo de generación de los eventos HB 44
2.3.4 Otras señales 45
2.3.4.1 Tremor volcánico 45
2.3.4.2 Tremor hidrotermal 45
2.3.4.3 Tremor de emisión 48
2.3.4.1.1 Evolución espectral del tremor volcánico 53
2.3.4.1.2 Mecanismos de generación del tremor 57 
2.3.4.4 Explosiones 60
2.3.4.5 Lahares 61

3. RELOCALIZACION DE EVENTOS Y ANALISIS DE ERROR 62
3.1 TEORIA DE LA LOCALIZACION DE LOS SISMOS 62
3.2 MODELO DE VELOCIDADES 63
3.2.1 Determinación de la relación de velocidades de las Ondas P y S (Vp/Vs) 63
3.2.2 Determinación de la velocidad de ondas P (Vp) 66
3.2.3 Determinación de los límites de capa del modelo de velocidades 70
3.2.4 Comparación de los modelos de velocidades 72
3.3 ANALISIS DE ERROR DE LAS LOCALIZACIONES 73
3.3.1 Disminución de los errores estadísticos 74
3.4 ANALISIS DE ERROR DEL MODELO DE VELOCIDADES Y DE LA RED SISMOLOGICA 78
3.4.1 Variación del ERH, ERZ y RMS respecto a la profundidad 79
3.4.2 Variación del ERH, ERZ y RMS en planta 81
3.4.3 Variación de los epicentros y profundidades teóricas respecto a las calculadas 81
3.5 ESTUDIO DE DIFERENTES CONFIGURACIONES DE REDES SISMICAS PARA EL VOLCAN TUNGURAHUA 82
3.6 LOCALIZACIONES DE LOS EVENTOS SISMICOS DEL TUNGURAHUA 85 
3.6.1 Eventos volcanotectónicos 86
3.6.1.1 Eventos VTH 86
3.6.1.2 Eventos VTL 88
3.6.2 Eventos de largo período 89
3.6.2.1 Eventos de la familia 1 89
3.6.2.2 Eventos de la familia 2 92
3.6.2.3 Eventos de la familia 3 92
3.6.2.4 Eventos de la familia 4 94
3.6.3 Eventos híbridos 96

4. PARAMETRO b Y SU RELACION TEMPORAL CON EL TREMOR HIDROTERMAL 98 
4.1 DEFINICION DEL VALOR DE b 98
4.2 ALGUNOS VALORES DE b REPORTADOS EN EL MUNDO 98
4.3 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL VALOR DE b 100
4.4 CALCULO DE b 101
4.4.1 Cálculo de la magnitud 101
4.4.2 Cálculo de b por el método de mínimos cuadrados 102 
4.4.3 Cálculo de b por el método de máxima verosimilitud 102
4.4.4 Cálculo de b para eventos volcano-tectónicos 104
4.4.5 Variación temporal de b 105
4.4.6 Variables que influyen en el cálculo de b 106
4.4.7 Correlación entre cambios de b y la actividad tremórica 108

5. EVOLUCION DE LA SISMICIDAD Y ESQUEMA DEL SISTEMA MAGMÁTICO EN EL VOLCÁN TUNGURAHUA 111
5.1 ETAPAS DE ACTIVIDAD 111
5.1.1 Actividad freática normal 111
5.1.2 Actividad freática intensa 112
5.1.3 Actividad magmática 116
5.2 CORRELACIONES CON OTROS TIPOS DE ACTIVIDAD 119
5.2.1 Variaciones geoquímicas 119
5.3 ESQUEMA DEL SISTEMA MAGMATICO 124

6. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES 127 

REFERENCIAS 136

ANEXOS 146

2) Basado en el comportamiento del tremor volcánico y la ocurrencia de eventos sísmicos aislados fue posible diferenciar varias etapas intercaladas de actividad freática intensa a normal y una posterior etapa magmática. Así:

Tabla 29. Caracterísitcas las etapas de actividad en el Volcán Tungurahua

3) Mediante el análisis del contenido espectral, de la envolvente, la localización y del mecanismo de generación, se encontraron tres tipos principales de eventos: el primero en el que los fluidos juegan un papel importante en la generación de las ondas sísmicas (denominados largo período), el segundo que involucra un proceso de ruptura (denominados volcano-tectónicos), es decir que sus fuentes envuelven procesos puramente elásticos y el tercero que presenta una mezcla de las características de los grupos anteriores (denominados híbridos).

4) Los eventos volcano-tectónicos se dividieron en dos familias: la primera denominada VTH, presentó una frecuencia dominante entre 6 y 18 Hz, la segunda familia denominada VTL presentó frecuencias dominantes entre 3 y 6 Hz. La distribución hipocentral de los sismos con respecto a las frecuencias de cada familia permitió definir una estrecha zona de transición frágil-plástica (sello) que rodearía una posible cámara magmática ubicada a 6 km de profundidad. Debido a la acumulación de fluidos magmáticos bajo esta zona se genera una sobrepresión que rompe el sello y produce una fractura que daría lugar a un evento VTH. Los eventos VTH preceden la ocurrencia de eventos VTL en la etapa de dominio magmático, por lo cual dichos eventos se asociaron con el inicio de una intrusión magmática a mediados de Julio de 1999, mientras que los eventos VTL estarían reflejando cambios de esfuerzos asociados con la inyección de magma y el transporte de volátiles hacia la superficie tal como fue observado a fines de Julio de 1999, cuando se reportó un fuerte olor a azufre en las cercanías del cráter.

5) Los eventos de largo período se subdividieron en 4 familias. Las dos primeras familias se localizaron entre 3 y 6 km bajo la cumbre, mientras que las familias 3 y 4 se localizaron entre los 6 y 12 km de profundidad. En cuanto a la genealogía de los eventos, la familia 1 parece ser el resultado de la interacción entre los sistemas magmático e hidrotermal en el que los fluidos actuarían en dos puntos concretos dentro del conducto magmático uno entre 3 y 5 km, y el otro muy cerca de la fuente de generación de los eventos de las familias 3 y 4. Los eventos de la familia 2 parecen estar relacionados con el proceso de movilización del magma hacia la superficie, mientras que los eventos de las familias 3 y 4 (ocurridos en Julio y Agosto de 1999) parecen estar más relacionados con gases magmáticos (H₂O o CO₂) pasando a través de una válvula localizada a 7 km de profundidad. Otro aspecto importante que diferencia los eventos de las familias 1, 2 de las familias 3 y 4, es que las dos últimas familias presentan espectros más «limpios», es decir que las frecuencias principales de todos los eventos convergen a un solo valor.

6) Los eventos híbridos localizados entre 1 y 7 km se encuentran relacionados espacial y temporalmente con los eventos VTL y LP (de las familias 1 y 2). De acuerdo con el análisis efectuado para determinar la naturaleza de los híbridos se sugiere que la alta y baja frecuencia que componen a dichos eventos aparentemente presentan la misma fuente de localización y tiempo origen. De ello, se deriva que estos eventos son originados por la «aparente» simultaneidad de proceso elásticos (fractura) y volumétricos (fluidos).

7) Temporalmente, desde 1994 hasta 1998, los eventos VT fueron más recurrentes, luego, a partir de Enero de 1999, empiezan a ser notables los eventos LP y HB. Espacialmente eventos VTH más profundos (mayor a 6 km) preceden la ocurrencia de una gran variedad de eventos VT (VTH y VTL), LP(familias 1 y 2) y HB en la etapa temprana de actividad freática intensa e igualmente para la etapa temprana de actividad magmática. 

8) El estudio de la frecuencia y energía del tremor volcánico en el tiempo arrojó pistas importantes en la evolución de los distintos parámetros que caracterizan la dinámica del Volcán Tungurahua. Mediante ello y la ocurrencia de eventos sísmicos aislados fue posible establecer una etapa de actividad freática intensa cuyos niveles más altos de energía antecedieron la etapa de actividad magmática. Varias características del tremor fueron observadas en dicha etapa: (a) la superposición de frecuencias bajas (alrededor de 0.5 Hz) registradas desde Julio de 1997 y altas (alrededor de 5 Hz) observadas desde Diciembre de 1997, (b) desde 1994, el tremor presentó una buena correlación con la tasa de precipitación, sin embargo a partir de Mayo de 1999 esta correlación se hace menos evidente, y la energía tremórica aumentó sin obedecer el mencionado patrón, (c) La marcada duración de las mayores amplitudes tremóricas ocurrió en dos períodos: en 1994 desde principios de Marzo hasta fines de Septiembre y en 1999 desde principios de Abril hasta Septiembre y (d) el aparecimiento a mediados de Septiembre de 1999 de bandas de tremor armónico y disarmónico relacionados con pulsos energéticos de gas y/o ceniza. Lo anterior constituye al tremor como un premonitor temprano de posibles eventos eruptivos freáticos o magmáticos tal como se evidenció en Septiembre y Octubre de 1999.

9) Otras señales identificadas como premonitorias de la actividad magmática, fueron: (a) la ocurrencia de enjambres de eventos de largo período (familias 3 y 4), (b) la ocurrencia de la primera explosión freatomagmática (5 de Octubre de 1999) que probablemente destapó el sistema de conducción, hecho que se corroboró por la subsiguiente salida más prolongada e intermitente de fragmentos líticos (cenizas y bloques) a través de explosiones magmáticas y (c) incremento en la emisión de SO₂ que a su vez fue correlacionado con la actividad tremórica. 

10) Se estableció un nuevo modelo de velocidades, el cual se basa en un modelo de semi-espacio hallado mediante la técnica de ensayo y error para minimizar los errores estadísticos (RMS, ERH y ERZ). De esta manera el modelo de semi-espacio más adecuado para el Tungurahua fue el que presentó una velocidad de ondas P de 2.3 km/s. De acuerdo con el modelo geológico dicho semi-espacio se repartió en un modelo de dos capas que mejoró las calidades de localización de los eventos sísmicos.

11) Del análisis de error del modelo de velocidades hallado se detectó un problema muy común en este tipo de modelos, denominado «problema de múltiples mínimos» debido a la influencia de los límites de capa. Para minimizar este problema se aplicó un cambio sistemático de la profundidad de iteración en el programa Hypo71, consiguiendo mejorar las localizaciones en dos aspectos: (a) disminuir los errores estadísticos y (b) eliminar la influencia de los límites de capa. Además dió una mayor precisión en las localizaciones permitiendo diferenciar las fuentes de las familias 3 y 4 especialmente.

12) Se aplicó un cambio sistemático de pesos en las lecturas de las fases P y S, con lo que se logró disminuir los errores estadísticos (ERH, ERZ y RMS), sin embargo las localizaciones no cambiaron en forma substancial. La parte menos favorable de este método fue cuando algunas de las fases fueron eliminadas asignándoles un peso de 4. Aunque las fases eliminadas fueron un pequeño porcentaje, finalmente se desechó esta metodología.

13) Mediante el análisis de error de diferentes configuraciones de la red sísmica actual del Tungurahua se encontró que las localizaciones podrían mejorarse si se instalara una estación al lado del cráter del volcán (a 4880 m.s.n.m.) de tal forma que la influencia de los límites de las capas del modelo de velocidades sería menor y también se disminuirían los errores estadísticos comparado con los resultados obtenidos para la red sísmica actual sin dicha estación.

Por otra parte, con la red sísmica actual se espera tener la siguiente resolución (para la localización de eventos con lecturas de tiempo confiables): (a) un ERH que puede variar entre 0 y 2 Km, un ERZ entre 0.2 y 2, y un RMS entre 0 y 0.34 para los primeros 10 km de profundidad, (b) los vectores de desplazamiento, que unen un epicentro teórico con el calculado, son casi nulos hasta los 3 km de profundidad, bajo esta profundidad (principalmente en el borde de la red) se presentan pequeños desplazamientos. Tomando en cuenta lo anterior, las alineaciones WNW, ESE, E, NW-SE y W que presentan los sismos VTH son probablemente reales y no obedecen a la configuración de la red y (c) hay una tendencia de que los eventos queden «atrapados» en los límites de capa, sobretodo a partir de los 6 km de profundidad teórica, después de dicha profundidad los eventos tienden a ser profundizados. Es decir que se podría establecer que la red sísmica actual proporciona una buena confiabilidad hipocentral para eventos que tengan profundidades menores o iguales a 6 km.

14) Mediante el cálculo del valor de b para eventos volcano-tectónicos por el método de máxima verosimilitud se encontraron cinco picos máximos importantes: de Septiembre a Octubre de 1995 b =1.295 ( s = .081), de Junio a Diciembre de 1996 b=1.399 (s =0.084), de Enero a Febrero de 1999 b=1.370 (s=0.083), de Marzo a Mayo de 1999 b=1.427 (s =0.084), de Junio a Julio de 1999 b=2.120 (s =0.104). Asimismo 3 picos mínimos fueron observados: de Enero a Diciembre de 1994 b=0.571 (s =0.04), de Diciembre de 1995 a Junio de 1996 b=0.833 (s =0.061) y de Noviembre de 1997 a Agosto de 1998b=0.686 (s =0.05). Los picos máximos de b se encuentran inmediatamente antecedidos por saltos importantes en la curva de energía del tremor volcánico, lo cual sugiere que existe una correlación entre la actividad sísmica y tremórica. Únicamente dos saltos en la curva de energía acumulada del tremor en Febrero y Julio de 1997 no anteceden de manera inmediata un pico máximo de b, probablemente estos saltos se deban al pico de b ocurrido entre Julio y Diciembre de 1996, o tal vez ellos sigan precediendo el siguiente pico de b ocurrido entre Enero y Febrero de 1999. Por otro lado, las frecuencias altas (alrededor de 5 Hz) y bajas (alrededor de 0.5 Hz) del tremor volcánico aparecen justo antes del primer pico de b en 1999. Este hecho, más el incremento del valor de b registrado en aquella época, podría estar indicando un mayor flujo de calor que fue evidenciado en una alta actividad fumarólica y en el inicio de la actividad eruptiva del volcán.

En cuanto a los valores de b obtenidos en el presente estudio, respecto a los hallados experimentalmente por autores como por e.j. Warren y Latham, 1970, se puede concluir que los valores de b registrados en el Volcán Tungurahua son debidos principalmente a esfuerzos termales.

15) Las concentraciones de Sílice, Sodio, Potasio, Magnesio y Bicarbonatos presentes en las fuentes termales crecieron y decrecieron simultáneamente con los cambios temporales del valor de b. Solo en dos casos excepcionales como el pH y la conductividad parecen haber seguido incrementándose pese a los descensos del valor de b, de tal manera que ello podría ser el resultado de que el efecto de la excitación magmática subsista después de un corto período de calma y/o intensa actividad.

16) En dos casos específicos se observó que probablemente existe una relación energética entre el sistema superficial freático y el sistema magmático que manifestó una relación bidireccional entre ambos, de tal manera que se requiera sobrepasar los 8.5*10¹⁵ ergios de energía tremórica liberada en un período de por lo menos 4 meses para que se produzcan un número de eventos sísmicos mayor a 100. Éste hecho, más el estudio del valor de b y sus posibles «interrelaciones» con el tremor volcánico, arrojan pistas sobre un modelo general de cómo trabajarían los volcanes.

17) El modelo que se intenta proponer aquí es que en un punto crucial de la historia del volcán, el alto nivel del calor proveniente del magma más el sistema de agua subterránea (la porción «freática» del edificio volcánico) alcanzaron una presión crítica para la iniciación de la principal generación de enjambres de eventos de largo período en Julio, Agosto y Septiembre de 1999. Ello envolvió un pulso de gases magmáticos (H₂O o CO₂) que excitaron la «válvula» que generó varios enjambres de sismos LP en aquellas épocas. Los enjambres superficiales (LP,HB y VT) y la ocurrencia de actividad VTH másprofunda reflejan la relajación del esfuerzo en el volcán como respuesta a la salida de materiales (gases, ceniza, lapilli y bloques) durante el curso eruptivo del Volcán Tungurahua que inició el 14 de Septiembre de 1999.

RECOMENDACIONES

1) En el futuro, cuando se tengan más y mejores datos, además de explosiones controladas, el modelo de velocidades puede ser mejorado utilizando la técnica de Riznichenko o incluso elaborar un modelo 3-D que revele mejor la realidad.

2) Si se estima que un nuevo evento sísmico puede ser profundo lo más aconsejable sería encontrar su hipocentro cambiando la profundidad de iteración directamente en el programa Hypo71. O en su defecto instalar una estación en la cumbre del volcán con el fin de tener un mejor control hipocentral y minimizar los errores estadísticos.

3) Implementar el cálculo del valor de b dentro de las rutinas de vigilancia sísmica, ya que ello podría ser una herramienta pronosticadora sobre cambios en los esfuerzos termales y mecánicos que ocurren en el volcán.

4) Continuar una vigilancia muy atenta sobre enjambres de sismos LP y eventos VTH profundos con el fin de dar alertas tempranas sobre cambios en la actividad del volcán. Además en el futuro sería interesante realizar estudios instrumentales (de atenuación) y análisis del patrón de radiación de las ondas sísmicas (en campo cercano) generadas por eventos LP (de las familias 3 y 4) con el fin de evaluar la confiabilidad en la existencia de una «válvula» a 7 Km de profundidad. Igualmente, se debe seguir con mucho detenimiento cambios de frecuencias en el tremor volcánico, principalmente con tendencia hacia las frecuencias altas (alrededor de 5 Hz) y bajas (alrededor de 0.5 Hz).