Joint active and passive seismic tomography in active volcanoes: The case of study of Mt. Etna, and further implications in active volcanic regions

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Díaz, Alejandro

2017-A
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Resumen

RESUMEN Los volcanes y los seres humanos est‡n vinculados desde que se tiene registro. Los innumerables beneficios que aportan los volcanes a la vida diaria nos hacen acercarnos una y otra vez a ellos pese a los peligros que conlleva. Existen a lo largo de la historia numerosas muestras del poder de los fen—menos volc‡nicos y c—mo estos son capaces de modelar el relieve, destruir poblaciones e incluso modificar el clima a nivel global (Santorini, Vesubio, Toba, etc.). Gracias a los avances cient’ficos, en la actualidad, podemos predecir con bastante eficacia la reactivaci—n de un episodio volc‡nico. Disciplinas como la geoqu’mica, la geodesia, el magnetismo, la gravimetr’a o la sismolog’a se encargan de la vigilancia volc‡nica. Una de las claves de una vigilancia s—lida es utilizar modelos lo m‡s realista posibles de la estructura interna del volc‡n en cuesti—n. Para ello, la tomograf’a s’smica se presenta como una herramienta fundamental a la hora de obtener modelos estructurales 3D en velocidad o atenuaci—n del interior de los volcanes, identificando heterogeneidades y anomal’as laterales. Uno de los volcanes m‡s activos del mundo y sin duda el m‡s monitorizado es el Etna, Sicila (Italia). Es considerado un volc‡n laboratorio debido a su casi continua actividad, su f‡cil accesibilidad, y su cercan’a de numerosas poblaciones. Este despliegue cient’fico tiene dos vertientes fundamentales: la vigilancia volc‡nica en tiempo real y la investigaci—n. La vigilancia permite alertar a la poblaci—n y a los servicios de protecci—n civil ante cualquier reactivaci—n volc‡nica. La investigaci—n utiliza la gran base de datos multidisciplinar que se genera d’a a d’a para avanzar en el conocimiento de la estructura y la din‡mica del Etna y exportarla a otros volcanes. Hoy en d’a, aœn existe controversia acerca de la estructura interna del Etna y el origen del magma, por lo que este volc‡n representa una oportunidad œnica para la aplicaci—n de las tŽcnicas tomogr‡ficas que nos permitan conocer mejor la estructura interna profunda del volc‡n y la relaci—n del sistema volc‡nico con el sistema tect—nico regional. A ra’z de esto, en 2014 se llev— a cabo un ambicioso experimento llamado TOMOETNA, dentro del proyecto europeo MEDSUV.ISES, que pretende el estudio del Etna y las regiones circundantes aunando las bondades de la s’smica activa y la pasiva. TOMOETNA gener— una enorme cantidad de datos s’smicos de alta calidad que han sido analizados utilizando algoritmos de tratamiento autom‡tico de se–ales que nos han permitido realizar de manera fiable y r‡pida una selecci—n de tiempos de viaje de ondas P (picking) que son la base de la tomograf’a s’smica en velocidad. Detectar correctamente la llegada de las ondas s’smicas generadas por terremotos o por fuentes artificiales, es un paso cr’tico para asegurar la bondad y calidad de los futuros an‡lisis que se realicen, desde una localizaci—n preliminar del evento hasta estudios de atenuaci—n o tomograf’as. Paralelamente hemos desarrollado un c—digo tomogr‡fico que nos permite invertir simult‡neamente datos de picking de terremotos (tomograf’a pasiva) y de fuentes s’smicas activas (tomograf’a activa). Este programa se conoce como PARTOS (Passive Active Ray Tomographic Software) y ha sido utilizado para obtener por primera vez en el Etna una tomograf’a conjunta activa-pasiva. El resultado de esta inversi—n es un modelo de velocidad de ondas P en 3D realista y que cubre toda la regi—n del noreste de Sicilia, incluyendo el volc‡n Etna y el archipiŽlago de las Islas Eolias. Adem‡s se ha invertido de manera independiente tres zonas distintas incluyendo un modelo de velocidad inicial ad-hoc. Estas regiones son: i) çrea de Experimento TOMO-ETNA; ii) ArchipiŽlago de las Islas Eolias; y iii) Volc‡n Mt. Etna. En estas regiones destacamos e interpretamos una serie de anomal’as de velocidad de ondas P, en base a estudios regionales y locales previos. Muchas de estas anomal’as corresponden con estructuras ya descritas por otros autores como son la el sistema de fallas conocido como ÒAeolian-Tindari-Letojanni Fault SystemÓ (ATLFS) que cruza el noreste de Sicilia con direcci—n NW-SE, o el ÒHigh Velocity BodyÓ (HVB) localizado ligeramente al sureste de los cr‡teres principales del volc‡n Mt. Etna. Destacamos tambiŽn la presencia de una serie de anomal’as no interpretadas en bibliograf’a y para las que proponemos una interpretaci—n preliminar a falta de estudiarlas m‡s en detalle como parte de los trabajos futuros. No obstante, la tomograf’a s’smica no es œnicamente un fin, sino que es la base de un gran nœmero de trabajos posteriores que requieren de un modelo realista y detallado de la regi—n. Es el caso la relocalizaci—n de precisi—n, como paso inmediato a la obtenci—n de un modelo de velocidad real’stico y en 3D que permite localizar con mucha mayor fidelidad los enjambres s’smicos y facilita la interpretaci—n geodin‡mica de los mismos. En este sentido, presentamos una localizaci—n s’smica de precisi—n utilizando la serie s’smica registrada en la Isla de El Hierro (Espa–a) durante la crisis sismo-volc‡nica ocurrida en 2011-13, aplicando algoritmos probabil’sticos no lineales (NonLinLoc) y algoritmos de relocalizaci—n relativa (HypoDD). A su vez, una localizaci—n precisa permite realizar nuevos estudios en detalle para entender la din‡mica s’smica de la regi—n, en especial en volcanes donde se acostumbra a relacionar directamente la sismicidad con la migraci—n del magma. Sin embargo, existen otras posibilidades como la sismicidad causada por la migraci—n de estrŽs relacionada a su vez con intrusiones magm‡ticas en conductos cerrados. A este tipo de sismicidad se le conoce como sismicidad inducida por fracturaci—n hidr‡ulica y en este cap’tulo presentamos un estudio en detalle de la sismicidad asociada a la crisis volc‡nica ocurrida en la isla de El Hierro (Canarias, Espa–a) en el per’odo 2011-2013.

Abstract

ABSTRACT The objectives of this PhD Thesis are based on two main legs: i) Obtaining a realistic, three-dimensional velocity model of the region comprising Mt. Etna volcano, Aeolian Island Archipelago, and surrounding areas, by using joint active and passive tomographic inversion; ii) Performing advanced applications of velocity models focused on the study of the physical mechanisms controlling seismicity on volcanoes. For obtaining the tomographic velocity model we used seismic data provided by a complex active seismic experiment known as TOMO-ETNA. Data, including active and passive seismic signals, has been further analysed using new signal processing algorithms. Once analysed, seismic data is processed applying a new ad-hoc developed software for joint active passive seismic tomography (PARTOS). Finally, we propose an advanced study based on b value calculation, precise seismic locations, and diffusivity curves calculations of the seismicity related to the El Hierro 2011-13 seimo-volcanic crisis. This study requires as a priori information a realistic 3D velocity model, and allows us to reinterpret the distribution and evolution of seismic swarms on volcanoes.

Índice

Resumen Extendido (en espa–ol)É.
Resumen Extendido (en inglŽs)
Pr—logo (en espa–ol)
1. Introducci—n. Motivaci—n y Estado del Arte (en espa–ol)
1.1. Volcanes
1.1.1. Volcanes y Humanidad
1.1.2. Volcanes y Vigilancia
1.2. Tomograf’a S’smica
1.2.1. Tomograf’a s’smica pasiva
1.2.2. Tomograf’a s’smica activa
1.2.3. La Tomograf’a s’smica como herramienta.
1.2.4. Tomograf’a s’smica en Mt. Etna
1.3. Experimento TOMO-ETNA
1.4. Localizaci—n de Precisi—n y Fracturaci—n Hidr‡ulica
1.5. Motivaci—n y Objetivos
2. Marco Geodin‡mico, Geof’sico y Vulcanol—gico del volc‡n Mt. Etna, Islas Eolias y çreas Circundantes (en inglŽs)
2.1. El volc‡n Mt. Etna
2.2. Evoluci—n Geol—gica
2.3. Principales Rasgos Estructurales
2.4. Monitoreo Multidisciplinar en Mt. EtnaÉ.
2.4.1. Monitoreo Vulcanol—gico
2.4.1.1. Geoqu’mica
2.4.1.2. Petrolog’a
2.4.2. Monitoreo Geof’sico en Mt. Etna
2.4.2.1. Magnetismo
2.4.2.2. Gravimetr’a
2.4.2.3. Geodesia
2.4.2.4. Sismolog’a
2.5. Modelo Geodin‡mico de Mt. EtnaÉ…
2.6. ArchipiŽlago de las Islas Eolias
3. Experimento TOMO-ETNA. Campa–a marina y terrestre de s’smica activa (en inglŽs)
3.1. La importancia de un experimento de tomograf’a s’smica activa en el volc‡n Mt. Etna
3.2. Instrumentaci—n y Red S’smica
3.2.1. Estaciones s’smicas de corto per’odo
3.2.2. Estaciones s’smicas de banda ancha
3.2.3. Sism—metros de Fondo Oce‡nico (OBSs)
3.2.3.1. OBSs Espa–oles
3.2.3.2. OBSs Italianos
3.2.4. Array Pozzo Pitarrone
3.2.5. Red S’smica Permanente
3.3. Fuentes S’smicas
3.3.1. Se–ales Air-gun
3.3.2. Terremotos
3.4. Operaciones en Tierra
3.4.1. Bœsqueda de emplazamientos
3.4.2. Despliegue
3.4.3. Mantenimiento
3.4.4. Recogida
3.5. Se–ales S’smicas
3.5.1. Base de Datos S’smicos
3.6. Apuntes Finales
4. Avances en la estimaci—n autom‡tica de llegadas de ondas s’smicas de tipo P (en inglŽs)
4.1. Picking de Ondas S’smicas (Enfoque Actual)
4.2. Pre-procesado de Se–ales
4.3. Algoritmo Multibanda Avanzado de Picking (AMPA)
4.4. Calibraci—n de AMPA
4.5. Par‡metros de Calidad
4.6. Base de Datos de TOMO-ETNA
4.7. Dataset y Apuntes Finales
5. Software de Tomograf’a Activa y Pasiva Conjunta (PARTOS) (en inglŽs)
5.1. Software de Tomograf’a. Estado del Arte
5.2. Descripci—n del c—digo
5.2.1. Datos de Entrada
5.2.2. Localizaci—n de Fuentes y Trazado del Rayo
5.2.3. Construcci—n del Grid
5.2.4. C‡lculo e Inversi—n de la Matriz
5.2.5. Combinaci—n e Iteraciones de los Modelos de Velocidad
5.2.6. Modelado SintŽtico
5.3. Apuntes Finales
6. Tomograf’a S’smica en Velocidad de Ondas P Conjunta Activa Pasiva del Volc‡n Mt. Etna, Islas Eolias y çreas Circundantes (en inglŽs)
6.1. Tomograf’a S’smica Conjunta. Datos y çrea de Estudio
6.2. Modelo de Velocidad Inicial
6.3. Inversi—n S’smica Tomogr‡fica Conjunta. Regi—n 1
6.3.1. Test SintŽticos
6.3.1.1. Checkerboards
6.3.1.2. Test de Anomal’a Libre
6.3.1.3. Jackknifing Test
6.3.2. Densidad de Rayos
6.3.3. Resultados de la Tomograf’a Conjunta. Regi—n 1
6.4. Inversi—n S’smica Tomogr‡fica Conjunta. Regi—n 2
6.4.1. Test SintŽticos
6.4.1.1. Checkerboards
6.4.1.2. Test de Anomal’a Libre
6.4.1.3. Jackknifing Test
6.4.2. Densidad de Rayos
6.4.3. Resultados de la Tomograf’a Conjunta. Regi—n 2
6.5. Inversi—n S’smica Tomogr‡fica Conjunta. Regi—n 3
6.5.1. Test SintŽticos
6.5.1.1. Checkerboards
6.5.1.2. Test de Anomal’a Libre
6.5.1.3. Jackknifing Test
6.5.2. Densidad de Rayos
6.5.3. Resultados de la Tomograf’a Conjunta. Regi—n 3
6.6. Apuntes Finales
7. Un ejemplo de Aplicaciones Avanzadas: El An‡lisis de la Serie S’smica Asociada a la Actividad Volc‡nica en la Isla de El Hierro 2011-13, a la luz de Modelos Estructurales de Alta Definici—n (en inglŽs)
7.1. Aplicaciones Avanzadas de los Modelos de Velocidad
7.2. Caso de Estudio: Crisis Sismo-volc‡nica de El Hierro 2011-2013
7.2.1. Datos S’smicos y Estimaci—n del Par‡metro b
7.2.2. Localizaci—n S’smica de Precisi—n
7.2.3. Curvas de Difusividad
7.3. Discusi—n
7.4. Aplicaciones preliminares en el volc‡n Mt. Etna
8. Conclusiones (en inglŽs)É.
8.1. Conclusiones
8.1.1. Bases de Datos
8.1.2. Picking
8.1.3. C—digo de Inversi—n Tomogr‡fica
8.1.4. Im‡genes Tomogr‡ficas
8.1.5. Aplicaciones Avanzadas
8.2. Trabajos Futuros
8.2.1. En relaci—n al volc‡n Mt. Etna
8.2.2. Aplicaciones Generales
9. Bibliograf’a (en inglŽs)
A. Anexo 1 (en inglŽs)
A.1. Financiaci—n y Proyectos de Investigaci—n Asociados
A.2. Proyecto MED-SUV, nœcleo del Experimento TOMO-ETNA
A.3. EUROFLEETS2. Experimento TOMO-ETNA e Implicaciones Marinas
A.4. Otros Proyectos de Investigaci—n y Negociaciones Paralelas
B. Anexo 2 (en inglŽs)
B.1. Lista del Grupo de Trabajo de TOMO-ETNA
C. Anexo 3 (en inglŽs)
C.1. Colaboraciones Internacionales
D. Anexo 4 (en inglŽs)
D.1. Gesti—n y Control de los Datos
E. Anexo 5 (en inglŽs)
E.1. Gu’a de Usuario de PARTOS.
E.1.1. Estructura General en Directorios de PARTOS
E.1.2. Directorio DATA
E.1.3. Archivos de Entrada
F. Anexo 6 (en inglŽs)
F.1. Figuras Complementarias

Conclusiones