Determinación de la fuente sísmica a distancias regionales: Aplicación a la serie de El Hierro 2011
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Del Fresno, Carmen
MEJOR TESIS EN GEOFÍSICA
2017-A
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La determinación del mecanismo focal de los terremotos permite obtener los parámetros del modelo que representa su fuente sísmica. En el caso de terremotos ocurridos en islas volcánicas activas, el análisis de la fuente sísmica es de gran utilidad para entender el proceso de ruptura de la corteza terrestre provocado por la intrusión de los diques de magma e interpretar los cambios en el campo local de esfuerzos de la isla.
El objetivo de esta tesis doctoral es la determinación del mecanismo focal de los terremotos de la serie sísmica de El Hierro 2011 (17 julio – 10 octubre). Esta serie precedió la primera erupción bien documentada en la isla de El Hierro y la primera erupción completamente monitorizada en el Archipiélago Canario.
Debido a la baja magnitud de la sismicidad (Mw<4.0), la heterogeneidad de la instrumentación y la escasa cobertura azimutal, se ha resuelto el problema del mecanismo focal aplicando distintas metodologías para obtener la mayor cantidad de información posible.
En primer lugar se ha calculado el mecanismo conjunto de las familias de sismos más numerosas de la reactivación utilizando la metodología de la polaridad de las ondas P, que considera una fuente sísmica formada por un doble par de fuerzas. Pese a su sencillez, la aplicación de esta metodología a los datos de El Hierro 2011 ha permitido obtener la evolución temporal de las orientaciones de los planos de falla y los ejes de esfuerzos a lo largo de toda la serie, incluyendo los terremotos de los dos primeros meses de reactivación, que no se pueden estudiar con otras técnicas debido a su baja magnitud (mb(Lg)<2.5).
En segundo lugar, se ha estudiado el mecanismo focal de los terremotos de mayor magnitud de la serie, (mb(Lg)>=3.5) aplicando la metodología de inversión de tensor momento sísmico a los registros de la red de estaciones de periodo corto en la isla (x<20km). Este método es más completo que el anterior puesto que permite representar fuentes con cambios de volumen en la región focal propios de zonas volcánicas. Debido a las condiciones específicas del problema de inversión en El Hierro, antes de aplicar la metodología a los datos observados, se han realizado diferentes test con datos teóricos para comprobar la estabilidad de la inversión y la fiabilidad de las soluciones.
Finalmente, se ha realizado un estudio detallado del terremoto de mayor magnitud de la serie (Mw=4.0). En este caso, la inversión de tensor momento sísmico con registros de periodo corto se ha completado con los datos de la red de estaciones de banda ancha del Archipiélago Canario. Se ha completado el estudio con el cálculo de la función temporal de la fuente sísmica de este terremoto mediante la metodología de las funciones de Green empíricas, utilizando los sismogramas de 34 precursores para representar la propagación de las ondas sísmicas a través del medio.
A partir de los resultados de mecanismo focal obtenidos en este trabajo, la reactivación volcánica se puede separar en dos periodos diferentes. Durante el primer periodo (del 20 julio al 3 de octubre) los resultados corresponden a mecanismos de falla inversa o mecanismos de falla vertical si se considera un modelo de doble par de fuerzas. Si durante estas mismas fechas se considera un modelo general de fuente sísmica, las soluciones del tensor momento sísmico indican aumentos de volumen significativos y dipolos de tensión dominantes en la región focal. Los ejes de tensión durante este periodo son verticales o con un ángulo de inclinación inferior a 45º respecto a la vertical. El segundo periodo (3 – 10 de octubre) corresponde a los terremotos ocurridos durante la semana previa al comienzo de la erupción submarina. Los resultados de mecanismo focal son sustancialmente diferentes, corresponden a mecanismos con mayor componente de falla de desgarre y no es posible discernir si existe un cambio de volumen en la región focal puesto que el valor de este parámetro es muy cercano al umbral de resolución de la metodología. Los ejes de presión de los terremotos ocurridos durante esta última semana coinciden con las direcciones del máximo esfuerzo regional en las Islas Canarias.
A partir de los resultados obtenidos se propone un modelo para explicar el proceso de ruptura que ha dado lugar a esta serie sísmica. Según este modelo, en un primer periodo (anterior al 3 de octubre de 2011), la sismicidad sería debida a una intrusión de un dique de magma que avanzó horizontalmente desde el centro de la isla en dirección Sur. El día 3 de octubre de 2011 la intrusión habría llegado a una zona más fracturada y, el movimiento de fluídos (gases/magma) habría reactivado un sistema de fallas preexistente, en consecuencia, la actividad sísmica ocurrida desde esa fecha hasta el comienzo de la erupción, responde a la tectónica local.
Los resultados de esta tesis han mostrado que, pese al pequeño tamaño de los sismos, la heterogeneidad de la instrumentación y la escasa cobertura azimutal, el estudio del mecanismo focal de los terremotos que constituyeron esta serie sísmica ha permitido obtener información que no había sido observada en estudios anteriores y contribuye a entender mejor el proceso de ruptura que precedió la erupción submarina de El Hierro 2011-2012.
The determination of the earthquakes focal mechanisms allows to obtain the model parameters that represent the seismic sources. In the case of active volcanic islands, these analysis can help to understand the physical processes of magma migration and the changes of the local stress field.
The aim of this work is to study the focal mechanism of El Hierro 2011 series (17th July – 10th October). This seismic swarm preceded the first documented volcanic eruption in the island of El Hierro which is also the first fully monitorized eruption in the Canarian Archipelago.
Different methodologies have been applied in order to obtain as much information as possible from the scarce data available and in order to deal with the low magnitude of the earthquakes (Mw <= 4.0), the strong network asymmetry and the high azimuthal gap.
Firstly, a joint source mechanism methodology based on first motion polarities was applied. Considering a double couple source model, joint mechanism solutions of the most populated families of the unrest were calculated and time evolution of fault planes and principal axes orientation were retrieved. Despite its simplicity, the application of this methodology to El Hierro series, brought insights on the stress orientation during the first two months of the reactivation, when it was not possible to apply any other technique due to the scarcity of the data and the low magnitude of the earthquakes (mb(Lg) <= 2.5).
Secondly, a point source moment tensor inversion was performed to study the focal mechanisms of the largest earthquakes of the series (mb(Lg) >= 3.5). Amplitude spectra was fit at local distances (x < 20km) using short period data. The use of this methodology allows to determine the possible volume changes that are often related to volcanic earthquakes. Due to the specific characteristics of the problem studied in this work, different tests using synthetic data were carried out in order to corroborate the stability of the inversion solution before applying the algorithm to El Hierro series.
Finally, a detailed study of the largest earthquake of the series (8th October 2011, Mw=4.0) was performed. Focal mechanism has been retrieved using a moment tensor inversion with short period and broad band data at regional distances. Furthermore, the source time function of this shock has been obtained using 34 of its foreshocks as empirical Green functions.
Results of the focal mechanisms obtained in this work showed two different periods within the volcanic unrest. During the first period (20th July – 3rd October) results correspond to thrust or vertical mechanisms when considering a double couple model, and solutions indicate significant volume changes and dominant tension dipoles in the focal region when considering a general moment tensor model. Almost vertical T axes were obtained during this first period (Theta(T) < 45º). The second period comprises the week before the eruption onset (3rd – 10th October), and results obtained showed a different pattern, indicating mechanisms with larger strike-slip components. It is not possible to determine whether volume changes occur in the focal regions of these latest shocks as the value obtained for this parameter is close to the methodology threshold. The stress pattern of the second period corresponds to horizontal compression in a NNW-SSE direction which matches well with the regional maximum compression in the archipelago.
According to these results, a model has been proposed to explain the rupture process of this seismic series. During the first period, seismicity can be explained due to a horizontal dyke intrusion of magma which propagated from the center of the island to the South. The 3rd of October the tip of the dyke would have reached a more fractured region where it reactivated a preexisting system of faults. From that day until the eruption onset, seismicity would be a consequence of the regional stress field that could have been triggered by the dyke intrusion and the fluid movements (gas/magma) throughout the fractured medium.
The results of this work showed that, in spite of the low magnitude of the earthquakes, the instrumental heterogeneity and the low azimuthal coverage, the study of the focal mechanism of El Hierro 2011 series has provided valuable information that has not been observed in previous works and helps to a better understanding of the rupture process that preceded El Hierro submarine eruption 2011-2012.
Índice general
Resumen/Summary
Resumen
Summary
Introducción
Objetivo y motivación
La isla de El Hierro: situación geográfica y contexto geológico
1. Sismicidad en la isla de El Hierro
1.1. Red sísmica en Canarias (I.G.N)
1.2. Sismicidad histórica
1.3. Sismicidad instrumental (1979-2010)
1.4. Crisis sismovolcánica 2011-2015
1.4.1. Reactivación sísmica: julio – 10 octubre 2011
1.4.2. La erupción submarina: 10 octubre 2011 – 5 marzo 2012
1.4.3. Actividad posteruptva: a partir del 5 marzo 2012
2. Fundamentos teóricos y metodología
2.1. El teorema de representación
2.1.1. Función de Green
2.1.2. Tensor momento sísmico
2.2. Metodologías utilizadas para la determinación del mecanismo focal
2.2.1. Patrón de radiación de las ondas P
2.2.2. Inversión del tensor momento sísmico
2.2.3. Funciones de Green Empíricas
3. Datos
3.1. Registros sísmicos: formato y respuesta instrumental
3.2. Modelo de tierra
4. Mecanismo conjunto
4.1. Programas y algoritmos
4.1.1. Programa aztoff
4.1.2. Programa mecsta
4.2. Aplicación a la serie sísmica de El Hierro (17 julio 2011 – 10 octubre 2011)
4.2.1. Selección y procesado de datos
4.2.2. Resultados
4.2.3. Interpretación
5. Inversión del tensor momento sísmico a distancias regionales
5.1. Programas y algoritmos
5.1.1. Generación de funciones de Green: programa qSeis
5.1.2. Inversión del tensor momento sísmico: programa rapidinv
5.2. Aplicación a casos teóricos
5.2.1. Influencia del tipo de mecanismo y la geometría de la red de estaciones
5.2.2. Influencia de una mala localización de los sismos
5.2.3. Influencia de ruído sísmico en los registros
5.3. Aplicación a los terremotos de la serie de El Hierro
5.3.1. Selección y procesado de datos
5.3.2. Resultados
5.4. Discusión e interpretación
6. El terremoto del 8 de octubre de 2011 (Mw=4.0) y sus precursores
6.1. Inversión del tensor momento sísmico del terremoto principal y su mecanismo conjunto de la familia de precursores
6.2. Determinación de la función temporal de la fuente sísmica
6.2.1. Algoritmo iterdecon
6.2.2. Datos y procesado
6.2.3. Resultados
6.3. Discusión e interpretación
7. Conclusiones / Conclusions
Conclusiones
Conclusions
Referencias
Anexos
A. Mapa de EL Hierro
B. Respuestas instrumentales de las estaciones sísmicas
C. Códigos en python utilizando las herramientas Kiwi
D. Listado de familias de terremotos (capítulo 4)
E. Test teóricos de inversión de tensor momento sísmico adicionales
F. Soluciones y ajustes de las inversiones TMS (capítulo 5)
G. Soluciones y ajustes de las inversiones TMS (capítulo 6)
H. Contribuciones científicas
Del estudio de la fuente sísmica de la serie de El Hierro 2011, se pueden extraer las siguientes conclusiones:
La determinación del mecanismo focal de los terremotos de la serie sísmica de El Hierro en 2011 (julio – octubre de 2011) es un tema de gran interés puesto que permite realizar un análisis espacio-temporal del proceso de ruptura de la corteza terrestre que precedió la primera erupción submarina monitorizada en el Archipiélago Canario. Sin embargo, el estudio de esta serie sísmica presenta varias dificultades: únicamente existen registros de dos estaciones al comienzo de la reactivación y, aunque la red se densificó considerablemente en los primeros días de la serie, la instrumentación es muy heterogénea. Además, se trata de sismos de baja magnitud (mb(Lg) <= 4.0) y la cobertura azimutal es escasa debido a la geometría de la propia isla y la ausencia de instrumentación sísmica de fondo marino (OBS). Todos estos factores condicionan las metodologías a aplicar para la determinación del mecanismo focal ya que influyen considerablemente en la fiabilidad de los resultados. Para poder abordar el problema utilizando la mayor cantidad de información disponible, es necesario combinar diferentes técnicas e interpretar los resultados de manera conjunta. En esta tesis se ha optado por utilizar la metodología de polaridad de ondas P para analizar el mecanismo conjunto de las familias de sismos más numerosas de la reactivación y aplicar la metodología de inversión del tensor momento sísmico para estudiar los terremotos de mayor magnitud de la serie (mb(Lg) >= 3.5). Además, en el caso del sismo de mayor magnitud de la serie, Mw=4.0, ha sido posible utilizar también la metodología de las funciones de Green empíricas para determinar detalles de la función temporal de la fuente sísmica.
La aplicación de la metodología del mecanismo conjunto ha permitido estudiar toda serie sísmica (20 de julio – 10 octubre de 2011) de manera global. Se ha calculado el mecanismo conjunto de las familias más numerosas de la reactivación y se ha obtenido la evolución temporal de las orientaciones de los planos de falla y ejes principles de la serie considerando un modelo de doble par de fuerzas. Una de las ventajas de la aplicación de esta metodología a la serie de El Hierro, es que ha permitido obtener las direcciones de los esfuerzos de los dos primeros meses de la reactivación, fechas en las que la magnitud de los terremotos no excedía los 2.5 grados y por tanto resulta imposible aplicar cualquier otra técnica. De los resultados obtenidos en el estudio se deduce que los mecanismos focales predominantes corresponden a mecanismos de falla inversa y mecanismos de falla vertical. Los ejes de presión son prácticamente horizontales durante todo el periodo, su orientación se corresponde con el esfuerzo regional de la zona
(NNW-SSE) durante los primeros meses de la serie sísmica (20 julio – 26 septiembre) y al final de la misma (7-10 de octubre). Entre el 26 de septiembre y 6 de octubre los ejes P muestran, en general, una orientación N-S, paralela a la migración de epicentros. Los ejes T, que inicialmente son verticales, giran hasta un valor máximo del buzamiento de 45º.
La inversión de tensor momento sísmico es una metodología más completa que el mecanismo conjunto y permite estudiar si existen cambios de volumen en la región focal. Debido a las condiciones específicas del problema que se estudia en este trabajo (instrumentación heterogénea y escasa cobertura azimutal) se ha comenzado resolviendo el problema inverso con datos teóricos para conocer la estabilidad y fiabilidad de las soluciones antes de aplicar la metodología a datos observados. Se ha resuelto la inversión en el dominio de frecuencias, ajustando la amplitud espectral de la forma de onda en las tres componentes, utilizando una ventana que incluye las llegadas de las ondas P y S. Se ha comprobado la influencia de la geometría de la red en los resultados y se ha estudiado la convergencia del algoritmo ante errores en la localización epicentral y el ruido sísmico característico en las estaciones de El Hierro. Todos los test teóricos se han realizado considerando dos tipos de tensor momento: un tensor correspondiente a un modelo de doble par de fuerzas (DC) y otro tensor general formado por seis componentes independientes, lo que incluye componente isotrópica (MT). A partir de los resultados de los test teóricos se puede decir que la aplicación del algoritmo a la zona de estudio proporciona soluciones fiables cuando la magnitud de los terremotos es superior a 3.5.
Utilizando la misma metodología de inversión de tensor momento sísmico que con los casos teóricos, se ha resuelto la inversión con los datos de periodo corto correspondientes a los sismos de mayor magnitud de la serie (mb(Lg) >= 3.5). Los resultados de la inversión considerando un modelo DC muestran, en su mayoría, mecanismos de falla inversa o mecanismos verticales entre los días 27 de septiembre y 3 de octubre, en concordancia con los resultados del análisis del mecanismo conjunto. La mayor parte de las soluciones de la inversión con un modelo MT, durante estas fechas, muestran importantes componentes isotrópica y CLVD positivas, lo que indican aumento de volumen en la región focal y dipolos de tensión dominantes en las fuentes sísmicas. La dirección de los ejes de tensión es coherente en ambas soluciones (DC y MT) y, en su mayoría, corresponden a ejes de tensión verticales o con valores de buzamiento inferiores a 45º. A partir del día 3 de octubre, tanto las soluciones DC como MT cambian sustancialmente: corresponden a sismos con mayor componente de doble par en la solución MT y los mecanismos DC obtenidos son mecanismos de falla de desgarre o falla normal.
El terremoto de mayor magnitud de esta serie sísmica (8 de octubre de 2011, 20:34h, Mw=4.0) se ha estudiado a partir de la inversión de tensor momento sísmico incluyendo, también, los datos de las estaciones de banda ancha de otras islas del archipiélago. Además, se ha estudiado la función temporal de la fuente sísmica de este terremoto con la técnica de las funciones de Green empíricas. Las formas de onda este terremoto son coherentes con un tensor con gran componente de doble par. La solución obtenida corresponde a un mecanismo de desgarre, con compresión horizontal en dirección NNW-SSE. Estos resultados son muy similares a los resultados de la inversión de tensor momento sísmico del resto de terremotos en la misma zona analizados mediante inversión de tensor momento. Los ejes de presión (ejes P) son coherentes con la dirección del máximo esfuerzo regional en las Islas Canarias y con la dirección de los ejes P obtenida con la metodología del mecanismo conjunto para esas fechas. Los resultados de duración de la fuente sísmica (0.3s) es coherente con el tamaño del terremoto.
A partir de los resultados obtenidos ha sido posible proponer un modelo que explique el proceso de ruptura que ha dado lugar a esta serie sísmica. El modelo propuesto consiste en un primer periodo (20 de julio – 3 octubre de 2011) en la que la sismicidad se puede explicar por la intrusión de un dique horizontal desde el centro de la isla avanzando hacia el Sur. El 3 de octubre el dique habría llegado a una zona más fracturada y habría reactivado un sistema de fallas ya existente. A partir de esa fecha y hasta el comienzo de la erupción (3 octubre – 10 de octubre 2011) la sismicidad respondería al patrón de esfuerzos tectónico aunque la actividad habría sido desencadenada por el movimiento de fluídos (gases/magma) en un sistema fracturado. Estos dos diferentes mecanismos en la generación de los terremotos (avance del dique en una primera etapa y esfuerzos tectónicos en la segunda) explican el cambio observado en los mecanismos focales. La presencia de esta zona tan fracturada explicaría también ascenso asísmico del magma desde los 12km de profundidad hasta la superficie.
Los resultados de esta tesis doctoral han mostrado que, pese al pequeño tamaño de los sismos, la heterogeneidad de la instrumentación y escasa cobertura azimutal, ha sido posible adaptar tanto la metodología de mecanismo conjunto como la metodología de inversión del tensor momento sísmico para estudiar con éxito el mecanismo focal de los terremotos de esta reactivación volcánica, obteniendo información de la serie sísmica que no había sido observada en estudios anteriores. Este trabajo avala el uso de esta combinación de técnicas para realizar estudios futuros en la zona.