Desarrollo e implementación de un procesado GPS subdiario para el control de deformaciones en áreas volcánicas

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Lamolda, Hector

2018-A
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Resumen

La actividad volcánica viene precedida habitualmente por incrementos en la
sismicidad y en las deformaciones del terreno. Si bien ambas técnicas son comúnmente
empleadas en la vigilancia volcánica, su interpretación conjunta no es inmediata y la
relación entre ambas no es obvia. Desde julio de 2011 hasta marzo de 2014 se han
producido 7 episodios de reactivaciones magmáticas en la Isla de El Hierro, la menor de
las Islas Canarias. El principal objetivo de esta tesis es analizar la evolución de la
sismicidad y la deformación a lo largo de estas siete reactivaciones magmáticas y tratar
de identificar sus características comunes, además de determinar si los momentos en los
que se empieza a incrementar la actividad sísmica y las deformaciones son simultáneos.
Para ello ha sido necesario desarrollar e implementar en la unidad de vigilancia volcánica
del Instituto Geográfico Nacional un procesado subdiario GPS especialmente aplicado al
caso de la erupción submarina de El Hierro en 2011-2012 y sus sucesivas reactivaciones
que aporte información sobre la deformación registrada en la red permanente GPS en
tiempo cuasi real.

Se ha empleado el método de Dobles Diferencias usando el software RTKLIB
para el procesado de las líneas base obteniendo una solución de posicionamiento cada 30
segundos, para cada época de observación. Posteriormente se ha realizado un ajuste de
red en un sistema local este, norte, arriba; fijando la posición de estaciones de referencia y
finalmente se ha aplicado un Filtro Kalman para reducir la dispersión de las series de
coordenadas obtenidas. Para tratar de paliar el efecto multitrayectoria en los resultados de
posicionamiento se ha recurrido al Filtro Sidéreo, haciendo uso de los datos de los
terremotos de Lorca y de Alborán para evaluar el comportamiento del procesado GPS en
la determinación del movimiento del terreno durante los terremotos, así como medir la
deformación que queda consolidada. El trabajar en una isla de las características de El
Hierro ha puesto de relieve que los efectos de marea y carga oceánica no se modelan de
forma correcta en nuestro caso, siendo necesario eliminar las frecuencias asociadas a las
componentes de marea mediante un ajuste mínimo cuadrático sobre la serie de
coordenadas. Por otra parte se han analizado las causas que, esporádicamente, provocan
cambios bruscos en la serie de coordenadas, resultando ser provocados por una mala
estimación de la componente húmeda del retardo troposférico durante episodios de altas
inestabilidades atmosféricas.

El disponer de este procesado subdiario ha permitido, en su aplicación a la
vigilancia volcánica, llevar a cabo un análisis conjunto de sismicidad y deformación
durante todos los periodos de reactivaciones volcánicas que se han sucedido en la isla de
El Hierro entre 2011 y 2014, se ha determinado que los inicios de las señales sísmicas y
de deformación son prácticamente coincidentes, pero que la evolución de las señales varía
de unas reactivaciones a otras, se dan casos en los que los incrementos en deformación
preceden a los de sismicidad y casos en los que ambas señales evolucionan en un modo
muy parejo. Además, mediante el modelo de Mogi se ha estimado el volumen de material
intruido durante los periodos de reactivación a partir de los datos de deformación
subdiaria, prestando especial interés a la reactivación de marzo de 2013 que registró las
mayores deformaciones y liberó la mayor cantidad de energía sísmica.

Por último, se ha hallado una relación lineal entre el logaritmo del volumen de
magma intruido y el logaritmo de la energía sísmica liberada durante las reactivaciones
que las relaciona entre sí, de forma que cuanto mayor sea el volumen de magma intruido
durante una reactivación volcánica mayor es también la cantidad de energía sísmica
liberada. La mayor aportación científica de este trabajo ha sido el emplear esta relación
que junto con el hecho de que en ciertas reactivaciones, el crecimiento de las
deformaciones precede al aumento de la energía sísmica liberada permite, en
determinadas circunstancias, proponer una forma de pronosticar el orden de magnitud de
la energía sísmica liberada en una reactivación volcánica teniendo en cuenta la
modelización de los volúmenes de magma intruido durante las reactivaciones en la isla de
El Hierro.



Abstract

Volcanic activity is usually preceded by increasing rates of seismicity and surface
deformation. Although both techniques are commonly used in volcano monitoring, their
joint interpretation is not immediate and the relationship between them is not obvious.
Between 2011 and 2014 there were at least seven episodes of magmatic intrusion in El
Hierro Island, the smallest of the Canary Islands. The main goal of this thesis is to
analyze the evolution of seismicity and deformation along these seven magmatic unrest
periods and try to identify their common characteristics, as well as to determine if the
moments in which both seismic and deformation activity begin are simultaneous. For this
purpose, it has been necessary to develop and implement in the volcanic monitoring unit
of the Instituto Geográfico Nacional a subdaily GPS processing strategy especially
applied to the case of the submarine eruption of El Hierro in 2011-2012 and its successive
unrests, providing deformation measurements of the permanent GPS network in quasi
real time.

The Double Differences method has been used in the RTKLIB software for
baseline processing, obtaining a positioning solution every 30 seconds observation epoch.
Subsequently a network adjustment has been calculated in a local system east, north, up;
fixing reference stations positions and finally a Kalman Filter has been applied to enhance
the obtained time series. In order to mitigate the multipath effect in the positioning
results, the Sidereal Filter has been computed, making use of the data of the earthquakes
of Lorca and Alboran to evaluate the GPS processing in ground movement determination
during the earthquakes, as well as to measure the consolidated deformation. Working on
an island like El Hierro has emphasized that the effects of tide and ocean loading are not
correctly modeled in our case, being necessary to eliminate the frequencies associated
with the tide components by a least squares adjustment in the time series. On the other
hand, the abrupt changes that sporadically appear in the time series have been analyzed.
They are provoked by a poor estimation of the wet component of the tropospheric delay
during high atmospheric instability episodes.

The availability of this subdaily GPS processing has allowed, in its application to
volcano monitoring, to carry out a joint analysis of seismicity and deformation during all
the episodes of unrest that have occurred on El Hierro Island between 2011 and 2014, the
beginnings of the seismic and deformation signals are practically coincident, but the time
evolution of the signals varies from some unrest periods to others, there are cases in
which the increase in deformation precedes those of seismicity and cases in which both
signals evolve in a very similar way. In addition, the Mogi model has been used to
estimate the volume of intruded volume during the episodes of unrest from deformation
data, paying special attention to the March 2013 unrest period that registered the greatest
deformations and released the largest amount of seismic energy.

Finally, a linear relationship has been found between the logarithm of the
intruded magma volume and the logarithm of the seismic energy released during the
unrests that links them to each other. The unrests with higher volume are also the ones
which release more seismic energy. This linear relationship together with the fact that, in
certain unrests, the growth of the deformations precedes the increase of the seismic
energy released allows, in certain circumstances, to propose a way to forecast the order of
magnitude of the seismic energy to be released during a volcanic unrest by using the
intruded magma volume modelling during unrest periods in El Hierro Island.

The mayor scientific contribution of this work has been to use this relationship,
which together with the fact that in certain unrest periods, increase of the deformation
precedes that of seismic energy released, allows in certain circumstances, to propose a
way to forecast the order of magnitude of the seismic energy to be released during a
volcanic unrest by using the intruded magma volume modelling during unrest periods in
El Hierro Island.



Índice

Índice general

Índice de figuras ……………………………………………………………………. ix

Resumen …………………………………………………………………………….. 1

Abstract ……………………………………………………………………………. 3

Introducción ………………………………………………………………………… 5

Capítulo 1: Procesado subdiario GPS ……………………………………………………. 9
1.1. Retardo ionosférico ……………………………………………………………… 10
1.2. Retardo troposférico …………………………………………………………….. 11
1.3. Resolución de ambigüedades ……………………………………………………….. 12
1.4. Ajuste de red …………………………………………………………………… 13
1.5. Filtro Kalman …………………………………………………………………… 13
1.6. Filtro sidéreo ………………………………………………………………….. 16
1.7. Lorca ………………………………………………………………………….. 19
1.8. Alborán ………………………………………………………………………… 23
1.9. Marea y carga oceánica …………………………………………………………… 27
1.10. Troposfera …………………………………………………………………….. 32

Capítulo 2: Relación entre deformación y sismicidad en la isla de
El Hierro durante las reactivaciones volcánicas de 2011 a 2014 ……………………………. 41
2.1. Julio de 2011 …………………………………………………………………… 45
2.2. Junio de 2012 …………………………………………………………………… 51
2.3. Septiembre de 2012 ………………………………………………………………. 55
2.4. Diciembre de 2012 ……………………………………………………………….. 59
2.5. Marzo de 2013 …………………………………………………………………… 63
2.6. Diciembre de 2013 ……………………………………………………………….. 67
2.7. Marzo de 2014 …………………………………………………………………… 71

Capítulo 3: Modelización ……………………………………………………………… 77

Capítulo 4: Pronóstico ……………………………………………………………….. 85

Capítulo 5: Conclusiones………………………………………………………………. 91

Referencias …………………………………………………………………………. 95

ANEXOS ……………………………………………………………………………… 103

Anexo A: Gráficas de deformación y sismicidad …………………………………………… 105
A.1. Julio de 2011 …………………………………………………………………… 106
A.2. Junio de 2012 …………………………………………………………………… 113
A.3. Septiembre de 2012 ………………………………………………………………. 119
A.4. Diciembre de 2012 ……………………………………………………………….. 127
A.5. Marzo de 2013 …………………………………………………………………… 135
A.6. Diciembre de 2013 ……………………………………………………………….. 141
A.7. Marzo de 2014 …………………………………………………………………… 147

Anexo B: Detalles sobre la implementación ………………………………………………. 153

 



Conclusiones

La principal aportación de este trabajo ha sido una nueva forma de obtener una
estimación a priori del orden de magnitud de la energía sísmica que sería liberada durante
una futura reactivación volcánica en la Isla de El Hierro. Para poder obtener un
pronóstico es necesario que se den dos condiciones, en primer lugar que la futura
reactivación se ciña a la relación lineal que se ha descubierto que existe entre los
logaritmos de la energía sísmica liberada y el volumen de magma intruido durante las 7
reactivaciones volcánicas estudiadas en El Hierro. De forma que las reactivaciones de
mayores volúmenes son también aquellas que liberan mayor cantidad de energía sísmica.
El segundo requisito es que se produzca un desfase temporal suficiente entre las señales
de deformación y sismicidad, de forma que cuando la deformación haya alcanzado su
mayor registro, la energía sísmica liberada aún no haya comenzado a incrementar su
crecimiento, es decir, que los sismos de mayor magnitud se den al final de la reactivación.
Se ha observado que la magnitud de este desfase temporal depende de la duración de la
migración de la sismicidad durante las primeras etapas de la reactivación volcánica. En la
modelización de la reactivación de marzo 2013 se ha observado que mientras la
sismicidad y el centro de presión migran se mantienen a cierta distancia horizontal y la
magnitud de los sismos permanece relativamente baja. Cuando la sismicidad deja de
migrar y el centro de presión también, la distancia horizontal entre ellos se reduce y la
magnitud de los sismos se eleva.

También se ha puesto de manifiesto al comparar los datos de deformación con la
energía sísmica liberada a lo largo de los 7 episodios de reactivación volcánica que se han
dado en la isla de El Hierro en el periodo 2011-2014 que los tiempos en los que ambas
señales comienzan a mostrar signos de actividad son muy parejos. Si bien es cierto que,
desde un punto de vista de vigilancia en tiempo real, la confirmación del comienzo de la
sismicidad es casi inmediata y el comienzo de la deformación requiere de más tiempo
para confirmarse dependiendo de la velocidad de deformación.

Otra aportación ha sido arrojar algo de luz sobre la fuente de error que afecta a las
coordenadas en forma de cambios bruscos que más tarde se recuperan volviendo la
tendencia previa se ha achacado a cambios en la componente húmeda del retardo
troposférico que no son modelados correctamente y producen un sesgo en las
coordenadas durante episodios de inestabilidades atmosféricas. El hecho de disponer de
un procesado subdiario ha sido determinante para caracterizar estos episodios como
errores de cálculo ya que permite comprobar que los resultados se recuperan exactamente
en el momento en que se procesa otro fichero diario de forma que, con independencia de
sus causas, nos encontramos ante unos resultados sesgados por un error en el procesado.
El 3 de octubre de 2011, una semana antes de que comenzase la erupción submarina en El
Hierro se produjo uno de estos episodios que afectó a las coordenadas de la red GPS de
vigilancia. Esto no significa que ese día no tuviesen lugar procesos volcánicos singulares,
si no que los resultados GPS no pueden ser empleados, durante esos días, para confirmar
ni para desmentir las hipótesis al respecto. En cualquier caso, es necesario un seguimiento
de los datos meteorológicos, en especial aquellos que nos ofrezcan información sobre el
contenido en vapor de agua de la atmósfera, con el objetivo de hacer una mejor
interpretación de los resultados de deformación. Otra influencia no volcánica en las series
de coordenadas que se ha apreciado es un claro efecto de marea y carga oceánica. Estos
efectos que no han sido bien modelados forman parte de ciertos inconvenientes que
conlleva trabajar en islas relativamente pequeñas como El Hierro. Al no lograr generar un
modelo de corrección que sirviera para cada estación para cualquier periodo de tiempo se
ha llevado a cabo la eliminación de las frecuencias asociadas a componentes de marea
mediante un ajuste mínimo cuadrático que, según los datos de que disponemos, no afecta
a la señal de deformación volcánica.

Por último cabe señalar la aportación más práctica, dirigida a la unidad de
vigilancia volcánica del Instituto Geográfico Nacional que ahora dispone de un procesado
GPS subdiario funcionando de forma automática y ofreciendo resultados cada hora sobre
el estado de la red GPS de vigilancia en Canarias.

Este mismo procesado, al tratar datos tomados cada segundo y tras aplicar el
Filtro Sidéreo para contrarrestar el efecto multitrayectoria en la serie de coordenadas, ha
sido capaz de registrar el movimiento del suelo durante terremotos como los de Lorca y
Alborán. Mediante el procesado de datos GPS a alta frecuencia es posible aportar
información útil en el campo de la sismología. En el caso de procesar los datos previos y
posteriores al momento en el que se producen los sismos y, tras aplicar un Filtro Kalman
a la serie de datos, también es capaz de medir el desplazamiento permanente que queda
en el terreno tras la ocurrencia de los terremotos.

En el futuro los esfuerzos se centrarán en tratar de automatizar la detección, y si
es posible corregir, los episodios en los que el resultado de deformación se vea sesgado
debido a factores atmosféricos. Comenzar a integrar los resultados de deformación
subdiaria con los interferogramas InSAR que se generan en la unidad de vigilancia
volcánica del Instituto Geográfico Nacional, y continuar estudiando los datos de las
reactivaciones con el objetivo de estar mejor preparados para llevar a cabo una mejor
vigilancia en los próximos episodios que estén por llegar.