Modelización matemática de la actividad volcánica: Análisis de series temporales GNSS, algoritmos de inversión y pronóstico espacio- temporal
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Rosado Moscoso, Belén
2021-A
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En este trabajo se presenta el desarrollo de métodos y programas para el análisis de series temporales GNSS-GPS definidas por la evolución temporal de las coordenadas cartesianas absolutas o topocéntricas, obtenidas de estaciones geodésicas de seguimiento continuo y de observaciones periódicas. Para ello, se establece un procedimiento matemático para modelizar el comportamiento geodinámico, tectónico y/o volcánico de una determinada zona terrestre, y que establezca una metodología predictiva en caso de detección de un comportamiento anómalo en las series temporales observadas.
La metodología desarrollada se inicia con el procesado de las observaciones GPS continuas o episódicas, obteniendo series temporales geodésicas de precisión subcentimétrica. Las series se tratan con técnicas de filtrado Kalman y multiresolución tipo Wavelet para distinguir entre la parte determinista y la parte estocástica, eliminado los valores anómalos que presenten. Las velocidades (ve ,vn ,vu) de cada una de las estaciones se determinan distinguiendo entre procesos puramente tectónicos, que presentan una tendencia lineal, y procesos volcánicos, cuyo carácter es no lineal. Estas velocidades de desplazamiento permiten determinar los parámetros que caracterizan la deformación horizontal y vertical, constituyendo los modelos de esfuerzo y deformación de la región estudiada. En el caso de procesos volcánicos, se estima la localización de la fuente de presión empleando el modelo de Mogi, y el método del Cristalizado Simulado como método de inversión del modelo.
Este desarrollo se aplica a regiones con características geodinámicas diferentes: la región definida por las islas Shetland del Sur y la Península Antártica afectada por procesos puramente tectónicos; y la isla Decepción, afectada por procesos de carácter tectónico y volcánico. Estas regiones han sido elegidas como zona de estudio debido al hecho de disponer de datos GPS desde 1990 hasta la actualidad, de disponer de redes geodésicas que poseen una buena distribución de estaciones en la isla Decepción y su entorno, de contar con vértices geodésicos con características geodinámicas, de no estar interferida por la actividad humana, de presentar una actividad volcánica significativa y de estar enclavada en una zona de una gran complejidad tectónica como es la Cuenca del Mar de Bransfield y el bloque de las islas Shetland del Sur.
En la primera región estudiada, los modelos de desplazamiento y de esfuerzo de deformación obtenidos muestran dos patrones geodinámicos diferenciados en el archipiélago de las Islas Shetland del Sur: uno en la región suroeste, que comprende las islas Low, Smith y Snow, y otro en la región noreste, que comprende desde las islas Decepción y Livingston hasta la isla Elefante. Las velocidades horizontales absolutas de las estaciones de la parte noreste del archipiélago concuerdan con la apertura de la Cuenca del Bransfield, mientras que las de la parte suroeste son similares a los vértices situados en la Península Antártica. En el medio, las islas Snow, Decepción y Livingston representan una zona de transición.
Para la segunda región, la isla Decepción, los modelos de velocidades, de esfuerzo y deformación, de cizalla, de dilatación y de máxima deformación geodésica calculados para el periodo 1991-2019 muestran los diferentes procesos diferenciados de expansión-elevación y de compresión-subsidencia; procesos mixtos y procesos de transición que se suceden. Las fases de expansión-elevación y compresión-subsidencia se correlacionan con alta y baja actividad sísmica, respectivamente. Se comprueba que la componente horizontal de las fases mixtas, expansión-subsidencia y compresión-elevación, es precursor de la siguiente fase, claramente diferenciada, de expansión-elevación o compresión-subsidencia. Las fases de transición se corresponden con el modelo de largo periodo no tectónico de la isla y que responde al proceso de apertura NW-SE del Rift del Bransfield; presentando todas las estaciones componente horizontal hacia el SE.
También en la isla Decepción, se desarrolla un sistema para la vigilancia, seguimiento y pronóstico de su actividad volcánica mediante la observación de tres estaciones GPS. La vigilancia proporciona el estado de la actividad volcánica en tiempo casi real, mientras que el seguimiento proporciona la evolución temporal del volcán a posteriori, esencial para comprender las estructuras profundas y el sistema magmático del volcán. Finalmente, tomando como base la variación en distancia entre las tres estaciones y el conocimiento de la evolución geodinámica de carácter volcánico de la isla entre 1991 y 2019, se efectúan los correspondientes pronósticos a medio plazo. Este aspecto es esencial para preveer el estado volcánico de la isla en la siguiente campaña, el cual se realiza al finalizar cada campaña con una antelación de al menos 7 meses.
This work presents the development of methods and programs for the analysis of GNSS-GPS time series defined by the temporal evolution of cartesian or topocentric coordinates, obtained from continuous monitoring and periodic observations of geodetic stations. For this, a mathematical procedure is established to model the geodynamic, tectonic and/or volcanic behaviour of a terrestrial zone, and to establish a predictive methodology in case of detection of an anomalous behaviour in the time series.
The methodology starts with the processing of GPS observations, obtaining geodetic time series of subcentimeter precision. These series are treated with filtering techniques such as Kalman and multiresolution (Wavelet) to distinguish between the deterministic part and the stochastic part, eliminating the anomalous values they present. The velocities (ve ,vn ,vu) of each of the stations are determined by distinguishing between purely tectonic processes, which present a linear trend, and volcanic processes, whose character is non-linear. These displacement allow to determine the parameters that characterize the horizontal and vertical deformation, constituting the stress-strain models of the region. In the case of volcanic processes, the pressure source location is estimated using the Mogi model, and the Simulated Annealing method as a method of inversion of the Mogi model.
This development is applied to regions with different geodynamic characteristics: the region defined by the South Shetland Islands and the Antarctic Peninsula, affected by purely tectonic processes; and Deception Island, affected by tectonic and volcanic processes. These regions have been chosen as a study area due to the availability of GPS data from 1990 to the present day, to have geodetic networks with a good distribution of stations on Deception Island and its surroundings and geodetic benchmarks with geodynamic characteristics, not to be interfered with by human activity, to have significant volcanic activity and to be located in an area of high tectonic complexity such as the Bransfield Sea Basin and the South Shetland Islands.
In the first study region, the displacement and stress-strain models obtained show two differentiated geodynamic patterns in the South Shetland Islands: one in the southwest region, which includes the Low, Smith and Snow Islands, and another in the northeast region, which includes from Deception and Livingston islands to Elephant Island. The absolute horizontal velocities of the stations of the northeast region agree with the opening process of the Bransfield Basin, while the velocities of the southwestern region are similar to the benchmarks located on the Antarctic Peninsula. In the middle, the Snow, Deception and Livingston islands represent a transition zone.
For the second region, Deception Island, the models of velocity, stress-strain, shear, dilation and maximum geodetic deformation models obtained for the period 1991-2019 show distinguished phases of inflation-uplift and deflation-subsidence follow each other, mixed phases and transition phases. The inflation-uplift and deflation-subsidence processes are correlated with high and low seismic activity, respectively. The horizontal component of the mixed phases, inflation-subsidence and deflation-uplift, seems to be the precursor of the next phase, clearly differentiated, inflation-uplift or deflation-subsidence phase. The transition phases correspond to the island long period non-tectonic model that responds to the NW-SE opening process of the Bransfield Rift. All stations show horizontal components towards SE.
Also on Deception Island, a system is developed for the surveillance, monitoring and forecasting of its volcanic activity through GPS observations of three stations. The surveillance provides the status of the volcanic activity in almost real time, while the monitoring provides the temporal evolution of the volcano a posteriori, essential to understand the deep structures and the magmatic system of the volcano. Finally, the slope distance between the three stations and the knowledge of the geodynamic evolution of volcanic character of the island between 1991 and 2019 provide the corresponding mid-term forecasts. This aspect is essential to predict the volcanic state of the island in the following campaign, which is carried out at the end of each campaign at least 7 months in advance.
El objetivo principal de esta memoria ha sido resolver los problemas que presentan las series temporales geodésicas GPS, estableciendo un procedimiento matemático que permita modelizar el comportamiento geodinámico, tectónico y/o volcánico de una determinada zona y que establezca una metodología predictiva en caso de detección de un comportamiento anómalo en las series temporales observadas.
A lo largo de ella, se han descrito las acciones llevadas a cabo para establecer la modelización matemática de procesos geodinámicos activos, tanto tectónicos como volcánicos, obtenidos mediante observaciones GPS. Asimismo, se ha realizado una revisión de las características geodinámicas de las regiones en la que se ha aplicado esta metodología: la región definida por las islas Shetland del Sur, el Estrecho del Bransfield y la Península Antártica (región SHETPENANT); y la isla Decepción. De la isla Decepción se ha expuesto su estructura tectónica, su actividad volcánica y su evolución eruptiva desde su origen hasta la actualidad.
Se han descrito los principales modelos matemáticos que se utilizan en el procesado de los datos obtenidos a partir de observaciones GPS y el método de transformación para conseguir series temporales de coordenadas topocéntricas (e, n, u). Se ha efectuado un análisis para separar la parte determinista y la parte estocástica. En ausencia de ruido se calcula la velocidad con un ajuste lineal basado en mínimos cuadrados, de manera que la tendencia de la serie corresponde a la velocidad de desplazamiento. Con existencia de ruido se han aplicado técnicas de filtrado a las series temporales: el filtro Kalman y el análisis Wavelet, de las cuales se han descrito las principales características y fundamentos.
A partir de las series temporales topocéntricas se han determinado las velocidades (ve ,vn ,vu) de cada una de las estaciones, distinguiendo entre procesos puramente tectónicos, que presentan una tendencia lineal, y procesos volcánicos, cuyo carácter es no lineal. Estas velocidades permiten determinar los parámetros que caracterizan la deformación horizontal y vertical, constituyendo los modelos de esfuerzo y deformación de la región estudiada. Por ello, se han expuesto los aspectos básicos de la mecánica de medios continuos, estableciendo el concepto y obtención del tensor de deformación, así como sus principales propiedades físicas: dilatación, máxima deformación de cizalla, máxima deformación geodésica y direcciones principales de deformación.
En el caso de procesos volcánicos, se ha descrito el modelo de localización de fuentes de presión de Mogi, y el método de inversión empleado para conocer las características de los fenómenos físicos que ocurren en la profundidad a partir de las observaciones realizadas, el método de Cristalizado Simulado.
Se han presentado los programas informáticos empleados para llevar a cabo esta metodología, exponiendo los software utilizados y los resultados obtenidos.
Esta metodología se ha aplicado a distintas regiones con características geodinámicas diferentes. Se ha aplicado a una región afectada por procesos puramente tectónicos, la región SHETPENANT, de la cual se ha expuesto la infraestructura geodésica desplegada, así como el procesado de las observaciones, las series temporales y los modelos de desplazamiento, de esfuerzo y deformación obtenidos para esa región.
En estos modelos se diferencian dos patrones geodinámicos en el archipiélago de las Islas Shetland del Sur. Uno comprende las islas Low, Smith y Snow (región suroeste) y otra que comprende desde las islas Decepción y Livingston hasta la isla Elefante (región noreste). Las velocidades horizontales absolutas de las estaciones de la parte noreste del archipiélago concuerdan con la apertura de la Cuenca del Bransfield, mientras que las de la parte suroeste son similares a los vértices situados en la Península Antártica. En el medio, las islas Snow, Decepción y Livingston representan una zona de transición. La subsidencia que muestran las estaciones de las islas Shetland del Sur, excepto en las islas Gibbs (Islas Elefante), se puede relacionar a los procesos que actúan a lo largo de la Fosa de las islas Shetland del Sur. La elevación obtenida en las estaciones de la Península Antártica está relacionada con el rebote postglacial debido al ajuste isostático glacial después de la ruptura de la plataforma de hielo Larson B.
En el modelo de velocidades horizontales relativas a la placa antártica, las estaciones de la parte noreste sugieren una propagación de la Cordillera del Sur de Scotia hacia el sudoeste a través de la Cuenca de Bransfield. Esto se refleja en la dirección ONO de la estación ELE1, de la isla Elefante, cambiando a una dirección NO entre las islas Penguin y Livingston en el área central de la Cuenca del Bransfield. Las estaciones de la parte sudoeste reflejan una orientación diferente, menos perpendicular a la dirección NNE-SSO de la Cuenca de Bransfield que las de la región noroeste, y con un régimen de subsidencia menor hacia el suroeste. Por lo tanto, la región sudoeste está menos afectada por los procesos que actúan a lo largo del bloque de las Shetland del Sur y la apertura de la Cuenca del Bransfield.
Las islas Snow, Livingston y Decepción se encuentran en la zona de transición entre las regiones noreste y suroeste. Se observan movimientos de subsidencia en las estaciones situadas en estas islas (figura 3.6), asociados a un mecanismo de retroceso de la Fosa Shetland del Sur, como en el caso de la región noreste. Sin embargo, la diferencia entre el movimiento horizontal en la dirección N de la estación SNOW y el movimiento horizontal en la dirección NO de la estación BYER marca la separación entre las dos regiones geodinámicas de las islas Shetland del Sur (figura 3.7). Por lo tanto, la zona de falla activa que separa las islas Snow y Livingston, paralela pero no alineada con la zona de Fractura de Hero, también podría contribuir a la separación entre la península Byers y el resto de la isla (Maestro et al., 2007; Berrocoso et al., 2016).
La península Byers parece representar un área clave para comprender los movimientos de rotación de los bloques en la región. Si bien en la actualidad se desconoce la procedencia exacta de la península Byers, parece razonable pensar en los sistemas de fallas de corte profundo a lo largo de los cuales posiblemente se trasladó a su ubicación actual (Berrocoso et al., 2016). Los datos presentados en los modelos sugieren que la región entre la Isla Decepción y la Península Byers (figura 3.7) es el área más activa dentro de la microplaca de las islas Shetland del Sur.
La metodología expuesta en esta memoria también se ha aplicado a la una región afectada por procesos de carácter tectónico y volcánico: la isla Decepción. Se ha presentado la red geodinámica desplegada en la isla, la red REGID, de la que se han expuesto sus características y etapas de construcción. De esta red se han tomado todos los datos existentes, desde su inicio en la campaña 1991-1992 hasta la última desarrollada hasta la fecha, la campaña 2018-2019 y se ha aplicado la metodología desarrollada en esta memoria. Para ello, se han analizado las series temporales obtenidas y se han determinado los modelos de desplazamiento volcano-tectónico y residual con respecto las estaciones situadas en la isla Livingston, afectada por los procesos tectónicos pero no por los procesos volcánicos.
Los modelos de desplazamiento volcánicos se han obtenido para cada par de campañas mediante tres técnicas: respecto las estaciones de referencia geodinámica situadas en la isla Livingston; aplicando un filtro de modo común; y considerando los desplazamientos residuales con respecto la tendencia de cada serie temporal. Además, se han obtenido los modelos de esfuerzo y deformación, así como los modelos de localización de fuentes de presión de Mogi. Con el fin de realizar un análisis más exhaustivo de los procesos que ocurren en cada campaña, se han detallado las características de los periodos más destacados de actividad geodinámica ocurrido en la isla Decepción entre las campañas consideradas. Finalmente, se ha realizado una comparación la actividad sísmica del periodo estudiado.
El seguimiento de la actividad volcánica de la isla Decepción mediante observaciones GPS se realiza desde la campaña antártica 1991-1992 hasta 2018-2019. Para ello, se ha establecido una red geodinámica GPS, red REGID, conformada por 15 estaciones geodésicas, diseñada entorno a su bahía interior, Puerto Foster. La estación de referencia, no influenciada por la actividad volcánica, se ha ubicado en la isla Livingston. El desplazamiento horizontal medio de la isla es de, aproximadamente, 1.95 cm/año hacia el NE, y una subsidencia media de 0.6 cm/año. La isla Decepción tiene el mismo comportamiento geodinámico horizontal que la isla Livingston (2 cm/año); si bien la subsidencia es menor (-0.12 cm/año) debido a la actividad volcánica de la isla Decepción. Con respecto a la Placa Antártica, las islas Livingston y Decepción, presentan un desplazamiento hacia el NW de 11 mm/año y 8 mm/año, respectivamente. Este comportamiento es consecuencia de la expansión del Rift del Bransfield y del proceso de subsidencia de la Placa de Phoenix bajo la Placa Antártica.
El mecanismo geodinámico de carácter volcánico de la isla Decepción se muestra mediante la evolución 4D de los respectivos modelos de velocidades, de esfuerzo y deformación, de cizalla, de dilatación y de máxima deformación geodésica calculados para el periodo 1991-2019. Así, se suceden fases diferenciadas de expansión-elevación y de compresión-subsidencia; fases mixtas y fases de transición. Los procesos de expansión-elevación y compresión-subsidencia se correlacionan con alta y baja actividad sísmica, respectivamente. La componente horizontal de las fases mixtas, expansión-subsidencia y compresión-elevación, es precursor de la siguiente fase, claramente diferenciada, de expansión-elevación o compresión-subsidencia. Las fases de transición se corresponden con el modelo de largo periodo no tectónico de la isla y que responde al proceso de apertura NW-SE del Rift del Bransfield; todas las estaciones presentan una componente horizontal hacia el SE. Se han calculado las fuentes de presión litosférica mediante el método de Mogi, localizándose en el interior de Puerto Foster, a una profundidad media de 3 km. En los procesos de expansión-elevación desplazándose hacia la fractura Péndulo-Fumarolas.
En el estudio realizado se han diferenciado dos periodos: desde la campaña 1991-1992 hasta la campaña 1999-2000 y desde ésta última hasta la campaña 2018-2019. Los modelos (1995/1996 – 1999/2000) de velocidades, de esfuerzoy deformación, de dilatación, de cizalla y de máxima deformación geodésica muestran los valores extremos alcanzados en la serie 4D completa, como consecuencia de la crisis volcánica ocurrida en enero de 1999. Los modelos 1991/1992-1995/1996 representan un modelo mixto: inicio de un proceso de expansión, aunque aún no se ha iniciado el proceso de elevación. Este modelo puede interpretarse como precursor de la actividad posterior, teniendo su origen en el incremento de actividad de diciembre de 1991. Se ha comprobado la correlación con la actividad sísmica registrada en ambos procesos.
Al inicio del segundo periodo 1999-2019, se produce una relajación del sistema volcánico que deriva en un proceso de compresión-subsidencia. Los modelos siguientes muestran fases de transición, mixtas, de expansión-elevación y de compresión-subsidencia. Se han analizado con mayor detalle la correlación existente entre la actividad sísmica y los modelos geodésicos en dos casos significativos: el proceso de expansión-elevación 2005/2006-2006/2007, y el proceso de compresión-subsidencia 2007/2008-2008/2009. Se demuestra que en los procesos de expansión-elevación hay un aumento de la actividad sísmica; mientras que en los de compresión-subsidencia disminuye. El modelo de expansión-elevación está precedido por un modelo de transición y por un modelo mixto; y el modelo de compresión-subsidencia por un modelo mixto. Este análisis sugiere que precediendo a procesos bien definidos ocurrirán modelos de transición o modelos mixtos. Esta conclusión se aprecia con mayor claridad en el proceso 2011-2015. La fase de transición ocurrida entra las campañas 2011/2012-2012/2013 sigue a un proceso de compresión-subsidencia y es precursora del proceso de expansión-elevación 2012/2013-2013/2014 y siguiente 2013/2014-2014/2015. A este proceso continuado de expansión-elevación le sigue un proceso también continuado de compresión-subsidencia 2015/2015-2015/2016 y 2015/2016-2016/2017. El último proceso estudiado 2016/2017-2017/2018 representa un modelo mixto con muy baja deformación en elevación. En la figura 4.25 se muestran los modelos de velocidades, de esfuerzo y deformación, de dilatación, de cizalla y de máxima deformación geodésica calculados para este proceso 2011-2018. Se concluye que las fases de transición o mixtas son precursoras de los periodos de expansión-elevación y por tanto de un cambio significativo en el sistema volcánico de la isla Decepción.
La correlación entre los procesos de expansión-elevación con el incremento de actividad sísmica y con el aumento de la temperatura del suelo hace que los modelos previos de transición y/o mixtos tengan carácter de precursores de una posible crisis volcánica de la isla Decepción.
También de la isla Decepción, se ha expuesto la infraestructura geodésica instalada para el seguimiento, vigilancia y pronóstico de la actividad volcánica: el sistema DIESID. De esta red se ha presentado su estructura y los principales resultados que obtenidos.
Para finalizar esta memoria se ha mostrado el código de los programas empleados para llevar a cabo la metodología expuesta, las gráficas de las series temporales de la red REGID, los valores de las velocidades de los modelos de desplazamiento, y el control de calidad de las estaciones de la isla Livingston.