Estudio sismológico de la actividad y la estructura del Volcán Isla Decepción (Antártida), mediante el análisis de datos continuos registrados en una estación sísmica permanente (2008-2015)

Jiménez Morales, Vanessa

2023-A
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Resumen

La Isla Decepción es un volcán activo ubicado en las Islas Shetland del Sur, Antártida. Aunque las ultimas erupciones ocurrieron en 1967-1970, el volcán ha experimentado períodos de crisis sísmicas en 1992, 1999 y 2015. La actividad sísmica del volcán Isla Decepción ha sido registrada durante tres meses al año desde 1986 hasta el presente, coincidiendo con el verano austral. En 2008 se instalaron tres estaciones sísmicas permanentes ubicadas en el volcán Isla Decepción (DCP), Isla Livingston y Caleta Cierva (CCV). La presente tesis ha tenido como objetivo utilizar el registro continuo en el volcán de la Isla Decepción (incluidos los períodos invernales australes) desde 2008 para estudiar la actividad sísmica a largo plazo del volcán, para mejorar nuestra comprensión del comportamiento, la sismicidad y los mecanismos que generan la actividad volcánica. Asimismo, nos permite modelar la estructura de la velocidad de las ondas S de las capas m as superficiales de Decepción y determinar sus características. A partir de este estudio sismológico de la actividad y estructura del volcán Isla Decepción se ha obtenido:

(1) Un modelo 1D de la estructura poco profunda de la costa y la bahía interior de la Isla Decepción. Se ha utilizado series largas de registro de ruido ambiental de diferentes estaciones terrestres y marinas desplegadas en la costa y en el interior de la bahía de Isla Decepción, con lo que se ha mejorado los estudios de ruido observando la estabilidad de los picos.

(2) Identificación de una nueva señal sísmica llamada DLDS utilizando un enfoque basado en la evaluación de la energía sísmica promedio contenido en bandas de frecuencia seleccionadas. Se necesita una cantidad suficiente de datos sísmicos durante todo el año para el análisis de DLDS debido a su larga duración y a su modulación estacional.

(3) Se distingue un enjambre precursor de VT distal al SE de la isla Livingston que comienza cinco meses antes de la crisis sísmica registrada en Decepción en febrero de 2015.

(4) Reconocimiento de una modulación anual para algunas de las señales sísmicas de Decepción. Esta modulación anual está relacionada con el ciclo estacional y otras variaciones atmosféricas, influenciada por factores externos, que pueden inducir variaciones de presión en los fluidos volcánicos/hidrotermales, o ser un indicador de tendencias climáticas.

(5) Identificación de un aumento y aceleración de la actividad sísmica a partir del 2011 hasta la crisis sísmica registrada en Decepción en 2015.

(6) Se propone un modelo volcánico para el comportamiento del volcán Decepción durante los 7.5 años de registro continuo de DCP. El volcán empieza en un estado dormido en la fase 1 con un bajo nivel de actividad sísmica. En la fase 2 el volcán se despierta con aumento gradual de la actividad sísmica, donde se produce una intrusión magmática profunda que aumenta la cantidad de gas en el edificio volcánico. Finalmente, el volcán se inquieta en la fase 3 con una aceleración de sismicidad hasta llegar a una erupción fallida.

(7) El registro continuo de datos sísmicos en Decepción, incluso en una sola estación (DCP), permite un salto cuantitativo y cualitativo en nuestra capacidad para caracterizar y comprender el comportamiento volcánico. Por lo tanto, se enfatiza la necesidad de una red sísmica permanente en el volcán Isla Decepción para la evaluación de riesgos volcánicos.

Abstract

Deception Island is an active volcano located in the South Shetland Islands, Antarctica. Although the last eruptions occurred in 1967-1970, the volcano has undergone periods of seismic unrest in 1992, 1999, and 2015. The seismic activity of the Deception Island volcano has been monitored three months per year since 1986, coincident with the austral summers. In 2008, three permanent seismic stations were installed at Deception Island, Livingston Island, and Cierva Cove, Antarctica. The present thesis has aimed to exploit the continuous seismic record at Deception Island since 2008 (including the southern winter periods) to study the long-term seismic activity of the volcano, in order to improve our understanding of the behavior, seismicity and the mechanisms that generate the volcanic activity. It also allow us to model the S-wave velocity structure of the shallow layers of the island, as well as their characteristics. From this seismological study of the activity and structure of the Deception Island volcano, we have obtained the following results:
(1) Determination of 1D models of the shallow structure along the coast and inner bay of Deception Island. Long series of ambient noise recordings from different land and marine stations have been used, thereby improving noise studies observing the stability of the peaks.
(2) Identification of a new seismic signal called DLDS, using an approach based on the evaluation of the average seismic energy contained in selected frequency bands. Continuous records from permanent stations are used for DLDS detection. Due to its long duration and seasonal modulation, the analysis of DLDS require a sufficient amount of seismic data throughout the year.
(3) A precursory swarm of distal VT earthquakes has been identified. The swarm occurred SE of Livingston Island, and started five months before the 2015 seismic crisis at Deception Island.
(4) Recognition of an annual modulation for part of the seismicity at Deception Island. This annual modulation is related to the seasonal cycle and other atmospheric variations, influenced by external factors, which can induce pressure variations in volcanic/hydrothermal fluids, or be an indicator of climatic trends.
(5) Identification of a generalized increase of the seismic activity, starting in 2011 and accelerating during 2011-2014, reaching a climax during the seismic crisis recorded at Deception Island in 2015.
(6) A volcanological model is proposed for the behaviour of Deception Island during the 7.5 years preceding the 2015 crisis. The volcano is in a dormant state up to 2010 (Phase 1), with a low level of seismic activity. In 2011 the activity shifts to an awakening state (Phase 2) characterized by a gradual increase in seismic activity as a consequence of a deep magmatic intrusion that increases the amount of gas permeating the volcanic edifice. Finally, in 2014-2015 the volcano becomes restless (Phase 3) and the activity accelerates, suggesting the occurrence of a failed eruption.
(7) The availability of continuous seismic data at Deception Island, even with just one station (DCP), allows for a qualitative leap in our ability to characterize and understand volcanic behaviour. This emphasizes the need for a permanent seismic network at Deception Island for the assessment of volcanic hazards.

Índice

Resume……………………………………………………………………………….7

Abstract ……………………………………………………………………………..9

Índice de figuras 15

Índice de tablas 25

1. Introducción y motivación 27

1.1. Descripción general ……………………………………………………………27

1.2. Contexto Geológico ……………………………………………………………29

1.2.1. Características geológicas y estructurales de la Isla Decepción …….30

1.2.2. Vulcanismo …………………………………………………………..35

1.2.3. Actividad sísmica de Isla Decepción ………………………………..37

1.3. Motivación y Objetivos ………………………………………………………..40

1.3.1. Objetivos ……………………………………………………………. 41

1.4. Esquema de tesis……………………………………………………………….45

2. Nuevos conocimientos sobre la estructura de la Isla Decepción a partir del análisis de ruido ambiental de series largas y continuas de datos 47

2.1. Introducción ……………………………………………………………………48

2.2. Método …………………………………………………………………………52

2.2.1. Metodología del H/V …………………………………………………52

2.3. Estaciones y datos ……………………………………………………………..54

2.4. Procesamiento de datos ………………………………………………………..55

2.5. Resultados ……………………………………………………………………..60

2.6. Discusión ………………………………………………………………………69

2.6.1. Modelos de las estaciones de tierra ………………………………….76

2.6.2. Modelos de las estaciones del fondo marino …………………………78

2.7. Conclusiones …………………………………………………………………..84

3. Detection of long-duration tremors at Deception Island volcano, Antarctica 87

3.1. Introduction ……………………………………………………………………88

3.2. Geological setting ………………………………………………………………89

3.3. Instruments and data ……………………………………………………………91

3.4. Data analysis ………………………………………………………………….. 92

3.5. Results …………………………………………………………………………98

3.6. Discussion ……………………………………………………………………104

3.6.1. Seismic sources producing long-duration signals ………………….104

3.6.2. Origin of Deception long-duration signals …………………………107

3.7. Conclusions …………………………………………………………………..116

4. Volcano-Tectonic Activity at Deception Island Volcano Following a Seismic Swarm in the Bransfield Rift (2014–2015) 119

4.1. Introduction …………………………………………………………………..120

4.2. Instruments ……………………………………………………………………122

4.3. Data analysis and results ……………………………………………………. 123

4.3.1. Permanent station data ……………………………………………. 123

4.3.2. Temporary network data ……………………………………………125

4.4. Discussion …………………………………………………………………… 127

4.4.1. The 2014-2015 Livingston seismic swarm …………………………127

4.4.2. Relationship with the VT swarm at Deception Island volcano……. 129

5. Long-term evolution of the seismic activity preceding the 2015 seismic crisis at Deception Island volcano, Antarctica (2008-2015) 135

5.1. Introduction …………………………………………………………………..136

5.2. Seismicity of Deception Island volcano ………………………………………137

5.3. Instruments and data acquisition ……………………………………………..143

5.4. Data analysis ………………………………………………………………….143

5.5. Results ………………………………………………………………………..148

5.5.1. Long-period events (LP, LPH)………………………………………148

5.5.2. Tremor episodes (TR, HTR) ………………………………………..152

5.5.3. Tectonic and volcano-tectonic earthquakes (VT, RE)………………157

5.5.4. Short-period events (SP) ……………………………………………161

5.6. Discussion ……………………………………………………………………163

5.6.1. Behavior of the seismicity preceding the 2015 seismic crisis at Deception Island volcano …………………………………………..166

5.6.1.1. Phase 1 (2008-2010): background seismicity …………….167

5.6.1.2. Phase 2 (2011-2014): increasing trends …………………..167

5.6.1.3. Phase 3 (2014-2015): seismic swarms ……………………169

5.6.1.4. Temporal variations unrelated to the intrusion process……172

5.6.2. Volcanological interpretation ……………………………………….176

5.7. Conclusions …………………………………………………………………..182

6. Conclusiones y trabajo futuro 185

6.1. Trabajo futuro …………………………………………………………………186

7. Conclusions and outlook 189

7.1. Outlook ……………………………………………………………………… 190

Apéndice A. Resultados H/V 195

A.1. Inversión conjunta…………………………………………………………… 195

A.2. Modelos ………………………………………………………………………206

A.3. Modelo 3D ……………………………………………………………………209

Apéndice B. Catálogo de señales 211

Bibliografía 223

Agradecimientos 257

Conclusiones

En resumen, las principales contribuciones de mi trabajo al estudio y la comprensión del comportamiento de la isla Decepción son:
(1) Se ha mejorado los estudios de ruido observando la estabilidad de los picos y se ha obtenido un modelo del subsuelo de la costa y Bahía interior de la Isla más completo. Lo que aporta más información sobre las propiedades del medio cuyo conocimiento es importante para mejorar la interpretación de la actividad sísmica del volcán como por ejemplo la actividad de largo periodo que es más superficial y esta relacionada con el sistema hidrotermal de la isla [6].
(2) Identificación de una nueva señal sísmica llamada DLDS utilizando un enfoque basado en la evaluación de la energía sísmica promedia contenida en bandas de frecuencia seleccionadas. Se necesita una cantidad suficiente de datos sísmicos durante todo el año para el análisis de las DLDS debido a su larga duración y a su modulación estacional.
(3) Se distingue un enjambre precursor de terremotos VT distales al SE de la isla Livingston que comienza en septiembre 2014. Los enjambres de VT distales parecen ser una característica común que precede a las erupciones volcánicas y a las intrusiones de magma en volcanes. Se determina el inicio, las características y la duración de la crisis sísmica de Livingston a través del análisis de los registros continuos de las estaciones permanentes, ya que sin la presencia de estos datos continuos no hubiera sido posible la detección de este enjambre.
(4) Reconocimiento de una modulación anual para algunas de las señales sísmicas de Decepción. Esta modulación anual esta relacionada con el ciclo estacional y otras variaciones atmosféricas, influenciada por factores externos, que pueden inducir variaciones de presión en los fluidos volcánicos/hidrotermales, o ser un indicador de tendencias climáticas.
5) Identificación de un aumento y aceleración de la actividad sísmica desde 2011 hasta la crisis sísmica registrada en Decepción en 2015.
(6) Se presenta un modelo volcánico para el comportamiento del volcán Decepción durante los 7.5 años de registro continuo de DCP. El volcán inicia este periodo en un estado durmiente (fase 1), con un bajo nivel de actividad sísmica. En la fase 2 comienza a despertarse con un aumento gradual de la actividad sísmica debido a una intrusión magmática profunda que aumenta la cantidad de gas que penetra en el edificio volcánico. Finalmente, en la fase 3 el volcán esta definitivamente inquieto, con una aceleración de la sismicidad que culmina en una erupción fallida, acompañada por un aumento de sismicidad de largo periodo y enjambres de VT proximales y distales.
(7) Se enfatiza la importancia de la elaboración de un catalogo sísmico homogéneo. Este constituye una herramienta muy útil para la caracterización de la evolución de la sismicidad de Decepción, ya que puedes comparar la actividad de unos años con otros. Ademas de entrenar y probar los métodos de reconocimiento y clasificación automática de señales sismo-volcánicas. A partir de datos obtenidos con el mismo tipo de instrumento; en el mismo lugar; y analizado por la misma operadora aplicando los mismos criterios y técnicas.
(8) El registro continuo de datos sísmicos en Decepción, incluso en una sola estación (DCP), permite un salto cuantitativo y cualitativo en nuestra capacidad para caracterizar y comprender el comportamiento volcánico. Por lo tanto, se enfatiza la necesidad de una red sísmica permanente en el volcán Isla Decepción para la evaluación de riesgos volcánicos.