Sismicidad de largo periodo del volcán Copahue, Andes del Sur

Desde 2012 el volcán Copahue presenta actividad eruptiva de baja energía dominada por altas tasas de degasificación continua, cambios constantes en el nivel del lago cratérico, y periodos esporádicos de emisión de ceniza con explosiones de baja intensidad e incandescencia en el cráter. La sismicidad de largo periodo entre 0.5 y 10 Hz asociada al ambiente volcánico, se caracteriza por episodios de larga duración que perduran mas de 1 hora.

Entre junio de 2012 y diciembre de 2016 se contabilizaron un total de 355 episodios de larga duración, que fueron clasificados de acuerdo a su contenido espectral entre 0.5 y 10 Hz como episodios de banda estrecha (NB) y banda ancha (BB). La detección de los episodios de larga duración se logró comparando la evolución temporal del espectro de potencia (espectrograma) con la evolución temporal del grado de polarización (polargrama) en aquellos periodos con energía por encima, y entropía de permutación por debajo, de los correspondientes niveles de fondo.

Los episodios NB presentan un espectro dominado por un rango estrecho de frecuencias que se correlacionan con altos valores de grado de polarización, mientras que los episodios BB muestran un espectro dominado por un rango continuo de frecuencias con altos valores de grado de polarización. En todos los episodios BB se observa un espectro y grado de polarización similar, lo que señala que estos episodios responderían a un mismo proceso de fuente.

La caracterización de los episodios se realizó mediante el cálculo de las frecuencias dominantes, es decir, los máximos locales en la distribución de probabilidad de todos los picos dominantes de los espectros de potencia que conforman un episodio. Para cada una de estas frecuencias diseñamos un esquema para caracterizar sus atributos de polarización: rectilinealidad, acimut y elevación. De esta forma pudimos distinguir entre frecuencia bien polarizadas (FBP) y linealmente polarizadas (FLP) y comparar sus atributos con la actividad eruptiva, cuya cronología fue reconstruida a partir de imágenes satelitales. Los episodios NB fueron clasificados en eruptivos y no eruptivos. Los resultados indican que los episodios NB eruptivos presentan una mayor cantidad de FLP que los episodios no eruptivos. Por otro lado, los episodios BB ocurren indistintamente en periodos eruptivos, pre-eruptivos y de quietud.

El análisis también se aplicó a tres episodios eruptivos ocurridos en 2020 registrados con una red de tres estaciones, sin embargo no encontramos atributos de polarización comparables entre éstas. No obstante, la inspección visual de la evolución temporal de los parámetros de polarización en la estación más cercana al cráter evidenció un episodio compuesto por varias fuentes así como la reducción de la polarización lineal horas antes de la emisión de ceniza.

En esta Tesis hemos estudiado la sismicidad de largo periodo del volcán Copahue, para ello definimos un esquema de detección de episodios de largo periodo basado en aplicar métodos de reducción. Nuestros resultados mostraron que periodos de tiempo con valores de entropía de permutación relativamente bajos (<0.7) y grados de polarización dominantes relativamente altos (>0.6), revelarían la ocurrencia de episodios de largo periodo en periodos con energía por encima del nivel de fondo (definido como el valor más probable de la serie anual). Sin embargo, estos valores podrían llegar a ser diferentes si cambian las condiciones locales o si se analizan datos provenientes de otra estación sísmica. Además, la implementación de estos resultados en algoritmos de detección automáticos presentan ciertos problemas técnicos que deben investigarse en profundidad.

El esquema de detección nos permitió identificar 355 episodios de largo periodo entre junio de 2012 y diciembre de 2019, que se clasificaron de acuerdo a su contenido espectral en 85 de banda estrecha (NB) y 270 de banda ancha BB, los cuales se caracterizaron a partir de sus frecuencias dominantes y se compararon con la actividad volcánica. La mayoría de los episodios BB se observaron en enjambres, reflejando así una fuente estable y común. Los episodios BB mostraron una recurrencia estacional, pues el 70\% de los episodios se observaron en primavera, coincidiendo con un lago cratérico desarrollado. Descartamos que éstos episodios estén relacionados a mecanismos de fuente eruptiva o bien sean precursores de actividad eruptiva por ocurrir en periodos de quietud. Sin embargo, creemos que podrían reflejar inestabilidades del sistema hidrotermal del Copahue, por lo que su monitoreo puede ser importante en materia de vigilancia y estudio.

Por otro lado, las características de los episodios NB analizados pueden resumirse en una serie de puntos:

1. No presentan patrones bien definidos de frecuencias dominantes.
2. Presentan picos dominantes con polarización lineal que no tienen por qué coincidir con las frecuencias dominantes del episodio.
3. Presentan diferentes ángulos de polarización para frecuencias muy cercanas.
4. No hay evidencia clara de que todas las frecuencias dominantes asociadas a los episodios eruptivos puedan vincularse a la actividad superficial.
5. Los episodios eruptivos mostraron un mayor número de FLPs que los no eruptivos.

Además, el análisis de las frecuencias dominantes de tres episodios ocurridos en 2020 nos permitió observar la variabilidad espacial de sus propiedades, utilizando tres estaciones sísmicas. Nuestras observaciones se pueden resumir en una serie de puntos:

1. El número de FLPs a alta frecuencia (>3~Hz) disminuye con la distancia estación-cráter.
2. No hay evidencia clara de que todos los picos dominantes asociados a las frecuencias dominantes de los episodios eruptivos puedan estar vinculadas a la actividad superficial.
3. La estación más cercana al cráter mostró ángulos de polarización de las FLPs alineadas en la dirección del cráter. Se observó que, en los tres episodios, la linealidad del vector de polarización de las FLPs se perdió antes del comienzo de la emisión de ceniza.
4. Las tres estaciones fueron consistentes en mostrar acimuts provenientes del SO del cráter del volcán.

Estas observaciones nos permitieron considerar los episodios NB como episodios de naturaleza compleja y variada, los que permite cambiar el enfoque de análisis y centrar el estudio no en la búsqueda de episodios de largo periodo sino de frecuencias linealmente polarizadas (FLP). Esto representa una técnica novedosa para implementar en los servicios de monitoreo volcánico, no solo porque puede ser útil a la hora de detectar cambios en la sismicidad asociados a procesos volcánicos, sino porque permiten analizar grandes periodos de datos de una forma relativamente sencilla y rápida. En este sentido seguir investigando la relación de los parámetros reducidos y la actividad volcánica es fundamental. En particular, en Copahue hemos sugerido la posibilidad de que las FLPs de alta frecuencia puedan estar vinculados al sistema hidrotermal superficial del volcán. Seguir investigando en esa dirección puede aportar información útil en la comprensión de este sistema volcánico.