Modelización matemática de la actividad volcánicaanálisis de series gnss, algoritmos de inversión y pronóstico espacio-temporal

Resumen

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 in-versión 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.