Joint active and passive seismic tomography in active volcanoesthe case of study of mt. Etna, and further implications in active volcanic regions

Resumen

Los objetivos de esta Tesis Doctoral se basan en dos pilares fundamentales: i) obtención de un modelo de velocidad realista y tridimensional de la región que comprende el volcán Mt. Etna, el archipiélago de las Islas Eolias y las áreas circundantes, a partir de la inversión tomográfica conjunta de datos de sísmica activa y pasiva; ii) Aplicaciones avanzadas de los modelos de velocidad para el estudio de los mecanismos físicos que controlan la sismicidad en volcanes. Para la obtención del modelo tomográfico conjunto se han utilizado los datos obtenidos mediante un complejo experimento de sísmica activa y pasiva llamado TOMO-ETNA. Los datos han sido posteriormente analizados y procesados utilizando novedosos algoritmos de procesado de señales. Una vez analizados los datos sísmicos se procesan mediante un nuevo software tomográfico desarrollado ad-hoc para esta Tesis Doctoral. Dicho código se llama Passive Active Ray Tomography Software (PARTOS), y permite la inversión conjunta y simultánea de datos de sísmica activa y pasiva. Por último, Se resalta un estudio avanzado basado en el cálculo del parámetro b, en la localización precisa de terremotos, y en el cálculo de curvas de difusividad para la serie sismo-volcánica de El Hierro 2011-13, a partir de un modelo de velocidad tomográfico tridimensional que permite interpretar de manera novedosa la distribución y evolución de la sismicidad volcánica. Capítulo 1. Introducción, Motivación y Estado del Arte Los volcanes y los seres humanos están vinculados desde que se tiene registro. Los innumerables beneficios que aportan los volcanes a la vida diaria nos hacen acercarnos una y otra vez a ellos pese a los peligros que conlleva. Existen a lo largo de la historia numerosas muestras del poder de los fenómenos volcánicos y cómo estos son capaces de modelar el relieve, destruir poblaciones e incluso modificar el clima a nivel global (Santorini, Vesubio, Toba, etc.). Gracias a los avances científicos, en la actualidad, podemos predecir con bastante eficacia la reactivación de un episodio volcánico. Disciplinas como la geoquímica, la geodesia, el magnetismo, la gravimetría o la sismología se encargan de la vigilancia volcánica. Una de las claves de una vigilancia sólida es utilizar modelos lo más realista posibles de la estructura interna del volcán en cuestión. Para ello, la tomografía sísmica se presenta como una herramienta fundamental a la hora de obtener modelos estructurales 3D en velocidad o atenuación del interior de los volcanes, identificando heterogeneidades y anomalías laterales. Uno de los volcanes más activos del mundo y sin duda el más monitorizado es el Etna, Sicila (Italia). Este volcán representa una oportunidad única para la aplicación de las técnicas ya comentadas debido a su casi-continua actividad y a la cantidad de poblaciones que se extienden en sus faldas. A raíz de esto, en 2014 se llevó a cabo un ambicioso experimento llamado TOMOETNA, dentro del proyecto europeo MEDSUV.ISES, que pretende el estudio del Etna y las regiones circundantes aunando las bondades de la sísmica activa y la pasiva. TOMOETNA generó una enorme cantidad de datos sísmicos de alta calidad que han sido analizados utilizando algoritmos de tratamiento automático de señales que nos han permitido realizar de manera fiable y rápida una selección de tiempos de viaje de ondas P (picking) que son la base de la tomografía sísmica en velocidad. Paralelamente hemos desarrollado un código tomográfico que nos permite invertir simultáneamente datos de picking de terremotos (tomografía pasiva) y de fuentes sísmicas activas (tomografía activa). Este programa se conoce como PARTOS (Passive Active Ray Tomographic Software) y ha sido utilizado para obtener por primera vez en el Etna una tomografía conjunta activa-pasiva. El resultado de esta inversión es un modelo de velocidad de ondas P en 3D realista y que cubre toda la región del noreste de Sicilia, incluyendo el volcán Etna y el archipiélago de las Islas Eolias. No obstante, la tomografía sísmica no es únicamente un fin, sino que es la base de un gran número de trabajos posteriores que requieren de un modelo realista y detallado de la región. Es el caso de las localizaciones sísmicas de precisión que permiten estudiar con detalle distintas zonas sismogenéticas y que, a su vez, permiten realizar estudios de los patrones de la sismicidad, como son el parámetro b y el estudio de la difusividad de los enjambres sísmicos, o estudios de migración de estrés provocado por intrusiones magmáticas (fracturación hidráulica). Capítulo 2. Marco Geofísico, Geodinámico y Vulcanológico del volcán Mt. Etna, Islas Eolias y Áreas Circundantes El volcán Mt. Etna es considerado un volcán laboratorio debido a su casi continua actividad, su fácil accesibilidad, y su cercanía de numerosas poblaciones. Por ello, existe hoy en día una intensa vigilancia de la actividad del volcán que comprende un gran número de disciplinas como son la volcanología, petrología, geoquímica, magnetismo, geodesia, gravimetría o sismología. Este despliegue científico tiene dos vertientes fundamentales: la vigilancia volcánica en tiempo real y la investigación. La vigilancia permite alertar a la población y a los servicios de protección civil ante cualquier reactivación volcánica. La investigación utiliza la gran base de datos multidisciplinar que se genera día a día para avanzar en el conocimiento de la estructura y la dinámica del Etna y exportarla a otros volcanes. Hoy en día, aún existe controversia acerca de la estructura interna del Etna y el origen del magma. En el capítulo 2 realizamos un repaso a las actuales teorías y proponemos un modelo unificado. Capítulo 3. Experimento TOMOETNA. Campaña marina y terrestre de sísmica activa En verano de 2014 se realizó un complejo experimento de sísmica activa en Sicilia. El experimento llamado TOMO-ETNA, forma parte del proyecto europeo MEDSUV, y pretende estudiar en detalle la compleja estructura interna del volcán Etna, el archipiélago de las Islas Eolias, y la relación entre ambas regiones volcánicas. Para ello, se realizaron más de 16.000 disparos de aire comprimido efectuados desde el BIO Sarmiento de Gamboa de España, con el apoyo de la Marina Naval Italiana que puso a disposición el Buque ‘Galatea’, y de una nave oceanográfica griega llamada ‘Aegeo’. El experimento TOMO-ETNA, constó de dos ramas fundamentales: actividad en mar y en tierra. La actividad marina se centró en: i) el despliegue de 27 sismómetros de fondo oceánico (OBS); ii) llevar a cabo dos campañas de sísmica, una de refracción y otra de reflexión; iii) realizar perfiles magnéticos; y iv) obtener imágenes del fondo marino mediante el uso de un robot (ROV), entre otras actividades. El equipo de tierra, en cambio, se ocupó del despliegue y mantenimiento de una red sísmica temporal de cerca de 100 estaciones de corto periodo y de banda ancha que, junto con la red sísmica permanente ya instalada en Sicilia, formaron una red de 267 estaciones sísmicas que se encargaron de registrar no sólo las explosiones realizadas a mar, sino toda la sismicidad natural que pudiera ocurrir durante los 4 meses que duró instalada la red. Dicho experimento, detallado en el capítulo 3, generó una gran base de datos con más de tres millones de señales sísmicas incluyendo señales de sísmica activa y el registro de más de 400 terremotos ocurridos en tal periodo. Dicha base de datos, que contiene datos de sísmica activa y pasiva, fue la base para el desarrollo de la primera tomografía sísmica en velocidad que integra simultáneamente fuentes activas y pasivas en el Etna, la cual se presenta en esta Tesis Doctoral. Capítulo 4. 4. Avances en la estimación automática de llegadas de ondas sísmicas de tipo P Para obtener dicha tomografía sísmica, en primer lugar se debieron obtener los tiempos de llegada de la onda P. Detectar correctamente la llegada de las ondas sísmicas generadas por terremotos o por fuentes artificiales, es un paso crítico para asegurar la bondad y calidad de los futuros análisis que se realicen, desde una localización preliminar del evento hasta estudios de atenuación o tomografías. En la mayoría de estos casos, la detección de la llegada de las ondas P y S se realiza de forma manual, siendo un operador experto quien se encarga de dicho procesado. El picking manual, por tanto tiene las ventajas de que es supervisado por un operador experto y que se revisa cada señal de manera independiente aplicando los filtros necesarios. Por tanto, en una base de datos sísmica relativamente pequeña el uso del picking manual es altamente recomendable. Sin embargo, el procesado manual tiene sus inconvenientes, y es que no todos los expertos sismólogos coinciden siempre en el momento exacto de la llegada de la onda P al aplicar distintos criterios (cruce por cero, superar un umbral de ruido, etc.). A esto, se le suma posibles condicionantes externos como el cansancio, o fatiga tras varias horas realizando el mismo proceso. Además, si se da el caso de que varios operadores trabajan con la misma base de datos dicho cambio de criterio puede ser importante. Por estas razones desde hace décadas, la comunidad científica está centrando gran parte de sus esfuerzos en desarrollar algoritmos de picking automático de ondas sísmicas ya sean ondas P o S. Siguiendo este argumento, dichos nuevos algoritmos se basan en la necesidad de analizar grandes bases de datos sísmicas en poco tiempo, siguiendo siempre un mismo criterio. En el capítulo 4 de esta tesis, proponemos un detallado estado del arte en cuanto a los nuevos avances en picking automático se refiere y describimos en profundidad uno de estos algoritmos, que hemos utilizado para el análisis y la detección de las llegadas de las ondas P de los datos generados por el experimento TOMO-ETNA. Capítulo 5. Software de Tomografía Activa y Pasiva Conjunta (PARTOS) Las tomografías sísmicas activas y pasivas se han realizado tradicionalmente por separado. Sin embargo, no podemos desdeñar la potencialidad de una inversión conjunta que nos permita sumar la información suministrada por ambas. En este sentido, complementar la información en profundidad que ofrecen los terremotos con las ventajas de conocer la hora origen y la localización de las fuentes sísmicas activas permite mejorar considerablemente la información estructural del área en cuestión. El proceso de inversión conjunta de datos activos y pasivos se ha realizado en muy pocas ocasiones. Si bien es cierto, existen unos pocos ejemplos de interpretaciones conjuntas de datos sísmicos activos y pasivos como los realizados en el complejo Vesubio-Campi Flegrei con las imágenes de tomografía pasiva de la misma región; o el en la región de Java Central (Indonesia). Estos trabajos permitieron demostrar la potencialidad de esta metodología en su aplicación para distintas áreas volcánicas. En el capítulo 5 de esta Tesis se describe un nuevo software desarrollado en colaboración con el profesor Ivan Koulakov de la Universidad de Novosibirsk (Rusia), que permite la inversión simultánea de datos de sísmica activa y pasiva. Dicho programa, llamado Passive Active Ray TOmography Software (PARTOS), procesa por separado los datos únicamente durante la fase de localización de las fuentes, ya que requieren un procesado diverso. Una vez relocalizadas las fuentes sísmicas, se analizan conjuntamente ambas bases de datos proporcionando una imagen tomográfica conjunta que combina las ventajas de ambas técnicas. PARTOS se ha desarrollado utilizando como base dos códigos tomográficos bien conocidos y ampliamente utilizados en todo el mundo que son LOTOS y ATOM-3D. Capítulo 6. Tomografía Sísmica en Velocidad de Ondas P Conjunta Activa Pasiva del Volcán Mt. Etna, Islas Eolias y Áreas Circundantes En el capítulo 6 mostramos los principales resultados de la inversión tomográfica conjunta de los datos obtenidos durante el Experimento TOMO-ETNA. Para ello, primero discutimos la importancia de los modelos de velocidad de partida. A continuación, y antes de mostrar las imágenes finales, mostramos los test sintéticos que nos permiten asegurar y demostrar la calidad y fiabilidad de los resultados. Estos test incluyen checkerboards verticales y horizontales, Jackknifing tests, e inversiones sintéticas utilizando modelos de anomalía libre. Posteriormente mostramos los mapas de densidad de rayos que muestran la cobertura de rayos del área invertida para, finalmente, mostrar e interpretar los resultados tomográficos utilizando tanto cortes verticales como horizontales. Este esquema lo seguimos para cada una de las tres regiones que distinguimos. Cada una de las cuáles es invertida de manera independiente, incluyendo un modelo de velocidad inicial ad-hoc. Estas regiones son: i) Área de Experimento TOMO-ETNA; ii) Archipiélago de las Islas Eolias; y iii) Volcán Mt. Etna. En estas regiones destacamos e interpretamos una serie de anomalías de velocidad de ondas P, en base a estudios regionales y locales previos. Muchas de estas anomalías corresponden con estructuras ya descritas por otros autores como son la el sistema de fallas conocido como “Aeolian-Tindari-Letojanni Fault System” (ATLFS) que cruza el noreste de Sicilia con dirección NW-SE, o el “High Velocity Body” (HVB) localizado ligeramente al sureste de los cráteres principales del volcán Mt. Etna. Destacamos también la presencia de una serie de anomalías no interpretadas en bibliografía y para las que proponemos una interpretación preliminar a falta de estudiarlas más en detalle como parte de los trabajos futuros. Capítulo 7. Un ejemplo de Aplicaciones Avanzadas: El Análisis de la Serie Sísmica Asociada a la Actividad Volcánica en la Isla de El Hierro 2011-13, a la luz de Modelos Estructurales de Alta Definición Como ya se ha comentado anteriormente, la tomografía sísmica no es el fin último de un trabajo, sino que sirve de base fundamental para realizar otros muchos estudios avanzados. En el capítulo 7 mostramos algunos de estos estudios posteriores a la tomografía que permiten avanzar en el conocimiento ya no sólo de la estructura, sino de la dinámica de los fenómenos volcánicos. La relocalización de precisión es un paso inmediato a la obtención de un modelo de velocidad realístico y en 3D que permite localizar con mucha mayor fidelidad los enjambres sísmicos y facilita la interpretación geodinámica de los mismos. En este sentido, presentamos una localización sísmica de precisión utilizando la serie sísmica registrada en la Isla de El Hierro (España) durante la crisis sismo-volcánica ocurrida en 2011-13, aplicando algoritmos probabilísticos no lineales (NonLinLoc) y algoritmos de relocalización relativa (HypoDD). A su vez, una localización precisa permite realizar nuevos estudios en detalle para entender la dinámica sísmica de la región, en especial en volcanes donde se acostumbra a relacionar directamente la sismicidad con la migración del magma. Sin embargo, existen otras posibilidades como la sismicidad causada por la migración de estrés relacionada a su vez con intrusiones magmáticas en conductos cerrados. A este tipo de sismicidad se le conoce como sismicidad inducida por fracturación hidráulica y en este capítulo presentamos un estudio en detalle de la sismicidad asociada a la crisis volcánica ocurrida en la isla de El Hierro (Canarias, España) en el período 2011-2013. Capítulo 8. Conclusiones Las principales conclusiones que podemos extraer de esta Tesis Doctoral son:  TOMO-ETNA es probablemente el experimento de sísmica active-pasiva conjunto más complejo llevado a cabo en el mundo, especialmente si consideramos el número de proyectos internacionales, países y personas involucradas.  AMPA es un nuevo algoritmo robusto, rápido, adaptable y fiable que nos permite procesar los 3.000.000 de señales sísmicas en pocas horas, calculando al mismo tiempo una serie de parámetros de calidad que nos permiten filtrarlas.  El software de tomografía conjunta active pasiva (PARTOS) ha sido desarrollado específicamente para analizar los datos del experimento TOMO-ETNA. Es probablemente la primera vez que un código de tomografía conjunta tan robusto y potente se pone abiertamente a disposición de la comunidad científica.  Presentamos imágenes tomográficas de alta resolución para tres regiones de gran relevancia científica: i) Noreste de Sicilia, incluyendo Mar Jónico y Mar Tirreno (Región 1); ii) Archipiélago de las Islas Eolias (Región 2); y iii) Volcán Mt. Etna (Región 3).  La calidad, robustez, y estabilidad de los modelos de velocidad resueltos están demostrados mediante numerosos test sintéticos.  Se presenta un completo caso de estudio en el que se utiliza un modelo de velocidad como partida para realizar estudios avanzados que incluyen: o Estimación del parámetro b. o Localización sísmica de precision utilizando algorítmos de localización probabilística no-linear y relativa. o Cálculo de curvas de difusividad.  La fracturación hidráulica puede considerarse un importante mecanismo de control de la migración sísmica y de stress en áreas volcánicas, especialmente cuando se producen intrusiones magmáticas.