Interferometría sísmica en volcanes andinos: Caracterización y monitoreo del subsuelo

Abstract

A lo largo de la historia, los sistemas magmáticos activos han demostrado tener la capacidad de generar impactos negativos en las poblaciones vulnerables situadas en sus cercanías. Cada año, aproximadamente 7% de la población mundial se ve afectada en mayor o menor medida por los diversos sucesos de origen volcánico. La comunidad científica y los gobiernos locales dirigen esfuerzos (políticos, económicos, recursos humanos) con la finalidad de paliar las posibles consecuencias adversas originadas por la actividad volcánica. El desarrollo de conocimiento sobre los mecanismos que conducen a la actividad observada, las estructuras subsuperficiales que intervienen, y la construcción de los escenarios futuros más probables, resulta fundamental para la eficiente aplicación de medidas de reducción de riesgo por amenazas volcánicas. La presente tesis doctoral representa una contribución al conocimiento de las condiciones físicas subsuperficiales de dos sistemas volcánicos andinos, el Complejo Volcánico Planchón-Peteroa (CVPP) y el Complejo Volcánico Cotacachi-Cuicocha (CVCC). Estos complejos volcánicos, si bien sufrieron grandes erupciones en el pasado, con destrucción de sus edificios volcánicos, flujos piroclásticos, y avalanchas, motivos de su elevada peligrosidad, actualmente poseen niveles de actividad moderados a bajos. El limitado nivel de riesgo de estos complejos ha motivado una escasa densificación de su instrumentación. El CVPP y el CVCC sugieren una oportunidad para la implementación de nuevas técnicas que exploten al máximo la información contenida en las señales sísmicas registradas en sus cercanías. Esta tesis propone entonces, la aplicación de distintas metodologías basadas en la técnica interferometría sísmica (IS) a registros adquiridos en el área del CVPP y del CVCC. Desde el año 2010, el CVPP ha sido monitoreado por el Observatorio Volcanológico de los Andes del Sur (OVDAS), a través de las estaciones de la Red Nacional de Vigilancia Volcánica (RNVV-SERNAGEOMIN, Chile) desplegadas sobre el territorio chileno (red OVDAS); y recientemente por el Observatorio Argentino de Vigilancia Volcánica (OAVV-SEGEMAR, Argentina), a partir de la información adquirida por estaciones en suelo argentino. Esta información es utilizada para la identificación de los diferentes tipos de señales y la estimación de la distribución espacial de las fuentes sísmicas. Adicionalmente, durante el año 2012, seis estaciones sísmicas (red PV) fueron temporalmente (un año) instaladas por el proyecto MalARRgue sobre el flanco oriental del CVPP. En una etapa previa al presente trabajo de tesis, este mismo grupo de investigación ha utilizado los registros sísmicos de la red PV para caracterizar la actividad sismovolcánica del CVPP, realizar un análisis de atenuación sísmica en el área, y localizar los eventos sísmicos identificados; asimismo, ha utilizado la información otorgada por las redes PV y OVDAS para el refinamiento de la ubicación de los eventos de fractura registrados. El conocimiento de la disposición en el subsuelo de las fuentes de los sismos locales es el punto de partida para la aplicación de IS basada en autocorrelaciones de eventos locales seleccionados. Sus resultados proveen una estimación precisa de la profundidad de las discontinuidades con mayor contraste de impedancia sísmica debajo de cada una de las estaciones de las redes PV y OVDAS, hasta una profundidad de 4 km, demostrando una elevada correlación con la información geológica disponible para el área. Además, estos resultados sugieren la presencia de zonas caracterizadas por una elevada heterogeneidad, así como de una zona de acumulación de material magmático en la región más occidental de análisis. Las interpretaciones inferidas refuerzan el modelo de subsuelo desarrollado por BenaventeZolezzi (2010) para el área del CVPP construido mediante análisis de fluidos termales y sensores remotos. Los resultados obtenidos son datos fundamentales para las técnicas de modelado de la dinámica interna del sistema magmático. Con el objeto de extender la caracterización del subsuelo a mayores profundidades, se utilizan los registros sísmicos adquiridos por las redes PV y OVDAS para la aplicación de IS mediante autocorrelaciones a sismos regionales y telesismos, aquellos seleccionados de acuerdo a su magnitud, localización, y ángulo de incidencia de la energía de onda P. La aplicación de esta metodología para tres rangos de frecuencias particulares permite precisar la profundidad de rasgos relevantes a la tectónica regional (discontinuidades intracorticales, discontinuidad corteza-manto, techo y base del bloque subductante, zona de baja velocidad litosférica, discontinuidad litósfera-astenósfera, zona de baja velocidad astenosférica) en el subsuelo debajo de las estaciones de las redes PV y OVDAS, así como la inferencia de las zonas de mayor probabilidad de acumulación de material fundido en la corteza. La información sísmica registrada por las estaciones de la red PV es utilizada para la extracción y análisis de la información de ondas superficiales contenidas en el ruido sísmico ambiental, logrando mejorar la resolución de los modelos de velocidad en sus primeras capas. Para ello, se utilizan ventanas temporales seleccionadas de acuerdo a su correspondencia con señales de fuentes ubicadas en las áreas de fase estacionaria para cada par de estaciones, en el rango de frecuencias [0.8 , 4] Hz. Construidas las curvas de dispersión, se prosiguió a la obtención de los perfiles de velocidad de onda S, las cuales sugieren la presencia de dos capas bien diferenciadas en los primeros 350 m del subsuelo. La distribución espacial de velocidades de onda S permite una interpretación de los posibles factores (litología, porosidad, contenido de agua) que condicionan este comportamiento. Los resultados obtenidos de la aplicación de IS mediante autocorrelaciones a eventos seleccionados, en integración con los obtenidos de la IS por correlaciones de ruido sísmico ambiental, permiten elaborar un modelo de subsuelo volcánico a niveles corticales, el cual posibilita la identificación de las zonas de mayor probabilidad de acumulación de fundido magmático. El CVCC ha sido monitoreado por el Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional (IGEPN, Ecuador) desde el año 1988, momento en el que instaló la primera estación sismológica dada la clasificación este complejo volcánico como potencialmente activo. Hacia el año 2010 mostró un incremento de su actividad, lo que condujo a la instalación de tres estaciones sismológicas adicionales. Las señales sísmicas registradas por la red de monitoreo del CVCC son utilizadas, en el marco de esta tesis, para la aplicación de una novedosa variación de la técnica IS, basada en la correlación de ruido sísmico ambiental registrado en distintas componentes de una misma estación. Esta metodología permite caracterizar la magnitud y ubicación de los cambios subsuperficiales ocurridos en el CVCC. Los resultados para el periodo de registro (Mayo de 2011 a enero de 2016) indican variaciones leves de velocidad (< 3%), manifestando un aumento del parámetro hacia la zona norte del complejo, en la zona del volcán inactivo Cotacachi, y una disminución del mismo en la zona sur, en el área del volcán Cuicocha. El menor error relativo de los resultados para las componentes cruzadas refuerza su utilización en lugar de las autocorrelaciones, para las cuales se observa una probable mayor sensibilidad a las variaciones espacio-temporales de las fuentes de ruido. La presente tesis doctoral logra suministrar información fundamental sobre las condiciones subsuperficiales del CVPP y el CVCC, evidencia científica que no solo demuestra la versatilidad de las técnicas de IS en sistemas geodinámicos complejos (como lo son las zonas volcánicas) y para bases de datos de distinta naturaleza (eventos sísmicos, ruido sísmico ambiental -ondas de cuerpo y ondas superficiales), sino que proporciona resultados que serán de utilidad a las metodologías del monitoreo orientadas a la estimación y reducción del riesgo de origen volcánico en las áreas del CVPP y el CVCC.