Source: https://www.fundaciongarciasineriz.es/2012/02/13/xviia042011/
Timestamp: 2020-07-15 11:06:11+00:00

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Estudio de heterogeneidades laterales de volcanes activos: Tomografía sísmica de alta resolución de la isla de Tenerife, anomalías de propagación de ondas sísmicas de la isla Decepción y otros efectos – Fundación J. García-Siñeriz
María Araceli García Yeguas
El objetivo fundamental de esta tesis es el estudio de la estructura en velocidad de ondas P en 3D de la isla de Tenerife y su interpretación en términos de las características geológicas y volcanológicas.
La presencia de heterogeneidades laterales en una determinada región es un factor determinante en la propagación de las ondas sísmicas. De esta manera la hipótesis de un rayo sísmico rectilíneo se aleja de la realidad en estos medios. Las regiones volcánicas, por su naturaleza, son medios altamente heterogéneos y, por tanto, tienen una significativa influencia en la propagación de las ondas sísmicas. Por ello, en esta tesis, una vez representado y analizado cómo de heterogéneo es el medio volcánico de la Isla de Tenerife, estudiaremos la influencia que ejercen los medios sobre algunos parámetros sísmicos. Partiremos de medios ya conocidos y pondremos en evidencia su influencia en la propagación de las ondas sísmicas, así como la localización de las fuentes.
En concreto, analizaremos cómo el medio heterogéneo de la isla volcánica Decepción afecta en las observaciones realizadas con antenas sísmicas.
Finalmente, para el campo hidrotermal Transatlántico (Trans-Atlantic Geotraverse (TAG)) en la dorsal Medio Atlántica, veremos cómo la introducción de un modelo tomográfico de velocidad de ondas P cambia sistemáticamente las posición de los hipocentros de los terremotos locales registrados en la región. Este cambio lleva asociado una mejor interpretación de la dinámica de la fuente sísmica.
Estas dos aplicaciones son una manifestación de la importancia de conocer la verdadera estructura de una región.
Los datos usados para realizar la tomografía fueron obtenidos en un experimento de sísmica activa (TOM-TEIDEVS) realizado en la Isla de Tenerife en el año 2007.
En este experimento se realizaron explosiones en el mar y se registraron en estaciones sísmicas desplegadas sobre la Isla de Tenerife. Las técnicas usadas para realizar la tomografía han sido dos. Ambas técnicas tienen en cuenta la interfase agua-tierra. Los resultados finales han sido obtenidos mediante ATOM-3D. No obstante, hemos aplicado una técnica más, FAST para corroborar los resultados.
Para el estudio de los efectos del medio sobre la propagación de las ondas sísmicas los datos pertenecen a una campaña de sísmica activa (TOMODEC) realizada en el volcán Isla Decepción en el año 2005. Éstos fueron registrados en siete antenas sísmicas desplegadas sobre la isla.
Los parámetros de rayo (azimut y lentitud aparente) han sido calculados mediante la técnica de antenas sísmicas de las Correlaciones Cruzadas (Zero Lag Cross Correlation).
Los microterremotos relocalizados pertenecen a un experimento realizado en el campo hidrotermal Transatlántico (Trans-Atlantic Geotraverse (TAG)) en la dorsal Medio Atlántica, en cual se registró la actividad sísmica durante 8 meses en un área de 7 x 7 km en 13 estaciones desplegadas sobre el fondo oceánico (Ocean Bottom Seismometer (OBS)).
Los resultados obtenidos para la Isla de Tenerife muestran la alta heterogeneidad que encontramos en las áreas volcánicas.
El análisis tanto para eventos registrados en antenas sísmicas (Isla Decepción), como el caso de los microterremotos detectados por OBS en el campo hidrotermal Transatlático, muestra la gran importancia que tiene conocer la estructura del medio por el que se propagan las ondas sísmicas. En ambos casos comparamos los resultados obtenidos con modelos de gradiente sin heterogeneidades laterales y los resultados nos sorprenden con variaciones de bastante magnitud en muchos casos.
Abstract extendido 7
Extended abstract 27
1 Introducción 45
1.1 Tomografía sísmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.2 Tomografía sísmica en volcanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.2.1 Interpretación de las anomalías de velocidad de las ondas
sísmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.2.2 Ejemplos de tomografía sísmica en áreas volcánicas . . . . . . 57
1.3 Efectos de las heterogeneidades laterales en volcanes . . . . . . . . . 58
1.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2 Marco geodinámico y geológico de la Isla de Tenerife (Islas Canarias, España) 71
2.1 Las Islas Canarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.1.1 Origen de las Islas Canarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.2 La Isla de Tenerife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.2.1 Marco geológico de la isla de Tenerife . . . . . . . . . . . . . 79
2.2.2 Complejo central de la Isla de Tenerife: Edificio y caldera de
Las Cañadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.2.3 Erupciones históricas de la Isla de Tenerife . . . . . . . . . . 88
2.3 Estudios geofísicos realizados en la Isla de Tenerife . . . . . . . . . . 88
2.3.1 Estudios gravimétricos y magnéticos . . . . . . . . . . . . . . 88
2.3.2 Estudios de geodesia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.3.3 Estudios de magnetotelúrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.3.4 Estado del arte en sismología . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.4 Peligros potenciales en la Isla de Tenerife . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.4.1 Zonación de los peligros volcánicos (coladas de lava y caída de ceniza) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3 Metodología: Tomografía sísmica 107
3.1 Tratamiento matemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.1.1 Parametrización del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.1.2 Trazado del rayo: Técnica del doblamiento y técnica de las diferencias finitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.1.3 Inversión de tiempos de llegada . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.1.4 Análisis de la calidad de la solución . . . . . . . . . . . . . . 142
4 Experimento: TOM-TEIDEVS y datos utilizados 147
4.1 Experimento TOM-TEIDEVS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1.1 Necesidad del experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1.2 Diseño del experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.1.3 Experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.1.4 Características de los equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.2 Datos y procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5 Análisis de datos 177
5.1 Modelo inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.2 Algoritmos de modelado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.2.1 ATOM-3D: Active TOMography in 3D . . . . . . . . . . . . 180
5.2.2 Tests de resolución de ATOM-3D . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.2.3 FAST: First Arrival Seismic Tomography . . . . . . . . . . . 190
5.2.4 Tests de resolución de FAST . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.2.5 ATOM-3D versus FAST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6 Resultados e interpretación 203
6.1 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.1.1 Imágenes de velocidad absoluta y secciones verticales . . . . . 203
6.1.2 Análisis de las imágenes del modelo tomográfico . . . . . . . 208
6.1.3 Zona de Teno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.1.4 Norte de Tenerife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.1.5 Zona sur (Roque del Conde) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
6.1.6 Dorsal de Santiago del Teide (Noroeste) . . . . . . . . . . . . 231
6.1.7 Las Cañadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.2 Interpretación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.2.1 Anomalías de las secciones verticales de la Isla de Tenerife . . 253
6.2.2 Anomalías de velocidad en diferentes áreas de Tenerife . . . . 254
6.3 Comparación de los resultados con otros estudios geofísicos . . . . . 257
6.4 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7 Effects of the lateral heterogeneities on the seismic waves propagation
in volcanic areas (Deception Island and TAG (Trans-Atlantic
Geotraverse (Mid-Atlantic Ridge)) 265
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
7.2 Quantitative analysis of seismic wave propagation anomalies in azimuth
and apparent slowness at Deception Island volcano (Antarctica)
using seismic arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.2.1 Geological and geophysical settings . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.2.2 Instruments and data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.2.3 Method and data processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
7.2.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.2.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.3 Relocation of hypocenters from microearthquakes using a 3D tomography
model at Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) in the Mid-
Atlantic Ridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.3.2 Previous studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.3.3 Relocation of hypocenters from microearthquakes using a 3D
tomography model at Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) in
the Mid-Atlantic Ridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
7.3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
8 Conclusions 297
Las principales conclusiones obtenidas de la tomografía de la Isla de Tenerife son:
• La isla, en todo su rango de resolución (10000 m (b.n.m.)) tiene un bloque central de alta velocidad.
• Las anomalías negativas (velocidad más baja que la esperada en el modelo inicial) rodean la anomalía de alta velocidad y se hacen mayores en tamaño y valor a medida que ascendemos.
• Desde la primera sección aparece una zona de alta velocidad en el macizo de Teno, que evoluciona, pero siempre permanece estable. El valor de su anomalía no es muy grande, pudiéndose deber a que estos materiales se encuentren afectados por procesos de alteración y ceolitización (Vera (2004)).
• Tendencia de las direcciones en distintas zonas siguiendo las fallas transversales de la dorsal atlántica y el rift africano.
• A los 8000 m (b.n.m.) aparece una anomalía de alta velocidad en la caldera de Pedro Gil, volcán de tamaño comparable a Pico Viejo o Teide, esta alta velocidad permanece y se hace mayor en valor al disminuir la profundidad.
• En la zona de la Dorsal de Santiago del Teide aparece una anomalía de alta velocidad, en la zona donde se sitúan las últimas erupciones históricas de este área, a 1900 m (b.n.m.). Esta anomalía podría representar las inyecciones de magma producidas en la zona. Es importante hacer notar, que a más de 1900m (b.n.m.) no existe anomalía de alta velocidad, lo que podría convertir este área en un lugar óptimo para permitir el ascenso de magma.
• Aparece otra anomalía de alta velocidad en la zona situada entre Icod y El Valle de la Orotava, a la que no hemos podido dar explicación.
• Según nuestros resultados en la zona sur existe un bloque de alta velocidad, con máximos que se alternan siguiendo las direcciones marcadas por las tendencias tectónicas de la zona. El edificio sur se habría desarrollado inicialmente, con una extensión que va desde el Roque de Jama hasta Boca Tauce. El primer máximo que aparece está situado en el Roque del Conde, con valores de anomalía positivos del 30 \%. A continuación, y siguiendo la tendencia marcada por las fallas transformantes de la dorsal atlántica, aparece un segundo máximo en el Roque de Jama, desplazándose hacia el sur. Siguiendo la misma dirección, aparece otro máximo entre Adeje y Boca Tauce y en Boca Tauce, estas anomalías se ubican siguiendo la dirección de la Dorsal de Pedro Gil. Al ascender, la anomalía situada en el Roque de Jama permanece, así como la de Boca Tauce, que se hace mayor en tamaño y valor. Las otras anomalías se atenúan y disminuyen su tamaño, dando paso a la actividad en Las Cañadas.
Estas zonas de máximo pueden deberse a intrusiones plutónicas o intrusiones de diques producidas a lo largo de mucho tiempo.
• Inicialmente aparecen anomalías de alta velocidad alrededor de Las Cañadas, dentro de ese edificio inicial de alta velocidad. Estas anomalías parecen estar alineadas siguiendo la tendencia marcada en la zona. En la zona sureste aparece una anomalía de alta velocidad, al sureste de Guajara, que incluso parece tomar la forma que dicta la Dorsal de Santiago del Teide. A 3100 m (b.n.m.) estas anomalías parecen ir desplazándose desde el exterior de Las Cañadas a su interior. La anomalía situada en Boca Tauce permanece en todo momento, incluso aumenta su tamaño y valor. También se observa una anomalía positiva en Pico Viejo, que permanece en todas las secciones. A 1900 m (b.n.m.) ya aparecen las anomalías situadas en Guajara, Cañada de Diego Hernández y La Fortaleza. Estas anomalías evolucionan con la altura desplazándose hacia la pared de Las Cañadas y además adquieren valores superiores de anomalía positiva de velocidad, llegando a ser ésta del 30 \%.
Las conclusiones provistas por los estudios realizados en Isla Decepción y el campo hidrotermal Transatlántico son:
• Hemos observados cómo la presencia de heterogeneidades laterales en la una región es un factor decisivo en la propagación de las ondas sísmicas. Las regiones volcánicas son altamente heterogéneas y, por tanto, tienen una influencia significativa en la propagación de las ondas sísmicas.
• Hemos observado cómo las trayectorias de las ondas sísmicas son distorsionadas por el medio.
En Isla Decepción, para las antenas sísmicas, es necesario tener en cuenta la estructura del medio para no cometer errores en el cálculo de los parámetros de rayo.
• Para el campo hidrotermal Transatlántico la localización de los hipocentros de los microterremotos se ve alterada al introducir un modelo tomográfico en 3D, aportando unos resultados más realistas.
• Es necesario tener en cuenta un modelo realista en 3D, especialmente en áreas volcánicas,donde el medio es muy heterogéneo, para obtener mejores resultados en los parámetros de rayo y en las localizaciones de eventos. Unos buenos resultados nos ayudarán a hacer una interpretación mejor y más precisa, así como entender la dinámica de la zona.
• Se han aplicado dos técnicas tomográficas para obtener la imagen de alta resolución de la Isla de Tenerife usando sísmica activa. Los resultados muestran que, independientemente, del método utilizado para la inversión tomográfica, si los datos son de elevada calidad y la cobertura espacial es la adecuada, los dos métodos proveen imágenes similares. Por tanto, la elección de un método u otro para la inversión dependerá, fundamentalmente, de la capacidad de cálculo, la facilidad de manejo e incluso la flexibilidad de los paquetes de programas para la adaptación a las condiciones geomorfológicas del medio.
• La imagen tomográfica en 3D en velocidad de alta resolución de la isla de Tenerife, refleja su alta complejidad estructural. Se observan grandes contrastes de velocidad, superiores al 40\% del valor modelo inicial, tanto positivos como negativos. Al menos en el volumen muestreado no hay evidencias claras de ningún reservorio de magma. Las anomalías positivas de velocidad se interpretan como la presencia de materiales muy consolidados asociados tanto a estructuras antiguas, como a magma enfriado proveniente de intrusiones. Las bajas velocidades se pueden asociar tanto a alteraciones hidrotermales como a material altamente fracturado o potentes depósitos volcanoclásticos.
• Se ha comprobado que la existencia de fuertes contrastes de velocidad en una región volcánica afecta a la trayectoria del rayo sísmico, produciendo doblamiento del mismo. Esta comprobación se ha realizado para la Isla Decepción usando datos de sísmica activa registrados en antenas sísmicas. La presencia de un cuerpo magmático en el interior de la isla y los fuertes contrastes orográficos y estructurales, producen una desviación del rayo frente al camino recto esperado (en su proyección por la superficie), de más de 40º. Conocer esta desviación del rayo es fundamental para poder realizar localizaciones sísmicas veraces.
• Cuando se tiene en cuenta la estructura 3D en velocidad de una región en los procesos de localización hipocentral, los resultados obtenidos están más en acuerdo con el marco geodinámico de la zona y por tanto, pueden ser usados para un mejor entendimiento de la dinámica de la región. Esta observación se ha realizado, aplicando el proceso de localización no-lineal, usando un modelo de tierra tomográfico 3D para la región del campo geotermal Trans-Atlántico (Dorsal Medioatlántica). En esta región la aplicación del método ha llevado desde tener una concentración inicial de los hipocentros, indicando unas características concretas del área, a una nueva disposición que permite entender mejor la tectónica de la zona.

References: resolución 
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