Volcano Seismology: Detecting Unrest in Wiggly Lines

Abstract

Seismology is a useful tool to gain a better understanding of volcanic unrest in real time as it unfolds. The generation of seismic signals in a volcanic environment has been linked to a number of different physical processes occurring at depth, including fracturing of the volcanic edifice (producing high frequency seismicity) and movement of magmatic fluids (producing low frequency seismicity). Further classification of seismic signals according to their waveform similarity, in addition to their frequency content, allows greater detail in temporal and spatial changes of seismicity to be detected. At Soufrière Hills volcano, Montserrat, one of the target volcanoes of the VUELCO project, families of similar waveforms provided valuable insight into evaluating the significance of ongoing unrest. In June 1997 over 6000 more events were able to be identified over a 5 day period of interest (22 to 25 June) by using families of seismic events, rather than a standard amplitude-based detection algorithm. In total, 11 families were identified, with the events clustering into a number of swarms, suggesting a repeating and non destructive cyclic source mechanism. Since each family is believed to represent a distinct source location and mechanism, identifying 11 coexisting families reflects the complex diversity of physical processes which act simultaneous at this volcano. In July 2003, conditions at the volcano had clearly changed since only one family of seismicity was identified. The source location of this family appeared to shift with time from 8 July (when no events from the family were identified) to 12 July (where most events had a cross correlation coefficient over 0.9). In addition, the use of families appears to greatly aid hindsight forecasting attempts for the large scale dome collapses of 1997 and 2003 using the Failure Forecast Method. Knowledge of the temporal and spatial extent of seismicity during periods of unrest, its source mechanism and its relationship to physical processes at depth is essential for decision and policy makers for risk mitigation. However, the source mechanisms of such volcanic seismicity is still much debated and appears to often be misinterpreted because of compromising assumptions used in the numerical modelling of inverting such sources. Use of a spatially extended source such as a ring fault structure, rather than a single point for determining the origin of low frequency seismicity, is now thought to be more realistic for the mechanism of such events since it more accurately represents the movement of magma through a conduit. However, use of this spatially extended source instead of a simple single point results in a large underestimation of slip from P-wave amplitudes, which may lead to an underestimation in magma ascent rates, with large consequences for eruption forecasting. Additionally, the P-wave radiation patterns exhibited by these two mechanisms are remarkably similar, and can only be distinguished if the small radial radiation lobes can be determined. In a volcanic environment this is extremely difficult due to large uncertainties in earthquake source depth locations, and the implementation of small aperture seismic networks

La sismología es una herramienta geofísica valiosa que brinda información en tiempo real, permitiendo una mejor comprensión del comportamiento de sistemas volcánicos que inician un proceso de reactivación o de intensificación de la actividad. La generación de señales sísmicas en ambientes volcánicos se ha relacionado con un número diverso de procesos geofísicos que ocurren en el interior de los volcanes, incluyendo fracturamiento del edificio volcánico (produciéndose sismicidad de alta frecuencia) y movimiento de fluidos magmáticos (produciéndose sismicidad de baja frecuencia). La clasificación de señales sísmicas basada en la similitud de las formas de onda, además del contenido de frecuencias, ha permitido detectar cambios temporales y espaciales de la sismicidad con mayor detalle. En el volcán Soufriere Hills en Monserrat, uno de los volcanes investigados como parte del Proyecto VUELCO, el reconocimiento de familias de señales sísmicas con formas de onda similares proveyó un entendimiento valioso en la evaluación de la significancia de la reactivación de su actividad volcánica. En junio de 1997, se pudieron identificar más de 6000 eventos ssmicos dentro de unperiodo particular de 4 días (entre el 22 y el 25 de junio) mediante la determinación de familias de eventos sísmicos que fueron determinados por un algoritmo estándar de detección basado en la amplitud de la señal sísmica. En total, 11 familias de eventos sísmicos fueron identificadas, con grupos de eventos conformando enjambres sísmicos, lo que sugiere un mecanismo cíclico repetitivo de una fuente sísmica no destructiva. Ya que se considera que cada familia representa una fuente con ubicación espacial y mecanismo distinto, la identificación de 11 familias refleja la compleja diversidad de los procesos geofísicos que operan simultáneamente en este volcán en particular. En julio del 2003, el régimen del volcán cambió definitivamente ya que solamente 1 familia de eventos sísmicos fue identificada. La ubicación de la fuente sísmica de esta familia parece haber migrado con el tiempo entre el 8 de julio (cuando ningún evento sísmico de esta familia fue identificado) y el 12 de julio (cuando la mayoría de eventos tuvo un coeficiente de cros-correlación superior a 0,9). Además, el establecimiento de familias de sismos parece haber sido de gran ayuda en los intentos de pronosticar los colapsos del domo en gran escala de 1997 y el 2003 utilizando el método determinístico de pronóstico de rompimiento por fatiga (Failure Forecast Method, FFM). El conocimiento de la extensión temporal y espacial de la sismicidad durante periodos de reactivación volcánica, el mecanismo de la fuente, y su relación con los procesos geofísicos a niveles profundos son aspectos esenciales para los tomadores de decisiones y ejecutores de políticas relacionadas con la mitigación de riesgos. En general, los mecanismos de la fuente generadora de la sismicidad volcánica continúan aún bajo gran debate y parecen ser con frecuencia mal interpretados debido a simplificaciones comprometedoras usadas en los modelos numéricos de inversión de dichas fuentes. El uso de una fuente espacial extendida tal como una falla estructural tipo anular, en lugar de un solo punto para determinar el origen de sismicidad de baja frecuencia, se piensa es más realista para visualizar el mecanismo de este tipo de eventos ya que representa con más exactitud el movimiento del magma a través de un conducto. Sin embargo, el uso de este modelo resulta en la subestimación significativa del deslizamiento en la falla determinada a través de las amplitudes de las ondas P, lo que podría llevar a una subestimación de las tasas de ascenso del magma, con consecuencias cruciales para el pronóstico de erupción inminente. Por otra parte, los patrones de radiación de la onda P mostrados por estos dos mecanismos son marcadamente similares, y pueden ser solamente distinguidos si los pequeños lóbulos radiales de radiación pueden ser determinados. En un contexto volcánico, esta es una tarea extremadamente difícil debido a la gran incertidumbre inherente a la localización de la profundidad de la fuente sísmica, y a la implementación de redes sísmicas de pequeña extensión.