Precursory seismic signals before two catastrophic landslides at Irazú Volcano, Costa Rica

Abstract

Massive rock landslides impose a continuous impact on the socio-economic growth of developing cities, public infrastructure and telecommunications. Every year, millions of dollars are invested in reverting the negative effects associated with their occurrence all over the world. At volcanoes, complex landslide instabilities triggered in some cases by nearby earthquakes, rainfall, local deformation, or a combination of all, may induce changes in the lithostatic pressure of the edifice, suddenly affecting their internal dynamics and increasing the risk of catastrophic eruptions as occurred during the 80’s in Mt. San Helens. Near field geodynamic monitoring, including broadband seismic, GNSS stations and other techniques, is then essential to better characterize ground failure and to improve landslide hazards assessments. The southwest flank of the Irazú volcano in central Costa Rica has been recognized to host massive rock landslides in the past. Just in December 2014 and August 2020, a total combined of 53 million m3 of mass wasting were deposited along the basement of “Río Sucio”, one of the main tributaries of the Sarapiquí river. Using the near field and geodynamic monitoring network that OVSICORI-UNA operates at Irazú and Turrialba volcanos since 2011, we show unique seismological observations that shed light about the rupture initiation and dynamic evolution of the mass movement. Our results demonstrate that during the 2014 and 2020 events, the nucleation phase initiate weeks prior to the catastrophic collapse with the generation of low frequency earthquakes (LFEs), events dominated by velocity weakening frictional properties that likely represent the stick-slip failure of small asperities localized along the basement. Among the observed LFEs, we report the occurrence of 10 repeating earthquake families, each formed by multiple LFEs that rupture approximately the same asperity at different times, generating identical waveforms. Our observations show that as the mass accelerate with time 1) the number of repeating families increases progressively and 2) the inter-event time between LFEs decreases linearly until they merge forming a tremor signal that initiate 30 min prior to the collapse. Near-field seismic data exhibits an exponential increase in tremor amplitude, and thus, seismic moment, that suddenly reduces and become quiescent for 20 seconds before the impulsive mass detachment and failure. We posit that transient embrittlement is the mechanism responsible for such a unique observation. As the slip rate increases, faulting regions with predominantly stable-sliding (aseismic) frictional properties become unstable (seismic), as previously observed in subduction zones and laboratory experiments. As a result, the number of unstable asperities and/or the total effective area of contact between the sliding mass and the basement increases dramatically, modulating tremor amplitude with time. The shear strength from the elastically couple asperities is enough to provide temporal (~20 s) stability to the entire mass, inducing the seismic quiescence. However, the accrued shear stresses imposed by the slow slip episode on the weak asperities overcomes the frictional strength, inducing the catastrophic failure. Our results provide direct evidence of the mechanics that controlled landslide nucleation and resemble those from laboratory experiments and fault zones during tectonic earthquakes.Los desprendimientos masivos de rocas imponen un impacto continuo sobre el crecimiento socioeconómico de las ciudades en desarrollo, las infraestructuras públicas y las telecomunicaciones. Cada año se invierten millones de dólares en revertir los efectos negativos asociados a su ocurrencia en todo el mundo. En los volcanes, las complejas inestabilidades de los deslizamientos, desencadenadas en algunos casos por terremotos cercanos, precipitaciones, deformaciones locales o una combinación de todo ello, pueden inducir cambios en la presión litostática del edificio, afectando súbitamente a su dinámica interna y aumentando el riesgo de erupciones catastróficas, como ocurrió durante los años 80 en el monte San Helens. La monitorización geodinámica de campo cercano, incluyendo sísmica de banda ancha, estaciones GNSS y otras técnicas, es entonces esencial para caracterizar mejor el fallo del terreno y mejorar las evaluaciones de los riesgos de deslizamiento. El flanco suroeste del volcán Irazú, en el centro de Costa Rica, ha sido reconocido en el pasado por albergar deslizamientos masivos de rocas. Sólo en diciembre de 2014 y agosto de 2020, un total combinado de 53 millones de m3 de pérdida de masa se depositaron a lo largo de la base del «Río Sucio», uno de los principales afluentes del río Sarapiquí. Utilizando la red de monitoreo geodinámico y de campo cercano que OVSICORI-UNA opera en los volcanes Irazú y Turrialba desde 2011, mostramos observaciones sismológicas únicas que arrojan luz sobre el inicio de la ruptura y la evolución dinámica del movimiento de masa. Nuestros resultados demuestran que durante los eventos de 2014 y 2020, la fase de nucleación se inició semanas antes del colapso catastrófico con la generación de terremotos de baja frecuencia (LFEs), eventos dominados por propiedades friccionales de debilitamiento de velocidad que probablemente representan el fallo stick-slip de pequeñas asperezas localizadas a lo largo del basamento. Entre los LFEs observados, reportamos la ocurrencia de 10 familias de terremotos repetitivos, cada una formada por múltiples LFEs que rompen aproximadamente la misma aspereza en diferentes momentos, generando formas de onda idénticas. Nuestras observaciones muestran que a medida que la masa se acelera con el tiempo 1) el número de familias repetitivas aumenta progresivamente y 2) el tiempo entre eventos entre los LFEs disminuye linealmente hasta que se fusionan formando una señal de temblor que se inicia 30 min antes del colapso. Los datos sísmicos de campo cercano muestran un aumento exponencial de la amplitud del temblor y, por tanto, del momento sísmico, que se reduce repentinamente y se vuelve inactivo durante 20 segundos antes del desprendimiento impulsivo de la masa y el fallo. Postulamos que la fragilización transitoria es el mecanismo responsable de tan singular observación. A medida que aumenta la velocidad de deslizamiento, las regiones de falla con propiedades friccionales predominantemente estables-deslizantes (asísmicas) se vuelven inestables (sísmicas), como se ha observado previamente en zonas de subducción y en experimentos de laboratorio. Como resultado, el número de asperezas inestables y/o el área efectiva total de contacto entre la masa deslizante y el basamento aumenta drásticamente, modulando la amplitud del temblor con el tiempo. La resistencia al cizallamiento de las asperezas acopladas elásticamente es suficiente para proporcionar estabilidad temporal (~20 s) a toda la masa, induciendo la quiescencia sísmica. Sin embargo, las tensiones de cizallamiento acumuladas impuestas por el episodio de deslizamiento lento sobre las asperidades débiles superan la fuerza de fricción, induciendo el fallo catastrófico. Nuestros resultados proporcionan pruebas directas de la mecánica que controla la nucleación de los deslizamientos y se asemejan a los obtenidos en experimentos de laboratorio y en zonas de falla durante terremotos tectónicos.