Analysis of seismic and acoustic observations at Arenal Volcano, Costa Rica, 1995–1997

Abstract

In November 1995, we installed five, three-component broadband seismometers and electronic tiltmeters around the circumference of Arenal Volcano, a young stratovolcano in Costa Rica that exhibits strombolian activity. With the addition of two continuous-recording GPS receivers deployed in May 1995, these instruments provide continuous monitoring of seismicity and ground deformation at an active volcano over a very wide bandwidth. In addition, during April–May 1997, we deployed a small, linear array of co-located three-component seismometers and broadband microphones. This paper presents a comprehensive analysis of all the seismic and acoustic data collected thus far. Seismic signals are primarily of two types: (1) longperiod (1–3 Hz) transients associated with summit explosions; and (2) harmonic tremor that contains regularly spaced spectral peaks (0.9, 1.8, 2.7, 3.6, 4.5, 5.4, 6.3, and 7.1 Hz) and lasts up to several hours. The explosion signals appear to originate in a small volume that is located at shallow depth beneath the vent and does not migrate with time. No unambiguous long-period seismic signals T . 5 s associated with volcanic processes at Arenal have been observed during the three-year deployment period. The spectra of summit explosions show distinct signatures at each site, suggesting significant path and/or site modification of the waveforms. In contrast, the harmonic tremor signals show no variation in the frequency content at the five sites, nor on the three seismic components at each site (Hagerty et al., 1997). This, and the fact that harmonic tremor is recorded in the acoustic channels as well, demonstrates that harmonic tremor is not a seismic propagation effect and that pressure disturbances propagate within the magma–gas mixture inside of volcanic conduits. These pressure waves are sensitive to the flow velocity and to small changes in the gas content of the magma–gas mixture. Observations and synthetic tests are presented that challenge the notion that harmonic tremor is a superposition of repeated gas explosions at shallow depth. We propose that equilibrium degassing of the melt creates a stable, stratified magma column where the void fraction increases with decreasing depth and that disruption of this equilibrium stratification is responsible for observed variations in the seismic efficiency of explosions. q2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved.En noviembre de 1995, instalamos cinco sismómetros de banda ancha de tres componentes y inclinómetros electrónicos alrededor de la circunferencia del volcán Arenal, un joven estratovolcán de Costa Rica que presenta actividad estromboliana. Con la adición de dos receptores GPS de registro continuo desplegados en mayo de 1995, estos instrumentos proporcionan un seguimiento continuo de la sismicidad y la deformación del suelo en un volcán activo en un ancho de banda muy amplio. Además, durante los meses de abril y mayo de 1997, desplegamos un Además, durante abril y mayo de 1997, desplegamos un pequeño conjunto lineal de sismómetros de tres componentes y micrófonos de banda ancha. Este documento presenta un análisis exhaustivo de todos los datos sísmicos y acústicos recogidos hasta ahora. Las señales sísmicas son principalmente de dos tipos: (1) transitorios de largo período (1-3 Hz) asociados a las explosiones de la cumbre; y (2) temblor armónico que contiene picos espectrales regularmente espaciados (0,9, 1,5). (0,9, 1,8, 2,7, 3,6, 4,5, 5,4, 6,3 y 7,1 Hz) y que dura hasta varias horas. Las señales de explosión parecen originarse en un pequeño volumen que se encuentra a poca profundidad bajo el respiradero y no migra con el tiempo. No hay señales sísmicas inequívocas de período largo señales sísmicas de largo período T . 5asociadas a procesos volcánicos en el Arenal se han observado durante los tres años de despliegue de despliegue. Los espectros de las explosiones en la cumbre muestran firmas distintas en cada sitio, lo que sugiere una modificación significativa de la trayectoria y/o del sitio de las formas de onda. Por el contrario, las señales de los temblores armónicos no muestran ninguna variación en el contenido de frecuencia en los cinco sitios, ni en los tres componentes sísmicos de cada sitio (Hagerty et al., 1997). Esto, y el hecho de que el temblor armónico se registra en los canales acústicos, demuestra que el temblor armónico no es un efecto de propagación sísmica y que las perturbaciones de presión se propagan dentro de la mezcla de magma y gas en el interior de los conductos volcánicos. Estas ondas de presión son sensibles a la velocidad del flujo y a pequeños cambios en el contenido de gas de la mezcla magma-gas. Se presentan observaciones y pruebas sintéticas que cuestionan la noción de que el temblor armónico es una superposición de repetidas explosiones de gas a poca profundidad. Proponemos que el equilibrio desgasificación de la masa fundida crea una columna de magma estable y estratificada en la que la fracción vacía aumenta al disminuir la profundidad y que la interrupción de esta estratificación de equilibrio es responsable de las variaciones observadas en la eficacia sísmica de las explosiones.