Caracterización de lahares con señales sísmicas en la barranca La Arena del Volcán de Colima periodo Junio-Octubre 2018
El Volcán de Colima
(VdC) es uno de los más activos en México (De la Cruz Reyna,
1993) y representa una amenaza para más de 300,000 habitantes que viven en un
radio de 30 km. El peligro que representa es debido a sus eventos eruptivos,
así como por los fenómenos geológicos que se generan por causas externas, tales
como los eventos de lahares conformados por flujos de agua, material no
consolidado y fragmentos de roca, (Tarbuck, et al., 2005). Dichos
fenómenos se desarrollan cada año durante la época de lluvia y en múltiples
casos han afectado poblaciones en un radio de 15 km desde el volcán (Capra, et
al., 2010), lo que hace que exista la necesidad de monitorear la zona a
causa de la elevada frecuencia, además del riesgo que esto genera.
Por lo anterior, se ha realizado un estudio de caracterización de los lahares desarrollados en la barranca “La Arena” del VdC durante el periodo de junio a octubre 2018 (Valencia, 2020), donde se analizó la base de datos sísmicos Universidad de Colima con la finalidad de identificar señales sísmicas correspondientes a eventos de lahares y analizarlas en el dominio del tiempo-frecuencia, mediante los métodos de Fourier.
Los criterios tomados en cuenta para identificar lahares fueron: la duración de la señal en tiempo, forma de la onda de la señal sísmica y amplitud sísmica. Y para cuantificar el número de eventos de lahares se tomaron en cuenta aspectos importantes en la señal, tales como: la fecha del evento, la hora de inicio del evento y hora final del evento.
Con base en el procedimiento seguido se identificaron 10 eventos de lahares, a los que posteriormente se aplicaron los siguientes cálculos y análisis.
Análisis de la señal en tiempo
La señal en tiempo (Figura 1), representa la forma de onda del lahar y permite identificar en la señal una clásica forma de onda de lahar multipulso, caracterizado por dos frentes principales y múltiples fluctuaciones en la descarga.
Figura 1. Señal en tiempo que representa la forma de onda del lahar. El eje X corresponde al tiempo de duración de la señal en segundos y el eje Y la amplitud en velocidad a la que se mueve el suelo en respuesta de la onda que se propaga (mm/s).
Con el objeto de observar
la evolución temporal de la energía sísmica y el contenido de frecuencias de la
señal, se calculó el espectrograma (Figura 2) aplicando la función Specgram
que usa como base la transformada de Fourier rápida (FFT). Los parámetros utilizados
fueron: tamaño de ventana de 256 puntos,
traslape del 50%, tasa de muestreo a 100 mps y se utilizó la ventana de
Hanning.
Cálculo de Espectrogramas
Cálculo de espectros
Para observar el contenido de frecuencias se calculó el espectro de la señal (Figura 3) por el método de superposición de Welch (1967). Se utilizó una ventana de 1024 elementos y traslape del 50%.
Figura 3. Cálculo de la densidad espectral de
potencia aplicando un filtro pasa-bandas en 1-27 Hz
Eje Y representa la PSD (V2/Hz) y el eje X el valor de las
frecuencias (Hz).
Con base en el análisis sísmico de la señal en tiempo (Figura 1), calculada para el evento 2018-09-23, ha sido posible describir que la forma de onda de la señal corresponde a un lahar multipulso, conformado por dos picos principales señalados como F1 y F2, que conciernen a los valores máximos en amplitud de la señal (F1, 0.25mm/s), (F2, 0.27mm/s) definidos como frentes característicos del evento, las aportaciones secundarias observadas en la señal referidas en óvalos verdes, se atribuyen a múltiples fluctuaciones en la descarga.
Con respecto al análisis espectral de la señal sísmica fue posible definir un rango de frecuencias característico del evento en ~11-22 Hz con aportes secundarios en la banda de ~23-27 Hz, destacando un pico máximo de frecuencias en ~17.5Hz, tal y como se observa en la (Figura 3).
A su vez, el espectrograma calculado permitió comparar y corroborar que en la banda de frecuencias de ~11-22 Hz, se encuentra la concentración de la mayor parte de energía durante el evento (~50 dB/Hz), como se muestra en la (Figura 4).
Figura 4. Análisis Tiempo-Frecuencia del evento de lahar con fecha 23-09-18.
Conclusiones
El análisis sísmico permitió realizar una descripción detallada de los eventos identificados, se determinó que las formas de onda en el registro para los 10 eventos corresponden a clásicos lahares multipulso, con duración de ~1.10-2.25 horas, muestran amplitudes que varían en ~0.074-0.66 mm/s y a partir del análisis espectral se delimitó un rango de frecuencias característico para los 10 lahares, correspondiente a ~7-22 Hz.
Con la información obtenida de la caracterización se proporciona un análisis cuantitativo del fenómeno de lahares, así como información sobre el contenido espectral y características de las señales sísmicas. Con base en los resultados obtenidos durante el desarrollo del proyecto y el análisis exhaustivo de los datos, se proponen las bases para el desarrollo de investigaciones dirigidas a caracterizar la evolución temporal de la barranca, establecer comparaciones con estudios relacionados a la dinámica del proceso y generar herramientas útiles enfocadas a planes de mitigación de riesgos y sistemas de alerta temprana.
Referencias Bibliográficas
Capra, L. (2010). Rainfall-triggered lahars at Volcán de Colima, Mexico: Surface hydrorepellency as initiation process, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 189: 105-117.
De la Cruz-Reyna, S.
(1993). Random patterns of occurrence of explosive eruptions at Colima Volcano,
México, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 55: 51-68.
Tarbuck, E., Lutgens, F. & Tasa, D. (2005). Ciencias de la tierra, una introducción a la geología física. Edición 8. Madrid, España. Pearson.
Valencia, Z.M. (2020). Caracterización de lahares con señales sísmicas en la barranca La Arena del Volcán de Colima, Junio-Octubre 2018. ITSVC-UNAM.
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