Publicación: Identificación de patrones eruptivos en el volcán de Pacaya a través del análisis del ruido sísmico ambiental
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Resumen en español
Este estudio preliminar explora el uso del ruido sísmico ambiental para el monitoreo del vol cán Pacaya en Guatemala. Forma parte de la iniciativa Increasing Natural Hazard Resiliency in Guatemala de Geoscientists Without Borders (GWB) en colaboración con el Instituto Nacional de Sismología, Vulcanología, Meteorología e Hidrología (INSIVUMEH). Se busca comprender y evaluar la técnica de autocorrelación del ruido sísmico ambiental para su futura implementación en los observatorios volcánicos, permitiendo un monitoreo continuo sin la necesidad de una red densa de sismómetros. Para ello, se analizan patrones de cambio en la velocidad sísmica relativa antes, durante y después de un periodo de actividad volcánica. El estudio se basa en datos de cinco estaciones sísmicas, las cuales estuvieron activas en distintos momentos entre 2019 y 2024. Se implementó la técnica de Interferometría Sísmica Pasiva, obteniendo y graficando funciones de autocorrelación de las distintas componentes de cada estación (EE, EN, EZ, NN, NZ, ZZ), las cuales se apilan linealmente cada 2, 5 y 10 días. Estas gráficas se utilizaron para determinar los momentos en los que cada estación percibió mayores correlaciones en distintos tiempos de retardo, indicando cambios en la actividad volcánica. Se exploró el uso de distintas bandas de frecuencia para el análisis de autocorrelación, realizando el procedimiento con frecuencias de (0.7 - 1.5) Hz, (1.5 - 4.0) Hz y (4.0 - 8.0) Hz. Se analizaron los gráficos para cada estación utilizando las distintas combinaciones de compo nentes para las tres bandas de frecuencia. Se seleccionó la estación PCG5 porque era la única que estación operando durante en las etapas pre-eruptiva, eruptiva y post-eruptiva. Además, se selec cionó la banda de frecuencia de 1.5 Hz a 4.0 Hz, ya que ofrece las correlaciones más claras entre la actividad del volcán de Pacaya y sus patrones de variación sísmica. Se utilizó la técnica de análisis de espectro cruzada de ventana móvil (MWCS) para estimar desfases temporales relativos. Para esto se compara la señal en análisis con una señal de referencia previamente establecida, obteniendo valores de coherencia media. Por la cantidad de datos a analizar se utilizaron dos funciones de referencia: diciembre 2019 para los datos de 2019 a 2021 y noviembre 2022 para los datos de 2022 a 2024. Con los retardos temporales relativos se determinan los cambios en la velocidad sísmica relativa utilizando una relación directa entre ambas cantidades. Se presentan los cambios en la velocidad sísmica relativa utilizando los apilamientos de 2, 5 y 10 días, siendo los últimos dos óptimos para la observación de las variaciones en la velocidad sísmica relativa que pueden deberse a modificaciones en las propiedades del medio del volcán de Pacaya, y que pueden asociarse con distintas etapas de actividad. Se identificaron distintos patrones de variación de velocidad. El periodo eruptivo principal se caracterizó por el aumento en las variaciones sísmicas relativas, con valores positivos cercanos a 0.50 % y valores máximos de 0.75 %. En el periodo post eruptivo presentó un descenso considerable en su etapa inicial, alcanzando valores de -1.0 % . El resto de este periodo presenta cambios en la velocidad sísmica relativa de amplitud mucho menor, manteniéndose en valores negativos cercanos a -0.25 %. La interferometría sísmica pasiva utilizando el enfoque de la autocorrelación de las mismas com ponentes y componentes cruzadas en estaciones independientes, demostró ser un método viable para el volcán de Pacaya. Sin embargo, se recomienda incluir más de una estación para poder realizar una comparación de las variaciones obtenidas y a su vez complementar con las correlaciones cruzadas. Se recomienda evaluar el uso de un apilamiento con un paso de un día para observar cambios más suaves durante el análisis de las coherencias medias y las variaciones en la velocidad sísmica relativa.
Resumen en inglés
This preliminary study explores the use of ambient seismic noise for monitoring the Pacaya volcano in Guatemala. It is part of the Increasing Natural Hazard Resiliency in Guatemala initiative of Geoscientists Without Borders (GWB), in collaboration with the Instituto Nacional de Sismología, Vulcanología, Meteorología e Hidrología (INSIVUMEH). The goal is to understand and assess the ambient seismic noise autocorrelation technique for its future implementation in volcanic observatories, allowing continuous monitoring without the need for a dense network of seismometers. To achieve this, patterns of change in relative seismic velocity are analyzed before, during, and after a period of volcanic activity. The study is based on data from five seismic stations, which were active at different times between 2019 and 2024. The Passive Seismic Interferometry technique was implemented, obtaining and plotting autocorrelation functions of the different components of each station (EE, EN, EZ, NN, NZ, ZZ), which were linearly stacked every 2, 5, and 10 days. These plots were used to determine the moments when each station detected higher correlations at different time delays, indicating changes in volcanic activity. The use of different frequency bands for autocorrelation analysis was explored, performing the procedure with frequencies of (0.7–1.5) Hz, (1.5–4.0) Hz, and (4.0–8.0) Hz. The plots for each station were analyzed using different component combinations for the three frequency bands. Station PCG5 was selected because it was the only one operating during the pre-eruptive, eruptive, and post-eruptive stages. In addition, the frequency band from 1.5 Hz to 4.0 Hz was selected, as it offers the clearest correlations between Pacaya volcano’s activity and its patterns of seismic variation. The Moving Window Cross-Spectral (MWCS) analysis technique was used to estimate relative time delays. For this, the analyzed signal was compared with a previously established reference signal, obtaining average coherence values. Due to the amount of data analyzed, two reference functions were used: December 2019 for data from 2019 to 2021, and November 2022 for data from 2022 to 2024. Relative seismic velocity changes were determined from the relative time delays using a direct relationship between both quantities. Changes in relative seismic velocity are presented using 2-, 5-, and 10-day stacks, with the latter two being optimal for observing variations in relative seismic velocity that may be due to modifications in the properties of the Pacaya volcano’s medium, and that can be associated with different stages of activity. Different patterns of velocity variation were identified. The main eruptive period was characterized by an increase in relative seismic variations, with positive values close to 0.50% and maximum values of 0.75%. In the post-eruptive period, a considerable decrease was observed in its initial stage, reaching values of -1.0%. The rest of this period shows changes in relative seismic velocity of much smaller amplitude, remaining at negative values close to -0.25%. Passive seismic interferometry, using the autocorrelation approach of same and cross components at independent stations, proved to be a viable method for the Pacaya volcano. However, it is recommended to include more than one station to compare the obtained variations and complement them with cross-correlations. It is also recommended to evaluate the use of stacking with a one-day step to observe smoother changes during the analysis of average coherences and variations in relative seismic velocity.
