Sensibilidad de ondas Rayleigh a cambios de saturación de fluidos en sistemas hidrotermales volcánicos

CASTROMÁN, GABRIEL A.; ROSAS-CARBAJAL, MARINA; BARBOSA, NICOLÁS D.; HEAP, MICHAEL; CAUDRON, CORENTIN; BURTIN, ARNAUD; ZYSERMAN, FABIO I.

Congreso; XXX Reunión científica de la Asociación Argentina de Geofísicos y Geodestas; 2024

La presencia de sistemas hidrotermales en las regiones volcánicas impacta considerablemente en el flujo de fluidos y la transferencia de calor que tienen lugar en los volcanes activos, lo cual puede afectar al análisis de la actividad volcánica en la región y dificultar la detección de precursores de erupciones. Esto se debe a que ciertas amenazas volcánicas como las erupciones freáticas, el colapso parcial o total del edificio volcánico, la liberación espontánea de gases tóxicos y las explosiones laterales pueden estar directamente relacionadas con la circulación, el cambio de estado y la presurización de los fluidos porales presentes en el sistema. Dada la compleja dinámica de los volcanes, su estudio integral requiere de la combinación de observaciones in situ en la superficie (por ejemplo, temperatura y composición de los gases) y la caracterización de su interior mediante técnicas remotas. En este último caso, los métodos geofísicos basados en fuentes pasivas han mostrado un gran potencial en los últimos años para el monitoreo de la actividad hidrotermal volcánica, en especial la interferometría de ruido sísmico. La interferometría sísmica, en general, se basa en la correlación de registros obtenidos en distintas locaciones sobre la superficie con el fin de determinar la respuesta impulsiva del medio ubicado entre ellas. A través del monitoreo continuo de esta respuesta es posible observar variaciones en la velocidad del campo de ondas sísmicas con respecto a un valor de referencia, las cuales pueden asociarse a cambios en las propiedades del medio estudiado, contribuyendo así a su caracterización. En particular, la interferometría de ruido sísmico es una técnica pasiva que utiliza el registro de las pequeñas vibraciones, aleatorias y continuas, características del lugar de observación, lo que se denomina ruido sísmico ambiental. Dado que esta señal está formada principalmente por ondas superficiales, la mayor parte de los estudios sobre el uso de la interferometría de ruido ambiental recurren a las características de estas ondas en general, y de las ondas Rayleigh en particular. En el presente trabajo exploramos la sensibilidad de las ondas Rayleigh a cambios en la distribución espacial del contenido de agua en sistemas hidrotermales volcánicos. Las variaciones relativas de velocidad observadas con interferometría de ruido sísmico en estos sistemas suelen mostrar una correlación inversa con la profundidad de la tabla de agua, y su interpretación se realiza mediante modelos simples que asumen un valor de saturación espacialmente uniforme por encima de la misma. Sin embargo, es esperable que el contenido de agua dentro de esta región, denominada zona no saturada del sistema, se distribuya de manera no uniforme, generando perfiles de saturación parcial con la profundidad. Con el objetivo de mejorar la interpretación de las variaciones relativas de velocidad mencionadas, proponemos la implementación de un modelo de física de rocas más realista que los empleados usualmente, el cual permite incorporar perfiles de saturación parcial de agua en el cálculo de las velocidades de onda Rayleigh y cuantificar así cómo impacta su presencia. El modelo en cuestión consiste en la combinación de (1) las ecuaciones de Gassmann-Wood para obtener la respuesta sísmica efectiva de un medio poroelástico total o parcialmente saturado, (2) el perfil de saturación parcial del suelo dado por el modelo de van Genuchten y (3) el método de escalado de propiedades elásticas dado por Hoek-Diederichs. Adicionalmente, el marco geológico elegido para el modelo fue el domo del volcán La Soufrière de Guadalupe (Caribe Oriental, Francia), el cual es representado mediante una capa de espesor variable compuesta por una andesita con elevados niveles de alteración hidrotermal que se ubica por encima de un semiespacio formado por una andesita relativamente no alterada que representa el basamento volcánico. Los valores utilizados para los parámetros poroelásticos que intervienen en el modelado, como ser la porosidad y los módulos elásticos de las rocas, corresponden a mediciones de laboratorio llevadas a cabo en muestras del volcán La Soufrière con distintos grados de alteración hidrotermal. Las curvas de dispersión y las variaciones de velocidad de onda Rayleigh relativas a un nivel de referencia computadas mediante el modelo propuesto fueron comparadas con aquellas calculadas a través de los modelos usualmente empleados de saturación uniforme. Esta comparación se realizó teniendo en cuenta cambios en la profundidad de la tabla de agua con respecto a un valor medio y el grado de alteración hidrotermal de las rocas en el sistema.Los resultados obtenidos al considerar un bajo grado de alteración hidrotermal muestran que las variaciones relativas de la velocidad para el rango de frecuencias considerado (0.5 Hz a 5 Hz) no difieren entre las obtenidas con una distribución no uniforme y una uniforme. Esto indica que las ondas Rayleigh tendrían dificultad para reconocer la presencia de un perfil de saturación parcial con rocas de baja alteración. Sin embargo, los resultados para un alto grado de alteración hidrotermal sugieren que existen diferencias apreciables en la magnitud de estas variaciones de velocidad, sugiriendo que las ondas Rayleigh serían sensibles a la presencia de un perfil de saturación de agua en la zona no saturada. Para el modelo propuesto en este trabajo, dado que la saturación parcial cambia con la profundidad dentro del sistema, las propiedades elásticas efectivas también lo hacen, generando así una mayor variabilidad de la región del subsuelo que es observada por la onda Rayleigh para cada frecuencia, en comparación al caso de saturación uniforme. Como consecuencia, las diferencias mencionadas dependen fuertemente de la frecuencia de observación del estudio.