Tratamiento de series temporales geodésicas GNSS-GPS para seguimiento y vigilancia de la actividad volcánicadilatómetro e inclinómetro espacial. Aplicación a las islas decepción (Antártida) y el Hierro (Canarias)

Resumen

Diversos métodos son empleados para el seguimiento de la actividad volcánica. Entre ellos se encuentra la gravimetría, el geomagnetismo y la tomografía sísmica para detectar magma en profundidad y su movimiento, la sismología para registrar las vibraciones provocadas por el movimiento del magma, el análisis de temperatura y la composición de gases y fumarolas para identificar magma a baja profundidad, y el uso de técnicas geodésicas incluyendo el de dilatómetros e inclinómetros para medir la deformación superficial de la corteza producido por el movimiento del magma. De entre las técnicas geodésicas, aquellas basadas en las constelaciones de satélites GNSS (Global Navigation Satellite Systems), en particular la GPS (Global Positioning System), se benefician del sincronismo, precisión y alta frecuencia de las medidas, y además del bajo consumo, gran capacidad de almacenamiento de datos y robustez de los aparatos receptores, que les permite gran autonomía. La precisión que se puede lograr alcanzar depende de la distancia relativa existente entre las estaciones así como del tiempo de las sesiones establecidas en la observación; pero siempre es independiente de la intervisibilidad entre dichas estaciones. Dependiendo de la distancia entre las estaciones y de las distintas metolodogías GNSS-GPS en el posicionamiento relativo entre estaciones implicadas en las observaciones empleadas se obtienen precisiones milimétricas o centimétricas en el peor de los casos. En estas precisiones influyen fenómenos y circunstancias como la estacionalidad, carga oceánica, configuración geométrica de la constelación observada, efectos multitrayectoria, presencia de obstáculos en el horizonte, estado de la ionosfera y refracción atmosférica, entre otros. La eliminación de estos fenómenos o la apropiada modelización de los mismos proporcionará unas precisiones adecuadas para los propósitos perseguidos. El empleo de sistemas espaciales GNSS-GPS para el seguimiento y vigilancia de la actividad volcánica ha venido a sustituir el de los métodos tradicionales geodésicos clásicos basados en procedimientos de nivelación geodésica o geométrica y medidas de distanciometría, pues la utilización de dilatómetros y inclinómetros prácticamente se han remitido a su instalación en laboratorios; por ejemplo, el Laboratorio Geodinámico de la Casa de los Volcanes en la isla de Lanzarote. Esto suponía en el primer caso una implicación del observador a vigilar en el propio terreno y la consecuente peligrosidad del mismo y por otro un exceso de localidad de los métodos desplegados en laboratorio; aparte de las menores precisiones alcanzadas en el primer caso. Si bien es cierto que el sistema GNSS-GPS se ha utilizado con éxito para la determinación de la deformación superficial en áreas tectónica y volcánicamente activas y su evaluación para realizar seguimiento de esta actividad geodinámica; las exigencias tecnológicas y científicas han producido mayores dificultades a la hora de su utilización en la vigilancia volcánica; entendiendo como tal, establecer el grado de riesgo y peligrosidad de un volcán en tiempo real. Otro aspecto esencial a tener en cuenta es el empleo de la deformación superficial como precursor del inicio de un proceso volcánico, pues este hecho implica mayores exigencias no ya desde el punto de vista instrumental, sino también en la uso de herramientas matemáticas y el desarrollo de algoritmos apropiados para su tratamiento; pasando ineludiblemente por considerar el histórico de los datos y resultados precedentes; es decir, un tratamiento de las series temporales establecidas para obtener modelos predictivos lo más exactos y precisos, tanto para el seguimiento como para la vigilancia volcánica. El entorno volcánico de aplicación de los métodos y algoritmos desarrollados inicial es la isla Decepción (Antártida). El volcán y sus condiciones de aislamiento constituye un laboratorio natural para las Ciencia de la Tierra, pues las interferencias antrópicas son prácticamente inexistentes, sobre todo en cuestiones relativas a emisión de radiofrecuencias o interacciones con la instrumentación o con el medio que siempre introducen ruido en las observaciones, a veces totalmente incontrolado y de difícil modelización o eliminación. Desde la campaña 2001-2002 se han establecido tres vértices de la red geodésica REGID como estaciones de referencia principales para la investigación de la actividad geodinámica en la isla Decepción, instalándose equipos GNSS-GPS en observación permanente durante cada verano austral. Estas estaciones son: BEGC (Base Española Gabriel de Castilla), FUMA (Bahía Fumarolas) y PEND (Caleta Péndulo), en la Isla Decepción; a las cuales se ha añadido BEJC (Base Antártica Española Juan Carlos I), en la Isla Livingston. La última actúa como estación de referencia externa al no estar sometida a la actividad volcánica de la isla Decepción. Sin embargo, la isla Livingston está a la distancia necesaria de la isla Decepción para garantizar unos resultados en el procesado relativo suficientes para discriminar la actividad tectónica y la volcánica que acontece en dicho volcán. Así pues, el objetivo principal de esta tesis doctoral consiste en establecer nuevos métodos en el tratamiento de series temporales GNSS-GPS para obtener resultados más precisos tanto en el seguimiento como en la vigilancia volcánica. El tratamiento de los datos experimentales GNSS-GPS se efectuará con el software científico Bernese 5.0 y herramientas matemáticas e estadísticas necesarias a la obtención de mejor repetibilidad en las soluciones. Finalmente, destacar la innovación tecnológica y científica que supone el desarrollo para la vigilancia volcánica de la definición del dilatómetro e inclinómetro espacial a partir del análisis de las series temporales obtenidas por la norma y la inclinación del vector normal al plano definido por tres estaciones que proporcionan un nuevo y diferente concepto de vigilancia volcánica. Como previsto, los métodos desarrollados se han aplicado en tiempo casi real en Decepción, pero su aplicabilidad se ha probado en la vigilancia del proceso volcánico en la isla El Hierro (Canarias). En este ultimo caso, la posibilidad de tener soluciones sub-diurnas ha permitido reconocer cambios de tendencias en la deformación de la superficie del volcán más temprano y con igual precisión que las soluciones diurnas, aportando información relevante. Así que, este trabajo de tesis doctoral incluye el desarrollo de herramientas para vigilancia y el seguimiento de volcanes activos, y su aplicación a las islas volcánicas de Decepción y El Hierro, en las cuales ha tenido un papel fundamental en el aporte de seguridad.