MSc Thesis (PDF document)
Size of Popocatepetl Volcano Explosions From Waveform Inversion
Advisors: Dr. Javier Pacheco Alvarado and Dr. Shri Krishna Singh
Abstract
Several volcanic explosions have been recorded since April 1997 at broadband seismic stations located around the Popocatepetl volcano, Mexico . We have inverted waveforms of ten of these explosions to estimate the following source parameters: depth, duration, magnitude and direction of the single force, F . The crustal structure used in generating Green's function at nearest stations is derived from the inversion of teleseismic receiver functions at a station, PPIG, located 5 km north of the volcano. This inversion reveals a low velocity zone at ~8 km beneath the summit with high Poisson ratio, possibly related to the magma chamber. We find that F scales with t , the duration of triangular source-time function, as
. Based on this relationship we determine an impulse magnitude scale, M k . This magnitude is tied to the Mount Saint Helens initial explosive phase of May 18, 1980 , whose magnitude is estimated as 4.6. Finally, based on
scaling, we also propose an equivalent formula for rapid estimation of magnitude of future Popocatepetl explosions, which requires filtered amplitudes at the permanent broadband station of PPIG. M k of the Popocatepetl explosions to date ranges between 1.8 and 3.2.
For further infromation, see the following publication: Cruz-Atienza et al., 2001.
Análisis Cuantitativo de Formas de Onda en el Volcán Popocatépetl
Directores de Tesis: Dr. Javier Pacheco Alvarado y Dr. Shri Krishna SinghResumen
El 21 de Diciembre de 1994, después de 70 años de una actividad fumarólica casi insignificante, el volcán Popocatépetl produjo una gran exhalación de ceniza y gases que representó el comienzo de una nueva etapa de actividad volcánica. En Marzo de 1996 se observó por primera vez el crecimiento de un domo de lava en la base del cráter del volcán. El 29 de Abril de 1997 una gran explosión destruyó el domo previamente formado. La formación de nuevos domos y su eventual destrucción es el mecanismo que ha dado origen a las cuantiosas explosiones que se han presentado hasta la fecha. Desde entonces, 27 de ellas fueron registradas por estaciones de banda ancha hasta Enero del 2001. La señal dominante en la banda de 10 a 30 s claramente corresponde a un pulso de Lamb. En consecuencia, se asumió el modelo de fuente explosiva propuesto por Kanamori y Given (1983) para diseñar un algoritmo de inversión que permitió determinar los siguientes parámetros: profundidad, duración, magnitud y dirección de la fuerza puntual, F , aplicada sobre el terreno durante las explosiones. Para el cálculo de las funciones de Green durante el análisis de la fuente en las estaciones más cercanas, se determinó la estructura cortical de velocidades invirtiendo funciones de receptor con “Simulated Annealing” en la estación PPIG, localizada 5 km al norte del volcán. Las funciones de receptor observadas mostraron características comunes que solamente pueden explicarse incluyendo una zona de baja velocidad (ZBV) cercana a la superficie. El modelado de las funciones confirmó la presencia de la ZBV aproximadamente a 8 km abajo del cráter, con una relación de Poisson anómalamente alta (
), posiblemente relacionada a la cámara magmática del volcán.
Las inversiones de la fuente explosiva de los 10 eventos analizados revelaron una ley de escalamiento entre la magnitud de la fuerza, F , y la duración de la fuente, t , dada por
, satisfaciendo expectativas teóricas. Por otro lado, F es proporcional a la amplitud de las ondas registradas, A , de acuerdo con lo predicho por la teoría de la elasticidad:
. Además, considerando que la función de fuente es triangular, el impulso de la fuerza queda definido por
. Entonces, combinando estas últimas tres relaciones, fue posible derivar dos escalas de magnitud, M k , equivalentes. Ambas están referidas a la magnitud de la fase inicial de la erupción del Santa Elena (18 de Mayo de 1980), estimada en 4.6. La primera de ellas, que depende de K , es de carácter universal. La segunda, que depende de la amplitud de las ondas registradas en la estación PPIG, permite hacer determinaciones sistemáticas pocos minutos después de haber ocurrido una explosión en el Popocatépetl. Las magnitudes, M k , de los 27 eventos registrados van de 1.8 a 3.2. La magnitud de las componentes horizontales de las fuerzas invertidas representa, en promedio, el
de las componentes verticales. Esto se ve reflejado en el patrón de radiación y las grandes amplitudes registradas en los sismogramas transversales.