Understanding magmatic processes and seismo-volcano source localization with multicomponent seismic arrays

Dans cette thèse, nous étudions le problème de la localisation de sources sismo-volcanique, à partir des données enregistrées par des réseaux de capteurs composés de nouveaux sismomètres à trois composantes (3C). Nous nous concentrerons sur le volcan Ubinas, l'un des plus actifs au Pérou. Nous développons une nouvelle approche (MUSIC-3C) basée sur la méthode MUSIC permetant de retourner les 3 paramètres utiles (lenteur, azimut et incidence). Pour valider notre méthodologie, nous analysons des sources synthétiques propagées en tenant compte de la topographie du volcan Ubinas. Dans cette expérience, les données synthétiques ont été générées pour plusieurs sources situées à différentes profondeurs sous le cratère Ubinas. Nous utilisons l'algorithme MUSIC-3C pour les relocaliser. Nous traitons également des données réelles provenant d'une expérience de terrain menée sur le volcan Ubinas (Pérou) en 2009 par les équipes de recherche de l'IRD-France (Institut de Recherche pour le Déveleppment), UCD l'Irlande (projet VOLUME) et l'Institut de Géophysique du Pérou (IGP). Nous utilisons l'algorithme MUSIC-3C pour localiser les événements explosifs (type vulcanien), ce qui nous permet d'identifier et d'analyser les processus physiques de ces événements, à la suite de cette analyse, nous avons trouvé deux sources pour chaque explosion situées à 300 m et 1100 m en dessous du fond du cratère actif. Basé sur les mécanismes éruptifs proposés pour d'autres volcans du même type, nous interprétons la position de ces sources ainsi que les limites du conduit éruptif impliqué dans le processus de fragmentation.In this thesis, we study the seismo-volcanic source localization using data recorded by new sensor arrays composed of three-component (3C) seismometers deployed on Ubinas stratovolcano (Peru). We develop a new framework (MUSIC-3C) of source localization method based on the well-known MUSIC algorithm. To investigate the performance of the MUSIC-3C method, we use synthetic datasets designed from eight broadband isotropic seismic sources located beneath the crater floor at different depths. The fundamental scheme of the MUSIC-3C method exploits the fact of the cross-spectral matrix of 3C array data, corresponding to the first seismic signal arrivals, provides of useful vector components (slowness, back-azimuth and incidence angle) from the seismic source. Application of the MUSIC-3C method on synthetic datasets shows the recovery of source positions. Real data used in this study was collected during seismic measurements with two seismic antennas deployed at Ubinas volcano in 2009, whose experiment conduced by volcanic teams of IRD-France (l'Institute de Recherche pour le Déveleppment), Geophysics group University College Dublin Ireland and Geophysical Institute of Peru (IGP). We apply the MUSIC-3C algorithm to investigate wave fields associated with the magmatic activity of Ubinas volcano. These analysis evidence a complex mechanism of vulcanian eruptions in which their seismic sources are found at two separated sources located at depths of 300 m and 1100 m beneath the crater floor. This implies the reproduction of similar mechanisms into the conduit. Based on the eruptive mechanisms proposed for other volcanoes of the same type, we interpret the position of this sources as the limits of the conduit portion that was involved in the fragmentation process.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Short term forecasting of explosions at Ubinas volcano, Perú

Most seismic eruption forerunners are described using Volcano-Tectonic earthquakes, seismic energy release, deformation rates or seismic noise analyses. Using the seismic data recorded at Ubinas volcano (Peru) between 2006 and 2008, we explore the time evolution of the Long Period (LP) seismicity rate prior to 143 explosions. We resolve an average acceleration of the LP rate above the background level during the 2-3 hours preceding the explosion onset. Such an average pattern, which emerges when stacking over LP time series, is robust and stable over all the 2006-2008 period, for which data is available. This accelerating pattern is also recovered when conditioning the LP rate on the occurrence of an other LP event, rather than on the explosion time. It supports a common mechanism for the generation of explosions and LP events, the magma conduit pressure increase being the most probable candidate. The average LP rate acceleration toward an explosion is highly significant prior to the higher energy explosions, supposedly the ones associated with the larger pressure increases. The dramatic decay of the LP activity following explosions, still reinforce the strong relationship between these two processes. We test and we quantify the retrospective forecasting power of these LP rate patterns to predict Ubinas explosions. The prediction quality of the forecasts (e.g. for 17% of alarm time, we predict 63% of Ubinas explosions, with 58% of false alarms) is evaluated using error diagrams. The prediction results are stable and the prediction algorithm validated, i.e. its performance is better than the random guess

Diseño de un registrador sísmico digital de alta resolución-adqueres

El registro de las ondas sísmicas que hacen vibrar el suelo es una parte fundamental de la sismología e ingeniería sísmica. El presente trabajo describe el diseño e implementación de un registrador sísmico digital de alta resolución, para el rango de frecuencias y rango dinámico de los sensores sísmicos más usados, ya sean estos sismómetros o acelerómetros. El desarrollo del diseño e implementación se llevó a cabo en el Laboratorio de Redes Geofísicas del Instituto Geofísico del Perú. El diseño se basó en la integración de módulos de desarrollo compatibles a la computadora personal con procesador INTEL, con especificaciones para funcionar en forma autónoma en situaciones severas y rudas. Básicamente el hardware del diseño consiste en tres módulos: procesador central, convertidor análogo digital y reloj preciso basado en receptor GPS. El diseño fue implementado para ser un instrumento portátil y robusto, dado las condiciones ambientales de funcionamiento, se guardó una especial atención en el ensamblaje con la finalidad de lograr un instrumento a prueba de agua, con el código de protección IP67. El estado de arte del Registrador Sísmico ADQREDES está basado en los programas desarrollados con el propósito de obtener registros sísmicos digitales con precisión y exactitud. El sistema tiene implementado una aplicación TCP-IP mediante el cual el instrumento está en la capacidad de exportar sus datos hacia otros sistemas sísmicos en tiempo real. El registrador sísmico ADQREDES registra la señal en forma continua y detecta los eventos sísmicos automáticamente mediante el algoritmo STA/LTA.Trabajo de suficiencia profesiona

Understanding magmatic processes and seismo-volcano source localization with multicomponent seismic arrays

Dans cette thèse, nous étudions le problème de la localisation de sources sismo-volcanique, à partir des données enregistrées par des réseaux de capteurs composés de nouveaux sismomètres à trois composantes (3C). Nous nous concentrerons sur le volcan Ubinas, l'un des plus actifs au Pérou. Nous développons une nouvelle approche (MUSIC-3C) basée sur la méthode MUSIC permetant de retourner les 3 paramètres utiles (lenteur, azimut et incidence). Pour valider notre méthodologie, nous analysons des sources synthétiques propagées en tenant compte de la topographie du volcan Ubinas. Dans cette expérience, les données synthétiques ont été générées pour plusieurs sources situées à différentes profondeurs sous le cratère Ubinas. Nous utilisons l'algorithme MUSIC-3C pour les relocaliser. Nous traitons également des données réelles provenant d'une expérience de terrain menée sur le volcan Ubinas (Pérou) en 2009 par les équipes de recherche de l'IRD-France (Institut de Recherche pour le Déveleppment), UCD l'Irlande (projet VOLUME) et l'Institut de Géophysique du Pérou (IGP). Nous utilisons l'algorithme MUSIC-3C pour localiser les événements explosifs (type vulcanien), ce qui nous permet d'identifier et d'analyser les processus physiques de ces événements, à la suite de cette analyse, nous avons trouvé deux sources pour chaque explosion situées à 300 m et 1100 m en dessous du fond du cratère actif. Basé sur les mécanismes éruptifs proposés pour d'autres volcans du même type, nous interprétons la position de ces sources ainsi que les limites du conduit éruptif impliqué dans le processus de fragmentation.In this thesis, we study the seismo-volcanic source localization using data recorded by new sensor arrays composed of three-component (3C) seismometers deployed on Ubinas stratovolcano (Peru). We develop a new framework (MUSIC-3C) of source localization method based on the well-known MUSIC algorithm. To investigate the performance of the MUSIC-3C method, we use synthetic datasets designed from eight broadband isotropic seismic sources located beneath the crater floor at different depths. The fundamental scheme of the MUSIC-3C method exploits the fact of the cross-spectral matrix of 3C array data, corresponding to the first seismic signal arrivals, provides of useful vector components (slowness, back-azimuth and incidence angle) from the seismic source. Application of the MUSIC-3C method on synthetic datasets shows the recovery of source positions. Real data used in this study was collected during seismic measurements with two seismic antennas deployed at Ubinas volcano in 2009, whose experiment conduced by volcanic teams of IRD-France (l'Institute de Recherche pour le Déveleppment), Geophysics group University College Dublin Ireland and Geophysical Institute of Peru (IGP). We apply the MUSIC-3C algorithm to investigate wave fields associated with the magmatic activity of Ubinas volcano. These analysis evidence a complex mechanism of vulcanian eruptions in which their seismic sources are found at two separated sources located at depths of 300 m and 1100 m beneath the crater floor. This implies the reproduction of similar mechanisms into the conduit. Based on the eruptive mechanisms proposed for other volcanoes of the same type, we interpret the position of this sources as the limits of the conduit portion that was involved in the fragmentation process

Compréhension des processus magmatiques et localisation des sources sismo-volcaniques avec des antennes sismiques multicomposantes

In this thesis, we study the seismo-volcanic source localization using data recorded by new sensor arrays composed of three-component (3C) seismometers deployed on Ubinas stratovolcano (Peru). We develop a new framework (MUSIC-3C) of source localization method based on the well-known MUSIC algorithm. To investigate the performance of the MUSIC-3C method, we use synthetic datasets designed from eight broadband isotropic seismic sources located beneath the crater floor at different depths. The fundamental scheme of the MUSIC-3C method exploits the fact of the cross-spectral matrix of 3C array data, corresponding to the first seismic signal arrivals, provides of useful vector components (slowness, back-azimuth and incidence angle) from the seismic source. Application of the MUSIC-3C method on synthetic datasets shows the recovery of source positions. Real data used in this study was collected during seismic measurements with two seismic antennas deployed at Ubinas volcano in 2009, whose experiment conduced by volcanic teams of IRD-France (l'Institute de Recherche pour le Déveleppment), Geophysics group University College Dublin Ireland and Geophysical Institute of Peru (IGP). We apply the MUSIC-3C algorithm to investigate wave fields associated with the magmatic activity of Ubinas volcano. These analysis evidence a complex mechanism of vulcanian eruptions in which their seismic sources are found at two separated sources located at depths of 300 m and 1100 m beneath the crater floor. This implies the reproduction of similar mechanisms into the conduit. Based on the eruptive mechanisms proposed for other volcanoes of the same type, we interpret the position of this sources as the limits of the conduit portion that was involved in the fragmentation process.Dans cette thèse, nous étudions le problème de la localisation de sources sismo-volcanique, à partir des données enregistrées par des réseaux de capteurs composés de nouveaux sismomètres à trois composantes (3C). Nous nous concentrerons sur le volcan Ubinas, l'un des plus actifs au Pérou. Nous développons une nouvelle approche (MUSIC-3C) basée sur la méthode MUSIC permetant de retourner les 3 paramètres utiles (lenteur, azimut et incidence). Pour valider notre méthodologie, nous analysons des sources synthétiques propagées en tenant compte de la topographie du volcan Ubinas. Dans cette expérience, les données synthétiques ont été générées pour plusieurs sources situées à différentes profondeurs sous le cratère Ubinas. Nous utilisons l'algorithme MUSIC-3C pour les relocaliser. Nous traitons également des données réelles provenant d'une expérience de terrain menée sur le volcan Ubinas (Pérou) en 2009 par les équipes de recherche de l'IRD-France (Institut de Recherche pour le Déveleppment), UCD l'Irlande (projet VOLUME) et l'Institut de Géophysique du Pérou (IGP). Nous utilisons l'algorithme MUSIC-3C pour localiser les événements explosifs (type vulcanien), ce qui nous permet d'identifier et d'analyser les processus physiques de ces événements, à la suite de cette analyse, nous avons trouvé deux sources pour chaque explosion situées à 300 m et 1100 m en dessous du fond du cratère actif. Basé sur les mécanismes éruptifs proposés pour d'autres volcans du même type, nous interprétons la position de ces sources ainsi que les limites du conduit éruptif impliqué dans le processus de fragmentation