Ciencias de la Vida y de la Tierra

Volcanología

El grupo de Volcanología busca la generación de conocimiento para entender mejor nuestro Planeta, evaluar peligros geológicos y utilizar sosteniblemente sus recursos naturales.

Esta ambiciosa visión se articula en investigación fundamental, en particular sobre el volcanismo de Canarias, sobre procesos magmáticos y volcánicos, así como ciencia aplicada como el desarrollo de instrumentación geofísica y herramientas de alerta temprana en volcanes.

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Teide
Presentación

Nuestra investigación se dedica a comprender los volcanes y sus sistemas magmáticos. Estudiamos la estructura y dinámica de la litosfera, la reología de la deformación de rocas y magmas, las interacciones fluido-roca y establecemos tasas y frecuencia de procesos volcánicos. Para ello, utilizamos una amplia gama de técnicas geológicas y geofísicas, junto con métodos analíticos y numéricos avanzados. Este conocimiento nos permite evaluar peligrosidad sísmica y volcánica, asesorar a actores sociales basándonos en escenarios probables de crisis volcánica, así como aprovechar mejor recursos geológicos y paisajísticos.

Debido a nuestra ubicación en la isla de Tenerife (el tercer volcán más grande de la Tierra), mucha de nuestra actividad investigadora se centra en el volcanismo de islas oceánicas. Sin embargo, tenemos una amplia gama de intereses de investigación y trabajamos activamente en otro tipo de volcanismo y ambientes tectónicos.

Dinámica de los magmas: generación, transporte y erupción
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Los magmas se generan en el manto terrestre, ascienden desde el interior del planeta a la superficie culminando en erupciones. Este es un marco conceptual correcto pero muy básico, claramente insuficiente. Es sorprendente, pero no sabemos mucho más sobre esta dinámica. Por ejemplo, desconocemos a qué velocidad se generan y ascienden los magmas en el manto, cómo los magmas se movilizan en la corteza tras largo periodos de almacenamiento y antes de erupciones volcánicas o, en última instancia, qué controla la fragmentación de los magmas es decir si una erupción será efusiva o explosiva. Nuestra investigación contribuye a generar un conocimiento básico, que nos ayude a evaluar peligros volcánicos.

Procesos y peligros volcánicos

Los volcanes son la expresión visible de sistemas magmáticos profundos, que se extienden desde el manto superior hasta la superficie. Los procesos magmáticos que preceden la mayoría de la actividad eruptiva tienen lugar a varios kilómetros debajo de la superficie de la Tierra. Nuestro grupo utiliza técnicas geofísicas para comprender estos peligros, y crea nuevas herramientas para vigilar y pronosticar terremotos y actividad volcánica. A su vez, también utilizamos métodos geológicos para constreñir las tasas y la frecuencia de procesos volcánicos y así evaluar el peligro que representa. Estamos interesados en una amplia variedad de procesos volcánicos, desde colapsos catastróficos de flancos de islas y la propagación de tsunamis hasta la datación y generación de mapas de productos volcánicos eruptivos. En particular, nuestro grupo es líder mundial en el uso de interferometría de radar por satélite (InSAR) con las que obtenemos imágenes de la superficie de la Tierra para medir la deformación del terreno debido a procesos geofísicos. Con esta información, desarrollamos modelos analíticos y numéricos para, por ejemplo, pronosticar la propagación y almacenamiento de magma antes y durante erupciones volcánicas.

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Volcanología
Geodinámica: evolución del sistema litosfera-astenosfera en el tiempo y el espacio
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El contexto geodinámico de los sistemas magmáticos tiene un profundo efecto en la arquitectura de los volcanes. Los procesos volcánicos y tectónicos interactúan de manera compleja, creando dependencias en cascada y de retroalimentación (feedback). En nuestro grupo buscamos una comprensión cuantitativa de los procesos de deformación litósfericos (cinemática y su comportamiento reológico de materiales), nuestra investigación intenta integrar la observación de terremotos y erupciones que se producen instantáneamente hasta la formación de provincias volcánicas a escala de tiempo geológico. Al hacerlo, integramos metodologías geofísicas, geodésicas y geológicas para desentrañar la evolución multi-escala de las provincias volcánicas, y cómo estas se ven afectadas y modifican la estructura de la litosfera.

Recursos naturales: interacción de roca y fluidos en la corteza terrestre

Los reservorios geológicos, son sistemas porosos y permeables que almacenan fluidos (agua, gas o petróleo). Los depósitos responden a la recarga y descarga natural y antropogénica mediante cambios en el almacenamiento y la presión de poro del fluido, lo que afecta el flujo de fluidos. La vigilancia y la comprensión de los cambios en el almacenamiento de fluidos es esencial para gestionar sosteniblemente los recursos naturales. En nuestro grupo, trabajamos con un enfoque holístico para detectar cambios en reservorios geológicos, principalmente desde un enfoque geomecánico (acoplamiento de la deformación y el flujo de fluidos). Nos basamos en una experiencia de investigación extensa en problemas mecánicos asociados a la actividad volcánica y sísmica. Aspiramos a que a través del estudio de sistemas permeables multifásicos y multiescala, característicos de los reservorios geológicos, podremos aprender lecciones importantes con los que resolver problemas relacionados con la volcanología.

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Publicaciones destacadas

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Temperature and Gaseous Emission

Spatial and Temporal Analysis of Temperature and Gaseous Emission Inside a Gallery in An Active Volcanic Island (Tenerife, Canary Islands)

In Tenerife there are a vast number of sub-horizontal blind water mines, called “galleries”. Seven air and soil temperatures and CO2 concentration profiles in air were carried out inside the Río de Guía gallery (hereinafter RdG). An anomalous stable maximum temperature point (hereinafter MTP) was found around 2000 m from the entrance. During the warm period, a clear CO2 stagnation was detected before MTP, showing concentrations up to 14,000 ppm. In order to study gas emission and its dynamics inside the gallery, four stations were deployed around MTP. All stations recorded air and soil temperatures, and CO2 and Rn concentration in air from November 2009 to January 2011. After analyzing this dataset, it was possible to characterize the influence of MTP. This thermal anomaly divided the gallery into two sections. In the cold period, the outer section located outwards from MTP became colder while the inner section warmed up owing to a less heat transfer into the deepest part of the gallery. There were several short periods when variations in barometric pressure created an advection movement that was able to temporally change the gas behavior inside the gallery. Two soil gas samples were taken around MTP and their δ13C (CO2) ratios suggested a magmatic origin. All data were combined to create a model for the gas and thermal dynamics inside the gallery. This model, together with identification of background levels in each parameter, allows to identify any anomalous signal that could be elated with changes in volcanic activity.

Torres-González, Pedro; Moure-García, David; Luengo-Oroz, Natividad; Villasante-Marcos, Víctor; Soler, Vicente; Iribarren, Ilaskiñe; Jiménez-Abizanda, Ana; García-Fraga, José

Pure and Applied Geophysics 176(8): 3467–3485 (2019)
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Eruption of Fogo Volcano

The 2014–2015 eruption of Fogo volcano: Geodetic modeling of Sentinel‐1 TOPS interferometry

After 20 years of quiescence, Fogo volcano erupted in November 2014. The eruption produced fast‐moving lava flows that traveled for several kilometers and destroyed two villages. This event represents the first episode of significant surface deformation imaged by the new European Space Agency's Sentinel‐1 satellite in its standard acquisition mode, Terrain Observation by Progressive Scans (TOPS), which differs from that of previous synthetic aperture radar (SAR) missions. We perform a Bayesian inversion of Sentinel‐1 TOPS SAR interferograms spanning the eruption and accurately account for variations in the TOPS line‐of‐sight vector when modeling displacements. Our results show that magma ascended beneath the Pico do Fogo cone and then moved laterally toward its southwestern flank, where the eruptive fissure opened. This study provides important insights into the inner workings of Fogo volcano and shows the potential of Sentinel‐1 TOPS interferometry for geophysical (e.g., volcano monitoring) applications.

González, Pablo J.; Bagnardi, Marco; Hooper, Andrew J.; Larsen, Yngvar; Marinkovic, Petar; Samsonov, Sergey V.; Wright, Tim J.

Geophysical Research Letter 42(21): 9239-9246 (2015)
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Magma storage and migration associated

Magma storage and migration associated with the 2011–2012 El Hierro eruption: Implications for crustal magmatic systems at oceanic island volcanoes

[1] Starting in July 2011, anomalous seismicity was observed at El Hierro Island, a young oceanic island volcano. On 12 October 2011, the process led to the beginning of a submarine NW‐SE fissural eruption at ~15 km from the initial earthquake loci, indicative of significant lateral magma migration. Here we conduct a multifrequency, multisensor interferometric analysis of spaceborne radar images acquired using three different satellite systems (RADARSAT‐2, ENVISAT, and COSMO‐SkyMed (Constellation of Small Satellites for Mediterranean Basin Observation)). The data fully captures both the pre‐eruptive and coeruptive phases. Elastic modeling of the ground deformation is employed to constrain the dynamics associated with the magmatic activity. This study represents the first geodetically constrained active magmatic plumbing system model for any of the Canary Islands volcanoes, and one of the few examples of submarine volcanic activity to date. Geodetic results reveal two spatially distinct shallow (crustal) magma reservoirs, a deeper central source (9.5 ± 4.0 km), and a shallower magma reservoir at the flank of the southern rift (4.5 ± 2.0 km). The deeper source was recharged, explaining the relatively long basaltic eruption, contributing to the observed island‐wide uplift processes, and validating proposed active magma underplating. The shallowest source may be an incipient reservoir that facilitates fractional crystallization as observed at other Canary Islands. Data from this eruption supports a relationship between the depth of the shallow crustal magmatic systems and the long‐term magma supply rate and oceanic lithospheric age. Such a relationship implies that a factor controlling the existence/depth of shallow (crustal) magmatic systems in oceanic island volcanoes is the lithosphere thermomechanical behavior.

González, Pablo J.; Samsonov, Sergey V.; Pepe, Susi; Tiampo, Kristy F.; Tizzani, Pietro; Casu, Francesco; Fernández, José; Camacho, Antonio G.; Sansosti, Eugenio

JGR Solid Earth 118(8): 4361-4377 (2013)
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Himalayan megathrust geometry

Himalayan megathrust geometry and relation to topography revealed by the Gorkha earthquake

The Himalayan mountain range has been the locus of some of the largest continental earthquakes, including the 2015 magnitude 7.8 Gorkha earthquake. Competing hypotheses suggest that Himalayan topography is sustained and plate convergence is accommodated either predominantly on the main plate boundary fault, or more broadly across multiple smaller thrust faults. Here we use geodetic measurements of surface displacement to show that the Gorkha earthquake ruptured the Main Himalayan Thrust fault. The earthquake generated about 1 m of uplift in the Kathmandu Basin, yet caused the high Himalaya farther north to subside by about 0.6 m. We use the geodetic data, combined with geologic, geomorphological and geophysical analyses, to constrain the geometry of the Main Himalayan Thrust in the Kathmandu area. Structural analyses together with interseismic and coseismic displacements are best explained by a steep, shallow thrust fault flattening at depth between 5 and 15 km and connecting to a mid-crustal, steeper thrust. We suggest that present-day convergence across the Himalaya is mostly accommodated by this fault—no significant motion on smaller thrust faults is required. Furthermore, given that the Gorkha earthquake caused the high Himalayan mountains to subside and that our fault geometry explains measured interseismic displacements, we propose that growth of Himalayan topography may largely occur during the ongoing post-seismic phase.

Elliott, J. R.; Jolivet, R.; González, P. J.; Avouac, J.-P.; Hollingsworth, J.; Searle, M. P.; Stevens, V. L. 

Nature Geoscience 9: 174–180 (2016)
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Surface uplift and time-dependent seismic hazard

Surface uplift and time-dependent seismic hazard due to fluid injection in eastern Texas

Observations that unequivocally link seismicity and wastewater injection are scarce. Here we show that wastewater injection in eastern Texas causes uplift, detectable in radar interferometric data up to >8 kilometers from the wells. Using measurements of uplift, reported injection data, and a poroelastic model, we computed the crustal strain and pore pressure. We infer that an increase of >1 megapascal in pore pressure in rocks with low compressibility triggers earthquakes, including the 4.8–moment magnitude event that occurred on 17 May 2012, the largest earthquake recorded in eastern Texas. Seismic activity increased even while injection rates declined, owing to diffusion of pore pressure from earlier periods with higher injection rates. Induced seismicity potential is suppressed where tight confining formations prevent pore pressure from propagating into crystalline basement rocks.

Shirzaei, M.; Ellsworth, W. L.; Tiampo, K. F.; Gonzalez, P. J.; Manga, M.

Science 353 (6306): 1416-1419 (2016)
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High‐resolution digital elevation model from tri‐stereo Pleiades‐1

High‐resolution digital elevation model from tri‐stereo Pleiades‐1 satellite imagery for lava flow volume estimates at Fogo Volcano

Resolving changes in topography through time using accurate high‐resolution digital elevation models (DEMs) is key to understanding active volcanic processes. For the first time in a volcanic environment, we utilize very high‐resolution tri‐stereo optical imagery acquired by the Pleiades‐1 satellite constellation and generate a 1 m resolution DEM of Fogo Volcano, Cape Verde—the most active volcano in the Eastern Atlantic region. Point cloud density is increased by a factor of 6.5 compared to conventional stereo imagery, and the number of 1 m2 pixels with no height measurements is reduced by 43%. We use the DEM to quantify topographic changes associated with the 2014–2015 eruption at Fogo. Height differences between the posteruptive Pleiades‐1 DEM and the preeruptive topography from TanDEM‐X give a lava flow volume of 45.83 ± 0.02 × 106 m3, emplaced over an area of 4.8 km2 at a mean rate of 6.8 m3 s−1.

Bagnardi, Marco; González, Pablo J.; Hooper, Andrew

Geophysical Research Letters 43(12): 6267-627 (2016)

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