Implementación de una herramienta software para localización de eventos volcánicos a partir del análisis de señales infrasónicas registradas por los observatorios vulcanológicos y sismológicos de Colombia

Abstract

El desarrollo de herramientas en el monitoreo volcánico es uno de los principales retos que existen para los investigadores, geólogos y geofísicos. Las técnicas que se utilizan para detectar y caracterizar el comportamiento interno de un volcán permiten obtener información sobre su actividad y posible riesgo para las comunidades. Una de las técnicas utilizadas para esta tarea es el seguimiento de la actividad infrasónica volcánica; teniendo en cuenta que los volcanes producen una serie de fenómenos que emiten señales de infrasonido como los ocurridos durante las erupciones, ocasionando: explosiones, columnas eruptivas, flujos de lodo, lahares y salida de gases. Existen diferentes métodos para detectar las señales infrasónicas, y para cada uno se deben tener en cuenta consideraciones específicas que permitan el desarrollo de la técnica. En el Servicio Geológico Colombiano, se desarrolló un software que, mediante el uso de la función de correlación cruzada entre un par de sensores acústicos, permite detectar las señales de infrasonido producidas por los volcanes, generando un correlograma donde se pueden visualizar los eventos detectados. Así mismo, el software permite calcular parámetros asociados con este tipo de ondas como los azimuts o ángulos de incidencia de la fuente emisora y sus incertidumbres. En este trabajo se analizaron los ángulos de incidencia para implementar una técnica de localización de los eventos mediante el desarrollo de una herramienta software que permita automatizar el proceso que determina la ubicación del evento. Sin embargo, muchos de estos datos se pueden ver afectados porque las ondas de infrasonido son perturbadas por factores ambientales, como los fuertes vientos, las variaciones de los gradientes de temperatura en el medio y la dependencia de la dinámica atmosférica, afectando la trayectoria de las ondas. Otro factor que considerar son los fenómenos antrópicos que pueden ser capturados por los sensores y catalogados como una detección de un evento volcánico. Además, se deben tener en cuenta las incertidumbres de estos ángulos ya que los arreglos infrasónicos con distancias de separación cortas entre los sensores ocasionan que el retardo sea cercano a cero, lo cual implica una mayor incertidumbre en el cálculo de los datos. Para encontrar la ubicación de las fuentes, se utilizan técnicas como búsqueda en cuadricula, técnicas basadas en redes, localización inversa, modelos de tiempo inverso, entre otras. En este sistema, la metodología de localización se basó en la triangulación de los ángulos inversos (back azimuth) y el cálculo del área formada por los interceptos entre los ángulos inversos proyectados, utilizando técnicas como la localización multi estación, la posición media ponderada y el tiempo de diferencia de arribo (TDOA). Implementar estas técnicas permitió obtener las posiciones aproximadas de los eventos infrasónicos detectados por el software, y retornar la información calculada a la base de datos principal donde se muestran parámetros como: el punto de localización final, el polígono formado por los interceptos de los rayos proyectados, el centroide del polígono, las estaciones identificadas y a que volcán corresponden.

The development of tools in volcanic monitoring is one of the main challenges for researchers, geologists, and geophysicists. The techniques used to detect and characterize the internal behavior of a volcano provide detailed information about its activity and potential risks to communities. One technique employed for this task is monitoring volcanic infrasound activity; considering that volcanoes produce various phenomena emitting infrasound signals during events such as eruptions, causing explosions, eruptive columns, mudflows, lahars, and gas emissions. Different methods exist for detecting infrasound signals, each requiring specific considerations for technique development. At the Colombian Geological Service, software was developed using cross-correlation functions between pairs of acoustic sensors to detect volcanic infrasound signals, generating a correlogram to visualize detected events. Additionally, the software calculates parameters associated with these waves, such as azimuths or angles of incidence of the emitting source and their uncertainties. In this study, these angles were analyzed to implement a technique for event localization through the development of software tools automating the event location determination process. However, many of these data can be affected because infrasound waves are disturbed by environmental factors such as strong winds, temperature gradient variations, and atmospheric dynamics, affecting wave trajectories. Another factor to consider is anthropogenic phenomena that may be captured by sensors and classified as an event detection. Furthermore, uncertainties in these angles must be considered since infrasonic arrays with short sensor separations result in delays close to zero, implying greater uncertainty in data calculation. Therefore, the localization methodology was based on triangulating reverse azimuth angles and calculating the area formed by the intersections between the projected reverse angles, using techniques such as multi-station localization, weighted average position, and time difference of arrival (TDOA). The implementation of these techniques allowed obtaining approximate positions of infrasound events detected by the software and returning the calculated information to the main database, displaying parameters such as the final location point, the polygon formed by intersections of projected rays, the centroid of the polygon, identified stations, and the corresponding volcano.