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Geophysical evidence of the preparedness for a volcanic eruption: El Hierro 2011-2012

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Universitat de Barcelona. Facultat de Geologia

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[eng] The observational data recorded by the monitoring networks during El Hierro 2011-2012 volcanic unrest and eruption, allowed us to conduct a study of the volcanic eruptive phenomena with that wide view. The lack of previous instrumental data describing such a process in the Canaries gave us the invaluable chance of analyzing for the ﬁrst time, novel geophysical signals registered before, during and after an eruptive event, allowing the study of evidence of the energy involved in the emplacement and migration of magma through the lithosphere. The aim of this PhD Thesis is to make a comprehensive revision of the physics of this eruptive process and its causes, through the analysis and processing of geophysical data which has been recorded since the time of the ﬁrst instrumental record to exist in the area, to the present. Three main aspects are considered, focusing on the eruptive phenomenon of El Hierro at different temporal and spatial scales, going from the general to the speciﬁc. The ﬁrst aspect is the study of the potential relation between the regional geodynamics and the eruptive event of El Hierro 2011–2012. This potential relation, through the analysis of long-time series of geophysical observational data, has not been studied before. Highly reliable seismic and geodetic data acquired from 1996 to 2014 is analyzed, covering: from the North Atlantic Ridge to the West, to the Azores-Gibraltar boundary to the North (including the NW African margin) and the Canary Islands. A joint regional- and local scale analysis based on this data enabled the identiﬁcation of early signs of anomalous tectonic activity from 2003 onwards, the intensity of which increased in2007,accelerating three months before the onset of the volcanic eruption on El Hierro in October 2011. The second aspect is the study of the precursory signals recorded during the El Hierro volcanic episode (19 July to 10 October, 2011), and their correct interpretation when only limited data is available. The seismic and deformation data corresponding to the pre-eruptive unrest is reanalyzed using novel methods, taking into account new information about the internal structure of the island. Results indicate that important changes in the medium properties and in the magmatic mechanism occurred throughout the process, identifying different phases with distinct types of fracturing. A triggered shear seismicity is observed on pre-existent faults caused by the magma pressure on the structure underneath the island, and the crossing of the Moho discontinuity. The third aspect is the detailed study of the type and geometry of the irreversible mechanism, acting during the ﬁnal phase of the unrest episode (6-10 October, 2011) and during the ﬁrst days of tremor (10-15 October, 2011) recording on the seismic monitoring stations. Application of time varying fractal analysis to the seismic data and the characterization of the seismicity pattern and the strain and the stress rates, allows the identiﬁcation of different stages in the source mechanism, and to infer the geometry of the path used by the magma and associated ﬂuids to reach the Earth’s surface.

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[spa] El análisis de datos geofísicos y geodésicos en un amplia área que comprende al oeste la Dorsal Oceánica Atlántica, al norte la falla Azores-Gibraltar y el Sur de Iberia y al sur el NW de Marruecos y las Islas Canarias, nos ha permitido realizar un estudio entre la posible relación entre magmatismo y actividad tectónica. En concreto el estudiar su posible influencia en el desencadenamiento de la última erupción ocurrida en la isla de El Hierro en 2011. La ausencia de datos instrumentales previos que describen tal proceso en Canarias, nos dio la oportunidad de analizar por primera vez las señales geofísicas registradas antes, durante y después de un evento eruptivo, permitiendo el estudio de la actividad al emplazamiento y migración del magma a través de la litosfera. El objetivo de esta tesis doctoral es hacer una revisión integral de la física de este proceso eruptivo y sus causas, a través del análisis y procesamiento de datos geofísicos que se han registrado desde la época del primer registro instrumental existente en el área, el presente. Se consideran tres aspectos principales, centrados en el fenómeno eruptivo de El Hierro en diferentes escalas temporales y espaciales, pasando de lo general a lo específico. El primer aspecto es el estudio de la posible relación entre la geodinámica regional y el evento eruptivo de El Hierro 2011-2012. Se analizan los datos sísmicos y geodésicos adquiridos de 1996 a 2014, que abarcan desde el Atlántico Norte hasta el Oeste, hasta la frontera Azores-Gibraltar al Norte (incluido el margen NW-África) y Canarias. Un análisis conjunto permitió identificar signos tempranos de actividad tectónica anómala a partir de 2003, cuya intensidad aumentó en 2007, acelerándose tres meses antes del inicio de la erupción volcánica en El Hierro en octubre de 2011. El segundo aspecto es el estudio del periodo de unrest (10 Julio-10 Octubre). Los resultados muestran en El Hierro evidencias de: inyección de magma bajo la corteza, sobrepresurización, fracturación hidráulica (inicialmente de ﬂuídos ricos en gas), migración hacia el Sur, superación del Moho desencadenando sismicidad inducida en fallas preexistentes y migración hacia la superﬁcie, probablemente en condiciones de irreversibilidad. El tercer aspecto estudiado los las condiciones finales de ascenso de magma a la superficie y de establecimiento de la erupción (6 Octubre-15 Octubre), mostrando cambios en la geometría asociados al establecimiento del edificio volcánico, así como cambios en la composición del magma en los primeros días de la erupción.

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Tesis Doctorals - Facultat - Ciències de la Terra

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Geophysical evidence of the preparedness for a volcanic eruption: El Hierro 2011-2012