Temática de Volcanes

Las descripciones y explicaciones de los volcanes, se enfocarán desde un punto de vista geofísico.

Se han realizado diversas campañas de adquisición de datos geofísicos principalmente en el Popocatépetl, desde el año 2000. Para el volcán de Colima se tienen dos pares de perfiles geofísicos adquiridos a diferentes temporadas.

En tiempo reciente y desde el año 2014, se colabora o vincula con el Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED).

Se desarrolló un proyecto insignia del IPN en el año 2016, con registro en la Comisión de Ciencia y Tecnología de la Cámara de Diputados, que fortaleció las aplicaciones computacionales.

Definicion

Definición y estratovolcanes

Un volcán es todo lugar donde ha ocurrido expulsión de material del interior de la Tierra. De manera popular se asocia siempre con la forma de un cono simétrico, pero esta forma no condiciona su definición. Durante la expulsión de material pueden emitirse material sólido, fundido y gaseoso. En ciertas condiciones, la expulsión de material puede variar en distintos grados de explosividad combinando todo tipo de material. Se pueden tener nubes incandescentes y avalanchas de rocas que pueden abarcar grandes áreas. Las características anteriores los hacen peligrosos para poblaciones. En cuestión de actividad reciente en México, se han testificado dos eventos importantes: la erupción (nacimiento) del volcán Paricutín (1943, Michoacán) y la erupción del volcán El Chichón en Chiapas (1982).

Los volcanes que presentan actividad son centro de atención para grupos de geocientíficos que estudian sus manifestaciones con diferentes métodos. En México los volcanes que presentan actualmente actividad y cuentan con una amplia red de monitoreo, son el Volcán de Fuego de Colima y el volcán Popocatépetl (Estado de México-Puebla-Morelos). En menor medida están el Tacaná (Chiapas) y el Ceboruco (Nayarit).

Los volcanes de Fuego de Colima y el Popocatépetl, pertenecen a la categoría de estratovolcanes. Esto por que presentan estratos de material (lava, cenizas, arenas, fragmentos de roca) que acumulados conforman el cono característico que los distingue. Un conjunto de estratos, manifiesta que los estratovolcanes han tenido erupciones repetitivas en el tiempo geológico. Esta característica se debe a una fuente geotérmica en el interior de la Tierra, cuya característica principal es la fusión de roca. Esta fusión sucede por fricción de placas en zonas de subducción. En el caso de México existen volcanes dependientes de este tipo de tectónica desde el Estado de Jalisco hasta el Estado de Chiapas.

Estratovolcan
Sismicidad

Sismicidad en volcanes

Un volcán preexistente que se reactiva o en su caso, uno que nace, lleva asociadas siempre algunas manifestaciones que tienen su origen en el interior de la Tierra. Una muy importante previo a las manifestaciones visibles y medibles, son los sismos volcánicos. Los sismos que testifican que un volcán se reactiva o nace, ocurren a profundidades aproximadas de 20 a 30 kilómetros y son generados por la presión de magma ascendente. Su naturaleza es la misma de los sismos tectónicos generados en la costa de México ya que la presión del magma provoca fallamiento de la roca por cizalla. Sus magnitudes son muy pequeñas comparadas con los sismos costeros que se sienten en las ciudades, sólo son “visibles” por sismógrafos.

Si fuese el caso del nacimiento de un volcán y si dispone de una estación sísmica cercana o una red de estaciones con el fin de localizar los eventos sísmicos, los epicentros de estos sismos aparecerán con una ubicación casi constante (Longitud y Latitud consistentes). Es un primer indicador para este suceso geológico. Con el tiempo, aparecerán otras evidencias visibles como emisión de gases, emisión de ceniza, y otras medibles como abombamiento, disminución de la gravedad y del campo geomagnético (se explicará más adelante). En el caso del Paricutín (1943), no se disponían de estaciones sismológicas suficientes para haber monitoreado este evento espectacular. Actualmente, se espera que con las redes sísmicas nacionales, se pueda verificar un remoto nacimiento volcánico. Remoto, ya que estos eventos suceden en lapsos de tiempo geológico mucho más grandes que la escala de vida humana.

Continuando con el asunto de la sismicidad, los sismos tectónicos denominados mejor como volcanotectónicos, acompañan al ascenso de magma. Este magma en un momento dado alcanza profundidades que la hacen interactuar la roca fundida con agua subterránea profunda. La interacción magmática-hídrica genera la primera evolución de la sismicidad, apareciendo ahora sismos generados por explosiones internas denominadas freatomagmáticas. La variación de la señal registrada en un sismógrafo respecto de los primeros sismos tectónicos es muy notoria, pone de manifiesto la evolución de la sismicidad y que el magma se encuentra más cercano a la superficie.

Con el ascenso definitivo del magma que marca un preámbulo de su salida, éste se expande por disminución de la presión litostática y se generan conductos más superficiales. El cuerpo magmático expandido recibe el nombre de cámara magmática y en principio se encuentra en estado líquido (o parcialmente). Algún movimiento sísmico que genere la vibración de los conductos llenos de magma incluida la chimenea, se denominará ahora tremor volcánico. El tremor ahora acompaña a la sismicidad evolucionada de las fases anteriores y la aparición de este tipo de sismo, es muy distinguible en los sismógrafos, indica una probable erupción.

Si fuese el caso ya de algún episodio de erupción en el volcán, su cráter inicialmente se encuentra tapado o en su caso, se tapa y se destapa según los episodios de emisión de material. Esto porque un volcán puede estar activo durante meses o años (caso Popocatépetl). En ocasiones el destape es violento con expulsión de material rocoso. A este evento se le denomina explosión volcánica superficial y representa el último evento de la serie de eventos sísmicos.

Explosion
Deformacion

Deformación del volcán

Como se mencionó antes, son varias las manifestaciones que ocurren en volcanes activos. Otra de ellas que acompaña a la sismicidad es el abombamiento o deformación del volcán.

Debido a la presión generada por el ascenso de magma, el volcán se deforma como si se inflara. Si la presión interna se originara sólo por el conducto o chimenea, la deformación observada en el volcán abarcaría un área muy estrecha alrededor del cráter. La realidad demuestra que el área entorno al cráter es más extensa lo que comprueba la existencia de una cámara magmática. Lo anterior es observable en volcanes activos y es medible sólo con instrumentos muy precisos instalados en las faldas del volcán, pues sus deformaciones se cuantifican en milímetros o pocos centímetros.

En investigaciones por deformación, existen modelos básicos asociados con la forma de la cámara magmática, como en el caso de una esfera. En este modelo se consideran las dimensiones de la esfera, las propiedades mecánicas de la roca y la presión relacionada. El modelo aunque idealizado, permite predecir las deformaciones esperadas alrededor del cráter. Otros modelos más refinados, expresan las condiciones de esfuerzo-deformación del cono volcánico a partir de leyes de la elasticidad.

Previo a una erupción el volcán alcanza su máxima deformación, le acompaña muchas veces un domo en el cráter que se asemeja a un corcho en una botella que va saliendo por presión. La existencia de este domo pueden ser comprobado con vuelos en avión o helicóptero. Estas características se repiten durante el inicio de actividad volcánica y durante los episodios intermitentes que pueden prolongarse por meses o años. Son monitoreadas constantemente como lo hace el CENAPRED con el volcán Popocatépetl.

magnetizacion

Desmagnetización/magnetización

Nuestra Tierra posee un campo magnético y todos los cuerpos rocosos naturales se encuentran magnetizados por el fenómeno de inducción geomagnética. Gracias a este campo existen las brújulas que se utilizaron (o utilizan) para orientarse en navegación. La mejor contribución del campo magnético terrestre, es la desviación del plasma solar en el planeta, que evita que llegue al contacto con las personas.

Los conos de los estratovolcanes como el Popocatépetl y el volcán de Colima se encuentran magnetizados, muy débilmente claro. Cuando el magma fundido asciende, entra en contacto con las rocas del interior y las calienta, inclusive se mezcla con ellas. Por efecto del calor las rocas preexistentes del interior del volcán se desmagnetizan como cuando se calienta una barra imantada con fuego. La desmagnetización sucede cuando se supera la denominada Temperatura de Curie. El volumen que representará a la cámara magmática fundida o semifundida, y una pequeña aureola circundante, representará un volumen desmagnetizado dentro del volcán.

Durante episodios de actividad intermitente existe dinámica interna, ésta involucra la sismicidad, generación de gases, calor interno y variaciones de presión. Las variaciones del calor interno o variaciones de temperatura interna del volcán, implican directamente en variaciones de magnetización. Un ciclo interminable de desmanetización-magnetización interna, variable en profundidad, distancia y tiempo.

Todos los efectos de magnetización y variaciones de campo geomagnético local son medibles por instrumentos llamados magnetómetros. La resolución de estos magnetómetros en nanoteslas o gammas (nanoWeber sobre metro cuadrado), hace posible distinguir las pequeñas variaciones del campo geomagnético en volcanes activos. El monitoreo de las variaciones de campo geomagnético local, sucede con la instalación de una estación geomagnética permanente en las faldas del volcán.

Bajo ciertos diseños de adquisición de datos magnéticos en volcanes como perfiles o líneas de datos, es posible deducir su estructura interna. Para el caso de volcanes los datos geomagnéticos pueden adquirirse con un magnetómetro acondicionado en una avioneta, que vuela y adquiere datos sobre líneas que atraviesan el cratér y los costados del mismo.

Una variante más laboriosa, son las líneas de datos magnéticos adquiridas con vehículo o extensos caminamientos (por dificultades de acceso) en las laderas del volcán. En esta modalidad por lo regular no se atraviesa el cráter debido a la peligrosidad del volcán, sin embargo, se pueden adquirir datos en zonas aledañas al cráter y en presumibles zonas de erupciones laterales.

Desgravitacion

“Desgravitación” en el volcán

Como el campo magnético de la Tierra, existe el mejor conocido campo de gravedad terrestre. Es el responsable de la caída de los cuerpos y la fuerza para mantenernos sobre la Tierra, aun cuando ésta rota. Según las leyes de Newton se asocia una aceleración sobre la masa atraída que se conoce como aceleración de la gravedad o simplemente gravedad. La gravedad sobre la Tierra varía por varios factores, como por ejemplo, la altura, que significa alejarse del centro de la Tierra, punto donde se ejerce la fuerza de atracción.

Similar al caso de la desmagnetización interna en el volcán, sucede un fenómeno de disminución local de la gravedad. Ello se explica debido a que una roca en estado fundido (o cercanamente) posee menor densidad que cuando la misma roca se encuentra en estado sólido. En un estado fundido, el volumen se encuentra dilatado, es poco mayor al original. Si el magma ascendente en el volcán se encuentra en estado fundido, su emplazamiento superficial hace que se tenga un volumen aumentado, en consecuencia una masa que ocupa mayor extensión que la original, lo que provoca una menor atracción de gravedad sobre y en las cercanías del cráter. Esto se puede denominar desgravitación en el volcán.

No sólo debajo del cráter se presenta un déficit de masa, podría presentarse en las laderas del volcán por presencia de conductos y posibles emplazamientos de magma. Estas medidas son importantes por posibles erupciones laterales en volcanes activos.

En la actualidad existen instrumentos llamados gravímetros que miden las diferencias de gravedad con una resolución en nanómetros sobre segundo al cuadrado. Estos instrumentos posibilitan las medidas de disminución de gravedad local en un volcán. Así, se pueden tener medidas de gravedad en distintos lapsos de tiempo y relacionarse con otros tipos de monitoreo de volcanes activos.

De igual forma al caso de medidas geomagnéticas, bajo un buen diseño de medidas gravimétricas es posible deducir la estructura interna del volcán. Se pueden deducir también las estructuras relacionadas como conductos y posibles emplazamientos de magma a cualquier distancia del cráter.

En la figura siguiente se muestra una serie de datos gravimétricos en el volcán de Colima (campaña IPN, 2010). Es clara la diferencia de la tendencia de los datos de gravedad en las lejanías del cráter y en sus cercanías (líneas blancas).

Gravedad Colima