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Establecimiento de una red de nivelación precisa en el volcán Irazú, Costa Rica, a partir de observaciones GPS Melina Villar 1 y Rodolfo van der Laat 2 1
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Departamento de Ciencias de la Tierra. Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela. E-mail:
[email protected] Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica. Universidad Nacional, Heredia, Costa Rica. E-mail:
[email protected]
Resumen El monitoreo volcánico consiste en la vigilancia y estudio de los cambios ocurridos en diferentes fases del estado del volcán, mediante la aplicación de una serie de disciplinas y técnicas e instrumentos científicos, tanto tradicionales como modernos. Uno de estos cambios es la deformación de la superficie volcánica, la cual puede ser causada, entre otras razones, por movimiento de magma, cambios en el estado de esfuerzos de la corteza terrestre bajo el volcán o por variaciones de presión interna. En la presente investigación se pretende establecer una red geodésica en el flanco sur del volcán Irazú (Costa Rica), que permita determinar dichas deformaciones, mediante observaciones GPS, de forma estadísticamente significativa y dando prioridad al plano vertical de las mismas. La red de nivelación establecida cuenta con 16 estaciones de medición, distribuidas radialmente de manera equiespaciada desde la cima del volcán hasta la base en San Rafael de Oreamuno, a lo largo de la carretera principal del mismo. Se han realizado dos campañas de medición hasta la fecha, con una duración de dos días cada una, en las cuales el tiempo de ocupación de las estaciones base es de 28 y 30 horas respectivamente, y el de las estaciones móviles de una hora a hora y media, en promedio. Para la determinación de las posiciones se utilizan receptores Leica Serie 1200 de doble frecuencia. El procesamiento de los datos adquiridos se ha llevado a cabo con el software Leica Geo Office Combinado, obteniéndose para cada estación de medición errores entre 2-4mm y 5-8mm para las posiciones horizontales y verticales respectivamente. Para el logro de estos resultados se utilizó la técnica DGPS o GPS diferencial, con ajuste geodésico. Los resultados obtenidos evidencian la capacidad que posee el Sistema de Posicionamiento Global para ubicar puntos en el plano vertical con una alta precisión. Introducción El estado y características de los volcanes pueden variar a través del tiempo, bien sea en períodos cortos o largos, estando relacionados en la mayoría de las ocasiones con la actividad eruptiva del mismo. Es por ello que surge la vigilancia o monitoreo volcánico, el cual integra diversos estudios científicos para observar, registrar y analizar continuamente los cambios que se llevan a cabo en el edificio volcánico y sus alrededores (Banks et al., 1989), y así hacer posible el pronóstico o predicción de erupciones. Uno de estos cambios es la deformación de la superficie volcánica, la cual puede ser causada, entre otras razones, por movimiento de magma, cambios en el estado de esfuerzos de la corteza terrestre bajo el volcán o por variaciones de presión interna. El presente estudio pretende establecer una red geodésica capaz de determinar dichas deformaciones, mediante observaciones GPS, de forma estadísticamente significativa y dando prioridad al plano vertical de las mismas. El área de estudio es el flanco sur del edificio volcánico más alto de Costa Rica (3432 m.s.n.m.): el volcán Irazú (figura 1), el cual posee actualmente un bajo nivel de actividad fumarólica y ocasionalmente, sismicidad de baja energía.
Figura 1. Ubicación del área de estudio (Modificado de www.fortunawelcome.com y Alvarado et al., 2006)
El objetivo de diseñar una red de nivelación es disponer de información sobre la componente vertical de los sitios, que permita la modelación de la fuente de las posibles deformaciones, que eventualmente podría ser una cámara magmática ejerciendo presión ascendente. Tal escenario, conocido como inflación, se refleja con movimientos ascendentes de los puntos sobre la superficie. Este proceso precede generalmente al estado eruptivo y sería acompañado de cambios en diversos parámetros observados como la sismicidad, temperatura fumarólica y cambios geoquímicos en los gases fumarólicos. Por lo tanto, la caracterización de la fuente magmática que resulte del presente trabajo constituye un aporte importante al conocimiento de la dinámica pre-eruptiva y eruptiva del volcán. Por el contrario, el estado post eruptivo se caracteriza por el movimiento descendente de la superficie volcánica, que se conoce como deflación y es la respuesta al estado de relajamiento de los esfuerzos y disminución de la presión interna en el sistema volcánico. Finalmente, la presente investigación busca también comprobar la eficiencia del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) en la ubicación de puntos en el plano vertical y la calidad de dichas observaciones. Construcción de la red de nivelación Se diseñó y construyó una red de estaciones de observación GPS con geometría radial, a lo largo del flanco sur del volcán Irazú (figura 2). Dicha red consiste de 16 puntos de medición, 2 de los cuales corresponden a estaciones base ubicadas en la cima del volcán y 14 corresponden a estaciones móviles distribuidas desde la base hasta la cima, separadas radialmente entre ellas en máximo 2 Km. Las estaciones de medición fueron establecidas sobre roca, concreto preexistente y algunos hitos de nivelación del Instituto Geográfico Nacional (IGN), tomando en cuenta los siguientes
factores: firmeza y estabilidad del sitio, riesgo de alteración del mismo por actividades humanas y/o naturales, seguridad del personal y de los equipos, presencia de torres y cableado eléctrico, y visibilidad de satélites por encima de los 10° de altura.
Figura 2. Red de nivelación establecida
Adquisición de datos Se han realizado dos campañas de medición a partir de observaciones GPS, con levantamientos de tipo estático durante los meses septiembre y octubre de 2007. Cada una de dos días de duración, en las cuales se utilizaron equipos GPS Leica Serie 1200 de doble frecuencia, y antenas Choke Ring y AX1202 para las estaciones base y móviles respectivamente. Dos estaciones base fueron instaladas en la cima del volcán, las cuales registraron datos de forma continua durante 30 horas aproximadamente, desde el inicio hasta el final de cada campaña. Por otra parte, para determinar el tiempo apropiado de ocupación de las estaciones móviles se realizó una campaña de prueba en la que se instalaron sólo las estaciones base y el punto de la red más distante a ellas, los cuales registraron datos durante tres horas simultáneamente. Los datos adquiridos fueron procesados en tres grupos: una, dos y tres horas de medición, con la finalidad de
comparar la calidad de los resultados tanto vertical como horizontalmente para los diferentes tiempos de ocupación. La precisión de los resultados para los tres grupos de datos se encontró en el orden de milímetros, sin existir diferencias importantes entre ellos. Por lo tanto, el tiempo de ocupación óptimo determinado para cada estación móvil fue de una hora, exceptuando los dos puntos más alejados de las estaciones base (YOLG y SRAF), los cuales registraron datos durante mínimo 1 hora y media para aumentar la precisión de sus resultados. Procesamiento de datos Los datos adquiridos fueron procesados utilizando el software Leica Geo Office Combinado, y aplicando la técnica de GPS diferencial (DGPS), con ajuste geodésico. Con esta técnica las coordenadas de las estaciones móviles son asignadas tomando como referencia estaciones fijas con coordenadas conocidas. Cada campaña de medición fue procesada siguiendo los pasos explicados a continuación. Las estaciones base de la cima (PILR y BUNK) fueron procesadas tomando la estación CRCC como punto control, la cual registra datos GPS de forma permanente y se encuentra ubicada a 35 Km. aproximadamente de la red establecida en el Irazú. Luego de obtener las coordenadas y elevación de las estaciones base, las 14 estaciones móviles fueron procesadas y ajustadas tomando como referencia los puntos PILR y BUNK. Es importante mencionar que todo el procesamiento de datos se llevó a cabo tomando en cuenta las efemérides precisas correspondientes a la estación Moin, en Limón (Costa Rica). El sistema de coordenadas utilizado es el CRTM, sistema local de Costa Rica, el cual utiliza el elipsoide WGS84 y el modelo geoidal EGM96. Resultados y discusión Las coordenadas y alturas elipsoidales obtenidas para cada estación de medición presentaron desviaciones estándar en el orden de los milímetros, variando entre 2-4 mm y 5-8 mm para las posiciones horizontales y verticales (tabla 1 y figura 3), respectivamente. Tabla 1. Desviación estándar de la altura
Estación PILR BUNK IGN1 CT7 309A 1548 CRUZ MUSE LVIS CHIC CARV LAGU MIRA GINA YOLG SRAF
Desv. Est. Alt. Campaña 1 (mm) 6,0 5,9 6,0 6,0 6,0 6,1 6,2 6,6 6,1 6,7 7,0 6,2 6,5 7,1 7,1 8,3
Desv. Est. Alt. Campaña 2 (mm) 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 6,5 6,6 6,6 6,4 6,5 6,4 6,5 6,5 6,8 6,7 1,2
Figura 3. Calidad de los datos en el plano vertical
Conclusiones A partir de los resultados obtenidos se evidencia que el posicionamiento horizontal mediante observaciones GPS es más preciso que el posicionamiento vertical, sin embargo, la calidad de los datos en ambos planos es alta, ya que las incertidumbres de los mismos se encuentran en el orden de los milímetros. El Sistema de Posicionamiento Global posee diversas ventajas ante otros métodos de nivelación geodésica, como por ejemplo la independencia respecto a la visibilidad entre estaciones y a las condiciones climáticas y fenómenos atmosféricos, la rapidez de la medición en el campo, entre otras. Esto, aunado a la precisión vertical observada en las mediciones realizadas, indica que esta técnica es potencialmente efectiva en el monitoreo volcánico en cuanto a la determinación de deformaciones verticales de las superficies volcánicas. Queda establecida en el volcán Irazú una red vertical de alta exactitud, que eventualmente permitirá detectar desplazamientos verticales significativos. A su vez, estas deformaciones permitirían la aplicación de modelos para caracterizar forma, dimensiones y profundidad de la fuente, una probable cámara magmática. El seguimiento del flujo interno o migración de magma desde la fuente a la superficie, permitirá conocer mejor el comportamiento preeruptivo y eruptivo del edificio volcánico, contribuyendo con criterios para la posible advertencia temprana de actividad eruptiva.
Referencias Alvarado, G., Carr, M., Turrin, B., Swisher, C., Schmincke, H., y Hudnut, K. 2006. Recent volcanic history of Irazú volcano, Costa Rica: Alternation and mixing of two magma batches, and pervasive mixing, en Rose, Banks, N., Tilling, R., Harlow, D., Ewert, J. 1989. Volcano monitoring and short term forecasts, en Tilling, R. (ed). Volcano Hazards. American Geophysical Union, Washington, DC. Short Course in Geology, vol 1, pp 26-80. US Geol. Surv publication. Versión en español (Los peligros volcánicos) publicada en 1993 por la US Geol. Surv; Beate. B, traductor, y Tilling, R. editor. Instituto Geográfico Agustín Codazzi. s/f. Guía metodológica para la obtención de alturas utilizando el sistema GPS. Santafé de Bogotá, Colombia. http://sig.cas.gov.co/filestore2/download/38/guianiv.pdf Rose, W., Bluth, G., Carr, M., Ewert, J., Patino, L., y Vallance, J. Volcanic hazards in Central America: Geological Society of America Special Paper 412, p. 259–276, doi: 10.1130/2006.2412(14). Van der Laat, R. 1995. Interpretación de datos geodésicos en el volcán Irazú entre abril de 1991 y marzo de 1992. Tesis Licenciatura. Universidad Nacional. Heredia-Costa Rica. Pp 63.