Memoria para optar al título de Geógrafo / El Volcán Llaima, por su pasado eruptivo, se perfila como uno de los volcanes más peligrosos a nivel nacional (SILVA, 2011), donde los efectos de sus erupciones recientes han dejado en evidencia el grado de preparación con el cual se actúa frente a estos eventos. Esta investigación estudia los avances que se han materializado respecto a la Gestión del Riesgo Volcánico (GRV), considerando lo acontecido en las erupciones de 1994 y 2007- 2009. Para ello, en primer lugar, se analiza los niveles de riesgo de la población, mediante el estudio de la Amenaza Volcánica, Vulnerabilidad y Exposición en cada evento. En segundo lugar, se examina la Gestión del Riesgo, mediante el análisis de actores y revisión de las medidas implementadas antes, durante y posterior a cada erupción. Los resultados obtenidos señalan que los niveles de riesgo se explican por el emplazamiento de la población en sectores de alta peligrosidad, condición que se acentúa con el aumento de la vulnerabilidad social, además de la falta de servicios, equipamiento y baja conectividad. Si bien el desarrollo de los estudios volcanológicos en el área de estudio muestra una clara evolución en la comprensión de esta amenaza, sigue primando el entendimiento del fenómeno físico por sobre la vulnerabilidad. Sobre la Gestión, el carácter centralista, reaccionario y poco inclusivo de ésta se hace evidente. Sin embargo, de los avances en la coordinación, las instituciones involucradas declaran avanzar por la senda de la Gestión del Riesgo”, realmente se han producido avances en la Gestión de la Emergencia.

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Surface displacement at volcanic edifices is related to subsurface processes associated with magma movements, fluid transfers within the volcano edifice and gravity-driven deformation processes. Understanding of associated ground displacements is of importance for assessment of volcanic hazards. For example, volcanic unrest is often preceded by surface uplift, caused by magma intrusion and followed by subsidence, after the withdrawal of magma. Continuous monitoring of the surface displacement at volcanoes therefore might allow the forecasting of upcoming eruptions to some extent. In geophysics, the measured surface displacements allow the parameters of possible deformation sources to be estimated through analytical or numerical modeling. This is one way to improve the understanding of subsurface processes acting at volcanoes. Although the monitoring of volcanoes has significantly improved in the last decades (in terms of technical advancements and number of monitored volcanoes), the forecasting of volcanic eruptions remains puzzling. In this work I contribute towards the understanding of the subsurface processes at volcanoes and thus to the improvement of volcano eruption forecasting. I have investigated the displacement field of Llaima volcano in Chile and of Tendürek volcano in East Turkey by using synthetic aperture radar interferometry (InSAR). Through modeling of the deformation sources with the extracted displacement data, it was possible to gain insights into potential subsurface processes occurring at these two volcanoes that had been barely studied before. The two volcanoes, although of very different origin, composition and geometry, both show a complexity of interacting deformation sources. At Llaima volcano, the InSAR technique was difficult to apply, due to the large decorrelation of the radar signal between the acquisition of images. I developed a model-based unwrapping scheme, which allows the production of reliable displacement maps at the volcano that I used for deformation source modeling. The modeling results show significant differences in pre- and post-eruptive magmatic deformation source parameters. Therefore, I conjecture that two magma chambers exist below Llaima volcano: a post-eruptive deep one and a shallow one possibly due to the pre-eruptive ascent of magma. Similar reservoir depths at Llaima have been confirmed by independent petrologic studies. These reservoirs are interpreted to be temporally coupled. At Tendürek volcano I have found long-term subsidence of the volcanic edifice, which can be described by a large, magmatic, sill-like source that is subject to cooling contraction. The displacement data in conjunction with high-resolution optical images, however, reveal arcuate fractures at the eastern and western flank of the volcano. These are most likely the surface expressions of concentric ring-faults around the volcanic edifice that show low magnitudes of slip over a long time. This might be an alternative mechanism for the development of large caldera structures, which are so far assumed to be generated during large catastrophic collapse events. To investigate the potential subsurface geometry and relation of the two proposed interacting sources at Tendürek, a sill-like magmatic source and ring-faults, I have performed a more sophisticated numerical modeling approach. The optimum source geometries show, that the size of the sill-like source was overestimated in the simple models and that it is difficult to determine the dip angle of the ring-faults with surface displacement data only. However, considering physical and geological criteria a combination of outward-dipping reverse faults in the west and inward-dipping normal faults in the east seem to be the most likely. Consequently, the underground structure at the Tendürek volcano consists of a small, sill-like, contracting, magmatic source below the western summit crater that causes a trapdoor-like faulting along the ring-faults around the volcanic edifice. Therefore, the magmatic source and the ring-faults are also interpreted to be temporally coupled. In addition, a method for data reduction has been improved. The modeling of subsurface deformation sources requires only a relatively small number of well distributed InSAR observations at the earth’s surface. Satellite radar images, however, consist of several millions of these observations. Therefore, the large amount of data needs to be reduced by several orders of magnitude for source modeling, to save computation time and increase model flexibility. I have introduced a model-based subsampling approach in particular for heterogeneously-distributed observations. It allows a fast calculation of the data error variance-covariance matrix, also supports the modeling of time dependent displacement data and is, therefore, an alternative to existing methods. / Oberflächenverschiebungen an Vulkanen können einerseits durch unterirdische Magmen- oder Fluidbewegungen oder andererseits durch Gravitation verursacht werden. So sind insbesondere vor Eruptionen oft Aufwölbungen an Vulkanen zu beobachten, verursacht durch Magmenintrusion in die Erdkruste. Nach Eruptionen hingegen sinkt das Vulkangebäude aufgrund von Magmenextrusion wieder. Kontinuierliche Messungen an Vulkanen ermöglichen es, Eruptionen teilweise bis auf wenige Tage vorherzusagen. Die gemessenen Oberflächenverschiebungen können in analytischen oder numerischen Modellierungen genutzt werden, um Parameter eines möglichen Quellprozesses abzuschätzen. Auf diese Art und Weise kann das Verständnis über die unterirdischen Prozesse, die an Vulkanen stattfinden, verbessert werden. Obwohl es in den letzten Jahrzehnten eine enorme Entwicklung und Verbesserung der Überwachung von Vulkanen gab, sind viele Vorhersagen sehr vage und ungenau. Mit dieser Arbeit möchte ich einen Beitrag zum Verständnis von unterirdischen Prozessen an Vulkanen und auf lange Sicht gesehen, zur Vorhersage von Eruptionen leisten. Ich habe die Vulkane, Llaima in Chile und Tendürek im Osten der Türkei, mit Hilfe der Interferometrie von Radardaten (InSAR) untersucht. Die somit gemessenen Verschiebungen an der Erdoberfläche ermöglichen es, durch Modellierung der möglichen Deformationsquellen, Informationen über die Untergrundstrukturen dieser beiden bisher kaum erforschten Vulkane zu bekommen. Obwohl unterschiedlich in Aufbau, Gesteinszusammensetzung und Entstehung, zeigen beide Vulkane Anzeichen dafür, dass jeweils mehrere interagierende Deformationsquellen im Untergrund existieren. Am Vulkan Llaima war es schwierig, aufgrund der starken Dekorrelation des Radarsignals zwischen den Satellitenaufnahmen, die InSAR Methode anzuwenden. Ich entwickelte eine Methode um die doppeldeutigen relativen Phasenwerte der Interferogramme modellbasiert in eindeutige relative Phasenwerte umzurechnen. Die damit erzeugten Oberflächenverschiebungskarten am Vulkan eigneten sich nun für eine anschließende Modellierung der Deformationsquelle. Die Modellierungsergebnisse zeigen signifikante Unterschiede zwischen den Parametern der präeruptiven- und posteruptiven Deformationsquellen. Demzufolge könnten zwei unterschiedliche, interagierende Magmenkammern unter Llaima existieren, eine tiefe, posteruptiv aktive Kammer und eine flache, durch den Aufstieg von Magma präeruptiv aktive Kammer. Am Vulkan Tendürek ist eine langfristige, kontinuierliche Senkung des Vulkangebäudes zu beobachten, die mit einem großen, aufgrund von Kühlung sich kontrahierenden, magmatischen Sill, erklärbar ist. Unter Hinzunahme von hochauflösenden, optischen Daten jedoch, sind bei genauerer Untersuchung bogenförmige Strukturen an der Erdoberfläche sichtbar. Diese sind Anzeichen dafür, dass Verwerfungen existieren, die das gesamte Vulkangebäude in einem elliptischen Ring umgeben. Dabei ist zu beobachten, dass die Ringstörungen über Jahrtausende, möglicherweise sogar kontinuierlich, geringe Magnituden von Versatz aufweisen. Bei langer, kontinuierlicher Aktivität über mehrere zehntausende von Jahren, könnte dies ein weiterer Mechanismus zur Entstehung von Calderastrukturen an Vulkanen darstellen, der jedoch sehr langsam verläuft. Im Gegensatz dazu ist die heutige weit verbreitete Auffassung, dass Calderen als Folge katastrophaler Einstürze von Vulkangebäuden entstehen. Um zu untersuchen welche Geometrie die vorgeschlagenen Strukturen Sill und Ringstörungen an Tendürek im Untergund haben könnten, vollführte ich eine weitaus komplexere numerische Modellierung. Diese zeigt, dass die Größe des Sills ohne Berücksichtigung der Ringstörung um ein Vielfaches überschätzt ist. Die Orientierung und Geometrie der Ringstörungen ist jedoch nicht eindeutig nur mit Oberflächenverschiebungsdaten auflösbar. Unter der Berücksichtigung von geologischen und physikalischen Gesichtspunkten sind nach Außen einfallende Aufschiebungen im Westen und nach Innen einfallende Abschiebungen im Osten die plausibelste Erklärung. Außerdem habe ich eine Methode zur Datenreduzierung entwickelt. Abhängig vom zu untersuchenden Prozess sind für die Modellierung von unterirdischen Deformationsquellen verhältnismäßig wenige gut verteilte Messpunkte an der Erdoberfläche ausreichend. Satelliten gestützte Radaraufnahmen haben jedoch oft mehrere Millionen dieser Punkte. Deshalb müssen diese riesigen Datensätze auf eine Art und Weise reduziert werden, dass keine oder nur möglichst wenige Informationen verloren gehen. Für diesen Zweck habe ich, ausgehend von einem existierenden Algorithmus, eine modellbasierte Methode zur Reduzierung von besonders heterogen verteilten Oberflächendaten entwickelt. Diese Methode ist besonders gut auf Zeitreihendatensätze anwendbar und stellt somit eine Alternative zu existierenden Algorithmen dar.

Geóloga / En este trabajo de memoria de título se estudiaron dos flujos de masa generados en el flanco norte del volcán Llaima (38°42'S) durante el ciclo eruptivo 2007 - 2009. El flujo Este superior se generó en enero del año 2008, el cual recorrió alrededor de 4 km, cruzando la ruta R-925-S Curacautín - Conguillio. Los depósitos que afloran poseen un volumen estimado de 250.000 m3. Se caracterizan por ser matriz-soportados con una cubierta clasto-soportada, presentan hasta 1,25 m de espesor, escasas estructuras sedimentarias, distribución bimodal de tamaño de clastos de la matriz, alto contenido de material fino, clastos primarios, bloques con fracturamiento prismático sin rastros de retrabajo, bloques con textura tipo "coliflor" y "corteza de pan". El flujo Oeste se originó en abril del 2009, recorriendo cerca de 7 km. Los últimos 5 km bordean las coladas de 1957 por su flanco este. Los depósitos del flujo poseen un volumen de depósitos calculado en cerca de 800.000 m3. Se caracterizan por ser también matriz-soportados con una cubierta clasto-soportada, y presentan hasta 1,4 m de espesor. Posee escasas estructuras sedimentarias, distribución bimodal y unimodal de tamaño de clastos de la matriz en su facies proximal y distal respectivamente, alto contenido de material fino, clastos primarios, bloques con fracturamiento prismático sin rastros de retrabajo en facies proximal y transicional, bloques con textura tipo "coliflor" y "corteza de pan". Se concluye que los flujos fueron gatillados por una interacción lava hielo/nieve, se postula una explosión freatomagmática secundaria inducida por deslizamiento. El flujo Este tendría un caudal máximo del orden de 260 m3/s, mientras que el flujo Oeste del orden de 800 - 1.000 m3/s y una velocidad máxima de 1,00 - 1,38 m/s. Los flujos habrían sido inicialmente híbridos, sin embargo el flujo Oeste habría evolucionado a un lahar tipo flujo de detritos y luego hiperconcentrado. Los regímenes fueron principalmente laminares con turbulencias de pequeña escala. La deposición de los flujos fue acrecional, en el caso del flujo Este además fue a altas temperaturas, mientras que en el flujo Oeste lo fue al menos hasta los 10 km de distancia al cráter. En este estudio se estudia en detalle por primera vez en los Andes del Sur un flujo híbrido, el cual puede representar un tipo distinto de peligro volcánico, por lo que es necesario la prosecución de estudios de flujos de este tipo en la zona, para mejorar el entendimiento acerca de la dinámica de éstos, y así sentar bases sólidas para su modelamiento, de modo de adoptar las medidas de mitigación que correspondan.

Magíster en Ciencias, Mención Geología / Los estratovolcanes son la manifestación en superficie de complejos sistemas magmáticos profundos. En el presente trabajo, se ha desarrollado un modelo cuyo objetivo es contribuir a la comprensión de la influencia de las propiedades del sistema magmático de un estratovolcán, en el perfil topográfico y dimensiones del mismo. Se asume un volcán construido por la acumulación de flujos de lava emitidos desde un centro de emisión único, excluyendo otros procesos que pueden afectar el crecimiento tales como erosión, avalanchas, volcanismo adventicio, acumulación de piroclastos, entre otros. Se considera que cada erupción es gatillada por la inyección de nuevo magma en el reservorio, y que la resultante sobrepresión asociada provoca la removilización de una parte del magma almacenado que es posteriormente extruido. El modelo se probó en 3 estratovolcanes de los Andes de Chile, con diferencias morfológicas y composicionales: el volcán Lascar ubicado en la Zona Volcánica Central, y los volcanes Lonquimay y Llaima localizados en la Zona Volcánica Sur. Los resultados obtenidos tras aplicar el modelo fueron validados con otros métodos independientes: termobarometría en muestras seleccionadas de estos volcanes y estudios geofísicos previos. Los resultados obtenidos revelan una fuerte influencia de las propiedades del sistema magmático en la morfología de los volcanes en superficie. Volcanes que superan los 2000 m de altura desde su base y poseen un radio basal de más de 10 km, estarían asociados a cámaras profundas, ubicadas a más de 10 km bajo la superficie. En volcanes de altura menor a 1500 m y radio basal menor a 10 km, el reservorio alimentador de las erupciones se ubicaría a menos de 6 km de profundidad. Si además se considera la densidad de la corteza y del magma, esto es más complejo pues a mayor flotabilidad se espera un estratovolcán más alto. Por otra parte, mientras mayor es el tamaño del reservorio, los flujos de lava emitidos también lo serán y, en consecuencia, se espera un radio basal mayor y un volcán de mayor volumen. Nuestro análisis sugiere que los volcanes Lonquimay y Llaima están cerca de alcanzar su altura máxima, por lo tanto, erupciones efusivas de volumen considerable ocurrirían probablemente en sus flancos, mientras que erupciones más bien moderadas son esperables que ocurran desde su cima. Al contrario, el volcán Lascar no habría alcanzado su altura máxima, en consecuencia, flujos de lava de volumen considerable podrían ser emitidos desde la cima.

Les études des déformations de surface en relation avec l'activité volcanique permettent de quantifier les phénomènes de transfert de magma qui s'opèrent dans les structures superficielles et profondes d'un édifice volcanique. Ces études s'appuient essentiellement sur l'utilisation de séries temporelles acquises par des réseaux de récepteurs GNSS installés sur les flancs de l'édifice volcanique et sur l'utilisation d'images acquises par des satellites équipés de capteurs à ouverture de synthèse. Les objectifs de ce travail ont été de mettre en œuvre sur deux des volcans les plus actifs du monde des méthodes numériques pour détecter, analyser et interpréter les déformations du sol associées à l'activité. Sur le Piton de la Fournaise, nous avons analysé l'évolution spatiale et temporelle du champ de déplacement entre l'éruption historique d'avril 2007 et octobre 2014 à partir de l'analyse de mesures continues acquises par les stations GNSS et de longues séries temporelles d'images radar Cosmos-Skymed et TerraSAR acquises en bande X. Pour le traitement des données radars, nous avons adopté une approche classique qui exploite la redondance d'information dans les interférogrammes et nous avons mis en œuvre une méthode originale de correction des effets troposphériques reposant sur la décomposition des signaux radars en valeurs singulières. La complexité spatiale et temporelle du champ de déplacement obtenu indique qu'une partie importante de l'édifice volcanique est affectée par des déformations d'origines diverses qui se superposent spatialement et temporellement. Ainsi, on observe des processus de subsidence qui ne s'accompagnent pas de déplacements horizontaux sur les coulées de lave récentes. Nous montrons qu'il existe une relation linéaire entre cette subsidence et l'épaisseur de la coulée et que son amplitude décroit avec le temps. Ces relations nous permettent de construire une loi empirique pour estimer la contribution de ce processus dans le champ de déformation. Nous observons également que le cône central subside de manière persistante durant la période étudiée. Nous interprétons cette subsidence comme l'expression d'une relaxation des contraintes provoquée par l'effondrement de plus de 350 m du Dolomieu survenu lors de l'éruption d'avril 2007. Enfin, nous montrons qu'une large partie du flanc est de l'édifice volcanique est affectée d'un mouvement lent le long de la pente entre 2007 et 2014. L'absence d'évidences sur la structure et sur la rhéologie de l'édifice nous amène à explorer différentes hypothèses pour expliquer l'origine de ce glissement qui pourrait être contrôlé par les propriétés frictionnelles des roches le long d'un ou de plusieurs plans de faille, ou bien être l'expression d'une déformation ductile dépendante de la viscosité du milieu. Le Llaima est un large strato-volcans andin dont les processus de déformations sont mal compris à cause principalement de la complexité de son mode de fonctionnement mais, également, aussi par l'absence de réseaux d'observation au sol. Dans ce contexte, les potentialités des données radar pour le suivi des déformations de surface de ces volcans constituent un intérêt scientifique majeur. / We address in this dissertation the use of Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) to measure and characterize the ground surface deformation at two volcanoes - Piton de la Fournaise (La Réunion Island, France) and Llaima (Chile). For Piton de la Fournaise, we analyzed the spatial pattern and temporal evolution of the ground displacement between the historical March-April 2007 eruption and October 2014, based on continuous measurements recorded by GNSS stations and X band COSMO-SkyMed and TerraSAR-X/TanDEM-X time series analysis. For the processing of radar data, we adopted a classical InSAR time series approach that exploits the information redundancy in the interferograms and we implemented an original method for correcting artifacts based on the principal component decomposition. The spatial and temporal complexity of the obtained deformation field indicates that an important part of the volcanic edifice is affected by deformations of various origins that overlap spatially and temporally. We observe also subsidence processes that are not accompanied by horizontal displacements in recent lava fields. We show that there exists a linear relationship between the subsidence and the thickness of lava and that the amplitude of subsidence decreases with time. These relationships allow us to construct an empirical law to estimate the contribution of post-lava emplacement process in the deformation field. We also observe that the Central Cone subsides persistently during the study period. We interpret this subsidence as the expression of a relaxation of the stresses caused by the Dolomieu collapse during the March-April 2007 eruption. Finally, we show that a widespread time-dependent moving sector on the Eastern Flank is affected by downslope motion during the 2007-2014 period. The uncertainties on both the structure and rheology parameters of the edifice leads us to explore different hypotheses to explain the origin of this flank motion which could be controlled by the frictional properties of the rocks along one or more fault planes, or be the expression of a dependent ductile deformation of the viscosity of the medium. Llaima is a large Andean stratospheric volcano whose deformation processes are poorly understood not only because of the complexity of its functioning mode but also because of the absence of observation networks on the ground. In this context, the potential of radar data for monitoring the ground deformations of these volcanoes is a main scientific interest. However, the complex environment conditions (steep slopes, snow- or ice-capped summit, dense vegetation cover, and strong tropospheric artifacts) and limited amount of available radar data make it challenging to accurately measure ground displacement with InSAR.