Monitoring the subsurface elastic properties using ambient seismic noise: 2011 El Hierro eruption and Reykjanes geothermal reservoir

Abstract

Monitoring the elastic properties of the subsurface is of a special interest to mitigate the associated risk with natural and artificial hazards. In the last decade, coda-wave interferometry has become an excellent tool to characterize the subsurface in a large variety of environments. Additionally, coda-wave interferometry applied to the ever-present seismic ambient noise enables a continuous retrieval of virtual-source responses that allows monitoring structural and mechanical changes of media. Throughout this thesis, we perform a comprehensive study of seismic noise interferometry employing all the currently used methodologies to observe lag-time changes: Time evolution of waveform similarity, waveform stretching and moving window cross-spectrum technique. Furthermore, we introduce some improvements in order to increase the temporal accuracy and sensitivity of said methodologies to detect tiny medium changes. In particular, we carry out the study in two scenarios with very di fferent tectonic settings: the 2011 El Hierro eruption and the Reykjanes geothermal system (RGS). We compute the phase auto- and cross-correlation (PCC) of 1.5 years of continuous seismic noise records of all available seismic stations in both cases. The PCC provides an accurate and amplitude-unbiased measure of coherence between two seismic traces and allows obtaining detailed daily seismic response of media. In the case of the 2011 El Hierro volcanic eruption, through the analysis of waveform similarity time series of auto-correlations we clearly identify different pre-eruptive phases, as well as the end of the main magmatic emission and three magmatic intrusions that occurred in 2012. We use probabilistic sensitivity kernels to locate the places of the highest dynamics, providing that the ected areas correspond to the magmatic accumulation zone and the extinct volcanic area of Tiñor. In this study, we also introduce the change point analysis approach in order to automatically detect significant changes in time series. The second scenario consists in studying stress changes and potential deformations of the subsurface caused by geothermal well operations at RGS. For that purpose, we retrieve and analyse time series of waveform similarity values and seismic velocity variations. However, the continuous production over a large area and various injection wells make challenging the detection of time-lag changes in the coda. To tackle this issue, we decompose the similarity time series into the time-frequency domain through the S- transform, which allows us to discriminate fluctuations associated to injection and production rate drops. Furthermore, we observe a slow seismic velocity decrease in the reservoir due to the water deficit as well as seasonal variations associated with the energy production demand.

El monitoreo de las propiedades elásticas del subsuelo es de especial interés para mitigar el riesgo asociado con peligros naturales y artificiales. En la última década, la interferometría de ondas de coda (coda-wave interferometry) se ha convertido en una excelente herramienta para caracterizar el subsuelo en una gran variedad de escenarios. Además, esa metodología aplicada al ruido sísmico ambiental, el cual está siempre presente en los registros sísmicos, permite calcular de forma continua las respuestas sísmicas del medio (o funciones de Green) y así monitorear los cambios estructurales y mecánicos de los medios. En esta tesis, hemos realizado un estudio exhaustivo de la interferometría de ruido sísmico empleando todas las metodologías utilizadas actualmente para observar cambios temporales: similitud de la forma de onda, estiramiento de la forma de onda (stretching) y la técnica de moving window cross-spectrum. Además, introducimos algunas mejoras para aumentar la precisión temporal y la sensibilidad de dichas metodologías para detectar pequeños cambios en el medio. En particular, hemos llevado a cabo el estudio en dos escenarios con marcos tectónicos muy diferentes: la erupción de El Hierro de 2011 y el sistema geotérmico de Reykjanes (RGS). Calculamos auto-correlaciones y correlaciones cruzadas de fase (phase cross-correlation) de 1,5 años de registros continuos de ruido sísmico de todas las estaciones sísmicas disponibles en ambos casos. La PCC proporciona una medida precisa de la coherencia entre dos trazas sísmicas la cual no está condicionada por la amplitud de dichas trazas. De esta forma, hemos obtenido una detallada y diaria respuesta sísmica del medio. En el caso de la erupción volcánica de El Hierro de 2011, a través del análisis de la evolución temporal de las similitudes de forma de onda de auto-correlaciones, identificamos las diferentes fases pre-eruptivas de la erupción, así como el final de la emisión magmática y las tres intrusiones magmáticas ocurridas en 2012. Utilizamos sensitivity kernels para localizar los lugares de mayor dinamismo durante la crisis volcánica. Resultando que las áreas más afectadas son la zona de acumulación magmática alrededor del volcán Tanganasoga y al área volcánica extinta de Tiñor. En este estudio, presentamos el change-point analysis para detectar automáticamente cambios significativos en las series de tiempo y así poder automatizar su búsqueda con un bajo coste computacional. La segunda parte de la tesis consiste en estudiar cambios de esfuerzos y posibles deformaciones del subsuelo causadas por las operaciones de los pozos geotérmicos en RGS. Con este fin, calculamos y analizamos las series temporales de los valores de similitud de forma de onda y variaciones de velocidad sísmica. Sin embargo, la producción de energía se produce de forma continua y hay varios pozos de inyección de fluidos distribuidos por la zona de estudio, esta perturbación continuada del medio dificulta la detección de cambios temporales en la coda. Por ello, abordamos el estudio descomponiendo las series de tiempo de similitud en el dominio de tiempo-frecuencia a través de la transformada S. Esto nos permite discriminar las fluctuaciones en la coda que están asociadas a las variaciones bruscas que se producen en la actividad de la planta geotérmica. Por otro lado, observamos una disminución lenta de la velocidad sísmica en el reservorio debido al déficit de agua que está causando el sistema geotérmico. Por último, observamos variaciones estacionales en el subsuelo que acompañan a la demanda de producción de energía de la población islandesa.