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

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 signi
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