Incasciences 1 (1):
59-66. Octubre, 2023 doi:10.47347/incasciences.v1i1.29
FORMACIÓN
DE UN DOMO DE LAVA EN EL VOLCÁN SABANCAYA DURANTE EL AÑO 2019: EVIDENCIAS DE
MONITOREO MULTIPARAMÉTRICO
Edu
Taipe1, Rigoberto Aguilar1, Yanet Antayhua1, Mayra
Ortega1, Luis Cruz1, Fredy Choquehuayta1
1Instituto
Geológico Minero y Metalúrgico (INGEMMET), Av. Canadá
1470 Lima, Perú. Corresponding author: Edu Taipe (edtaipe@ingemmet.gob.pe)
RESUMEN
El volcán Sabancaya ubicado en el sur del Perú entró en erupción
el 19 noviembre de 2016, después de 18 años de inactividad. Esta erupción es de tipo vulcaniana, con IEV=1-2. Una de las características
más resaltantes de este proceso es la formación de un domo de lava en el cráter, la cual
fue registrada por diferentes parámetros de monitoreo. El proceso se inicia el 5 de marzo con la deformación en una fuente de sobrepresurización superficial, y se propone que esto es debido a la desgasificación y migración
de un cuerpo magmático. La desgasificación se registra
en superficie desde el 27 de marzo con un incremento de flujo de SO2. Durante esta etapa, además, se registran dos sismos LP muy energéticos (105 MJ), que confirmarían el incremento de presión por desgasificación y migración
de magma. Consecuentemente, el
27 de abril se incrementa
la altura de las columnas eruptivas de 1500 a 3000 m sobre el cráter. Seguidamente,
se produce la ruptura de estructuras
internas por migración del
magma, y se registran enjambres
de sismos VT y VTD con energías
muy altas (hasta 294 MJ en un día); y la migración de los
fluidos por estas fracturas se registra mediante el incremento
de energía en los sismos LP. Se propone que la extrusión
del domo de lava se produce desde el
6 de setiembre, ya que los sismos de tipo LP son más energéticos, por la desgasificación del magma en
ascenso y la ocurrencia un nuevo
enjambre de sismicidad VT más superficial, lo cual empuja el magma a la superficie. Finalmente, entre
el 26 de noviembre y 3 de diciembre se produce un último aporte magmático que culmina con la formación del domo
en el cráter
del volcán. Las características
sísmicas cambian completamente. La cantidad diaria de las explosiones y LP disminuyen mientras que los sismos TRE e HIB aumentan drásticamente. Esto explicaría la existencia de un conducto abierto y un domo permeable.
Dado que no hay deformación superficial o eventos sísmicos asociados a movimiento de volúmenes importantes de fluidos, se propone que es el
final de este proceso
de extrusión.
Palabras clave: Volcán
Sabancaya, Domo de lava, Monitoreo
multiparamétrico, Anomalías
térmicas
ABSTRACT
The Sabancaya
Volcano (southern Peru), began a new eruptive sequence in November 2016, after 18
years of dormancy. Its eruptive activity is characterized by constant, moderate,
Vulcanian explosive activity (VEI = 1-2). One of the most noteworthy characteristics
of this process is the growth of a lava dome in the crater, which was detected by
multiparametric volcanic monitoring. The process started on March 5 with detection
of deformation probably due to over-pressurization of a shallow source suggesting
degassing and magma migration. Degassing is recorded since March 27 with an increase
in the flow of SO2. Additionally, an increase in pressure due to
degassing and magma migration are suggested during this stage by high energy
(105 MJ) LPs. Consequently, on April 27 the height of volcanic plumes
increases from 1500 to 3000 meters above the crater. This is followed by the
rupture of internal structures due to magma migration, triggering swarms of VT and
VTD earthquakes with very high seismic energies (up to 294 MJ in one day). The migration
of fluids through these fractures resulted in an increase in energy in LP
earthquakes. Subsequently, we propose that the extrusion of the lava dome
started on September 6 as suggested by more energetic LP earthquakes caused by
the degassing of ascending magma and the occurrence of a new swarm of shallow VT
seismicity triggered as the magma pushed its way to the surface. Finally,
between November 26 and December 3 a last pulse of magma contributed with the
growth of the dome. The seismic characteristics change completely with the
daily number of explosions and LPs decreasing and a dramatic increase in TRE
and HIB earthquakes, which suggests the existence of a permeable dome. Since
there is no surface deformation or seismic events associated with the movement
of large volumes of fluids, we propose that it is the end of this
process.
1. INTRODUCCIÓN
Las erupciones
volcánicas involucran en muchos casos
la formación de domos de lava. Este tipo de estructuras volcánicas corresponde a extrusiones de magma viscoso, que debido a sus características reológicas se acumula en el
cráter o vento del volcán (Hale, 2008). La morfología
de un domo, así como su desarrollo endógeno
o exógeno, depende de la tasa de alimentación magmática y de la reología del
magma (Heap et al., 2016). Los domos de
lava representan la parte
superior del conducto volcánico
y, por lo tanto, su evolución
temporal nos puede indicar sobre la evolución futura de una erupción. En efecto,
un domo puede crecer de
forma pasiva y poco explosiva
durante largos períodos de tiempo; pero también
puede ser destruido por actividad explosiva y generar columnas de erupción y flujos piroclásticos debido a su colapso (Sparks, 1997; Zorn et
al., 2020). Es por tal motivo
que es muy importante su estudio y monitoreo.
El volcán Sabancaya está ubicado en el
sur del Perú, a 75 km al NO de la ciudad de Arequipa (Figura
1A). Sobre la base de estudios
realizados por Delgado (2012), Rivera et al. (2015) y
Samaniego et al (2016), se conoce que el Sabancaya se ha desarrollado durante los últimos 10 mil años. En este periodo,
ha presentado tres tipos de erupciones: (1) erupciones efusivas que han emplazado flujos
de lava de composición andesítica
y dacítica, algunos de los cuales corresponden a erupciones ocurridas
hace 6.3 ± 0.31 ka.; (2) erupciones
que emplazaron domos de composición
andesítica y dacítica, que forman un edificio ubicado a 0.5 km al suroeste del cráter actual; (3) erupciones explosivas de baja a moderada magnitud IEV=1-2 (Índice de Explosividad Volcánica; Newhall & Self, 1982). Según
datos históricos, las últimas erupciones de este tipo ocurrieron
los años 1750-1784 y 1987-1998 (Rivera et al., 2015).
El 6 de noviembre
del 2016, el Sabancaya inició un nuevo proceso eruptivo de tipo vulcaniano, el cual se caracterizó por la emisión de ceniza y fragmentos o bloques balísticos. El material juvenil emitido presenta una composición andesítica a dacítica (Manrique et al., 2018).
De acuerdo
con imágenes satelitales
(Planet Scope, LandSat y Sentinel 2), desde junio del 2017 se podía observar, en el fondo
del cráter, la presencia de
un domo de lava con un área aproximada
de 15000 m2, el cual se mantuvo con un lento crecimiento durante el 2017 y 2018. Para marzo de 2019, el domo tenía un área aproximada
de 20000 m2. A partir de esa
fecha, se pudo observar un rápido crecimiento hasta alcanzar un área máxima de 50000 m2 para
finales del 2019. Durante este periodo de formación, el monitoreo multidisciplinario
mostró patrones de comportamiento asociados con este crecimiento acelerado del domo de lava. Dada la importancia
de este fenómeno, especialmente en términos de peligro volcánico (flujos piroclásticos por colapso de
domo), el presente trabajo está orientado
a mostrar las características
de este proceso, evidenciadas mediante diferentes métodos de monitoreo que incluyen sensores remotos, actividad sísmica, deformación volcánica, cámaras de videovigilancia y mediciones del flujo de SO2.
Figura 1 (a) Ubicación del volcán Sabancaya en el
sur del Perú. Los triángulos azules
representan los volcanes activos y potencialmente activos del arco peruano. (b) Red
de monitoreo volcánico multidisciplinario del volcán Sabancaya.
2.
DATOS Y MÉTODOS DE ANÁLISIS
El volcán Sabancaya es monitoreado por una
red de estaciones multiparamétricas
administradas por el Observatorio Vulcanológico del INGEMMET
(OVI). En el presente trabajo, se utilizó información proveniente de 12 estaciones (Figura 1B), las cuales están equipadas con sismómetros; receptores GNSS; escáneres DOAS, y cámaras fijas (ópticas y térmica). El periodo de análisis corresponde a todo el año
2019.
2.1
Deformación volcánica
La red geodésica
está conformada por 5 receptores GNSS, desplegados alrededor del volcán Sabancaya cubriendo el edificio volcánico y la región circundante (Figura 1B). Esta red tiene
por objetivo monitorear la deformación en el edificio volcánico y la fuente de deformación volcánica profunda identificada en estudios anteriores (Pritchard
& Simons, 2004; Cruz, 2019; Boixart et al., 2020).
La información se procesa con
el software GAMIT/GLOBK (Herring et al. 2010; 2015),
con el cual se obtienen las series temporales de
la posición absoluta y la distancia relativa entre pares de
estaciones (líneas de base).
Desde que se instaló
la red geodésica, en el año 2014, las series temporales muestran un proceso de inflación con velocidad casi constante de 3.4 ± 3 cm/año, generado por la sobrepresurización
en una fuente esférica profunda (12-15 km) ubicada
por debajo del volcán Hualca Hualca (Pritchard & Simons,
2002; Boixart et al., 2020). En
la Figura 2A, se muestra la serie
temporal de la componente vertical para el año 2019 en
la estación SBMI y se observa
la tendencia casi lineal
que representa esta inflación constante.
Con la finalidad
de identificar patrones
de deformación más cercanos al edificio volcánico, se calcularon las
series temporales de línea de
base para SBSE-SBHO (Figura 2A). En
esta figura, se aprecian varios periodos de inflación y deflación asociados a una fuente de deformación más superficial: entre el 5
y el 18 de marzo y entre el 5 y 10 de abril, se registra en cada
caso 4 ± 1 mm de inflación;
entre el 9 de mayo y 17 junio,
se pudo estimar una inflación de 8 ± 1 mm; entre el
3 y 14 de setiembre, se registra
otra deformación de 5 ± 1
mm; entre el 30 setiembre y
4 de octubre, se presenta una
deflación de 3 ± 1 mm; finalmente,
entre el 12 y 24 de noviembre,
se registra una pequeña deflación de 2 ± 1 mm. Este proceso
de deformación fue seguido de un levantamiento de la
misma magnitud hasta el 9 de diciembre, fecha a partir de la cual la tendencia de esta línea de base es horizontal.
2.2
Monitoreo sísmico
La red
sísmica del
Sabancaya está compuesta de 10 sismómetros de banda ancha de operación continua, distribuidos alrededor de las principales fuentes sismogénicas del volcán (Figura 1B). En este trabajo, usamos
esta información para caracterizar la sismicidad asociada a la formación del domo de
lava, basado en los sistemas de clasificación de
señales sismo- volcánicas de los trabajos de Minakami (1974), Zobin (2012) y
McNutt & Roman (2015).
Durante
el año 2019, se identificaron 6 cambios importantes en la actividad sísmica:
a) El 18 de marzo, se registró un ligero incremento en la energía de los sismos de largo periodo (LP),
los cuales están asociados a la dinámica de los fluidos magmáticos . Este cambio estuvo
acompañado de un incremento
importante en la cantidad y energía de las explosiones.
b) El 12 de abril, se registra hasta 100
sismos LP, que acumulan 105
MJ de energía sísmica ese
día, la máxima energía registrada para este tipo de sismos en el Sabancaya.
Una semana después, el promedio de la energía y tasa de ocurrencia de estos sismos se incrementa (Figura 2-B) junto con la actividad
explosiva, la cual se hace más frecuente
y energética, y llega a un máximo de 55 explosiones por día
(Figura 2-C).
c) El 21 de mayo, se inició un enjambre de sismicidad de tipo volcano-tectónico (VT) y volcano-tectónico distal (VTD).
Estos sismos están asociados a fracturamiento de estructuras internas. En este
mismo periodo, se registró el sismo más energético (294 MJ) del proceso eruptivo (Figura 2-D). Este enjambre se prolongó hasta el 12 de junio.
d) El 11 de agosto, nuevamente se presenta otro enjambre VT/ VTD, que duró
hasta el 5 de octubre, con
una sismicidad predominantemente
de tipo VT (entre el 26 de agosto y 6 de setiembre), la cual se ubicó en las inmediaciones del edificio
volcánico. Posteriormente,
la sismicidad VT descendió
de un promedio de 150 a 20 eventos
por día y se mantuvo así durante el resto del año. Paralelamente en
este periodo, se registró un ligero incremento en la ocurrencia de explosiones y la aparición esporádica de sismos de tipo híbrido (HIB), los cuales están asociados a la migración de magma.
e) El 4 de octubre, luego del enjambre de sismos VT previamente
descrito, se registraron sismos de tipo HIB muy energéticos, se incrementó la sismicidad de tipo LP y las explosiones fueron más continuas
y energéticas.
f)
Finalmente, desde
el 2 de diciembre se observó que la sismicidad por explosiones y los sismos LP se redujeron tanto en número como en energía (Figuras 2B y 2C);
mientras que la actividad de tipo HIB aumentó drásticamente (Figura 2H).
Figura 2 Correlación de datos multidisciplinarios de monitoreo volcánico: (a) deformación, (b) sismicidad LP, (c) registro sísmico de las explosiones, (d) sismicidad VT y VTD, (e) flujo
de SO2, (f) altura sobre el cráter de las columnas eruptivas, (g) anomalías térmicas, (h) sismicidad de tipo HIB. Las líneas verticales rojas corresponden a la delimitación de las diferentes etapas de actividad. Se señalan, además, mediante flechas en cada parámetro
los cambios más importantes y la magnitud de estos.
2.3
Química de gases
El monitoreo
geoquímico consiste en determinar los flujos diarios de SO2 (dióxido de azufre). Para ello, se cuenta con una red de 3 escáneres DOAS (Figura 1B). El estudio de este gas permite, en correlación
con otras técnicas, caracterizar las condiciones de desgasificación de los cuerpos
magmáticos y su relación con la actividad explosiva (Wallace, 2001; Mousallam
et al., 2017). Los valores medidos
se expresan en unidades de toneladas por día (t/d).
Los resultados
para el año 2019 se presentan en la Figura 2E, en la cual se muestran los flujos de SO2 medidos (barras celestes) y los promedios diarios (línea azul). Se han identificado periodos de incremento y descenso del flujo de gases.
Así, tenemos que antes del
27 de marzo los valores del
flujo de SO2 promedio
fueron de 500 t/d; luego de
esa fecha, el flujo de gases se incrementó hasta alcanzar las 1000
t/d. Desde el 30 de abril, los valores promedios fueron de 1500 t/d; el 30 de julio desciende a un promedio de 600 t/d;
desde el 4 de setiembre, se registraron pulsos que alcanzan un promedio máximo de 2200 t/d. Después del 21 setiembre, el flujo de gases retornó a un promedio de 500 t/d,
el cual se mantiene hasta el final del
2019 con tres pulsos cortos de hasta 2400 t/d (6 de octubre,
19 de octubre y 28 de noviembre).
En relación con los flujos máximos medidos, en la Figura 2E, se han marcado 9 fechas en las cuales el
flujo de SO2 alcanzó valores máximos, donde el mayor es de 12800 t/d, registrado el 23 de julio.
2.4
Cámaras Fijas
La red de monitoreo
visual del Sabancaya incluye
cinco cámaras fijas (Figura 1B), las cuales están distribuidas
a diferentes distancias, y cubren acimutalmente el cono volcánico,
lo que permite caracterizar
las columnas eruptivas en términos de altura y color de las emisiones.
En la Figura
2F, se muestra la serie temporal de alturas sobre el
cráter de las columnas eruptivas durante el día. Identificamos 4 fechas con importantes cambios: (1) el 27 de abril se incrementa la altura de las emisiones, de un promedio de 1500 a 3000 metros;
(2) el 3 de setiembre, las emisiones contienen mayor cantidad de ceniza, pero disminuye la altura promedio hasta 1500
metros; (3) el 20 de noviembre
se incrementa la altura promedio nuevamente a 3000 metros;
(4) el 16 de diciembre, el promedio disminuye
a 1500 metros con algunos picos
de alturas de hasta 3800 metros.
2.5
Sensores Remotos
Se usaron las
imágenes del proyecto MIROVA
de la Universidad de Torino, Italia (https://www.mirovaweb.it/), que proveen
información sobre anomalías térmicas aplicables al monitoreo de volcanes (Massimetti et al.,
2020). Estas anomalías se expresan como la energía térmica irradiada o VRP (por sus siglas en ingles) y se expresan en unidad de Megavatios
(MW).
En la Figura
2G, se muestran los valores
de las anomalías térmicas registradas durante el año 2019. Se diferencia un periodo de valores altos entre el 16 de mayo
y el 30 de octubre con un promedio de 30 MW, y el máximo valor registrado es del 14
de junio (70 MW). En este periodo, se observaron 5 etapas cortas de disminución de la energía térmica: 17 de junio, el 21 de julio, 13 setiembre, 3 de octubre y el 16 octubre.
3.
ANÁLISIS
En esta
sección, se analiza la información de monitoreo multidisciplinario (Figura 2) y
se correlaciona con posibles
procesos internos y manifestaciones superficiales
que podrían describir un modelo conceptual del proceso de formación del domo de lava en el cráter del volcán
(Figura 3), para el cual se ha considerado cinco etapas:
3.1
Del 5 de marzo al 27 de abril
Esta etapa
se caracterizó por: (1) Presentar
dos pulsos de inflación
(5-18 de marzo y 5-10 de abril),
por un incremento de presión
en una fuente intermedia (deformación acumulada de 8 mm), probablemente un sill o el conducto, debido a la migración de magma desde la cámara profunda. Este magma en ascenso y en proceso
de desgasificación ejerce
presión sobre la roca encajante, empujando el material presente en el
conducto. A su vez, los gases volcánicos ascienden, para luego ser expulsados mediante explosiones leves. (2) Desde el 18 de marzo, se registró un incremento de la actividad explosiva y además un ligero incremento en la energía sísmica
de los sismos LP. (3) Desde
el 27 de marzo, se registró también un incremento del flujo de
SO2. (4) El 12 de abril se registraron
varios sismos LP muy grandes, con energía sísmica de hasta 105 MJ; luego de este fenómeno,
la sismicidad disminuyó rápidamente en cantidad y energía. Estas señales nos
indicarían que hay una sobrepresurización
por desgasificación de un cuerpo
de magma emplazado cerca de
la superficie.
3.2
Del 27 de abril al 30 de julio
Esta etapa
presenta las siguientes características: (1) Incremento
de la sismicidad asociada a
la dinámica de fluidos
(LP y EXP) desde el 27 de abril, que también coincide con el incremento de la altura de las columnas eruptivas. (2) El 2 de mayo, se registró
un importante flujo
de SO2, luego de lo cual el promedio del flujo diario se incrementó respecto a la etapa anterior. (3) Desde el 9 de mayo, se registró otro periodo de deformación por presurización, marcado por 8 mm de inflación.
Desde el
16 de mayo, la energía térmica
irradiada se hace más frecuente y presenta mayor magnitud. (5)
Entre el 21 de mayo y el 11
de junio, se produce un enjambre
de sismos de tipo VT y VTD muy energéticos, cuyas energías corresponden a las más altas registradas en todo el
proceso eruptivo. Dado que
los sismos VTD son predominantes,
esta etapa correspondería a una intrusión y migración importante de magma (McCausland
et al., 2017).
3.3
Del 30 de julio al 4 de octubre
Las
características de esta etapa son: (1) Desde el 30 de julio, hay un ligero incremento en la actividad sísmica (LP y EXP) y una disminución
del flujo de SO2. (2) Se registra
un nuevo enjambre de sismos
de tipo VT y VTD entre el 11
de agosto y el 4 de octubre. Estos eventos presentan una ubicación más superficial.
(3) Nuevamente se tiene la aparición de sismos de tipo HIB energéticos. Estos parámetros sugieren que el proceso de migración del magma está más próximo
a la superficie.
3.4
Del 4 octubre al 26 de noviembre
Las señales
que caracterizan esta etapa son: ( 1 ) Importante incremento en las explosiones e incremento en la sismicidad LP. (2) Disminución
del flujo de SO2. (3) Cambio importante en las características de las columnas eruptivas, las cuales se tornan más oscuras
por el alto contenido de ceniza, se hacen más frecuentes, aunque no superan los 2000 metros
de altura sobre el cráter. (4) Una imagen tomada con un dron el 26 de octubre muestra el domo en el
cráter del volcán (Figura 3D).
Desde el
30 de octubre, las anomalías
térmicas decaen. Esta etapa correspondería
al inicio de la extrusión del
domo de lava, proceso que debió
iniciarse entre el 4 y el 26 de octubre.
3.5
Desde el 26 noviembre en Adelante
Esta última
etapa del año presenta cambios muy marcados: (1) Entre el 26 y 30 de noviembre, hay un pulso en el
flujo de SO2.
(2) Así mismo, desde el
26 de noviembre hay un incremento
en la altura de las emisiones. (3) La cantidad diaria y energía de las explosiones y sismos LP disminuyen drásticamente. (4) Se registra un importante aumento en la tasa
de sismicidad de tipo HIB. En esta etapa,
se propone que el domo extruido
es permeable y el conducto semiabierto, lo que permite que el material magmático sea extruido fácilmente.
Figura 3 Esquema simplificado del modelo conceptual con el que se describe
el proceso de formación del domo de lava en el volcán Sabancaya.
Este inicia con la migración
de un cuerpo de magma con importante
desgasificación desde
la cámara profunda (A), siguiendo
como camino un conducto (B), el avance del cuerpo magmático sobrepresuriza el sistema y genera deformación superficial (C) y ruptura
de las estructuras en el conducto. Finalmente,
el cuerpo magmático sale a la superficie
formándose un domo de lava en
el cráter del volcán (D).
4.
CONCLUSIONES
La dinámica del
proceso de formación del domo
de lava podría estar diferenciada en 5 etapas definidas por los parámetros de monitoreo. Este proceso se propone que obedece al
esquema propuesto en la figura 3. La deformación volcánica de fuente profunda (Figura 3A) y
superficial (Figura 3C), así
como el registro
de sismicidad son herramientas
muy útiles al momento de detectar patrones relacionados al ascenso de magma y desgasificación.
A su vez, los datos de caracterización de las columnas eruptivas, las mediciones de flujos de SO2
y las anomalías
térmicas, permiten corroborar la evolución de formación del domo (Figura 3D).
Este proceso
duró 9 meses y se dividió en cinco etapas
que consistieron en pulsos de presión interna durante la migración y desgasificación de un cuerpo
de magma desde la cámara
profunda (Figura 3A) a la superficie,
atravesando los conductos volcánicos. Esto generó deformación y sismicidad relacionada a fracturamiento de estructuras y
al movimiento de fluidos
magmáticos al interior del edifico
volcánico (Figura 3B), la cual culminó con la extrusión del domo de lava (Figura
3D). Posteriormente, este
domo inició el proceso de destrucción mediante continuas explosiones de moderada magnitud, proceso que continuó durante la primera mitad del 2020.
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