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Unlocking Volcanic Swarms: Swarm-Informed ETAS and Plastic Rock Deformation

Este estudio introduce el modelo SIETAS (Swarm-Informed ETAS), el cual incorpora cortes temporales exponenciales y núcleos espaciales sigmoideos para caracterizar mejor los enjambres de terremotos volcánicos que los modelos ETAS estándar, y valida este enfoque a través de datos sísmicos globales y un modelo de dos bloques friccionales que vincula el decaimiento observado con la fluencia transitoria de la roca.

Autores originales: Anna Tramelli, Cataldo Godano, Vincenzo Convertito, Giuseppe Petrillo

Publicado 2026-10-15

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CC BY 4.0

Autores originales: Anna Tramelli, Cataldo Godano, Vincenzo Convertito, Giuseppe Petrillo

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Los volcanes no son meramente montañas de piedra; son sistemas vivos donde el suelo respira, se desplaza y, ocasionalmente, entra en erupción. Bajo la superficie, el movimiento del magma y de los fluidos calientes crea una tensión que agrieta la roca, enviando temblores que los científicos llaman enjambres de terremotos. A diferencia del patrón familiar de un único terremoto masivo seguido de una larga línea de réplicas menores, estos enjambres a menudo aparecen como una explosión caótica de muchos sismos de tamaño similar, agrupados estrechamente en el tiempo y el espacio. Durante décadas, los científicos han intentado predecir y comprender estos eventos utilizando modelos matemáticos estándar diseñados para fallas tectónicas. Sin embargo, estas herramientas tradicionales suelen tener dificultades para capturar la naturaleza única, impulsada por fluidos, de la actividad volcánica, lo que genera una brecha entre lo que los modelos predicen y lo que realmente sucede en el terreno.

Un equipo de investigadores de Italia, Francia y Estados Unidos ha propuesto ahora una nueva forma de observar estos temblores volcánicos. Al analizar los registros sísmicos de seis importantes sistemas volcánicos en todo el mundo, incluyendo el Etna en Italia, Yellowstone en los Estados Unidos y Bárðarbunga en Islandia, desarrollaron un modelo refinado que tiene en cuenta mejor cómo la tensión y los fluidos se mueven a través de la roca volcánica. Su trabajo sugiere que la cronología y la ubicación de estos enjambres de terremotos no son aleatorias, sino que están regidas por procesos físicos específicos relacionados con la forma en que la roca se deforma y cómo los fluidos migran a través de las grietas.

Los investigadores comenzaron examinando catálogos detallados de terremotos de seis regiones volcánicas distintas: Bárðarbunga, Etna, las islas Hawái, Nevado del Ruiz en Colombia, Vesubio en Italia y Yellowstone. Compararon el modelo estándar, que trata el desencadenamiento de terremotos como un proceso que se desvanece lentamente con el tiempo sin un final claro, frente a su nuevo enfoque. El modelo estándar asume que, una vez que ocurre un terremoto, este puede desencadenar otros indefinidamente, con la probabilidad de un nuevo sismo disminuyendo gradualmente. El nuevo modelo, que los autores llaman un enfoque "informado por el enjambre", introduce dos cambios clave. Primero, reconoce que la capacidad de un terremoto para desencadenar otros en un enjambre volcánico no dura para siempre; en cambio, el poder de desencadenamiento se desvanece más rápidamente después de un cierto período, como una batería que se agota. Segundo, ajusta la forma en que el modelo ve la distancia entre los sismos, reconociendo que en las áreas volcánicas, la propagación de la actividad sísmica tiene una forma específica y organizada que difiere de la propagación vista en las fallas normales.

Cuando el equipo aplicó su nuevo modelo a los datos, este proporcionó un ajuste significativamente mejor para cinco de los seis sistemas volcánicos estudiados. El modelo describió con éxito el rápido aumento y la caída de la actividad sísmica y la agrupación compacta de los terremotos de una manera que el modelo anterior no pudo. Para el sexto sistema, Hawái, el nuevo modelo mostró potencial en cómo coincidía con los patrones físicos de los datos, aun cuando la optimización computacional requirió más ajustes para confirmar que era el mejor ajuste estadístico absoluto. Los resultados indican que el nuevo modelo captura el comportamiento esencial de los enjambres volcánicos con mayor precisión, sugiriendo que estos eventos son impulsados por un proceso autosustentable pero limitado en el tiempo.

Para entender por qué este nuevo modelo funciona, los investigadores analizaron la mecánica física que ocurre en las profundidades del subsuelo. Propusieron una imagen mecánica simple que involucra dos bloques de roca: uno que es quebradizo y propenso a romperse, y otro que es más blando y fluye lentamente, como una pasta espesa. Cuando el bloque que fluye se mueve, tira del bloque quebradizo, acumulando tensión. A medida que el bloque quebradizo se agrieta y libera energía, desencadena más grietas cercanas. Los investigadores descubrieron que la tasa a la que aparecen estas grietas sigue un patrón donde la actividad comienza con fuerza y luego decae, pero este decaimiento no es infinito; está cortado por un límite de tiempo característico. Este comportamiento coincide con la idea de que la roca está experimentando un tipo específico de deformación plástica lenta, donde el material se desplaza y se ajusta a la presión de una manera que eventualmente detiene la reacción en cadena de los terremotos.

El aspecto espacial de su modelo también reveló algo importante sobre cómo se organizan estos enjambres. En el nuevo marco, la probabilidad de que ocurra un terremoto cae bruscamente después de cierta distancia desde el grupo principal, en lugar de desvanecerse lentamente en un área vasta. Esto sugiere que los fluidos y la tensión que impulsan el enjambre están confinados a una zona específica, creando un núcleo de actividad intensa que no se propaga tan ampliamente como se pensaba anteriormente. Por ejemplo, en el caso de Nevado del Ruiz, el nuevo modelo mostró que, si bien el área central de actividad era similar a lo que predecían los modelos anteriores, los bordes exteriores del enjambre eran mucho más restringidos, indicando que el proceso de desencadenamiento está altamente localizado.

Este trabajo no pretende haber resuelto el misterio de las erupciones volcánicas ni proporcionar una herramienta perfecta para predecir exactamente cuándo estallará un volcán. En su lugar, ofrece un marco estadístico más flexible y preciso para describir cómo se agrupan los terremotos en entornos volcánicos. Al incorporar las formas específicas en que la roca volcánica se deforma y cómo se mueven los fluidos a través de ella, el nuevo modelo cierra la brecha entre las matemáticas abstractas y la realidad física de la corteza terrestre. Los hallazgos sugieren que, para comprender verdaderamente los enjambres volcánicos, los científicos deben ir más allá de las suposiciones estándar y adoptar modelos que reflejen la naturaleza única, limitada en el tiempo y espacialmente restringida de estos eventos. Este entendimiento más profundo es un paso crucial hacia un mejor monitoreo de los sistemas volcánicos y la interpretación de las señales que envían antes de una erupción.

Resumen Técnico: Desbloqueando Enjambres Volcánicos: ETAS Informado por Enjambres y Deformación de Roca Plástica

Planteamiento del Problema
Los enjambres de terremotos en volcanes son precursores críticos de las erupciones, lo que refleja interacciones complejas entre la deformación de la roca, la migración de fluidos y la activación de fallas. A diferencia de las secuencias clásicas de sismo principal y réplica impulsadas por la redistribución de esfuerzos, los enjambres volcánicos a menudo carecen de un evento dominante único y exhiben un agrupamiento temporal y espacial distintivo. Los modelos estándar de Secuencia de Réplicas de Tipo Epidémico (ETAS) frecuentemente fallan al replicar con precisión estas secuencias porque sus núcleos de activación de escala libre carecen de las características intrínsecamente limitadas en el tiempo y el espacio típicas de los entornos volcánicos. Específicamente, los núcleos temporales estándar (ley de Omori modificada) carecen de un decaimiento exponencial, y los núcleos espaciales estándar limitan la transición entre la región central y la cola de ley de potencia, lo que restringe su capacidad para reproducir la geometría de "núcleo" y sigmoidea de los enjambres volcánicos.

Metodología
Los autores introducen el modelo SIETAS (ETAS Informado por Enjambres), un marco modificado diseñado para capturar mejor la sismicidad volcánica. El modelo conserva el fondo espacial uniforme y la activación isotrópica del ETAS estándar, pero introduce dos modificaciones clave en los núcleos de activación:

Núcleo Temporal: El decaimiento de ley de potencia estándar se modifica para incluir un corte exponencial gobernado por un tiempo de relajación característico ( $\tau$ ). El núcleo toma la forma $g_S(t) \propto \exp(-t/\tau)(t+c)^{-p}$ . Esto permite que el modelo se comporte como una ley de potencia en tiempos cortos a intermedios, mientras que es suprimido exponencialmente en tiempos largos, lo que lo hace integrable incluso para $p \leq 1$ .
Núcleo Espacial: Motivado por observaciones empíricas de enjambres volcánicos apilados que muestran un régimen uniforme de corta distancia seguido de un decaimiento rápido, los autores introducen un núcleo espacial isotrópico generalizado y normalizado basado en un perfil logístico potenciado en distancia logarítmica. La densidad viene dada por $f_S(r) \propto [1 + (r/L_i)^b]^{-\nu}$ , donde $L_i$ es la longitud característica dependiente de la magnitud, y $b$ y $\nu$ son parámetros de forma. Esta formulación permite una estructura de "núcleo" y una atenuación flexible en el campo lejano, recuperando el núcleo espacial del ETAS estándar como un caso especial.

Para proporcionar una base física al núcleo temporal, los autores proponen un modelo de dos bloques friccionales. En esta interpretación mecánica, un bloque frágil está acoplado elásticamente a un bloque de fluencia (creep) impulsado por una carga externa. La tasa de activación se deriva como el producto de una respuesta de fluencia transitoria (tipo Andrade, que proporciona el factor de ley de potencia) y una susceptibilidad dependiente del tiempo que decae exponencialmente (que representa la pérdida progresiva de la capacidad de activación).

Los modelos se aplicaron a catálogos sísmicos exhaustivos de seis sistemas volcánicos: Bárðarbunga, Etna, Hawaii (Mauna Loa–Kīlauea), Nevado del Ruiz, Vesubio y Yellowstone. El rendimiento del modelo se evaluó mediante la log-verosimilitud negativa (NLL), el Criterio de Información de Akaike (AIC) y el Criterio de Información Bayesiano (BIC), optimizando los parámetros mediante el algoritmo Nelder-Mead.

Resultos Clave

Desempeño Estadístico: Para cinco de los seis sistemas volcánicos (Bárðarbunga, Etna, Nevado del Ruiz, Vesubio y Yellowstone), el modelo SIETAS produjo valores de NLL, AIC y BIC más bajos en comparación con el modelo ETAS estándar, lo que indica un ajuste estadístico superior.
Caso de Hawaii: Para el catálogo de Hawaii, la optimización actual de SIETAS devolvió un NLL más alto que el ETAS estándar. Sin embargo, los autores señalan que, dado que el ETAS estándar es un caso límite de SIETAS, este resultado probablemente indica un óptimo numérico local en lugar de una verdadera preferencia del modelo. Concluyen que el resultado de Hawaii es inconcluso a la espera de una optimización de múltiples inicios (multistart).
Decaimiento Temporal: Los tiempos de relajación ajustados ( $\tau$ ) fueron generalmente largos, lo que sugiere que, dentro de los intervalos ajustados, el decaimiento exponencial es débil, pero la forma funcional sigue siendo robusta.
Distribución Espacial: En el caso de Nevado del Ruiz, el ajuste de SIETAS produjo un valor grande para el parámetro derivado $\nu$ (22.904) junto con un $b$ pequeño. Los autores aclaran que esto no implica un radio de enjambre físicamente anomalamente grande; más bien, los parámetros combinados resultan en una distribución espacial con un rango central comparable al ETAS estándar, pero con una cola espacial extrema significativamente suprimida.
Acuerdo Visual: A pesar de los matices estadísticos en el caso de Hawaii, las comparaciones visuales entre la tasa de ocurrencia de terremotos experimentales y la tasa teórica de SIETAS mostraron un excelente acuerdo en los seis sistemas, incluido Hawaii.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el marco SIETAS proporciona una descripción estadística más flexible de la agrupación de terremotos en entornos volcánicos al contabilizar explícitamente los comportos de tipo enjambre que las formulaciones ETAS estándar omiten. El fuerte acuerdo entre la formulación mecánica analítica (basada en la fluencia transitoria y la disminución de la susceptibilidad) y los resultados empíricos respalda la hipótesis de que la sismicidad de los enjambres está gobernada por un proceso de activación auto-excitante controlado por la deformación y vinculado a la fluencia transitoria de tipo Andrade.

Los autores mantienen una postura modesta respecto a la aplicación práctica de estos hallazgos. Afirman que, si bien SIETAS ofrece un mejor ajuste estadístico y una estructura motivada físicamente, un mejor ajuste no equivale automáticamente a una mejora en la capacidad predictiva. Enfatizan que SIETAS debe verse actualmente como un marco estadístico flexible para caracterizar e investigar la agrupación de terremotos volcánicos, en lugar de como un modelo operativo para el pronóstico o monitoreo de erupciones. Se requiere trabajo futuro que involucre análisis de residuos temporales y espaciales, así como pruebas rigurosas fuera de la muestra, para determinar si estas mejoras se traducen en un mejor desempeño de pronóstico.

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