Fundada en 1962

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IEDA

D GEOLOGICA DE CH

ILE

la serena octubre 2015

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Modelamiento de los lahares ocurridos en el volcán Calbuco 2015 con el software RAMMS Laura Bono* y Álvaro Amigo Unidad de Geología y Peligros Volcánicos, RNVV, Servicio Nacional de Geología y Minería, Santa María 0104, Santiago, Chile * email: bonotroncoso@gmail.com Resumen. El volcán Calbuco entra en una nueva fase eruptiva el 22 de abril, lo que desencadena lahares. En este estudio se analizaron los lahares ocurridos en el río Correntoso y el río Blanco Sur, para su modelación por medio del programa RAMMS. Este programa utiliza para la simulación de flujos granulares la ley de Voellmy, donde se calibran tres coeficientes µ, ξ y la cohesión, los dos primeros son parámetros friccionales y el tercero fue incorporado para evitar la difusión de los flujos. Con el objetivo de calibrar los modelos se probaron parámetros de entrada que adecuen las simulaciones a los datos obtenidos en terreno. De este modo se obtiene que con un µ de 0,01, un ξ de 400 (m/s2) y una cohesión de 100 (Pa), para un volumen de 2x106 (m3), la simulación alcanza una distancia de 9 km desde su inicio, una altura máxima de 13,79 m y velocidad máxima de 17,65 m/s, que son aproximaciones de primer orden que se ciñen a lo observado en los lahares ocurridos en los cauces en estudio. Sin embargo, con la información topográfica que se considera en este estudio, se sobrestiman significativamente las áreas de afectación. Palabras Claves: Volcán Calbuco, Lahares, modelación,

RAMMS. 1 Introducción El volcán Calbuco el día 22 de abril comienza una nueva fase eruptiva donde se generaron depósitos de caída, corrientes de densidad piroclástica y lahares. Estos últimos afectaron tanto la ladera sur del volcán como la parte norte, aunque con la evacuación temprana se evitaron pérdidas humanas. Este estudio se enfoca en los lahares que descendieron por el río Blanco Sur y río Correntoso, que se ubican en el flanco sur del volcán Calbuco. Un flujo lahárico consiste en un amplio espectro de flujos con distintas proporciones de agua y sedimentos que se generan en las laderas de un volcán, que pueden ocurrir durante o posterior a una erupción (Smith y Fritz, 1989). Los lahares son uno de los eventos asociados a volcanes que han generado en tiempos históricos las mayores pérdidas de vidas humanas así como en infraestructura, por lo cual el estudio de su comportamiento es fundamental para generar modelos predictivos, que ayuden en la planificación territorial y en las medidas ante estos eventos. Este trabajo se enfoca particularmente en el uso del software RAMMS, que sirve para la modelación de flujos de detritos. Este programa se basa

en la ley de Voellmy, la que considera parámetros friccionales, que influyen en la movilidad del flujo tanto al avanzar como al detenerse. 2 Metodología 2.1 Información topográfica Para la modelación de los flujos se utilizaron dos modelos de elevación digital uno con resolución de 6 m y un ASTER con resolución de 30 m. 2.2 Levantamiento de datos de terreno Para la caracterización de los lahares y posterior comparación con los modelos se utilizaron las alturas de olas y los patrones de inundación de las observaciones en terreno. En terreno se midieron las alturas de ola con las marcas dejadas en los árboles, y las velocidades con el método de súper-elevación. Además, se realizaron columnas estratigráficas para determinar a qué tipos de flujos corresponden, y de este modo verificar que el modelo del software RAMMS se puede aplicar a los lahares generados por el volcán Calbuco. 2.4 Modelo RAMMS RAMMS es un programa diseñado para la modelación de avalanchas de nieve, flujos de detritos y caída de rocas. El modelo para flujos de detritos se basa en la ley Voellmy, donde se consideran dos parámetros friccionales correspondientes a µ y ξ, como se muestra en la ecuación (1).

𝑆𝑆 = 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇 cos ϕ + 𝜇𝜇𝜇𝜇𝑈𝑈2

𝜉𝜉 (1)

Donde 𝜇𝜇 es la densidad del flujo, 𝜇𝜇 es la aceleración de gravedad, 𝜙𝜙 es el ángulo de la pendiente, 𝜇𝜇 es la altura del flujo y 𝑈𝑈 es la velocidad del flujo. Por un lado el parámetro µ define el comportamiento de coulomb Seco, que está relacionado con la resistencia sólida del flujo, y ξ corresponde a un parámetro viscoso turbulento, que representa la fase líquida del flujo que se está modelando (Bartelt et al., 2013). Los desarrolladores del programa RAMMS en su última

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AT 4 Impacto de las GeocIencIas en la socIedad

versión implementaron una nueva ecuación, la que incluye un nuevo parámetro que es la cohesión, como se puede notar en la ecuación (2).

𝑆𝑆 = 𝜇𝜇𝜇𝜇 + (1 − 𝜇𝜇)𝐶𝐶 − (1 − 𝜇𝜇)𝐶𝐶𝑒𝑒(−𝑁𝑁 𝐶𝐶⁄ ) + 𝜌𝜌𝜌𝜌𝑈𝑈2

𝜉𝜉 (2)

Donde N corresponde a 𝜌𝜌𝜌𝜌 cos 𝜙𝜙 y C a la cohesión. La cohesión es útil para evitar la difusión exagerada que tienen los flujos al inundar las zonas llanas. 3 Resultados 3.1 Análisis del flujo lahárico, estimación de patrones de inundación, volúmenes y descargas máximas Los patrones de inundación se determinaron por medio de fotografías e interpretaciones realizadas por el equipo de geólogos de la Unidad de Geología y Peligros Volcánicos. Esto se complementó con los datos levantados en terreno, y las columnas estratigráficas, que se pueden observar en la Figura 1. En esta figura se observa que inicialmente el flujo corresponde a un flujo de detritos, que pasó a un flujo transicional hiperconcentrado y terminó siendo un flujo diluido al mezclarse con las aguas río abajo. También se puede observar que el flujo se bifurcó en dos brazos, uno que siguió por el Blanco sur (Este), y otro que se dirigió por el Correntoso (Oeste). La estimación de volumen se realizó con las fórmulas de Iverson et al. (1998), que son fórmulas empíricas que relacionan las secciones transversales y áreas planimétricas de inundación con el volumen de los flujos laháricos. Con este método se obtiene un volumen aproximado de 2x106 m3. Por otro lado, utilizando el método de Castruccio (2008), donde se divide el área de los depósitos en un número determinado de secciones y se multiplican por la altura de los depósitos en cada área, se obtiene un volumen aproximado de 3x106 m3. Para la obtención de las descargas máximas se utilizó la fórmula de Mizuyama et al. (1992), donde se relaciona el volumen de un flujo de detritos con la descarga máxima que alcanza el flujo. Para un volumen de 2x106 m3 se obtiene que la descarga máxima es de 1110 m3/s. 3.2 Calibración de los modelos En la calibración de los modelos de los flujos laháricos se comparan los datos levantados de terreno con los resultados de las simulaciones, al variar los parámetros friccionales y la cohesión requeridos por el software RAMMS. En la Tabla 1 se muestran los parámetros calibrados que mejor ajustan los resultados a los lahares ocurridos en el flanco sur del volcán Calbuco en este

último evento eruptivo. Tabla 1. Parámetros de entrada del programa RAMMS obtenidos de las calibraciones realizadas en el río Blanco Sur y río Correntoso, de los datos recopilados de terreno y de los datos de la Unidad de Geología y Peligros Volcánicos del Sernageomin.

Parámetro Valor obtenido µ 0,01

ξ (m/s2) 400 Cohesión (Pa) 100

(*)Volumen (x106 m3) 2 (**)Máxima descarga (m3/s) 1110

(*)Volumen obtenido de los datos de terreno (**) Valor obtenido de la ecuación 𝑄𝑄𝑃𝑃 = 0,0135 ∗ 𝑉𝑉0,78

3.3 Simulaciones Una vez que se calibraron los parámetros, se realizó la simulación, que se observa en la Figura 2, para el río Blanco Sur y río Correntoso. Los alcances que tienen estos flujos se muestran en la Tabla 2.

Figura 2. Patrones de los flujos con una simulación de 2x106 m3, con los parámetros friccionales µ de 0,01 y ξ de 400 m/s2, y cohesión de 100 Pa. La barra de colores señala la altura del flujo en cada instante.

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ST 11 TERREMOTOS, VOLCANES Y OTROS PELIGROS GEOLÓGICOS

Tabla 2. Resultados de distancia, altura y velocidad máxima que se obtienen de la simulación de 2x106 m3.

Parámetro de salida Valor obtenido del modelo

Valores obtenidos de los datos de terreno

Distancia máxima (km) 9 11,5 Tiempo de llegada (s) 900 - Altura máxima (m) 13,79 12

Velocidad máxima (m/s) 17,65 25 Área inundada (km2) 7 3,07

4 Discusiones y conclusiones En primer lugar una de las primeras limitaciones para la correcta aplicación de este modelo es la información topográfica que se utiliza, pues entre mayor sea la resolución de los modelos de elevación digital mejor es la estimación de los alcances de los flujos. Para que los modelos se ajusten a las áreas reales que inundaron los flujos se debe tener un modelo de elevación digital con una resolución de al menos 2 m (Bartelt et al., 2013). Al sólo contar con un modelo de elevación de terreno con una resolución de 6 m, el modelo no se ciñe a las áreas que deberían ser afectadas. En cuanto al volumen este varía entre la metodología con las ecuaciones de Iverson et al. (1998), y la de Castruccio (2008) en el orden de 1x106 m3, en consecuencia, se tiene en orden de magnitud un valor aproximado del volumen de los flujos. Con estas primeras aproximaciones se puede estimar que el lahar ocurrido en río Blanco sur y río Correntoso tiene un volumen entre 2x106 y 3x106 m3. La parte más difícil es prever futuros escenarios, dado que aún no se determina de manera certera la fuente de agua de estos flujos. Por otro lado, no se tienen registros de los tiempos de llegada de los lahares, debido a que las personas fueron evacuadas tempranamente. Por lo que los tiempos se compararon con las curvas de tiempo versus distancia obtenidas por Pierson (1998) para flujos moderados, que tienen descargas entre 100-1000 m3/s. Se puede notar en este gráfico que la simulación de 2x106 m3 se encuentra levemente debajo de la curva, pero dado que esta se obtiene como una aproximación de casos empíricos, se estima que el coeficiente de determinación (R2) está entre 0.9 y 1, por lo que tiempos de llegada son comparables a flujos laháricos. Al comparar las alturas de ola obtenidas en terreno con la altura máxima generada de las simulaciones estas se encuentran dentro de los mismos órdenes de magnitud, del mismo modo que la velocidad y la distancia máxima que alcanzan los flujos. Sin embargo, las simulaciones no se ciñen a los patrones de inundación que se registraron en el evento del 22 de abril, lo que es una limitante pues con este software no se puede determinar las áreas de afectación, si es que no se cuenta con modelos de elevación de terreno de resoluciones mayores a 2 m (Figura 3).

Figura 3. Comparación del patrón de inundación generado por los lahares ocurridos por la erupción del 22 de abril en el volcán Calbuco con la simulación de 2x106 m3. Finalmente, se concluye que el programa RAMMS sirve como una primera aproximación para estimar los tiempos, velocidades y alturas de ola que pueden alcanzar los flujos laháricos en el volcán Calbuco. Sin embargo, a una escala de mayor detalle para determinar los patrones de afectación que podrían generar los lahares se necesitan modelos topográficos con resoluciones de al menos 2 m. Agradecimientos En primer lugar se agradece a los patrocinadores del proyecto, la Unidad de Geología y Peligros Volcánicos, del SERNAGEOMIN, por brindar la oportunidad para efectuar este estudio. En segundo lugar se agradece a Dr. Angelo Castruccio, por el apoyo en la revisión y orientación que brindó para el trabajo. Referencias Bartelt, P.; Buehler, Y.; Christen, M.; Deubelbeiss, Y.; Graf, C.;

McArdell, B.; y otros. (2013). RAMMS rapid mass movements simulation: User Manual v1.5 Debris Flow. WSL Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF.

Iverson, R.; Schilling, S.; Vallance, J. (1998). Objective delineation

of lahar-inundation hazard zones. GSA Bulletin; v110, p. 972-984.

Mizuyama, T.; Kobashi, S.; Ou, G. (1992). Prediction of debris

flow . In: Proc Interprevent Int Symp (Bern) 4, p. 99–108. Pierson, T. C. (1998). An empirical method for estimating travel

times for wet volcanic mass flows. Bulletin of volcanology, Vol. 60, p. 98-109.

Smith, G. A.; Fritz, W. J. (1989). Volcanic influences on terrestrial

sedimentation. Geology 17, p. 375-37

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Figura 1. Patrón de inundación del lahar ocurrido en el río Blanco Sur y río Correntoso, y las respectivas columnas estratigráficas de cada una de las facies del lahar.