DGEO - Teses de Doutoramento / Doctoral Thesis
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- Assessment of volcanic hazards from explosive eruptions on islands: the case of São Miguel (Azores)Publication . Aguiar, Simone Correia; Pacheco, José Manuel Rodrigues; Pimentel, Adriano Henrique Gonçalves; Sandri, LauraABSTRACT: Volcanic islands face unique challenges when impacted by explosive eruptions due to their geographic isolation, small land area, typical rough topography, and proximity of populated areas and infrastructure to volcanic centres. The stratigraphic record of island volcanoes is often incomplete or poorly preserved, generating large uncertainties regarding their past eruptive behaviour, limiting eruption forecasting. São Miguel Island in the Azores Archipelago is one such case, hosting three active central volcanoes (Sete Cidades, Fogo, and Furnas) that have produced a wide variety of eruptions in the last millennia, ranging from highly explosive trachytic events to basaltic flank eruptions. This work presents, for the first time in the Azores, a long-term Probabilistic Volcanic Hazard Assessment (PVHA) using São Miguel Island as a case study. The development of this type of analysis requires the integration of different sources of information, including the probability of future eruptions, the probability of opening new vents, and probabilistic numerical simulations of tephra fallout for different eruption scenarios, which are combined into Bayesian Event Trees to generate probability maps, hazard maps, and hazard curves. Temporal analysis was performed first to estimate inter-event times (IET), i.e., the time intervals between successive eruptive events, using different statistical distributions, and to compute the probabilities of an eruption in the next 50 years for each central volcano. This was achieved by implementing an innovative methodology that focuses on the generation of synthetic catalogues by randomly assigning stratigraphic-consistent ages and accounting for age uncertainties of past events. Catalogues of basaltic (s.l.) and trachytic (s.l.) events (BT catalogues), and catalogues of trachytic (s.l.) events (T catalogues) were generated for each of the three central volcanoes. The results revealed that Sete Cidades data are non-stationary, suggesting an incomplete eruptive record or changes in eruption frequency over time. The mean IET were shorter for Sete Cidades Volcano (154 yr and 205 yr for BT and T catalogues, respectively) than for Fogo (546 yr for BT catalogues and 909 yr for T catalogues) and Furnas volcanoes (318 yr for T catalogues). The mean probabilities of an eruption within the next 50 years are higher for Sete Cidades (21% for BT and 17% for T catalogues), followed by Furnas (13% for T catalogues), and Fogo (8% for BT and 5% for T catalogues). Spatial analysis was performed separately for each central volcano to identify areas with a higher probability of hosting future eruptive centres. This was accomplished by implementing the kernel method and using the location of past vents, either central vents or eruptive fissures. Different datasets were considered for this analysis: basaltic (s.l.) and trachytic (s.l.) centres together, including fissures and central vents (BT datasets), trachytic (s.l.) vents of explosive and effusive events (T datasets), and only explosive trachytic (s.l.) vents (ET datasets). Different kernel functions (Gaussian, Cauchy, Exponential, and Uniform) were explored and the best degree of clustering of eruptive centres (given by a smoothing parameter h) was determined for each dataset of each volcano. Vent opening probability maps (susceptibility maps) were computed by combining the pair (kernel function and smoothing parameter) that best described the empirical cumulative distribution function of the distance between eruptive centres. The results show that for the Sete Cidades BT dataset, the most likely locations to host future vents are located on the southeast flank (30%), the caldera (17%), and on the southwest flank (8.7%). However, when considering future trachytic (s.l.) vents, higher probabilities were obtained for the caldera (51%) and the southwest sector (28%). Explosive trachytic (s.l.) eruptions are more likely to occur only inside the caldera (83%). On what concerns Fogo Volcano, the most likely locations to host future eruptive centres (BT dataset) include the west-northwest flank (29%), the caldera (9.6%), and the southwest flank (6%). Regarding future trachytic (s.l.) events, the most probable locations to host new vents are the west-northwest flank (25%), the caldera (17%), and the north-northeast flank (15%). Explosive trachytic (s.l.) eruptions are more likely to occur inside the caldera (29%) and on the north flank (9.3%). For Furnas Volcano, the most probable locations to host future eruptive centres (BT dataset) are inside the caldera complex (34%), on the northern flank (31%), and on the eastern flank (15%). Regarding the opening of future trachytic (s.l.) vents, the most likely locations are the interior of the caldera complex (63%) and on the north flank (21%). In the case of explosive trachytic (s.l.) eruptions, future vents are highly probable inside the caldera complex (91%). A long-term PVHA framework, rooted on Bayesian inference, was applied to each central volcano, focusing on explosive trachytic (s.l.) eruptions to evaluate the impact of tephra load on São Miguel Island over the next 50 years (absolute probabilities) and conditional to the occurrence of a future VEI 4 eruption (conditional probabilities). The computed absolute probability maps indicate a higher probability of exceeding lower tephra load thresholds (e.g. 1 and 10 kg/m2) in the next 50 years compared to higher accumulations of tephra (e.g. 400 kg/m2), with Sete Cidades and Furnas volcanoes being the main contributors to exceeding these tephra loads. The obtained hazard maps indicate that tephra loads between 200 kg/m2 and 300 kg/m2 and between 50 kg/m2 and 200 kg/m2 (thicknesses of 20 to 30 cm and 5 to 20 cm) are expected at locations close to Sete Cidades and Furnas, respectively, suggesting that these volcanoes represent a greater threat to local populations over the next 50 years. The hazard curves computed for critical infrastructures such as the Ponta Delgada airport, Divino Espírito Santo hospital, and Pico Vermelho geothermal powerplant reveal that Sete Cidades Volcano represents the greatest threat to the airport and the hospital, while Fogo Volcano has the greatest impact on the geothermal powerplant within the next 50 years. Combining the results of the PVHA for each volcano revealed that the area between Relva and Caloura parishes, in the southern part of São Miguel, and the area of Nordeste parish, are less vulnerable to tephra fallout in the next 50 years.
- Contribution to real-time long-range erupting volcanoes monitoring based on infrasoundPublication . Matos, Sandro Branquinho de; Wallenstein, Nicolau Maria Berquó de Aguiar; Ripepe, Maurizio; Campus, PaolaDe acordo com a base de dados do Global Volcanism Program (GVP) da Smithsonian InsAtuAon, existem atualmente 1 281 vulcões potencialmente aAvos e dezenas de milhares de vulcões dormentes no Planeta Terra. É importante destacar que apenas uma pequena parte dos vulcões aAvos e potencialmente aAvos do planeta é monitorizada em tempo real, e apenas uma minoria dispõe de redes mulAparamétricas instaladas. Para os vulcões situados em regiões remotas que carecem de sistemas locais de monitorização, as técnicas de deteção remota são os únicos recursos viáveis para a vigilância vulcânica. Diferentes esAlos de aAvidade erupAva representam disAntos Apos de perigos vulcânicos, com impacto numa escala local (na ordem de alguns quilómetros), até a uma escala regional ou global (superior a vários milhares de quilómetros). Do ponto de vista da miAgação de riscos, estudos recentes demonstraram que o uso da tecnologia com base em infrassons (uma técnica de deteção remota) pode contribuir significaAvamente para a deteção, localização e caracterização de erupções vulcânicas. As nuvens de cinzas geradas por grandes erupções explosivas podem ser transportadas pelos ventos a centenas ou milhares de quilómetros do vulcão emissor, atravessando fronteiras nacionais e internacionais, e representando uma ameaça séria para a aviação. Os Centros de Vigilância e Alerta que monitorizam nuvens de cinzas vulcânicas, (Volcanic Ash Advisory Centres-VAACs) fazem uso extensivo de imagens de satélite e interagem com observatórios vulcânicos em todo o mundo; no entanto, devido à semelhança entre nuvens vulcânicas e meteorológicas, e o possível atraso aos dados de satélite, é essencial encontrar uma alternaAva para se saber exatamente quando ocorre uma erupção com o potencial de injeção de cinzas na atmosfera. Com efeito, quando um vulcão entra em erupção, liberta energia sob a forma de ondas de pressão na atmosfera, geralmente em frequências muito baixas (< 20 Hz), abaixo do limiar audível para o ouvido humano. Erupções de grande escala podem gerar ondas de pressão atmosférica que se propagam à volta da Terra, sendo os infrassons uma ferramenta valiosa para a monitorização da aAvidade vulcânica, tanto a pequenas como a longas distâncias. O objeAvo deste trabalho foi o de avaliar a eficácia da deteção remota de aAvidade vulcânica explosiva através da monitorização com base em infrassons. Foi elaborado um algoritmo de deteção automáAca e aplicado a erupções registadas na base de dados do GVP no período de 2011 a 2020, com Índice de Explosividade Vulcânica (VEI) ≥ 3. A análise baseou-se em dados recolhidos de 43 estações de infrassons da rede do Sistema Internacional de Monitorização (Interna
- Geochemistry of mineral waters in Furnas Volcano (São Miguel, Azores): source and fluxes of metal ions and 87Sr/86Sr ratiosPublication . Ferreira, Letícia Resende; Cruz, José Virgílio de Matos Figueira; Viveiros, Maria de Fátima Batista; Durães, Nuno Miguel dos SantosO Arquipélago dos Açores encontra-se situado no Atlântico Norte, na proximidade da junção tripla das placas litosféricas Euroasiática, Núbia e Norte Americana, originando um contexto geológico, hidrológico e hidrogeoquímico único. A configuração geológica complexa da região é evidenciada por uma atividade sísmica e vulcânica significativa, acompanhada por diversas manifestações secundárias de vulcanismo, observadas em várias ilhas, tais como campos fumarólicos, nascentes de águas termais e/ou ricas em CO₂, bem como desgaseificação difusa a partir de solos e de massas de água de superfície. O arquipélago é abundante em recursos de água mineral, com nascentes deste tipo distribuídas por sete das nove ilhas dos Açores (São Miguel, Terceira, São Jorge, Pico, Faial, Graciosa e Flores), sendo a maioria localizada em São Miguel, particularmente nas áreas dominadas pelos vulcões das Furnas e do Fogo. A caracterização das variações composicionais das descargas de águas minerais do arquipélago, especialmente na ilha de São Miguel, tem sido relevante para vários programas de monitorização. Este estudo centrou-se nas descargas de águas minerais de dois dos três vulcões traquíticos ativos de São Miguel (vulcões das Furnas e do Fogo), com especial ênfase no Vulcão das Furnas. No Vulcão das Furnas foram conduzidas sete campanhas ao longo de um ano, envolvendo a recolha de amostras em trinta e nove pontos de água, enquanto no Vulcão do Fogo foram realizadas duas campanhas de amostragem em dez pontos de água mineral, uma no inverno e outra no verão. O estudo integra a investigação das assinaturas hidrogeoquímicas, compreendendo elementos principais, menores e em traço, incluindo as terras raras, e a determinação da razão isotópica de estrôncio. Dada a importância da água da chuva como principal fonte de recarga dos aquíferos em estudo, foi realizada uma campanha para avaliar a sua composição química. A composição das águas da chuva apresenta padrões semelhantes aos da água do mar, sugerindo que os aerossóis marinhos podem constituir a principal fonte. No entanto, a presença de outros componentes, resultantes das emissões vulcânicas e poeiras minerais, destaca a complexidade do sistema e a necessidade de investigação adicional. A proximidade de um campo fumarólico revelou ter um impacto significativo na química da água da chuva. Apesar de alguns estudos anteriores baseados na composição química das águas no Vulcão das Furnas, a integração de dados relativos aos elementos menores e em traço e às razões isotópicas de Sr ainda era muito limitada. Neste contexto, a integração de dados hidrogeoquímicos permitiu revelar uma maior complexidade do sistema. As águas refletem a influência da interação com as rochas encaixantes e com gases vulcânicos. A contribuição vulcânica é evidenciada pela variação de temperatura, com águas com temperaturas entre os 90ºC e 100ºC, ou pela presença de teores elevados de CO₂ dissolvido em algumas nascentes de água mineral. A aplicação de um conjunto abrangente de ferramentas hidroquímicas possibilitou a identificação de múltiplas influências vulcânicas. A composição de algumas águas de alta temperatura tem origem no aquecimento por vapor, resultante da interação entre um gás ácido e os aquíferos mais superficiais. A composição de outras águas minerais resulta da contribuição de um reservatório mais profundo, em que águas subterrâneas mais superficiais se misturam com fluidos cloretados neutros provenientes de profundidade. As águas minerais do Vulcão do Fogo apresentam influência da dissolução mineral e da desgaseificação vulcânica. Ambos os contributos são visíveis no conteúdo dos principais iões em solução, com os catiões a evidenciarem a dissolução da rocha, enquanto a influência vulcânica é demonstrada pela presença de elevadas concentrações de SO₄2-, associadas a valores de pH muito reduzidos em águas termais, e pela elevada concentração de CO₂ dissolvido em algumas águas frias. Os principais constituintes apresentam estabilidade ao longo do tempo, sem variações sazonais significativas. No entanto, a sazonalidade é observada nos padrões dos elementos de terras raras e nas razões ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr de algumas amostras, estando relacionada com diferentes proporções de alteração da rocha, causada pela dissolução incongruente de alguns minerais. Para além disso, a integração dos dados hidrogeoquímicos com a informação geológica de profundidade da área do Vulcão do Fogo permitiu a identificação de múltiplos sistemas aquíferos nesta região. Os padrões de desgaseificação difusa de CO₂ no solo das Furnas, monitorizados através de estações permanentes, foram também analisados. Estes padrões demonstram a influência de variáveis meteorológicas e parecem ainda sugerir uma possível correlação entre o processo de desgaseificação e as variações no nível do aquífero. Os dados revelaram também algumas alterações em comparação com estudos anteriores, indicando que os modelos de regressão aplicados para a monitorização sismovulcânica necessitam de atualização regular. Os resultados do presente estudo representam um avanço significativo na compreensão dos sistemas hidrotermais em análise. Reforçam a necessidade da aplicação de um conjunto diversificado de técnicas hidrogeoquímicas para esclarecer as reações complexas que ocorrem nos aquíferos. Estes resultados poderão ainda servir como valores de referência para análises futuras, especialmente no âmbito da monitorização sismovulcânica nos Açores, considerando que alterações nas concentrações e padrões hidroquímicos podem refletir mudanças ocorridas em profundidade, particularmente nos sistemas vulcânicos estudados.
- Hydrogeophysics and Hydrogeology of volcanic islands, characterization of aquifers in the AzoresPublication . Borges, Paulo Filipe Silva; Rodrigues, Francisco Cota; Befus, Kevin Martin; Cruz, José Virgílio de Matos FigueiraABSTRACT: Freshwater availability on small volcanic islands is increasingly threatened by human activities and climate change, underscoring the necessity for a deeper understanding of local hydrogeological systems to ensure sustainable water management. This study investigates the hydrogeology and water quality dynamics of two perched aquifers, one on Terceira and the other on Graciosa, two of the islands in the Azores archipelago (Portugal), employing a multidisciplinary approach that integrates geological, geophysical, and hydrochemical tools. On Terceira Island, the São Sebastião depression hosts a perched aquifer system characterized by significant spatial and temporal variations in groundwater quality. Monthly groundwater sampling from hand-dug wells revealed fluctuations in electrical conductivity (EC), pH, temperature, and chloride (Cl⁻) content. Statistical methods, including cluster and principal component analysis (PCA), were applied alongside hydrochemical and geophysical approaches. The results indicated substantial spatial variability in groundwater quality related to cesspools, agriculture, and other human activities. Temporal analysis highlighted seasonal variations in groundwater temperature and pH, influenced by shallow water table dynamics and agricultural practices. The relationship between EC and Cl- content, along with nutrient analysis, suggests that septic systems and agricultural runoff contribute to groundwater contamination. The findings underscore the need for targeted groundwater management strategies, including enhanced monitoring, stricter regulation of agricultural practices, and the development of sustainable land and water management practices to ensure safe and adequate water resources for the future. Geophysical investigations were carried out using electrical resistivity technique (ERT) surveys, which provided insights into the spatial distribution of geological saturated layers, suggesting continuity of the aquifer and potential for productivity. On Graciosa Island, which has the lowest average annual precipitation in the Azores (≈920 mm), groundwater faces complex issues related to saltwater intrusion, necessitating new solutions and management strategies. A conceptual hydrogeological model was developed based on published data, primarily about geology and hydrochemistry, along with field data. This model identifies a basal aquifer as the island's primary water source and some perched aquifers linked to springs and hand-dug wells. Groundwater recharge is mainly associated with direct infiltration of rainwater into the island’s surface, rapidly reaching the perched aquifers. Discharge inland occurs through springs and drilled wells. Over-exploitation of boreholes is contributing to the salinization of the basal aquifer, highlighting the need for improved water abstraction strategies. The occurrence, circulation, and storage of groundwater within the Graciosa volcanic structure are represented here through a hydrogeological conceptual model. Further investigation of the perched aquifer on Graciosa Island revealed its potential as an alternative freshwater resource. Hydrochemical analysis, hydrostatic level measurements, and electrical resistivity tomography (ERT) confirmed the presence of a new perched aquifer in Guadalupe, sharing similarities with other perched aquifers across the Azores. Despite its relatively low mineralization, groundwater quality is compromised by high nitrate concentrations attributed to intensive agricultural activity. Given the increasing risk of saltwater intrusion into the basal aquifer, perched aquifers may serve as a crucial complementary water source to mitigate salinization risk. This study enhances the understanding of groundwater occurrence, flow, and vulnerability in small island settings by integrating hydrogeophysical techniques with water quality assessments. The results provide critical insights for developing sustainable freshwater management practices, which are essential for ensuring long-term water security for island communities facing increasing climatic and human-induced pressures.