Pacheco, José Manuel RodriguesPimentel, Adriano Henrique GonçalvesSandri, LauraAguiar, Simone Correia2026-04-212026-04-212026-01-20AGUIAR, Simone Correia. (2025). "Assessment of volcanic hazards from explosive eruptions on islands: the case of São Miguel (Azores)". Ponta Delgada: Universidade dos Açores, 2025. 235 p. Tese de Doutoramento em Geologia. Disponível em http://hdl.handle.net/10400.3/8931http://hdl.handle.net/10400.3/8931Tese de Doutoramento, Geologia, 20 de janeiro de 2026, Universidade dos Açores.ABSTRACT: 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.As ilhas vulcânicas enfrentam desafios únicos quando afetadas por erupções explosivas devido ao seu isolamento geográfico, área terrestre limitada, topografia acidentada e proximidade de áreas povoadas e infraestruturas a sistemas vulcânicos. O registo estratigráfico de vulcões insulares encontra-se frequentemente incompleto ou mal preservado, gerando incertezas relativamente ao seu comportamento eruptivo passado, limitando a previsão vulcânica. A ilha de São Miguel no arquipélago dos Açores é um destes casos, alojando três vulcões centrais ativos (Sete Cidades, Fogo e Furnas) que produziram uma grande variedade de erupções vulcânicas nos últimos milénios, desde eventos traquíticos altamente explosivos até erupções basálticas nos seus flancos. Este estudo apresenta, pela primeira vez nos Açores, uma Avaliação Probabilística de Perigosidade Vulcânica a longo prazo usando a ilha de São Miguel como caso de estudo. Este tipo de análise requer a integração de diferentes tipos de informação, incluindo da probabilidade de futuras erupções, da probabilidade espacial de abertura de novos centros eruptivos, e dos resultados de simulações numéricas probabilísticas de queda de tefra para diferentes cenários eruptivos que são incorporados em árvores de eventos Bayesianas para gerar mapas de probabilidade, mapas de perigosidade e curvas de perigosidade. A análise temporal foi realizada em primeiro lugar para estimar o tempo entre os eventos (TEE), i.e., o tempo entre eventos eruptivos sucessivos, utilizando diferentes distribuições estatísticas, e para estimar a probabilidade de uma erupção em cada vulcão central nos próximos 50 anos. Para tal, foi implementada uma metodologia inovadora que assenta na geração de catálogos sintéticos, atribuindo aleatoriamente uma idade estratigraficamente consistente e incluindo a incerteza nas idades de eventos passados. Foram gerados catálogos de eventos basálticos (s.l.) e traquíticos (s.l.) (catálogos BT) e catálogos de eventos traquíticos (s.l.) (catálogos T) para cada um dos três vulcões centrais. Os resultados obtidos indicaram que os dados do Vulcão das Sete Cidades não são estacionários, sugerindo um registo eruptivo incompleto ou mudanças na frequência eruptiva ao longo do tempo. Os tempos médios entre eventos são mais curtos para o Vulcão das Sete Cidades (154 anos e 205 anos para eventos dos catálogos BT e T, respetivamente) do que para os vulcões do Fogo (546 anos para eventos BT e 909 anos para eventos T) e Furnas (318 anos para eventos T). A probabilidade média de uma erupção nos próximos 50 anos é mais elevada para o Vulcão das Sete Cidades (21% para eventos BT e 17% para eventos T), seguido pelos vulcões das Furnas (13% para eventos T) e Fogo (8% para eventos BT e 5% para eventos T). A análise espacial foi realizada separadamente para cada vulcão central para identificar áreas com maior probabilidade de alojar futuros centros eruptivos. Isto foi conseguido através da implementação do método kernel e da utilização das localizações de centros eruptivos passados, quer pontos eruptivos quer fissuras eruptivas. Para esta análise foram considerados diferentes conjuntos de dados: centros eruptivos basálticos (s.l.) e traquíticos (s.l.) juntos, incluindo pontos e fissuras (conjunto de dados BT), centros eruptivos traquíticos (s.l.) de eventos explosivos e efusivos (conjunto de dados T), e centros eruptivos traquíticos (s.l.) explosivos (conjunto de dados ET). Diferentes funções kernel (Gaussiana, Cauchy, Exponencial e Uniforme) foram exploradas e foi calculado o melhor grau de clustering dos centros eruptivos (dado pelo parâmetro de suavização h) para cada conjunto de dados de cada vulcão. Foram gerados mapas de probabilidade para abertura de novos centros eruptivos (mapas de suscetibilidade) combinando o par (função kernel e parâmetro de suavização h) que melhor descreve a função de distribuição empírica cumulativa da distância entre os centros eruptivos. Os resultados indicam que, quando considerando o conjunto de dados BT das Sete Cidades, as áreas mais prováveis para alojarem novos centros eruptivos estão concentradas no setor sudeste (30%), na caldeira (17%), e no setor sudoeste (8.7%); no entanto, quando considerando futuros centros eruptivos traquíticos (s.l.), valores mais elevados de probabilidade foram obtidos para a área da caldeira (51%), bem como, para o setor sudoeste (28%). Futuros centros eruptivos explosivos traquíticos (s.l.) são mais prováveis de ocorrer apenas dentro da caldeira (83%). As áreas prováveis para alojarem novos centros eruptivos BT no Fogo correspondem ao setor oeste-noroeste (29%), ao interior da caldeira (9.6%), e ao setor sudoeste (6%). Futuros centros eruptivos traquíticos (s.l.) são mais prováveis de ocorrer no flanco oeste-noroeste (25%), dentro da caldeira (17%), e no setor norte-nordeste (15%), enquanto futuros centros explosivos traquíticos (s.l.) são mais prováveis de se formarem dentro da caldeira (29%) e no setor norte (9.3). As áreas mais prováveis de alojarem novos centros eruptivos BT nas Furnas estão localizadas no interior do complexo de caldeiras (63%), bem como, nos setores norte (31%) e este (15%). Futuros centros eruptivos T são mais prováveis de ocorrer dentro do complexo de caldeiras (63%) e no setor norte (21%), enquanto futuros centros ET têm maior probabilidade de se formarem dentro do complexo de caldeiras (91%). Por fim, uma estrutura para a Avaliação Probabilística de Perigosidade Vulcânica a longo prazo, que tem por base a inferência Bayesiana, foi aplicada individualmente a cada sistema vulcânico, considerando apenas eventos ET, para avaliar o impacto de cargas especificas de cinza na ilha de São Miguel nos próximos 50 anos (probabilidade absoluta), bem como, condicionando a análise à ocorrência de uma erupção VEI 4 (probabilidade condicionada). Os mapas de probabilidade absoluta obtidos indicam que a probabilidade de exceder cargas menores (1 kg/m2 e 10 kg/m2) é maior quando comparada com a probabilidade de exceder cargas maiores (400 kg/m2), sendo os vulcões das Sete Cidades e Furnas os maiores contribuidores para que estas cargas sejam excedidas. Os mapas de perigosidade obtidos indicam que podem ocorrer cargas entre os 200 kg/m2 e 300 kg/m2 e entre 50 kg/m2 e 200 kg/m2 (espessuras de 20 a 30 cm e de 5 a 20 cm) em locais próximos das Sete cidades e Furnas, respetivamente, sugerindo que estes vulcões representam uma ameaça maior para as populações nos próximos 50 anos. As curvas de perigosidade obtidas para os próximos 50 anos para infraestruturas críticas, como o aeroporto de Ponta Delgada, o hospital do Divino Espírito Santo e a central geotérmica do Pico Vermelho, revelam que o Vulcão das Sete Cidades representa uma ameaça maior para o aeroporto e o hospital, enquanto o Fogo poderá ter maior impacto na central geotérmica. A junção das análises PVHA desenvolvidas para cada vulcão indica que a área da Relva à Caloura, bem como, a freguesia do Nordeste, são consideradas as áreas menos vulneráveis à queda de cinza nos próximos 50 anos.engIlhas vulcânicasErupções explosivasTopografia acidentadaSistemas vulcânicosRegisto estratigráfico de vulcõesArquipélago dos Açoresdoctoral thesis101846053