Published March 1, 2021
| Version v1
Publication
Open
Thermo‐Hydro‐Mechanical Model and Caprock Deformation Explain the Onset of an Ongoing Seismo‐Volcanic Unrest
- 1. University of Aberdeen
- 2. Federal University of Technology Minna
- 3. Johannes Gutenberg University Mainz
Description
Abstract Modeling seismicity at volcanoes remains challenging as the processes that control seismic energy release due to fluid transport, heat flow, and rock deformation are firmly coupled in complex geological media. Here, we couple fluid‐flow and mechanical (deformation) simulators (TOUGHREACT–FLAC 3D ) to reproduce fluid‐induced seismicity at Campi Flegrei caldera (southern Italy) in isothermal (HM) and nonisothermal (THM) conditions. The unique ability of the Campi Flegrei caprock to withstand stress induced by hot‐water injections is included in the model parametrization. After pore pressure accumulation is guided by a combination of thermal and hydromechanical interactions, contrasting compressive and extensional forces act on the basal and top parts of the caprock, respectively. Then, pressure perturbation and caprock deformation induce fractures that allow hot fluids uprising to pressurize the overlying fault, driving it toward failure and triggering seismicity. Under similar mechanical boundary conditions, the induced thermal effects prompt seismic slip earlier but with higher seismic magnitudes when (1) thermal equilibrium is preserved and (2) the thermal contrast is enhanced due to increased fluid injection temperatures. The results indicate that numerical models of volcano seismicity must consider the influence of rock‐sealing formations to obtain more robust, accurate, and realistic seismic predictions at volcanoes. The proposed models satisfactorily reproduce the magnitude–depth distribution of the swarm (October 5, 2019), preceding the two strongest earthquakes recorded in 35 years at the caldera (3.1 and 3.3—on December 6, 2019, and April 26, 2020, respectively) using hot‐water injection from depth.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
لا تزال نمذجة الزلزالية في البراكين صعبة حيث أن العمليات التي تتحكم في إطلاق الطاقة الزلزالية بسبب نقل السوائل وتدفق الحرارة وتشوه الصخور تقترن بقوة في الأوساط الجيولوجية المعقدة. هنا، نقوم بإقران أجهزة محاكاة تدفق السوائل والميكانيكية (التشوه) (TOUGHREACT - FLAC 3D ) لإعادة إنتاج الزلزالية المستحثة بالسوائل في Campi Flegrei caldera (جنوب إيطاليا) في ظروف متساوية الحرارة (HM) وغير متوازنة الحرارة (THM). يتم تضمين القدرة الفريدة لصخرة كامبي فليغري على تحمل الإجهاد الناجم عن حقن الماء الساخن في بارامتريزاتيون النموذج. بعد أن يتم توجيه تراكم ضغط المسام من خلال مزيج من التفاعلات الحرارية والهيدروميكانيكية، تعمل قوى الانضغاط والتمدد المتناقضة على الأجزاء القاعدية والعلوية من الصخور، على التوالي. بعد ذلك، يؤدي اضطراب الضغط وتشوه الغطاء الصخري إلى حدوث كسور تسمح بارتفاع السوائل الساخنة للضغط على الصدع العلوي، مما يدفعه نحو الفشل ويؤدي إلى الزلزالية. في ظل ظروف الحدود الميكانيكية المماثلة، تدفع التأثيرات الحرارية المستحثة إلى الانزلاق الزلزالي في وقت مبكر ولكن مع مقادير زلزالية أعلى عندما (1) يتم الحفاظ على التوازن الحراري و (2) يتم تعزيز التباين الحراري بسبب زيادة درجات حرارة حقن السوائل. تشير النتائج إلى أن النماذج العددية للزلازل البركانية يجب أن تأخذ في الاعتبار تأثير تكوينات منع تسرب الصخور للحصول على تنبؤات زلزالية أكثر قوة ودقة وواقعية في البراكين. تستنسخ النماذج المقترحة بشكل مرضٍ توزيع عمق السرب (5 أكتوبر 2019)، قبل أقوى زلزالين تم تسجيلهما منذ 35 عامًا في كالديرا (3.1 و 3.3 في 6 ديسمبر 2019 و 26 أبريل 2020 على التوالي) باستخدام حقن الماء الساخن من العمق.Translated Description (French)
Résumé La modélisation de la sismicité des volcans reste difficile car les processus qui contrôlent la libération d'énergie sismique due au transport des fluides, au flux de chaleur et à la déformation des roches sont fermement couplés dans des milieux géologiques complexes. Ici, nous couplons des simulateurs d'écoulement de fluide et de (déformation) mécanique (TOUGHREACT-FLAC 3D ) pour reproduire la sismicité induitepar les fluides à la caldeira de Campi Flegrei (sud de l'Italie) dans des conditions isothermes (HM) et non isothermes (THM). La capacité unique du caprock Campi Flegrei à résister au stress induit par les injections d'eau chaude est incluse dans la paramétrisation du modèle. Une fois que l'accumulation de pression interstitielle est guidée par une combinaison d'interactions thermiques et hydromécaniques, des forces de compression et d'extension contrastées agissent respectivement sur les parties basale et supérieure du socle. Ensuite, la perturbation de la pression et la déformation du caprock induisent des fractures qui permettent au soulèvement des fluides chauds de pressuriser la faille sus-jacente, la conduisant vers la défaillance et déclenchant la sismicité. Dans des conditions limites mécaniques similaires, les effets thermiques induits provoquent un glissement sismique plus tôt, mais avec des magnitudes sismiques plus élevées lorsque (1) l'équilibre thermique est préservé et (2) le contraste thermique est amélioré en raison de l'augmentation des températures d'injection de fluide. Les résultats indiquent que les modèles numériques de la sismicité des volcans doivent tenir compte de l'influence des formations rocheuses pour obtenir des prévisions sismiques plus robustes, précises et réalistes sur les volcans. Les modèles proposés reproduisent de manière satisfaisante la distribution magnitude-profondeur de l'essaim (5 octobre 2019), précédant les deux plus forts tremblements de terre enregistrés en 35 ans à la caldeira (3,1 et 3,3 - le 6 décembre 2019 et le 26 avril 2020, respectivement) en utilisant l'injection d'eau chaude depuis la profondeur.Translated Description (Spanish)
Resumen La modelización de la sismicidad en los volcanes sigue siendo un desafío, ya que los procesos que controlan la liberación de energía sísmica debido al transporte de fluidos, el flujo de calor y la deformación de las rocas están firmemente acoplados en medios geológicos complejos. Aquí, acoplamos simuladores de flujo de fluidos y mecánicos (deformación) (TOUGHREACT-FLAC 3D ) para reproducir la sismicidad inducidapor fluidos en la caldera Campi Flegrei (sur de Italia) en condiciones isotérmicas (HM) y no isotérmicas (THM). La capacidad única de la roca capilar Campi Flegrei para soportar el estrés inducido por las inyecciones deagua caliente se incluye en la parametrización del modelo. Después de que la acumulación de presión de poro es guiada por una combinación de interacciones térmicas e hidromecánicas, las fuerzas de compresión y extensión contrastantes actúan sobre las partes basal y superior de la roca, respectivamente. Luego, la perturbación de la presión y la deformación del casquete inducen fracturas que permiten que los fluidos calientes se levanten para presurizar la falla suprayacente, conduciéndola hacia la falla y desencadenando la sismicidad. En condiciones de contorno mecánico similares, los efectos térmicos inducidos provocan un deslizamiento sísmico más temprano pero con mayores magnitudes sísmicas cuando (1) se conserva el equilibrio térmico y (2) se mejora el contraste térmico debido al aumento de las temperaturas de inyección de fluido. Los resultados indican que los modelos numéricos de sismicidad volcánica deben considerar la influencia de las formaciones desellado de rocas para obtener predicciones sísmicas más robustas, precisas y realistas en los volcanes. Los modelos propuestos reproducen satisfactoriamente la distribución de magnitud-profundidad del enjambre (5 de octubre de 2019), precediendo a los dos terremotos más fuertes registrados en 35 años en la caldera (3.1 y 3.3, el 6 de diciembre de 2019 y el 26 de abril de 2020, respectivamente) utilizando inyección deagua caliente desde la profundidad.Files
Akande_etal_Thermo_Hydro_Mechanical_Model_VOR.pdf.pdf
Files
(6.7 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:e765eab5bfca2794a3822fa52f4726da
|
6.7 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- يشرح النموذج الحراري الهيدروليكي الميكانيكي وتشوه كابروك بداية الاضطرابات الزلزالية البركانية المستمرة
- Translated title (French)
- Modèle Thermo‐Hydro‐Mécanique et Déformation Caprock Expliquer le Début d'un Désordre Sismo ‐Volcanique en cours
- Translated title (Spanish)
- El modelo termohidromecánico y la deformación de Caprock explican el inicio de un sismo en curso: disturbios volcánicos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3129850446
- DOI
- 10.1029/2020jb020449
References
- https://openalex.org/W1088147079
- https://openalex.org/W1507763197
- https://openalex.org/W1520806376
- https://openalex.org/W1535447394
- https://openalex.org/W1568826698
- https://openalex.org/W1570418624
- https://openalex.org/W1577434255
- https://openalex.org/W1593291553
- https://openalex.org/W1629849692
- https://openalex.org/W1685584515
- https://openalex.org/W1753519119
- https://openalex.org/W1771212603
- https://openalex.org/W1828649714
- https://openalex.org/W1859185443
- https://openalex.org/W1891030064
- https://openalex.org/W1901915729
- https://openalex.org/W1923534505
- https://openalex.org/W1924825995
- https://openalex.org/W1950269140
- https://openalex.org/W1967608108
- https://openalex.org/W1971257077
- https://openalex.org/W1975086675
- https://openalex.org/W1975262835
- https://openalex.org/W1975581587
- https://openalex.org/W1979023198
- https://openalex.org/W1980532915
- https://openalex.org/W1987498159
- https://openalex.org/W1988569355
- https://openalex.org/W1988652693
- https://openalex.org/W1993041116
- https://openalex.org/W1994725096
- https://openalex.org/W1996132007
- https://openalex.org/W1996258300
- https://openalex.org/W2003296510
- https://openalex.org/W2004153324
- https://openalex.org/W2011859446
- https://openalex.org/W2013428345
- https://openalex.org/W2019828682
- https://openalex.org/W2019935798
- https://openalex.org/W2021911743
- https://openalex.org/W2025911261
- https://openalex.org/W2033534391
- https://openalex.org/W2034153441
- https://openalex.org/W2034517872
- https://openalex.org/W2035949148
- https://openalex.org/W2036887076
- https://openalex.org/W2043442324
- https://openalex.org/W2044121911
- https://openalex.org/W2044686992
- https://openalex.org/W2046036033
- https://openalex.org/W2052113083
- https://openalex.org/W2060247782
- https://openalex.org/W2062684873
- https://openalex.org/W2065700055
- https://openalex.org/W2070940028
- https://openalex.org/W2074566115
- https://openalex.org/W2075262340
- https://openalex.org/W2075830619
- https://openalex.org/W2076670652
- https://openalex.org/W2076767036
- https://openalex.org/W2080433989
- https://openalex.org/W2080711052
- https://openalex.org/W2080982846
- https://openalex.org/W2081908598
- https://openalex.org/W2083684835
- https://openalex.org/W2085138176
- https://openalex.org/W2086243469
- https://openalex.org/W2086268221
- https://openalex.org/W2086713936
- https://openalex.org/W2086805406
- https://openalex.org/W2088964110
- https://openalex.org/W2091379520
- https://openalex.org/W2092687393
- https://openalex.org/W2096490386
- https://openalex.org/W2102861978
- https://openalex.org/W2105658614
- https://openalex.org/W2106744270
- https://openalex.org/W2110973554
- https://openalex.org/W2115348283
- https://openalex.org/W2116061094
- https://openalex.org/W2117300445
- https://openalex.org/W2118317607
- https://openalex.org/W2122159720
- https://openalex.org/W2123741020
- https://openalex.org/W2126165542
- https://openalex.org/W2126979631
- https://openalex.org/W2127150969
- https://openalex.org/W2132963780
- https://openalex.org/W2134696833
- https://openalex.org/W2146051157
- https://openalex.org/W2160400194
- https://openalex.org/W2161923594
- https://openalex.org/W2162265875
- https://openalex.org/W2165293307
- https://openalex.org/W2168352686
- https://openalex.org/W2169059148
- https://openalex.org/W2169565939
- https://openalex.org/W2182487883
- https://openalex.org/W2196415623
- https://openalex.org/W2225310815
- https://openalex.org/W2281647199
- https://openalex.org/W2297775679
- https://openalex.org/W2317641911
- https://openalex.org/W2402171069
- https://openalex.org/W2481762734
- https://openalex.org/W2489502120
- https://openalex.org/W2566844572
- https://openalex.org/W2584842600
- https://openalex.org/W2616444672
- https://openalex.org/W2659800273
- https://openalex.org/W2724452338
- https://openalex.org/W2744654333
- https://openalex.org/W2753589737
- https://openalex.org/W2774716398
- https://openalex.org/W2793449590
- https://openalex.org/W2806107266
- https://openalex.org/W2887385414
- https://openalex.org/W2890175725
- https://openalex.org/W2899277268
- https://openalex.org/W2901752103
- https://openalex.org/W2920852260
- https://openalex.org/W2945888742
- https://openalex.org/W2949448868
- https://openalex.org/W2956210099
- https://openalex.org/W2980755305
- https://openalex.org/W2982644261
- https://openalex.org/W3003421553
- https://openalex.org/W3080609503