Muography as a new complementary tool in monitoring volcanic hazard: implications for early warning systems

Muography uses muons naturally produced in the interactions between cosmic rays and atmosphere for imaging and characterization of density differences and time-sequential changes in solid (e.g. rocks) and liquid (e.g. melts ± dissolved gases) materials in scales from tens of metres to up to a few kilometres. In addition to being useful in discovering the secrets of the pyramids, ore prospecting and surveillance of nuclear sites, muography successfully images the internal structure of volcanoes. Several field campaigns have demonstrated that muography can image density changes relating to magma ascent and descent, magma flow rate, magma degassing, the shape of the magma body, an empty conduit diameter, hydrothermal activity and major fault lines. In addition, muography is applied for long-term volcano monitoring in a few selected volcanoes around the world. We propose using muography in volcano monitoring in conjunction with other existing techniques for predicting volcanic hazards. This approach can provide an early indication of a possible future eruption and potentially the first estimate of its scale by producing direct evidence of magma ascent through its conduit in real time. Knowing these issues as early as possible buy critically important time for those responsible for the local alarm and evacuation protocols.

Volcano monitoring and hazard assessments in Chile

Volcanism in Chile occurs in a variety of tectonic settings but mostly in the context of oceanic-continental plate collision, including 92 potentially active volcanoes. There have been more than 30 documented eruptions in the last few centuries. The Servicio Nacional de Geología y Minería (SERNAGEOMIN) is a statutory agency of the Government of Chile responsible for volcano monitoring and hazard assessments across the country. After the impacts derived from volcanic activity at the end of the 20th century, SERNAGEOMIN created the Volcano Hazards Program and the Observatorio Volcanológico de Los Andes del Sur (OVDAS). Despite this effort, most volcanoes in Chile remained unmonitored. In 2008, the aftermath of the eruption of Chaitén led to a nationwide program in order to improve eruption forecasting, development of early warning capabilities and our state of readiness for volcanic impacts through hazard assessments. In the last decade responses to volcanic crises have been indubitably successful providing technical advice before and during volcanic eruptions. El volcanismo en Chile ocurre en una amplia variedad de regímenes tectónicos, aunque principalmente en el contexto de la colisión de placas. Alrededor de 92 volcanes son considerados potencialmente activos y más de 30 presentan actividad histórica documentada en los últimos siglos. El Servicio Nacional de Geología y Minería (SERNAGEOMIN) es la agencia gubernamental responsable de la evaluación de peligros y monitoreo de la actividad volcánica en el país. Como consecuencia de los impactos derivados de las erupciones volcánicas ocurridas hacia finales del siglo pasado, SERNAGEOMIN creó el Programa de Riesgo Volcánico y el Observatorio Volcanológico de los Andes del Sur (OVDAS). No obstante, a pesar de este esfuerzo la mayoría de los volcanes en Chile se mantenían sin monitoreo. Luego de los impactos derivados de la erupción del volcán Chaitén en 2008, un nuevo programa nacional fue creado con el fin de fortalecer la vigilancia y la evaluación de los peligros volcánicos en el país. En la última década, la respuesta a crisis volcánicas ha sido exitosa, proporcionando apoyo técnico en forma previa y durante erupciones.

Nicaraguan volcanic monitoring program of the Instituto Nicaragüense de Estudios Territoriales

The Instituto Nicaragüense de Estudios Territoriales (INETER) is the institution responsible for volcano monitoring in Nicaragua. The Volcanology Division of the General Directorate of Geology and Geophysics currently monitors six active volcanoes by means of seismology, gas measurements, optical webcams, and visual and satellite observations. The volcano monitoring network that INETER maintains is in continuous expansion and modernization. Similarly, the number of technical and scientific personnel has been growing in the last few years. 2015 was the busiest year of the last two decades: Momotombo volcano erupted for the first time in 110 years, a lava lake was emplaced at the bottom of Masaya volcano’s Santiago crater, and Telica volcano experienced a phreatic phase from May to November. Although we have increased our monitoring capabilities, we still have many challenges for the near future that we expect to resolve with support from the national and international geoscientific community. El Instituto Nicaragüense de Estudios Territoriales (INETER) es la institución responsable de la vigilancia volcánica en Nicaragua. Su División de Vulcanología actualmente vigila seis volcanes activos por medio de sismicidad, emisiones de gases, cámaras ópticas, observaciones visuales y teledetección satelital. La red de monitoreo de volcanes que mantiene INETER está en continua expansión y modernización. Del mismo modo, el número de personal técnico y científico ha estado creciendo en los últimos años. El año 2015 fue el año más ocupado que tuvimos en las últimas dos décadas, debido a que el volcán Momotombo entró en erupción por primera vez en los últimos 110 años, se emplazó un lago de lava en el fondo del cráter Santiago (volcán Masaya), y el volcán Telica experimentó una fase freática de mayo a noviembre. A pesar del progreso realizado, todavía tenemos muchos desafíos para el futuro cercano que esperamos lograr con los recursos nacionales y de la comunidad geocientífica internacional.

Volcanic monitoring and hazard assessment in El Salvador

The Salvadorean volcanic range forms part of Central America Volcanic Arc and is located on the Pacific ring of fire. El Salvador is a country with at least twenty Holocene-active volcanic structures and where most of the population, including the metropolitan area of San Salvador, live near a volcanic complex. Currently, there are six active volcanoes that are continuously monitored by the Observatorio de Amenazas y Recursos Naturales, which is part of the Ministerio del Medio Ambiente y Recursos Naturales. Volcano monitoring involves seismic, geochemical, and visual monitoring techniques, among others. In addition to volcano monitoring and with the aim of early warning of future eruptions, volcanic hazard maps and networks of local observers have been developed. These initiatives together with the general directorate of civil protection, seek to meet the goal of reducing risk from volcanic activity in El Salvador. La cadena volcánica salvadoreña forma parte del Arco Volcánico de América Central y está localizada dentro de la zona conocida como cinturón de fuego del Pacífico. El Salvador es un país donde se encuentran al menos 20 estructuras volcánicas que han estado activas durante el Holoceno y donde la mayor parte de la población, incluyendo la ciudad capital San Salvador, está ubicada en las proximidades de algún complejo volcánico. Actualmente, seis volcanes activos son continuamente monitoreados por el Observatorio de Amenazas y Recursos Naturales, que es parte del Ministerio del Medio Ambiente y Recursos Naturales. El monitoreo volcánico se realiza mediante técnicas de monitoreo sísmicas, geoquímicas, visuales, entre otras. Como complemento del trabajo de monitoreo, se han desarrollado mapas de amenaza volcánica y redes de observadores locales constituyendo así sistemas de alerta temprana ante futuras erupciones. Estas iniciativas, en conjunto con la dirección general de la protección civil, persiguen el objetivo de reducir el riesgo por actividad volcánica en El Salvador.