TTE150

MODELAMIENTO DE LAHARES PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS ZONAS DE INUNDACIÓN Y SU APLICACIÓN EN MAPAS PELIGRO GEOLÓGICO EN EL VOLCÁN LLAIMA (38°42’S – 71°42’O)

Trabajo de Título para Optar al Título de Geólogo

FRANCISCO SEBASTIÁN IGNACIO PRADO CERDA

Profesor Guía DR. CRISTIAN FARIAS VEGA Profesor Co-guía DRA. INÉS RODRÍGUEZ ARANEDA

Temuco, 2022

Modelamiento de lahares para la determinación de las zonas de inundación …

Comisión Examinadora Este Examen de Título ha sido realizado en el Departamento de Obras Civiles y Geología de la Facultad de Ingeniería MINISTRO DE FE ___________________________________________ Elisa Leonor Ramírez Sánchez Geóloga y Doctora en Ciencias con mención en Geología de la Universidad de Chile Departamento de Obras Civiles y Geología

PROFESOR GUÍA

_______________________________________________ Cristian Alex Farías Vega Geofísico y Doctor en Rer. Nat. En geofísica de la Universidad de Chile - Rheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn, Alemania Departamento de Obras Civiles y Geología

PROFESOR CO-GUÍA

_______________________________________________

Inés María Rodríguez Araneda Geóloga y Doctora en Ciencias con mención en Geología

de la Universidad Católica del Norte – Université Clermont Auvergne, Clermont Ferrand, Francia Departamento de Obras Civiles y Geología PROFESOR INFORMANTE___________________________________________ Ángelo Alexander Villalobos Claramunt

Geólogo y doctor en Ciencias con mención en Geología de la Universidad Católica del Norte – Universidad de Chile, Departamento de Obras Civiles y Geología

Temuco, 2022

I

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Dedicatoria

Dedicado a mi familia, especialmente a mis tíos, a todos aquellos que estuvieron ahí y compartieron momentos conmigo, a mi Chiarita y Camila por todo su apoyo en todo momento.

II

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Agradecimientos En primer lugar, quiero agradecer a mi familia en especial a los que sí estuvieron conmigo, mi tía Rosa, mi tío Carlos, mis primas, mi mami Vero, mi Mamá y mi Padre. Gracias por apoyarme siempre, compartir conmigo, ayudarme a ser como soy y nunca perder la confianza en mí. A Camila y nuestra perrhija Chiarita por su amor, compañía, disposición y apoyo incondicional siempre en toda esta etapa y en esta vida. Y a Bernarda y a la maticita por toda la ayuda brindada siempre. También, quiero expresar mis agradecimientos a mi profesor guía Cristian Farías, por toda la paciencia que me tuvo y las palabras de aliento que me brindó cada vez que estuve perdido, por los infinitos consejos que muchas veces me sirvieron para oriéntame en todo sentido. Además, infinitas gracias a cada profesor/a y cada persona que aportó y me enseñó durante este periodo. Agradecer de igual manera a todos mis compañeros con los que compartí, salas de clases, terrenos, carpa, cabaña, etc., en especial a Gustavo Illanes, Marley Osses y Soledad Riquelme, por su compañía y amistad. Finalmente, a Geopixeles por todo el apoyo monetario y ser el sustento de este trabajo que, sin ellos, probablemente todo sería más difícil.

III

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ÍNDICE DE CONTENIDOS

ÍNDICE DE CONTENIDOS ..........................................................................................IV ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................ VII ÍNDICE DE TABLAS.....................................................................................................X 1 INTRODUCCIÓN.............................................................................3 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................3 1.2 OBJETIVOS .....................................................................................5 1.2.1 OBJETIVO GENERAL .....................................................................5 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................5 1.3 HIPÓTESIS ....................................................................................... 5 1.4 UBICACIÓN Y ACCESOS AL ÁREA DE ESTUDIO.......................6 VOLCÁN LLAIMA ........................................................................11 2.2.1 GENERALIDADES ........................................................................11 2.2.2 UNIDADES GEOLÓGICAS ...........................................................12 2.2.3 HISTORIA ERUPTIVA ..................................................................20 2.2.4 PELIGROS...................................................................................... 31 LAHARES ......................................................................................35 3.1.1 DEFINICIÓN DE LAHAR ..............................................................35 3.1.2 MECANISMOS DE GENERACIÓN DE LAHARES.......................35 3.1.3 TIPOS DE FLUJOS DE LAHARES.................................................37 3.1.4 TRANSPORTE Y EMPLAZAMIENTO ..........................................38 3.2 MODELAMIENTO ......................................................................... 39 3 MARCO TEÓRICO.........................................................................35 3.1 2 MARCO GEOTECTÓNICO .............................................................. 8 2.1 TECTÓNICA LOCAL ....................................................................... 8 2.2

IV

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3.2.1 LAHARZ ........................................................................................40 3.2.2 LAHAR FLOW ............................................................................... 42

4

METODOLOGÍA ............................................................................ 47

4.1

ETAPA DE GABINETE..................................................................47

4.2

DIVISIÓN DE SUBCUENCAS HIDROLÓGICAS..........................47

4.3

CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LOS GLACIARES......................48

4.4

CÁLCULO DEL VOLUMEN TOTAL DE AGUA DERRETIDA.....50

4.5 ESTABLECER ESCENARIOS ERUPTIVOS..................................51 4.5.1 ORIGEN DE LA ERUPCIÓN..........................................................52 4.5.2 DIMENSIÓN DE LA COLADA DE LAVA.....................................52 4.5.3 TIPO DE CONTACTO ENTRE LA COLADA DE LAVA Y EL GLACIAR ........................................................................................................ 54 4.6 CALIBRACIÓN DEL MODELO.....................................................54 4.7 MODELACIÓN CON LAHARFLOW.............................................55 5 RESULTADOS ...............................................................................59 5.1 SUBDIVISIÓN DE CUENCAS, VOLUMEN DE HIELO Y AGUA DISPONIBLE ........................................................................................................59 5.2 VOLUMEN MÁXIMO DE LAHARES ...........................................61 5.3 CALIBRACIÓN DEL MODELO (LAHARES ERUPCIÓN LLAIMA 2008 -2009) ........................................................................................................ 62 5.4 LAHARES POR ESCENARIOS......................................................63 5.4.1 ESCENARIO PROBABLE SOBRE GLACIAR ...............................65 5.4.2 ESCENARIO PROBABLE BAJO GLACIAR..................................67 5.4.3 ESCENARIO POCO PROBABLE SOBRE GLACIAR ....................68 5.4.4 ESCENARIO POCO PROBABLE BAJO GLACIAR.......................70 5.4.5 ESCENARIO EXTREMO ...............................................................74

V

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5.5

ZONAS DE INUNDACIONES........................................................76

6

DISCUSIÓN ...................................................................................78

6.1

CÁLCULO DE VOLÚMENES DE LAHARES ...............................78

6.2

VENTAJAS Y LIMITACIONES DEL SOFTWARE LAHARFLOW 79

6.3 ANÁLISIS DE ESCENARIOS Y PROBABILIDAD DE OCURRENCIA ........................................................................................................81 6.3.1 ESCENARIO PROBABLE (BAJO EL GLACIAR)..........................82 6.3.2 ESCENARIO POCO PROBABLE (BAJO EL GLACIAR)...............82 6.3.3 ESCENARIO EXTREMO ...............................................................83 6.4 ESCENARIOS ESTACIONALES ...................................................84 6.5 COMPARACIÓN CON EL MAPA DE PELIGRO ACTUAL...........85

7

CONCLUSIÓN ...............................................................................87

8

REFERENCIAS ..............................................................................89

VI

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.

Mapa de referencia del área de estudio y las principales localidades a su alrededor. Volcán Llaima (38°42’S – 71°42’W) y alrededores. Huso 19S. Elaboración Propia......................................................................................... 7 A) Mapa geológico regional de la Zona Volcánica Sur que muestra los sistemas de fallas SFLO y SFLV/ATF, tomado de Sánchez et al. , (2013). (B) Mapa geológico simplificado del volcán Llaima destacando las unidades del cono Holoceno. Los números sobre los polígonos de distintos colores indican el año de los flujos de lavas más recientes. LOFZ (SFLO) corresponde al sistema de Fallas Liquiñe-Ofqui Fuente: Modificado de Naranjo y Moreno (2005)......... 9 Mapa geológico simplificado del volcán Llaima. Confeccionado por Valeria Martínez en asignatura de Tópicos Avanzados el año 2017 (UDEC) con base en el Mapa Geológico del Volcán Llaima de Naranjo y Moreno (2005)....... 10 Leyenda de Figura 5, Mapa de peligros del Volcán Llaima. Extraído de Moreno y Naranjo (2003).......................................................................................... 34 Hidrogramas esquemáticos que muestran cómo los lahares que comienzan con inundaciones de agua se inician y se comportan cuando se diluyen aguas abajo. (A) Flujo de inundación; (B) Flujo de escombros; (C) Flujo de transición; (D) Flujo hiperconcentrado. Tomado de Schilling, 2014 .................................... 36 Flujo de un lahar idealizado las relaciones geométricas entre H y L (Zona de peligro proximal) y las áreas transversales (A) y planimétricas (B) calculadas por LaharZ para un volcán hipotético Tomado de Schilling, 2014. .............. 41 Un modelo de un lahar sobre topografía. Se utiliza un sistema de coordenadas cartesiano, con z alineado con la aceleración gravitacional. La topografía está representada por la superficie z = b (x, y, t) y la superficie del lahar está dada por z = b (x, y, t) + h (x, y, t). La concentración de masa de sólidos gruesos se Leyenda de la Figura 2., Volcán Llaima....................................................... 11 Distribución de la ignimbrita Curacautín en los alrededores del volcán Llaima Extraído de Naranjo y Moreno (1991).......................................................... 15 Mapa de peligros del volcán Llaima, Extraído de Moreno y Naranjo (2003).33

Figura 2.

Figura 3.

Figura 4.

Figura 5.

Figura 6.

Figura 7.

Figura 8.

Figura 9.

Figura 10.

VII

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denota por c (x, y, t). Extraído de Woodhouse, Hogg, y Phillips,( Sin Fecha). . .................................................................................................................... 43 Mapa representativo de la división de subcuencas en volcán Llaima. Elaboración Propia....................................................................................... 48 Mapa de espesores y distribución de los glaciares en el volcán Llaima. Extraído de GEOESTUDIOS LTDA. (2014).............................................................. 49 Se presentan los tres escenarios. Izquierda presenta una erupción sub aérea donde la lava se desplaza sobre el hielo; Centro: una colada de lava sub glaciar; derecha: Dique que instruye al hielo y sobrepasa la interfaz roca-hielo. Extraído de Wilson (2007). ....................................................................................... 50 Interfaz de lahar Flow con coordenadas de centrado del volcán Llaima, tamaño de la zona a modelar, resolución del pixel y tiempo de simulación............... 55 Puntos de descarga de las simulaciones (los puntos indicados en la imagen son referencia a los puntos de inicio de descarga de las simulaciones). .............. 56 Hidrograma de LaharFlow en uno de los escenarios y los diferentes puntos de descarga....................................................................................................... 57 Parámetros de arrastre y dinámica de erosión y depositación usados en los modelados.................................................................................................... 57 Distribución de glaciares en las laderas del volcán Llaima, cada color diferencia cada glaciar y su respectiva cuenca (Los colores solo son de referencia para indicar las diferentes lenguas glaciares y su extensión). Elaboración Propia. 61 Imágenes referenciales asociadas a la comparación de un mismo evento a) Lahares Llaima 2008 -2009 Extraído de reporte OVDAS-SERNAGEOMIN, 2008, b) Modelado de los lahares de la erupción del 2008 con datos obtenidos de trabajos previos y estudios (curvas de nivel representativas para igualar a imagen a.). Espesores máximos de 8 metros. Elaboración Propia................. 62 Modelado completo, incluye todos los lahares en todos orígenes y puntos de descarga, en un Escenario probable – sobre Glaciar. Elaboración Propia. .... 66 Modelado completo, incluye todos los lahares en todos orígenes y puntos de descarga, en un Escenario probable – Bajo Glaciar. ..................................... 68 Mapa Conceptual identificando los escenarios propuestos y su magnitud. ... 53

Figura 11.

Figura 12.

Figura 13.

Figura 14.

Figura 15.

Figura 16.

Figura 17.

Figura 18.

Figura 19.

Figura 20.

Figura 21.

Figura 22.

VIII

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Figura 23.

Modelado completo, incluye todos los lahares en todos orígenes y puntos de descarga, en un Escenario poco probable – sobre Glaciar. ........................... 70 Modelado con Lahar Flow, En un Escenario poco probable – Bajo Glaciar – Cráter principal. Afecta principalmente a cuencas de Captrén, Truful-Truful, el Seco y Calbuco. Leyenda en figura 28. ........................................................ 71 Modelado con Lahar Flow, En un Escenario poco probable – Bajo Glaciar – cráter secundario. Afecta principalmente a cuencas de El Membrillo, Truful Truful, El manzano y Calbuco. Leyenda en figura 28.. ................................ 72 Modelado con Lahar Flow, En un Escenario poco probable – Bajo Glaciar – Fisural Oeste. Afecta principalmente a cuencas de El seco y Calbuco. Leyenda en figura 28.................................................................................................. 72 Modelado con Lahar Flow, En un Escenario poco probable – Bajo Glaciar – Fisural Este. Afecta principalmente a cuencas de Captren y Truful-Truful. Leyenda en figura 28. .................................................................................. 73 Modelado con Lahar Flow, En un Escenario poco probable – Bajo Glaciar – Fisural Sur. Afecta principalmente a cuencas del Membrillo y el manzano. Leyenda en figura 28. .................................................................................. 73 Modelado completo, incluye todos los lahares en todos orígenes y puntos de descarga, en un Escenario poco probable – Bajo Glaciar.............................. 74 Modelado completo, incluye los lahares de El Manzano, El Membrillo y Truful-Truful, en una erupción fisural Sur y en el Escenario Extremo – sobre y Bajo Glaciar................................................................................................. 75 Zonas de inundación por lahares según los diferentes escenarios de erupción del volcán Llaima. Elaboración propia......................................................... 77 Comparación de: a) mapa de peligros Sernageomin Extraído de Moreno y Naranjo ( 2003) y b) mapa de zonas de inundación estimadas de elaboración propia. (Escalas referenciales)...................................................................... 86

Figura 24.

Figura 25.

Figura 26.

Figura 27.

Figura 28.

Figura 29.

Figura 30.

Figura 31.

Figura 32.

IX

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.

Cronología eruptiva documentada del volcán Llaima. Modificado de Petit-Brueilh y Lobato (1994). RS: ruidos subterráneos; SV: sismos volcánicos; EX: explosiones cráter central; GC: columna cenizas y gases; EP: eyección de piroclastos; FL: flujo de Lava; FP: flujo piroclástico; LH: flujos laháricos; AR: aumento caudal ríos; DR: derrumbes en cráter; IEV: Índice de explosividad volcánica. .............22 Tabla de afectación de cada origen Eruptivo y las respectivas cuencas. Las cuencas Marcadas en x son las afectadas con la columna de Origen Eruptivo. .........................................................................................54 Volumen de cada glaciar según las divisiones de cuencas utilizando el método ya descrito. ..........................................................................60 Volumen de Agua disponible según las divisiones de cuencas utilizando el método ya descrito. ......................................................................60 Continuación Tabla1. (Petit-Breuilh y Lobato, 1994) ........................23

Tabla 2.

Tabla 3.

Tabla 4.

Tabla 5.

Tabla 6.

Volumen máximo de lahares con 60% de solidos disueltos................61

Tabla 7.

Escenarios Principales y sus características con respecto a las coladas de lava en sus episodios eruptivos. ......................................................64

Tabla 8.

Sub escenarios y su constante de Wilson Head. (Wilson L. y., 2007).64

Tabla 9.

Orígenes de las erupciones y las cuencas hídricas que afecta. ............65

Tabla 10.

Volúmenes redondeados de Lahar Probable con derretimiento sobre el Glaciar y su afectación debido a cada origen eruptivo. ......................66 Volúmenes redondeados de Lahar Probable con derretimiento Bajo el Glaciar y su afectación debido a cada origen eruptivo. ......................67 Volúmenes redondeados de Lahar Poco Probable con derretimiento sobre el Glaciar y su afectación debido a cada origen eruptivo...........69

Tabla 11.

Tabla 12.

X

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Tabla 13.

Volúmenes redondeados de Lahar Poco Probable con derretimiento bajoel Glaciar y su afectación debido a cada origen eruptivo. ............71 Volúmenes de Lahar Extremo con derretimiento sobre el Glaciar y bajo el glaciar, máximo de agua disponible por cuenca. ............................75

Tabla 14.

Tabla 15.

Volúmenes aproximados a añadir al sistema. ....................................85

Tabla 16.

Comparación entre el volumen de hielo con los glaciares y la nieve...85

XI

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RESUMEN El volcán Llaima uno de los volcanes más activos de Chile, cuenta con más de 50 erupciones en tiempos históricos. Dentro de sus peligros, el más común tiene relación con la generación de lahares, que son flujos de mezcla de agua y detritos de origen volcánico que en el pasado han afectado a comunidades cercanas como Melipeuco, Cherquenco, y Curacautín. Este fenómeno se da debido a un estilo eruptivo que suele involucrar fuentes como coladas de lava, que derriten parcialmente una sección de los grandes glaciares presentes en el volcán. Dado que los lahares pueden ser muy destructivos y peligrosos, se vuelve muy importante entender la dinámica de estos, y construir potenciales escenarios de amenaza, que puedan complementar el mapa de peligro volcánico ya existente mediante mapas de inundaciones. En este trabajo se modelaron los posibles lahares del volcán Llaima de acuerdo a diversos escenarios eruptivos, para poder generar una matriz de potenciales escenarios de amenaza en cuanto a estos flujos de detritos. La modelación se llevó a cabo por medio del software LaharFlow, que representa un salto cuantitativo importante en la calidad de las simulaciones respeto al más ampliamente utilizado LaharZ. Se calibraron las simulaciones con los datos históricos de avance del lahar de la erupción de 2008 del volcán, siendo capaces de reproducir su dinámica y extensión de muy buena manera. Los resultados muestran las diferentes áreas de inundación en las diferentes cuencas y como los diferentes puntos de emisión pueden afectar a los poblados cercanos como Melipeuco, el Parque Nacional Conguillío, y los principales centros turísticos del volcán Llaima. La aplicación de la simulación en los escenarios más severos permitió identificar que erupciones por el flanco Sur del volcán podrían afectar severamente en la población de Melipeuco, cercano al sector de Pangueco y el Manzano e inundaciones de características catastróficas en erupciones por el Flanco occidental en cuenca del Río Calbuco llegando con gran potencia hasta la localidad Cherquenco y extendiéndose posiblemente hasta Vilcún con menos energía. Nuestros resultados presentan una base para detallar de manera más precisa los peligros asociados del volcán y complementar de manera más exacta los datos ya existentes de este y genera conciencia para la comunidad. Palabras Clave: Lahares, Llaima, Modelaciones Numéricas, Escenarios de Amenaza

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ABSTRACT

The Llaima volcano, one of the most active volcanoes in Chile, has more than 50 eruptions in historical times. Among its dangers, the most common is related to the generation of lahars, which are mixed flows of water and debris of volcanic origin that in the past have affected nearby communities such as Melipeuco, Cherquenco, and Curacautín. This phenomenon occurs due to an eruptive style that usually involves sources such as lava flows, which partially melt a section of the large glaciers present in the volcano. Given that lahars can be very destructive and dangerous, it becomes very important to understand their dynamics and build potential hazard scenarios that can complement the existing volcanic hazard map through flood maps. In this work, the possible lahars of the Llaima volcano are modeled according to various eruptive scenarios, in order to generate a matrix of threat scenarios regarding these debris flows. The modeling was carried out using the LaharFlow software, which represents an important quantitative leap in the quality of the simulations compared to the more widely used LaharZ. We have calibrated the simulations with historical lahar advance data from the 2008 eruption of the volcano, being able to reproduce its dynamics and extent very well. The results show the different flood areas in the different basins and how the different emission points can affect nearby towns such as Melipeuco, the Conguillío National Park, and the main tourist centers of the Llaima volcano. The application of the simulation in the most severe scenarios allowed us to identify that eruptions on the southern flank of the volcano could severely affect the population of Melipeuco, near the Pangueco and Manzano sectors, and floods of catastrophic characteristics in eruptions on the western flank in the basin, of the Calbuco River arriving with great power to the town of Cherquenco and possibly extending to Vilcún with less energy. Our results present a basis for more precisely detailing the associated hazards of the volcano and more accurately complement existing data on the volcano and raise awareness for the community. Keywords: Lahars, Llaima, Numerical Simulations, Hazard Scenarios

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1 INTRODUCCIÓN

1.1 Planteamiento del Problema

Chile es uno de los países con mayor actividad volcánica en el mundo, contiene más de 2.000 volcanes poligenéticos, monogeniticos y centros eruptivos (Mioceno-Holoceno), 92 de ellos son considerados como sistemas volcánicos activos según el Servicio Nacional de Geología y Minería (Sernageomin, 2020) y su actividad volcánica ha afectado en gran medida a las comunidades y localidades que viven en las cercanías de estos. Entre los paralelos 37º y 39º Sur en Chile, se encuentra La Araucanía, y dentro de su territorio se encuentran los siguientes volcanes: Lonquimay, Tolhuaca, Llaima, Sollipulli, Villarrica, Quetrupillán, Lanín y Sierra Nevada, este último considerado como inactivo. Estos pertenecen a una zona eruptiva llamada Zona Volcánica Sur (ZVS, 33 – 46ºS) la cual se extiende cerca de 1450 km. por el borde occidental de nuestro continente. Los volcanes de la Zona Volcánica Sur, se caracterizan por localizarse cerca de zonas muy pobladas, contar con una gran actividad volcánica y poseer en su mayoría masas de hielo y cubiertas de nieve en sus flancos, por lo que se vuelve un peligro para sus alrededores al momento de hacer erupción, ya que sirve como mecanismo principal para generar lahares o remociones en masa. Los lahares son amenazas naturales y uno de los peligros volcánicos más importantes, consisten principalmente en flujos rápidos compuestos por agua y sedimentos volcánicos en proporciones similares, bajan por las laderas empinadas de volcanes y pueden afectar sin previo aviso a localidades a más de 50 kilómetros desde el punto de emisión (Vallance e Iverson, 2015; Moreno , et al. , 2009; Vallance, 2000), ocurren principalmente en volcanes activos con gran cantidad de hielo y/o nieve. Para formar un lahar, se deben cumplir ciertos requisitos; agua disponible ya sea en forma de hielo o nieve, depósitos no consolidados de material volcánico principalmente, un relieve empinado para que se desplace por gravedad y un mecanismo que pueda activarlos, como una erupción (Vallance J. W., 2000). El volcán Llaima cumple con cada uno de esos requisitos. Naranjo y Moreno ( 2005) comentan que en

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numerosas erupciones el volcán Llaima ha estado a pocos kilómetros de cubrir las principales localidades cercanas y en muchas otras ha cortado las principales vías de evacuación. Este trabajo se centra en el volcán Llaima (38°42’S – 71°42’O), el cual presenta una población aproximada en sus alrededores de 30.000 habitantes (30 kilómetros de radio), las localidades más importantes son Melipeuco (Sur), Curacautín (Norte) y Cherquenco (Oeste). Además, el volcán Llaima consiste en un edificio volcánico mixto, compuesto por un estratovolcán sobre un volcán escudo. Presenta más de 50 erupciones desde 1640 y es considerado como el segundo volcán con más riesgo específico en Chile, uno de los más activos en tiempo histórico (desde 1640) de la Zona Volcánica Sur (ZVS). Las últimas 5 erupciones que presentaron generación de lahares fueron 1956, 1957, 1979, 1994 y 2007 - 2009 y afectaron principalmente a los valles del río Captren, Calbuco y Truful-truful. Debido a esto, en el presente estudio se busca identificar por medio de modelación numérica las principales zonas de inundación en diferentes escenarios eruptivos producto de lahares en el volcán Llaima, para esto se requiere simular de manera efectiva; i) las condiciones y características de una erupción y ii) categorizarlas en diferentes escenarios. Se utilizará una nueva técnica de modelado llamada LaharFlow (Woodhouse, Hogg, & Phillips, Sin Fecha), el cual es un programa que, a partir de una serie de parámetros iniciales, como; reología, fricción, volumen, tiempos de emisión y topografía (DEM), permiten identificar de manera precisa las zonas de afectación que produce un lahar originado por un volcán. El sofware está basado en cálculos de aguas poco profundas para modelar flujos de diferentes fases (sólidas y liquidas), y permite modelar diferentes tipos de lahares, desde hiperconcentrados a flujos de detritos, estableciendo características como; un modelo de profundidad promediada, estancamiento volumétrico y erosión basal (Woodhouse, Hogg, & Phillips, Sin Fecha). Se espera que los resultados sean un aporte a; la mitigación del riesgo en eventos eruptivos, la planificación territorial de comunas cercanas al volcán Llaima y las actuales metodologías de los mapas de peligro volcánico.

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1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo General

• Modelar de lahares para determinar las zonas de inundación en diferentes escenarios eruptivos y analizar su aplicación a mapas de peligros actuales. 1.2.2 Objetivos Específicos • Delimitar las cuencas y subcuencas hidrográficas en las laderas del volcán Llaima. • Calcular volumen de glaciares en las cuencas y la cantidad de agua máxima que tiene disponible, a través de estimaciones fotogramétricas y trabajos de sondajes radar. Esto para obtener una estimación aproximada de los volúmenes de los lahares posiblemente producidos por el derretimiento glaciar causado por flujos de lava con base a registros de erupciones históricas y la relación entre las coladas de lava y el hielo glaciar. • Determinar los posibles escenarios eruptivos que pueda desarrollar el volcán, considerando los diferentes factores que afectan a la generación de un lahar. • Delimitar las zonas de inundación mediante la modelación de lahares con respecto a los diferentes escenarios con LaharFlow • Analizar mapas de peligro volcánico con los escenarios modelados y las zonas de inundación de flujos laháricos del volcán Llaima. 1.3 Hipótesis Los lahares son fenómenos naturales destructivos y debido a la naturaleza eruptiva del volcán Llaima el cual produce erupciones efusivas con grandes coladas de lavas que derriten los glaciares de sus laderas, se vuelve importante entender la dinámica de estos, y construir potenciales escenarios de amenaza que complementarían el mapa de peligro volcánico existente.

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1.4 Ubicación y accesos al área de estudio

El área de estudio corresponde al volcán Llaima (38°42’S – 71°42’W) (Fig. 1) y sus alrededores. Está ubicado administrativamente en las comunas de Melipeuco, Cunco, Curacautín y Vilcún, en la provincia de Cautín y Malleco de la región de la Araucanía respectivamente. Las zonas urbanas más cercanas son Melipeuco, Vilcún, Cunco, Villa García y Cherquenco. A pesar de estar cerca, las localidades más afectadas en eventuales erupciones serían Curacautín (sector Norte), Cherquenco (sector Oeste) y Melipeuco (sector Sur). El acceso a la zona de estudio se puede realizar por tres zonas principalmente: - Norte: Por Curacautín desde Temuco hacia el Este, 84 kilómetros por la ruta 181, luego hacia el sur, 30 kilómetros por la ruta R-925-S camino hacia el Volcán. - Oeste: Desde Temuco por la Ruta S-31, 62 kilómetros hacia el Este hasta llegar al volcán, pasando por las localidades de Vilcún y Cherquenco. - Sur: Desde Temuco por la ruta S-51, 67 kilómetros hacia el Este hasta Cunco, luego la ruta S-61, 30 kilómetros con la misma orientación hasta Melipeuco y el Volcán.

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Figura 1. Mapa de referencia del área de estudio y las principales localidades a su alrededor. Volcán Llaima (38°42’S – 71°42’W) y alrededores. Huso 19S. Elaboración Propia.

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2 MARCO GEOTECTÓNICO

En esta sección se recopilan los antecedentes geológicos, eruptivos y tectónicos de la zona de estudio, como también los últimos registros de lahares del volcán Llaima. 2.1 Tectónica Local A nivel regional se destacan dos sistemas de fallas principales en la Zona volcánica Sur: el Sistema de Falla Liquiñe-Ofqui (SFLO) y el Sistema de Fallas de Larga Vida Oblicuo al Arco (SFLV), también conocido como Fallas Transversales de Los Andes (ATF) (Cembrano y Lara, 2009; Santibáñez et al. , 2019). Estos sistemas de fallas habrían determinado el emplazamiento de los volcanes de la Cordillera Principal en la ZVS (Suárez y Emparán, 1997). • LOFS: es un sistema de intra-arco activo que domina la ZVS entre los 38°S y los 47°S con aproximadamente 1200 kilómetros de largo (Pérez-Flores et al. , 2016). Tiene un rumbo NS a N5E en sus trazas maestras y NE en sus trazas secundarias. Este sistema emplaza los esfuerzos mediante movimientos dextrales y dextral con componente normal, se ha desarrollado principalmente en los últimos 6 Ma (Cembrano y Lara, 2009). • SFLV/ATF: es un sistema de fallas de rumbo NW oblicuas a Los Andes actuales, interpretadas como fallas antiguas del basamento que han sido reactivadas recientemente (Melnick et al. , 2009) las cuales conviven espacialmente con el SFLO (Sánchez et al. , 2013). De manera local, el volcán Llaima se encuentra localizado entre estas fallas y se encuentra directamente relacionado a las dinámicas de estas, principalmente el sistema de fallas Liquiñe Ofqui y sus fallas Subsidiarias (Fig. 2)

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Figura 2. A) Mapa geológico regional de la Zona Volcánica Sur que muestra los sistemas de fallas SFLO y SFLV/ATF, tomado de Sánchez et al. , (2013). (B) Mapa geológico simplificado del volcán Llaima destacando las unidades del cono Holoceno. Los números sobre los polígonos de distintos colores indican el año de los flujos de lavas más recientes. LOFZ (SFLO) corresponde al sistema de Fallas Liquiñe-Ofqui Fuente: Modificado de Naranjo y Moreno (2005)

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Figura 3. Mapa geológico simplificado del volcán Llaima. Confeccionado por Valeria Martínez en asignatura de Tópicos Avanzados el año 2017 (UDEC) con base en el Mapa Geológico del Volcán Llaima de Naranjo y Moreno (2005).

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Figura 4.

Leyenda de la Figura 2., Volcán Llaima.

2.2 Volcán Llaima

2.2.1 Generalidades

El Volcán Llaima es uno de los volcanes más grandes ubicados en la zona volcánica de los Andes del Sur (38°42’S), con una altura de 3.179 m s.n.m. Concentra cerca del 30% de las erupciones documentadas en Chile desde 1558 y presenta un volumen aproximado de 400 km 3 (Naranjo y Moreno, 1991). Es considerado un volcán compuesto que se compone de una caldera de aproximadamente 8 kilómetros de diámetro, y está rodeada por conos adventicios y fisuras. (Naranjo y Moreno, 1991). La actividad volcánica ha sido principalmente efusiva a explosiva de baja intensidad desde 1640, ha generado coladas de lava y piroclastos básicos de composición basáltica a andesítico basáltico (Naranjo y Moreno, 2005). Las erupciones han sido principalmente estrombolianas y hawaianas, con actividad subpliniana escasa. En los últimos años se ha comportado como un modelo fisural con focos de emisión en los flancos Norte y Sur

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principalmente, los que presentan una alineación N5°E (NNE) (Naranjo y Moreno, 2005). Junto con lo anterior, en el último proceso eruptivo (2007 - 2009) su actividad fue localizada en el cráter principal junto con focos de emisión en la ladera Oeste (Moreno et al. , 2009). 2.2.2 Unidades Geológicas 2.2.2.1 Rocas del Basamento (Naranjo y Moreno, 2005) En el mapa geológico elaborado por Suárez y Emparán (1997) (Carta Geológica de Curacautín)(Fig. 2) se incluye el área del volcán Llaima junto con sus alrededores. El basamento donde se encuentra emplazado el volcán se compone principalemente por unidades de edades entre el Mioceno y Pleistoceno. La unidad más antigua corresponde al Grupo Plutónico Melipeuco, sobre la cual está emplazada una unidad volcánica del Plioceno – Pleistoceno (Formación Malleco) con algunas estructuras volcánicas modernas las que se encuentran vinculadas a la actual cadena volcánica (Complejo volcánico Sierra Nevada del Pleistoceno) (Suárez & Emparán, 1997). 2.2.2.1.1 Grupo Plutónico Melipeuco (Mm Mioceno) (Suárez y Emparán, 1997) Se define como un complejo de rocas graníticas en el entorno de la localidad de Melipeuco, las que se encuentran en discordancia erosiva con la Formación Malleco. Corresponde principalmente a litologías graníticas con tipos petrográficos reconocidos como: monzogranitos, granodioritas de grano grueso y dioritas cuarcíferas de hornblenda. De acuerdo a edades radiométricas K-Ar corresponden a edad Miocena media (Suárez y Emparán, 1997). 2.2.2.1.2 Formación Malleco PPlim Plioceno-Pleistoceno Inferior (Suárez y Emparán, 1997) Se define como Formación Malleco a una sucesión volcánica continental de edad Pliocena - Pleistocena inferior. Esta unidad sobreyace en una discordancia angular a la Formación Cura-mallín y discordancia erosiva con el Grupo Plutónico Melipeuco, además se encuentra parcialmente cubierta por conjunto de volcanes de la cordillera principal (Complejo Volcánico Sierra Nevada). (Suárez y Emparán, 1997).

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2.2.2.1.3 Complejo volcánico Sierra Nevada Plmsn Pleistoceno Medio a Superior (Suárez y Emparán, 1997) Corresponde a una estructura volcánica compleja, formada por un estratovolcán extinto. Junto a un cordón volcánico fisural de rumbo N65°E al NE del Volcán Llaima. Alcanza una altura de 2554 m s.n.m y muestra evidencias de erosión glaciar Pleistocena. En su ladera Oeste se revelan alternancias de basaltos de olivino y andesitas en forma de coladas macizas y brechosas. 2.2.2.2 Estructuras y Depósitos Volcánicos (modificado de Naranjo y Moreno, 2005) El volcán Llaima se compone de dos unidades principales (basales), denominadas Llaima 1 y Llaima 2; Tres unidades fisurales, definidas como Llaima Fisural 1, 2 y 3; Las unidades generadas a partir del cráter principal (cono principal y erupciones históricas; y las secuencias piroclásticas como la Ignimbrita Curacautín y la Secuencia Truful-Truful. Además, se consideran unidades actuales de origen fluvial, lahárico, morrénico y de caída, las edades se consideran Pleistoceno a Reciente. (Naranjo & Moreno, 2005). 2.2.2.2.1 Llaima Ancestral 1 y 2 (Lla1 y Lla2) Pleistoceno Medio?-Superior (Naranjo y Moreno, 2005) Corresponden a secuencias de lavas basálticas a andesíticas basálticas macizas, con intercalaciones brechosas e intrusiones de lacolitos. Se interpretan como relictos de una estructura volcánica primitiva y más extensa que el actual volcán Llaima, además presenta lavas distribuidas en torno al volcán mostrando un comportamiento radial. Se distingue un nivel más elevado y potente, cuyo espesor máximo alcanza unos 600 metros (Llaima Ancestral 1), al cual se acopla un nivel topográficamente más bajo y joven (Llaima Ancestral 2), de hasta 300 metros de espesor. Estas lavas yacen en inconformidad sobre el Grupo Plutónico Melipeuco, en los cerros Los Paraguas-Lago Quepe por el Oeste, Pangueco y Negro por el Este, y también recubren a la Formación Malleco en el sector Noroeste. Ambas secuencias estratificadas se distribuyen principalmente al S del volcán, formando las paredes del vale del río Allipén. Las unidades ancestrales muestran una fuerte

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erosión glacial, exhibiendo marcados valles en forma de “U” en torno al volcán y espolones remanentes con paredes abruptas. En los ríos Calbuco y Captrén, se identifican coladas de lava con superficie tipo ‘aa’ sin patrón de erosión posterior, aunque cubiertas por depósitos piroclásticos recientes. La disposición morfo estratigráfica de la unidad Llaima Ancestral 2 indicaría, un emplazamiento bajo grandes lenguas glaciales, que labraron valles en la unidad Llaima Ancestral 1 (Naranjo y Moreno, 2005). Dataciones K-Ar en estas lavas indican una edad Pleistoceno. 2.2.2.2.2 Ignimbrita Curacautín (Plsp) Pleistoceno Superior ? (Naranjo y Moreno (2005), Lohmar (2008) y Martínez (2019) ) Naranjo y Moreno (1991) definen así a un depósito de flujo piroclástico, tipo escoria y ceniza, dispuesto al fondo de valles de forma radial a los alrededores del volcán Llaima, constituyendo el suelo de fundación de la ciudad Curacautín (Fig. 5). Estos depósitos sobreyacen a las unidades ancestrales y al basamento del volcán, y a su vez, infrayacen a las unidades fisurales y del cono principal. Se distribuye principalmente al Este del Volcán Llaima, cubriendo un área por sobre 2200 km 2 , alcanzando la ciudad de Temuco (100 kilómetros al W). Lohmar (2008) define dos unidades que conforman la ignimbrita: Curacautín 1 (parte inferior) y Curacautín 2 (parte superior). Curacautín 1 posee un color gris oscuro constituido principalmente por bombas escoriáceas y no presenta gradación en el tamaño de grano, es de fábrica matriz-soportada y presenta entre un 85% y 90% de matriz tamaño ceniza. Los fragmentos mayores son en su mayoría de tamaño lapilli medio a grueso, con moda lapilli grueso y con algunos escasos tamaño bloque. Por su parte, Curacautín 2 tiene una coloración parda y es parcialmente consolidado. Es matriz soportado con ceniza gruesa a lapilli medio, de pobre selección y disgregable. Sus piroclastos son irregulares y finamente vesiculados, con un mayor grado de esfericidad y redondez. Sus partículas son más livianas y presentan un alto porcentaje de vesículas a simple vista, por lo tanto, son menos densos que los depósitos de Curacautín 1. La presencia de bloques es más recurrente y tiene una mayor concentración de líticos hacia techo.

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Curacautín 1, por su parte tiene un espesor de 12 m y se encuentra ampliamente distribuida alrededor del volcán. Le sobreyace un depósito de oleada piroclástica, y sobre este se encuentra Curacautín 2, la cual tiene un espesor máximo visto en terreno de 6 metros. (Martínez V., 2019) Dataciones de radiocarbono en madera carbonizada dentro de la ignimbrita, otorgan edades que varían entre 13.460 y 12.760 A.P. (antes del presente), por lo tanto, esta unidad fue eyectada a comienzos del postglacial, a través de una erupción con posible vinculación al origen de la caldera entre 6 a 8 kilómetros de diámetro, la que actualmente, estaría cubierta en su totalidad por el cono principal del volcán Llaima (Naranjo y Moreno, 1991).

Figura 5.

Distribución de la ignimbrita Curacautín en los alrededores del volcán Llaima Extraído de Naranjo y Moreno (1991).

Los productos de la Ignimbrita Curacautín sellaron la morfología glacial preexistente. La eyección de unos 24 km 3 de material piroclástico, tuvo un efecto importante morfológico - estructural, produciendo el colapso parcial del cono tardi - postglacial de las unidades Llaima Ancestral 1 y 2. (Naranjo y Moreno, 2005).

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2.2.2.2.3 Llaima Fisural 1, 2 y 3 (Llf1 , Llf2 y Llf3) Holoceno – Histórico (Modificado de Naranjo y Moreno, 2005) Las unidades Llaima Fisural 1 y 2 están formadas por conos piroclásticos de escorias y coladas de lava tipo ‘aa’. Individualmente, los conos piroclásticos de escoria de la unidad Fisural 2 muestran formas basales circulares y también alargadas en la dirección de la fisura, las que pueden alcanzar desde 1,5 hasta 2,5 kilómetros de largo. En general, las lavas de esta unidad se ubican en un intervalo composicional relativamente restringido entre andesitas basálticas y andesitas (~54,6 - 56,5% SiO2); casi el mismo que la unidad Fisural 1. Por su parte, la unidad Llaima Fisural 3 se sobrepone a los conos de las unidades Llaima Fisural 1 y 2 y corresponde a una hilera de pequeños conos y cráteres alineados a lo largo de una fisura de 1 kilómetros de longitud, entre lineamientos paralelos de la unidad Fisural y con orientación NE (Naranjo y Moreno, 2005). Según Rodríguez (2015) en Martínez V. (2019), los centros de emisión forman lineamientos con tendencia NE-SW a E-W, alcanzando distancias cercanas a 20 kilómetros y siendo responsables de haber embalsado las lagunas Conguillío, Verde y Arcoíris, yaciendo concordantes sobre la Ignimbrita Curacautín y la Secuencia Truful-truful. Dataciones de radiocarbono obtenidas en madera carbonizada entregan edades entre 3.440 y 2.949 AP para Llaima Fisural 1; 2.949 y 770 AP para la unidad Llaima Fisural 2; y de 320 AP para la unidad Llaima Fisural 3 (Naranjo y Moreno, 2005). 2.2.2.2.4 Llaima Cono Principal (Llcp) Holoceno-Histórico (Modificado de Naranjo y Moreno, 2005) Esta unidad incluye las rocas volcánicas que han construido la estructura cónica del edificio volcánico del Llaima, siendo emitidas tanto desde los cráteres de cimas, como de las fisuras radiales en los flancos altos del volcán. Sus lavas más antiguas se encuentran sobre la unidad Llaima Fisural 2, y las más jóvenes han sido emitidas durante las erupciones históricas. Estas lavas tipo ‘aa’ han fluido radialmente alrededor del volcán, alcanzando distancias que superan los 27 kilómetros desde el punto de emisión. Son rocas en su mayoría porfídicas, con fenocristales de olivino, clinopiroxeno y plagioclasa, en diversas proporciones, y corresponden a basaltos y andesitas basálticas (Naranjo y Moreno, 2005).

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Las dataciones de radiocarbono en restos de carbón bajo las coladas entregan edades de 1.160 a 410 A.P., pero al ser obtenidas en productos superficiales, y ya que no existen dataciones de las coladas más antiguas, se infiere que la edad máxima de la unidad se extiende hasta el límite superior de la unidad Llaima Fisural 2, a la cual se sobreponen, es decir, a 2.940 A.P. (Naranjo y Moreno, 2005). Dentro de la unidad Llaima Cono Principal se han identificado 6 subunidades correspondientes a las erupciones históricas, en orden cronológico de más antigua a más moderna; la erupción de 1640, que fue emitida a través de dos fisuras, una en el flanco NW, y la otra en la ladera SW del volcán, y según antecedentes documentados es la erupción de mayor magnitud del volcán Llaima. La erupción de 1751, cuyas lavas se originaron en la cima Sur del volcán, y descendieron por el valle del Truful-Truful hacia Melipeuco, con espesores de hasta 6 metros en el extremo distal a 23 kilómetros de la fuente desde el centro de emisión. La erupción de 1780, durante la cual las lavas emergieron a través de fisuras ubicadas en el flanco Norte y Sur del Llaima, llegaron solo a 4,5 kilómetros de la actual localidad de Melipeuco (Pangueco). El centro de emisión está cubierto por campos de lavas pahoehoe con estructuras tipo túmulos, cordones trenzados y formas ovoidales parecidas a lavas en almohadilla en superficie. La erupción de 1945, cuyas lavas fueron expulsadas desde el cráter principal, bajo el hielo en dirección Este, con una potencia de 13 m en su frente, encauzada en una quebrada y alcanzando 40 kilómetros de largo. La erupción de 1957, corresponde a lavas emitidas desde el flanco Norte y la parte oriental de la cima Sur del volcán, siendo del tipo ‘aa’, aunque localmente, desde una abertura de túnel de lava, se emitieron flujos con rasgos pahoehoe (lavas cordadas). Los frentes alcanzaron espesores de hasta 8 m. La erupción de 1994, donde las lavas fueron extruidas desde el cráter principal, y fluyeron bajo el hielo derritiendo el glaciar y generando un lahar con dirección hacia el río Calbuco el cual se extendió hasta las cercanías de Vilcún (Moreno y Fuentealba, 1994). A pesar que las lavas no afloran, es posible trazar su trayectoria bajo el casquete glaciar según los rasgos de evaporación y derretimiento reflejados en el hielo. Finalmente, la erupción de 2008 -2009, contiene lavas expulsadas desde el cráter principal de manera fisural Oeste y Norte (Moreno et al. , 2009).

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Las coladas emitidas en las erupciones históricas son mayoritariamente de tipo “aa”, aunque se han registrado en algunos casos lavas con morfología tipo pahoehoe (erupciones de 1780 y 1957). Composicionalmente estas rocas corresponden a andesitas basálticas y

basaltos con textura porfídica (Naranjo y Moreno, 2005). 2.2.2.2.5 Truful-Truful (Llst) Holoceno-Histórico (Modificado de Naranjo y Moreno, 2005)

Naranjo y Moreno (2005) la describen como una sucesión estratificada holocena compuesta por depósitos piroclásticos de flujo, caída y oleada, propias de erupciones explosivas del volcán Llaima. Esta unidad sobre yace a la Ignimbrita Curacautín, al Grupo Plutónico Melipeuco y a las unidades ancestrales del Llaima. Luego la Secuencia Truful-Truful se dispone principalmente al Este y Sureste del volcán, debido a la dispersión producida por los vientos prevalecientes del Noroeste y Oeste. A lo largo del valle del río Truful-Truful y sus tributarios, se encuentran los mejores afloramientos donde la sucesión muestra un registro que alcanza una potencia máxima de 35 m, en el que alternan cerca de 70 niveles de caída de piroclastos y flujos, con delgados horizontes de paleosuelos. Naranjo y Moreno (2005) distinguen 40 niveles de caída de escorias, 2 niveles de caída de pómez y 25 niveles de flujos u oleadas piroclásticas. La base de la secuencia está compuesta por una sucesión de tefra de 3 m de espesor, y el sobreyace un depósito de caída de piroclastos de pómez dacíticas, bien seleccionado, alcanzando 4 m de potencia. Hacia el techo de la unidad, aparecen dos depósitos de oleada piroclástica, localmente separados entre sí por una discordancia de erosión; el basal de 4 m de espesor que alcanza una distancia de 12 kilómetros de la cima del volcán, tiene un distribución restringida a la desembocadura de los valles ubicados al Este y Sur del volcán, es mal seleccionado y presenta estratificación cruzada y laminación paralela; el superior que aflora solo parcialmente en el corte oriental del río Truful-truful, 9 kilómetros al SE de la cima del volcán, y que corresponde a una sucesión interestratificada de lapilli y ceniza gruesa, que además exhibe bandas con gradación normal, alcanzando un espesor de 5 m. Determinaciones de radiocarbono en restos de madera carbonizada, obtenidos directamente de los niveles de flujo y oleada piroclásticas, indican una edad entre 10.530 y

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