Ondas Sísmicas e a Estrutura da Terra

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Ondas Sísmicas e a Estrutura da Terra

Parte II

Prof. Dr. Marcelo B. de Bianchi m.bianchi@iag.usp.br

2016

AGG 0110

Elementos de Geofísica

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(3)

Fases Sísmicas (branches) nos sismogramas

Sismograma para o sismo do

Pakistão registrado em 26° e 67° de distância.

SS

ScS S

ScS2 ScS3

SSS

26° 67°

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P : Onda P no manto (até ~100°) K : Onde P transmitida no núcleo externo

I : Onda P transmitida no núcleo interno

S : Onda S no manto

J : Onda S transmitida no núcleo interno

i : Onda P refletida na borda núcleo externo – núcleo interno

c : reflexão na borda manto – núcleo externo

Ondas Sísmicas no Manto

(Nomenclatura)

(5)

Reflexão na superfície (upgoing branches)

●

São definidos pelas letras p e s

minúsculas !

●

Por exemplo: pP, sP, pS e sS.

●

São normalmente definidas como fase de profundidades

P pP

(6)

Descontinuidade de Mohorovičić

●

Andrija observou que para certas

distâncias existiam dois registros para a mesma onda com ângulo de chegadas diferentes;

●

Seu modelo conseguia explicar os dados de estações próximas mas não conseguia explicar as chegadas

antecipadas nas estações mais longe;

●

A conclusão foi que certas chegadas pertenciam a camadas mais rasas (se propagando com uma velocidade

menor) e a outra chegada, que só aparecia no gráfico a uma certa

distância, pertencia a uma onda que estaria se propagando com uma

velocidade maior, atribuída a uma camada inferior.

●

Ele deu o nome da onda mais lenta de Pg (Onda P no

Granito/Gnaisse) enquanto que a outra ele chamou de Pn.

P

Pn

Pn v2

Pg

Tempo

Distância P

v1 Andrija Mohorovičić (January 23,

1857 – December 18, 1936) – fonte Wikipedia

(7)

Zona de Sombra do Núcleo

(a partir de ~100°)

(8)

Atenção, “K” se refere a uma onda P transmitida pelo núcleo externo !

Hipocentro Estação

Onda P Onda S

(9)

Atenção, “I” significa que a onda atravessou o núcleo interno, enquanto que “i” a onda

apenas refletiu no núcleo interno; “K” é uma onda P no núcleo externo !!

Onda P Onda S

Onda P Onda S Atenção, “c” significa que a onda

refletiu no núcleo externo !!

(10)

I

J

PKIKP vs PKJKP

J : Onda S no núcleo interno, que foi

convertida de uma onda P na interface “ICB”

(Inner Core Boundary)

(11)

Exercício

(12)

Estrutura da terra

●

A Geofísica e a Geologia buscam compreender como que a Terra se formou e vem evoluindo nos últimos 4,5

bilhões de anos.

●

Explicar a sua estrutura é fundamental para

compreender os processos que agem no seu interior e mesmo na superfície do nosso planeta.

?

(13)

O que já sabemos

●

Um terremoto emite ondas que se propagam em todas as direções;

●

A velocidade das ondas depende das características do meio, mais especificamente da densidade, do

módulo de rigidez e do módulo de incompressibilidade e logicamente do tipo de onda;

●

A chegada dessas ondas são registradas por

estações sismográficas espalhadas ao redor do

mundo;

(14)

É uma questão de tempo !

Quanto tempo leva para uma onda atravessar a terra ?

1 minuto ? 10 minutos ? 2 horas ?

V = Δ s Δ t

Mais precisamente em torno de 20 minutos

(15)

É uma questão de tempo !

E se existir uma anomalia de maior velocidade no meio do percurso ? Demora mais ?

Demora menos ? O mesmo tempo ?

Voltando na equação de tempo de percurso:

Logo se V aumenta, a diferença de tempo (∆t) diminui para uma mesma distância (∆s) !!!

V = Δ s

Δ t → Δ t = Δ s

V

(16)

Modelos de Velocidade

●

Ao analisar os registros sísmicos é necessário conseguir explicar as observações

–

Tempos de chegada

–

Amplitudes

–

Polaridades

●

Para isso é necessário considerar um modelo para a Terra.

●

Alguns dos modelos existentes incluem:

– J-B (Harrold Jeffreys and Keith Bullen, 1940)

– PREM (Dziewonski and Anderson, 1981)

– IASP91 (Kennett and Engdahl, 1991)

– AK-135, AK-135-F (Kennett, Engdahl &

Buland, 1995)

(17)

●

Modelos são um conjunto de características do meio. Os modelos podem ser normalmente 1D ou 3D.

●

As características mais importantes para a sismologia são:

–

Velocidades para ondas P (representada por V

_p

, α)

–

Velocidades para ondas S ( V

_s

, β)

–

Densidade (ρ)

●

Em modelos 1D as propriedades variam apenas em uma dimensão, normalmente com a profundidade.

●

Modelos 3D as propriedades podem variar em qualquer direção.

Características Básicas

(18)

Diferentes modelos

●

Modelos:

– Esféricos, lateralmente heterogêneos

– Esféricos lateralmente homogêneos

– Estratificado semi- espaço → gradiente

– Modelo de camadas

(19)

Descontinuidades

●

É uma região onde existe uma mudança abrupta de determinada propriedade;

●

As descontinuidades

interagem com as ondas sísmicas, causando

conversões e reflexões para as ondas P e S.

Fig. 3.70: Results of deep reflection profiling across the North American Mid- continent Rift System under western Lake Superior. The top part of the figure shows the migrated reflection record, the bottom part the interpreted crustal structure (courtesy of A. G. Green).

(20)

O que pode causar uma descontinuidade

●

Composição: Contato entre dois tipos de rochas distintos – descontinuidades de 1

^a

Ordem;

●

Térmico: Causada por uma mudança abrupta na temperatura do meio;

●

Estrutural: Causada por uma reestruturação da rede cristalina dos minerais, normalmente devido ao

aumento excessivo da pressão;

(21)

Tempo: Distância:

t

_p

= 20 minutos → R

_terra

= 6.371 km →

20 * 60 = 1.200 s D

_terra

= 2 * 6.371 = 12.742 km

V

_pm

≈ 12.742 / 1.200 = 10.6 km/s

(22)

Terra ! V _cte = ?

Semi espaço com velocidade constante

Terremoto

Estações

(23)

Ajuste na seção sísmica

20 0 20

°

40

°

60

°

80

°

100

°

120

°

140

°

160

°

180

°

Distância Epicentral

Te m p o d e P e rc u rs o (m in )

15 10 5 0 20 min

15 10 5 0

10.6 km / s

(24)

Tempos para distâncias menores

20°

Dist=20° t ^p = 4 min 30s

90°

105°

Dist=105° t ^p = 14min 04 s Vp = 8,2 km/s

Vp = 12,0 km/s

(25)

Variações da média

20 0 20

°

40

°

60

°

80

°

100

°

120

°

140

°

160

°

180

°

Distância Epicentral

Te m p o d e P e rc u rs o (m in )

15 10 5 0 20 min

15 10 5 0

10.6 km / s

<< 10. 6 k m / s

>> 10. 6 km / s

Devem ser

considerados os efeitos da:

●

Velocidade variável com a profundidade

●

Esfericidade da Terra (lei dos cossenos)

Importante

(26)

Interpretação de Fases

(27)

http://www.isc.ac.uk/

Inicio suas atividades

em

~1900 !

(28)

Modelo de Jeffrey & Bullens

●

Um dos primeiros modelos utilizados para a localização de tremores.

● JB Model, Thorne Lay, 51 The Earth's interior, In:

William H.K. Lee, Hiroo Kanamori, Paul C. Jennings and Carl Kisslinger, Editor(s), International

Geophysics, Academic Press, 2002, Volume 81, Part A, Pages 829-860, XX, ISSN 0074-6142, ISBN

9780124406520, http://dx.doi.org/10.1016/S0074- 6142(02)80258-3

● 7 regiões distintas:

A) Crosta

B) Manto superior C) Zona de transição

D) Manto inferior → D' e D'' (CMB) E) Núcleo externo (sem S)

F) Transição Núcleo Interno/externo (ICB)

G) Núcleo Interno (sem S)

(29)

Modelo PREM

●

Proposto em 1981

●

Obtido pela inversão de modos normais da Terra e tempos de percurso observados para telessismos

●

Repeitando os dados de massa e momento de inércia da terra

– Obteve a distribuição de densidade do planeta

– Velocidade para ondas P e S

– E coeficientes de atenuação

(30)

(31)

Outros parâmetros derivados

(32)

Modelo IASP91

●

O modelo IASP91 foi obtido a partir do ajuste dos tempos de percurso para ondas P e S em diferentes distâncias;

●

Ele defini basicamente 5

camadas principais, Moho, 410, 660, CMB e ICB.

●

Este modelo consegue prever o tempo de chegada para as

ondas vindas de um terremoto com uma precisão de até

dezenas de segundos;

(33)

Modelo IASP91

(34)

Modelo IASP91

Inge

Lehmann, 1936

Inge

Lehmann,

1936

(35)

Modelo IASP91

Núcleo Externo Manto Inferior

Zona de Transição

Manto Superior

Núcleo Interno Crosta

Vp Vs

Litosfera (até ~ 120km) Astenosfera (até ~ 220 km)

Principais descontinuidades:

* 35 km – Crosta / Manto (Moho) 410 km – Manto / Zt.

660 km – Zt. / Manto

* 2900 km – Manto / N.Externo

* 5100 km – N.Externo / N.Interno

* Mudanças de Composição Zt = Zona de transição N. = Núcleo

Resumo

(36)

Espessura da Crosta (médias globais)

Mooney et al., 1998

(37)

●

Valores de Vp entre 1.5 e 8 km/s

●

Maior diversidade de tipos de rochas para crosta

●

Variações significativas de profundidade

–

Até 15 km (nos oceanos incluindo 4 km de água)

–

Até 55-75 km (em

orogêneses recentes)

(38)

Profundidade Crustal

Crust 5.1 (Mooney et al, 1998)

(39)

Craton S.

Francisco Craton S.

Francisco Craton

Amazônico Craton Amazônico

Bacia do Paraná Bacia do

Paraná

Borborema Borborema

Faixa Goias - Tocantins Faixa Goias

- Tocantins

Fina

Espessa

Assumpção et al., 2013

(40)

Velocidade para onda P no manto, logo abaixo da moho (onda Pn)

Velocidades + altas =

zonas estáveis Velocidades

+ baixas = zonas ativas

Braile et al. 1989

(41)

Zona de Transição

● Corresponde a transformação estrutural da olivina, e acredita-se ser uma transformação guiada primordialmente pela temperatura dada uma certa pressão;

● Isso implica que a variações na sua estrutura estaria, primariamente ligadas a variações de temperaturas;

● A média global para os limites da zona de transição é definida entre 410 km e 660 km (Tz = 250 km) embora variações podem ser

interpretadas em respeito da temperatura nestas profundidades;

(42)

●

Embora diferentes

modelos propõe diferentes estruturas para a parte

superior do mando, a zona

de transição é consenso

entre eles !

(43)

Espessura da Tz

Menos espessa + quente

Mais espessa Mais espessa

+ fria

(44)

Subducção ao

longo do mundo

(45)

Dinâmica em

Zonas de subducção

Litosfera Oceânica

Litosfera Continental

Astenosfera

Crosta Oceânica

Fossa Vulcões

Crosta Continental

“Forearc”

(46)

Zonas de Subducção Andes

●

As zonas de subducção são as zonas que mais causam variabilidade no manto superior;

●