Marcelo Assumpção & Afonso E. V. Lopes Tomografia Sísmica.
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Marcelo Assumpção & Afonso E. V. Lopes
Tomografia Sísmica
Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos
Algumas vezes os tempos de percurso das ondas sísmicas são maiores ou menores que os previstos por um modelo de referência. Essas diferenças, chamadas de resíduos, permitem estimar as posições de heterogeneidades no interior da Terra.
Como toda tomografia sísmica é realizada com base em um modelo de referência, o que estudamos são variações laterais de velocidade, de forma que:
Se o resíduo do tempo de percurso é negativo, o tempo de percurso observado é menor que o teórico, o que significa que a velocidade média da onda ao longo do raio sísmico foi maior que ô modelo re referência. Nos mapas de tomografia os resíduos negativos de tempo (velocidades maiores) são representado por cores frias, e as velocidades menores por cores quentes.
Modelo de Referência
PreliminaryReferenceEarthModel
Velocidades das Ondas Sísmicas
As velocidades das sísmicas refletem as propriedades das rochas, que por sua vez dependem da composição química, temperatura, pressão, entre outros parâmetros.
Velocities Maiores1. Baixa Temperatura
2. Alta Pressão
3. Fases sólidas
Velocities Menores1. Alta Temperatura
2. Baixa Pressão
3. Fases Líquidas
-1sresíduo de tempo
região de velocidade alta
direçã
o da onda P
-1-1 0 0
Tomografia: vários modelos possíveis-1-1 0 0
-1-1 0 0
-1-1 0 0
-1-1 0 0
qual o melhor modelo ?Escolhe-se o mais simples (“menos estrutura”)
SismômetrosSuperfície da Terra
Exemplo de Resultado Tomográfico: Subducção de Tonga
Tomografia de Onda Pno Sudeste e Centro-Oeste
Tomografia Sísmica com Ondas de Corpo
Tomografia do Manto Superior com Onda P (projeto BLSP, 1992-2004)
• VanDecar et al. 1995
• Schimmel et al. 2003
• C. Escalante, 2002
• M. Rocha,• 2003, 2007• ~90 estações,
10.000 leituras de P+PKP
Tomografia de onda P: chegadas RELATIVAS
tempo teórico
chegada observada
mais atrasada
menos atrasada
Grade de Pontos para Inversão: Muitos Pontos & "Poucos" Dados
~100.000 pontos
~10.000 leituras
Portanto diferentes modelos podem ajustar os dados!
Outras informações necessárias para inversão:
- modelo suave
Litosfera Sísmica: velocidade alta P e S
perfil de referência
anomalia positiva
anomalia negativa
estação
cratonintrusões 85-60 Ma
profundidade
intrusões 130-110 Ma
Anomalias de Velocidade Sísmica:
Temperatura ou Composição ?
- Anomalias altas (~5-10%) -> provavelmente temperatura (e.g. zonas de subducção) ou água.
- Temperatura diminui velocidade das duas ondas, P e S
- Manto enriquecido em Fe (olivina, piroxênio): -> baixas velocidades, alta densidade, e alta razão Vp/Vs
- Ca, Mg -> tende a aumentar Vp, Vs e diminuir Vp/Vs
Região SE do Brasil: evidências de efeito de maior temperatura nas anomalias de baixa velocidade.
- Anomalias das ondas P e S têm boa correlação;
- Alcalinas mais recentes estão perto de baixas velocidades,
- Fluxo geotérmico aumenta nas bordas da bacia do Paraná: ~45 mW/m2 no centro, ~55 mW/m2 nas bordas,
Trindade plume (?)
Baixa velocidade perto de províncias ígneas do Cretáceo Superior (intrusões alcalinas).
Rift do Atlântico 130 Ma
Intrusões 85-60 Ma: efeito da pluma de Trindade ?
150 km
Geoquímica(Gibson et al., 1997)
Tomografia (BLSP)
Efeito da distribuição dos raios
Pluma de Trindade desviada pela raiz do cráton do São Francisco? (Thompson et al., 1998; Gibson et al., 1999)
Placa de Nazca
Rocha et al.,2010
Nazca plate (?)
Anomalias profundas com tendência NS.
Subducção da placa de Nazca ?
1300 km
Densidade de raios
Ondas P de estações globais, dados ISC (Bijwaard et al., 1998)
200 km 500 km
Engdahl et al. (1995): ondas P, rede mundial (dados do ISC)
Schimmel et al. (2003): projeto BLSP, estações locais
Detecção da placa de Nazca a 1300km ?
Afinamento Litosférico e Sismicidade Intraplaca
SISMICIDADE: epicentros não se correlacionam com feições da superfície: faixas de dobramento Brasilianas ou suturas não são zonas de fraqueza crustal.
Resultados Recentes de Tomografia com ondas P e S (Rocha, 2007)
P Shigh velocities in craton and beneath Paraná basin
Low velocities along the TransBrasiliano Lineament
Sismicidade
Atividade sísmica em áreas de velocidade baixa:
Litosfera fina concentra tensões!
Número de Sismos no perfil NW-SE (largura de ~100 km)
600.
500.
400.
300.
200.
100.
0 .
Dep
th (k
m)
A A '
Iporá APIP SFC S.Mar/plat.
mag>3,5
lithosphere/asthenosphere limit?
Sismicidade versus Tomografia versus Alcalinas
Sismos, intrusões alcalinase tomografia
Modelo Geoquímico
Modelo Sismológico
Modelo de variação de Vp com temperatura
Vp Vp
150 km
Crosta
500oC 600oC
1300oC
1300oCLi
t os f
e ra
Astenosfera
Perfil médio de referência
Modelo proposto por Assumpção et al. (2009)
Litosfera mais fina é mais quente e portanto mais fraca: não suporta grandes tensões intraplaca.
manto
0 150 300 MPa
Resistência da litosfera (máxima tensão possível)
T
crosta
0 500oC 1000oC
Modelo proposto por Assumpção et al. (2009)
Litosfera mais fina e mais quente é mais fraca: tensões intraplaca concentram-se na crosta superior
manto
crosta
litosfera/ astenosfera
Vp baixoquentefraca
Vp altofrioresistente1300oC
Conclusões com a tomografia de onda P no Sudeste do Brasil
1) Litosfera mais fina no Arco Magmático de Goiás, na Província Ígnea do Alto Paranaíba (APIP), e na bacia do Pantanal.
2) Litosfera mais espessa no sul do cráton do São Francisco, sul de Goiás, e núcleo cratônico(?) da bacia do Paraná.
3) Afinamentos da litosfera pode explicar sismicidade. Sismos são superficiais mas as causas são profundas!
Tomografia com Ondas de Superfície Rayleigh na
América do Sul
P
S
P
Superfície
superfície
S
Tomografia de Ondas de Superfície
Velocidade da onda Rayleigh depende da estrutura de velocidade S da crosta e manto
T=20sT=100s Vs
Estudos anteriores (Vs a 100 km)
Montpellier 2001 Carnegie-ETH 1999
resolução lateral: 700-1000km ~300 a 500 kmAlta velocidade nos crátons
Tomografia global, (Univ. Colorado):
Poucas estações na América do Sul (resolução baixa).
100 km
Projeto BLSP02 (estações no Norte e Nordeste)
Colaboradores: UnB, UFRN, IPT, UFMS, UFRA, CPRM, CVRD, DeBeers, RTDM, AngloGold.
~6000 percursos analisados com velocidade de grupo da onda Rayleigh
Tomografia 2D (Velocidade da onda Rayleigh com Período de 20s)
Baixas velocidades nos Andes (crosta espessa) e bacias sedimentares.
T=20s Vs
Tomografia 2D (Velocidade da onda Rayleigh com Período de 100s)
Baixas velocidades nos Andes (astenosfera). Altas velocidades nos crátons.
VsT=100s
Inversão de forma de onda
Modelagem do sismograma
Obtém-se modelos 1D médios entrecada epicentro e estação
~600 percursos analisados com modelagem de forma de onda
Velocidades S na base da litosfera (100 km)
A= blocos mais antigos -> litosfera mais espessa.
Velocidade de grupo + forma de onda
Teste de Resolução (inversão conjunta)
astenosfera
Peru
Bolívia
Vs a 150 km
Resolução
AmazonianCraton: geochronological provinces
Tassinari &Macambira,1999
A > 2.3 Ga
B 2.2 – 1.95 Ga
C 1.95 – 1.8 Ga
D 1.8 – 1.55 Ga
Guyana shield
Guaporé shield
Vs a 200 km
Resoluçãocrosta mais antiga
150 km
Guyana shield Guaporé shield S.Francisco cratonNW SE
Considerações finais sobre a Tomografia de ondas Rayleigh
1) Maiores espessuras da litosfera na parte leste do cráton Amazônico e na parte sul do cráton do São Francisco.
2) Possível núcleo cratônico na bacia do Paraná e Bacia do Parnaíba (?)
3) Baixas velocidades a 200-300km sob a região do Pantanal.
Tomografia com ondas de corpo e de superfície
Raios Sísmicos e Resolução
Resultado Vs 100 km
Como avaliar a possibilidade de erros numéricos e a resolução dos dados?
Ondas de corpo versus Ondas superfície
Vantagens versus Desvantagens
Tomografia Sísmica & Pinturas Impressionistas
Renoir: “Remando no Sena”
Material Extra (Apoio)
Tomografias na Placa Sul-Americana
100km 150km
250kmUpper Mantle Shear Velocity ModelN.ShapiroUniv.Colorado
SDT (diffraction tomography model).
200km
Global tomography (Univ. Colorado)
Few stations in South America, very long paths
-> low resolution (does not isolate Amazon craton
Note low-velocities beneath the Chaco/Pantanal basins.
Tomografia com Ondas de Superfície (Vs a 100 km de profundidade)
Heintz et al. 2005Resolução Lateral : 700 - 1000km 300 - 500 kmT > 40s, percursos longos T > 15s, percursos curtos
Altas velocidades no Craton do Amazonas
Feng et al. 2005
Tomografia com Ondas de Superfície (Heintz et al., 2005)
Note as baixas velocidades sob as bacias Chaco/Pantanal.
%
Joint inversion results:
Vs 100 km
Generally high velocitiesIn the Amazon craton.No clear separation between the Guyana and Guaporé shields.
Separate high-velocity block in Southern S.Francisco craton.
Possible cratonic block beneath the Paraná basin?
resolution 300-600km
Vs 150 km
thickest lithosphere in oldest block A
TransBrasilian Lineament:generally low velocities orlimits high velocity blocks.
Vs 200 km
resolution 500-800km
2.9-3.0 Gagranitoids/greenstonesCarajás Iron Province
oldest rocks