Tomografia Sísmica
Marcelo Assumpção & Afonso E. V. Lopes
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
Preliminary
Reference
Earth
Model
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 Maiores
Velocities Menores
1. Baixa Temperatura
1. Alta Temperatura
2. Alta Pressão
2. Baixa Pressão
3. Fases sólidas
3. Fases Líquidas
resíduo de tempo
-1s
região de velocidade alta
-1
0 0
-1
Tomografia: vários modelos possíveis
-1
0 0
-1
-1
0 0
-1
-1
0 0
-1
-1
0 0
-1
qual o melhor modelo ?
Escolhe-se o mais simples (“menos estrutura”)
Sismômetros
Superfície da Terra
Exemplo de Resultado Tomográfico: Subducção de Tonga
Tomografia de Onda P
no 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
chegada observada
mais atrasada
tempo teórico
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
anomalia positiva
anomalia negativa
perfil de referência
profundidade
estação
craton
intrusões
85-60 Ma
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,
150 km
Baixa velocidade perto de
províncias ígneas do
Cretáceo Superior
(intrusões alcalinas).
Rift do Atlântico 130 Ma
Intrusões 85-60 Ma: efeito
Trindade plume (?)
da pluma de Trindade ?
Geoquímica
(Gibson et al., 1997)
Efeito da
distribuição
dos raios
Tomografia (BLSP)
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
1300 km
Anomalias profundas com
tendência NS.
Subducção da placa de
Nazca ?
Densidade de raios
Ondas P de estações globais, dados ISC (Bijwaard et al., 1998)
200 km
500 km
Detecção
da placa de
Nazca a
1300km ?
Engdahl et al. (1995): ondas P,
rede mundial (dados do ISC)
Schimmel et al. (2003): projeto
BLSP, estações locais
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)
Low velocities along the TransBrasiliano Lineament
P
high velocities in craton and beneath Paraná basin
S
Sismicidade
Atividade
sísmica em
áreas de
velocidade
baixa:
Litosfera
fina
concentra
tensões!
Número de Sismos no perfil NW-SE (largura de ~100 km)
mag>3,5
APIP
SFC
S.Mar/plat.
A'
0.
100.
200.
300.
400.
500.
600.
Depth (k
m)
A
Iporá
lithosphere/asthenosphere limit?
Sismicidade versus Tomografia versus Alcalinas
Modelo Geoquímico
Sismos, intrusões alcalinas
e tomografia
Modelo Sismológico
Modelo de variação de Vp com temperatura
Vp
Vp
Crosta
500oC
600oC
1300oC
150 km
1300oC
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.
crosta
0
500oC
manto
1000oC
T
0
Resistência da litosfera
(máxima tensão possível)
150
300 MPa
Modelo proposto por Assumpção et al. (2009)
Litosfera mais fina e mais quente é mais fraca:
tensões intraplaca concentram-se na crosta superior
crosta
manto
litosfera/
astenosfera
1300oC
Vp baixo
quente
fraca
Vp alto
frio
resistente
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
Superfície
S
Tomografia de Ondas de Superfície
T=100s T=20s
Vs
Velocidade da
onda Rayleigh
depende da
estrutura de
velocidade S da
crosta e manto
Estudos anteriores (Vs a 100 km)
Montpellier 2001
Carnegie-ETH 1999
Alta velocidade nos crátons
resolução lateral: 700-1000km
~300 a 500 km
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.
T=100s
Vs
Inversão de
forma de onda
Modelagem do
sismograma
Obtém-se
modelos 1D
médios entre
cada 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)
Peru
Bolívia
Resolução
Vs a 150 km
Amazonian
Craton:
geochronological
provinces
B 2.2 – 1.95 Ga
A
> 2.3 Ga
C 1.95 – 1.8 Ga
D 1.8 – 1.55 Ga
Guyana shield
Tassinari &
Macambira,1999
Guaporé shield
crosta mais
antiga
Vs a 200 km
Resolução
150 km
NW
Guaporé shield
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
Como avaliar a
possibilidade de
erros numéricos e
a resolução dos
dados?
Vs 100 km
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
Global tomography (Univ.
Colorado)
Few stations in South America,
very long paths
-> low resolution (does not
isolate Amazon craton
200km
250km
Note low-velocities
beneath the
Chaco/Pantanal
basins.
Upper Mantle Shear
Velocity Model
N.Shapiro
Univ.Colorado
SDT (diffraction
tomography model).
Tomografia com Ondas de Superfície (Vs a 100 km de profundidade)
Altas velocidades no Craton do Amazonas
Feng et al. 2005
Heintz et al. 2005
Resolução Lateral : 700 - 1000km
T > 40s, percursos longos
300 - 500 km
T > 15s, percursos curtos
Tomografia com Ondas de Superfície (Heintz et al., 2005)
Note as baixas
velocidades sob as
bacias Chaco/Pantanal.
%
Vs 100 km
Joint inversion
results:
Generally high velocities
In 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?
Vs 150 km
resolution 300-600km
thickest lithosphere
in oldest block A
TransBrasilian Lineament:
generally low velocities or
limits high velocity blocks.
Vs 200 km
oldest rocks
resolution 500-800km
2.9-3.0 Ga
granitoids/greenstones
Carajás Iron Province