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