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Marcelo Assumpção & Afonso E. V. Lopes
Tomografia Sísmica
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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.
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Modelo de Referência
PreliminaryReferenceEarthModel
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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
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-1sresíduo de tempo
região de velocidade alta
direçã
o da onda P
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-1-1 0 0
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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”)
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SismômetrosSuperfície da Terra
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Exemplo de Resultado Tomográfico: Subducção de Tonga
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Tomografia de Onda Pno Sudeste e Centro-Oeste
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Tomografia Sísmica com Ondas de Corpo
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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
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Tomografia de onda P: chegadas RELATIVAS
tempo teórico
chegada observada
mais atrasada
menos atrasada
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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
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Litosfera Sísmica: velocidade alta P e S
perfil de referência
anomalia positiva
anomalia negativa
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estação
cratonintrusões 85-60 Ma
profundidade
intrusões 130-110 Ma
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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
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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,
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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
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Geoquímica(Gibson et al., 1997)
Tomografia (BLSP)
Efeito da distribuição dos raios
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Pluma de Trindade desviada pela raiz do cráton do São Francisco? (Thompson et al., 1998; Gibson et al., 1999)
![Page 22: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/22.jpg)
Placa de Nazca
![Page 23: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/23.jpg)
Rocha et al.,2010
![Page 24: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/24.jpg)
Nazca plate (?)
Anomalias profundas com tendência NS.
Subducção da placa de Nazca ?
1300 km
Densidade de raios
![Page 25: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/25.jpg)
Ondas P de estações globais, dados ISC (Bijwaard et al., 1998)
200 km 500 km
![Page 26: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/26.jpg)
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 ?
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Afinamento Litosférico e Sismicidade Intraplaca
![Page 28: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/28.jpg)
SISMICIDADE: epicentros não se correlacionam com feições da superfície: faixas de dobramento Brasilianas ou suturas não são zonas de fraqueza crustal.
![Page 29: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/29.jpg)
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
![Page 30: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/30.jpg)
Sismicidade
![Page 31: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/31.jpg)
Atividade sísmica em áreas de velocidade baixa:
Litosfera fina concentra tensões!
![Page 32: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/32.jpg)
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?
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Sismicidade versus Tomografia versus Alcalinas
Sismos, intrusões alcalinase tomografia
Modelo Geoquímico
Modelo Sismológico
![Page 34: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/34.jpg)
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
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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
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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
![Page 37: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/37.jpg)
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!
![Page 38: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/38.jpg)
Tomografia com Ondas de Superfície Rayleigh na
América do Sul
![Page 39: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/39.jpg)
P
S
P
Superfície
superfície
S
![Page 40: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/40.jpg)
Tomografia de Ondas de Superfície
Velocidade da onda Rayleigh depende da estrutura de velocidade S da crosta e manto
T=20sT=100s Vs
![Page 41: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/41.jpg)
Estudos anteriores (Vs a 100 km)
Montpellier 2001 Carnegie-ETH 1999
resolução lateral: 700-1000km ~300 a 500 kmAlta velocidade nos crátons
![Page 42: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/42.jpg)
Tomografia global, (Univ. Colorado):
Poucas estações na América do Sul (resolução baixa).
100 km
![Page 43: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/43.jpg)
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
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Tomografia 2D (Velocidade da onda Rayleigh com Período de 20s)
Baixas velocidades nos Andes (crosta espessa) e bacias sedimentares.
T=20s Vs
![Page 45: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/45.jpg)
Tomografia 2D (Velocidade da onda Rayleigh com Período de 100s)
Baixas velocidades nos Andes (astenosfera). Altas velocidades nos crátons.
VsT=100s
![Page 46: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/46.jpg)
Inversão de forma de onda
Modelagem do sismograma
Obtém-se modelos 1D médios entrecada epicentro e estação
![Page 47: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/47.jpg)
~600 percursos analisados com modelagem de forma de onda
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Velocidades S na base da litosfera (100 km)
A= blocos mais antigos -> litosfera mais espessa.
Velocidade de grupo + forma de onda
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Teste de Resolução (inversão conjunta)
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astenosfera
Peru
Bolívia
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Vs a 150 km
Resolução
![Page 52: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/52.jpg)
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
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Vs a 200 km
Resoluçãocrosta mais antiga
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150 km
Guyana shield Guaporé shield S.Francisco cratonNW SE
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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.
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Tomografia com ondas de corpo e de superfície
Raios Sísmicos e Resolução
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![Page 58: Tomografia Sísmica: O estudo do resíduo dos tempos de percursos](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062813/5681658a550346895dd84d9e/html5/thumbnails/58.jpg)
Resultado Vs 100 km
Como avaliar a possibilidade de erros numéricos e a resolução dos dados?
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Ondas de corpo versus Ondas superfície
Vantagens versus Desvantagens
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Tomografia Sísmica & Pinturas Impressionistas
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Renoir: “Remando no Sena”
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Material Extra (Apoio)
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Tomografias na Placa Sul-Americana
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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.
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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
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Tomografia com Ondas de Superfície (Heintz et al., 2005)
Note as baixas velocidades sob as bacias Chaco/Pantanal.
%
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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?
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resolution 300-600km
Vs 150 km
thickest lithosphere in oldest block A
TransBrasilian Lineament:generally low velocities orlimits high velocity blocks.
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Vs 200 km
resolution 500-800km
2.9-3.0 Gagranitoids/greenstonesCarajás Iron Province
oldest rocks