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i UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSICA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ESPESSURA DA ZONA DE TRANSIÇÃO DO MANTO SOB A PROVÍNCIA BORBOREMA, NE BRASIL, ATRAVÉS DE CONVERSÕES Ps TELESSÍSMICAS Aluna: ADRIANE GOMES PINHEIRO Orientador: Prof. Dr. Jordi Julià Casas DGEF / PPGG / UFRN Dissertação n° 127 / PPGG Natal/RN, Março de 2014.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

ESPESSURA DA ZONA DE TRANSIÇÃO DO MANTO SOB A PROVÍNCIA BORBOREMA, NE BRASIL, ATRAVÉS DE

CONVERSÕES Ps TELESSÍSMICAS

Aluna:

ADRIANE GOMES PINHEIRO

Orientador:

Prof. Dr. Jordi Julià Casas

DGEF / PPGG / UFRN

Dissertação n° 127 / PPGG

Natal/RN, Março de 2014.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

ESPESSURA DA ZONA DE TRANSIÇÃO DO MANTO SOB A PROVÍNCIA BORBOREMA, NE BRASIL, ATRAVÉS DE

CONVERSÕES Ps TELESSÍSMICAS

Aluna:

ADRIANE GOMES PINHEIRO

Comissão Examinadora: Prof. Dr. Jordi Julià Casas (DGEF /PPGG /UFRN - Orientador)

Prof. Dr. Marcelo S. de Assumpção (IAG /USP)

Prof. Dr. Joaquim Mendes Ferreira (DGEF /PPGG /UFRN)

Natal/RN, Março de 2014.

Dissertação de Mestrado apresentada em

07 de março de 2014 para obtenção de

Título de Mestre em Geodinâmica e

Geofísica, com área de concentração em

Geodinâmica, pela Pós-Graduação em

Geodinâmica e Geofísica da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte.

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AGRADECIMENTOS

A iniciativa de realizar e o desenvolvimento do presente trabalho

contaram com a colaboração e incentivo de várias pessoas e instituições às

quais gostaria de registrar minha gratidão destacando algumas.

Dentre as instituições destaco o PPGG/UFRN – Programa de Pós-

Graduação em Geodinâmica e Geofísica pelo apoio quanto à infra-estrutura

disponibilizada, principalmente pelo Laboratório Sismológico da UFRN

(LabSis/UFRN). Minha gratidão também ao Instituto Nacional de Ciência e

Tecnologia – Estudos Tectônicos (INCT-ET/CNPq, projeto 57.3713/2008-1)

pelos recursos para o desenvolvimento desta pesquisa e ao Conselho Nacional

de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela bolsa de mestrado.

Agradeço também ao Tom Owens pela disponibilidade de seus códigos

Variable Bin Radius Analysis. De grande relevância também para este trabalho

foi a disponibilidade do software GMT - Generic Mapping Tools de Wessel &

Smith (1998), visto que a maioria das figuras-resultados foram produzidas com

ele.

De forma muito especial o meu agradecimento ao meu orientador Jordi

Julià Casas por sua orientação segura. E o meu reconhecimento de que este

trabalho não teria sido concluído sem o seu contínuo direcionamento.

Agradeço ao Dr. Joaquim Mendes Ferreira (DGEF/PPGG/UFRN) e ao

Dr. Zorano Sérgio Souza (DG/PPGG/UFRN) por terem participado da avaliação

do seminário de pesquisa, oportunidade de discussões e sugestões. Agradeço

também ao Dr. Marcelo S. de Assumpção (IAG /USP) por aceitar participar da

comissão examinadora. Minha gratidão também à MSc Rosana M. do

Nascimento (PPGG/UFRN) pelas contribuições no processamento de dados.

Agradeço principalmente à Deus por nunca faltar-me com Sua presença.

E finalmente, agradeço aos meus queridos pais Elias e Maria e aos meus

irmãos (André, Adriano e Andréia) aos quais dedico este trabalho.

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RESUMO

A zona de transição do manto está definida por duas descontinuidades

sísmicas, nominalmente a 410 e 660 km de profundidade, que resultam de

transformações de fase no mineral olivina. A topografia dessas

descontinuidades fornece informações sobre as variações laterais de

temperatura da zona de transição. Neste trabalho, foram utilizadas conversões

P-para-S telessísmicas registradas em 32 estações sísmicas de banda larga na

Província Borborema para determinar a espessura da zona de transição abaixo

desta região e para investigar se há mudanças laterais da temperatura neste

intervalo de profundidade, para isso foi feito o empilhamento e a migração de

funções do receptor. Na Província Borborema, estudos geofísicos revelaram a

existência de uma anomalia de geóide que poderia refletir a presença de uma

anomalia térmica, a qual estaria relacionada à origem do vulcanismo intraplaca

e da epirogênese que atingiram a Província no Cenozóico. Vários modelos têm

sido propostos para explicar esses eventos, dentre eles o modelo de pluma do

manto e de eventos rasos como células de convecção de pequena escala. Os

resultados deste trabalho mostram que essa anomalia térmica não atinge a

profundidade da zona de transição do manto, visto que não foram identificadas

variações significativas na espessura da zona de transição. Contudo foram

observadas regiões de topografia baixa para ambas as descontinuidades (410

e 660 km) que aproximadamente se sobrepõem no espaço, sugerindo que

variações laterais negativa nas velocidades acima de 410 km de profundidade

podem existir abaixo da Província Borborema. O que é consistente com a

estrutura de baixa densidade que seria consequência de uma alteração

térmica. Portanto, a fonte magmática que teria provocado no Cenozóico o

vulcanismo intraplaca e estaria relacionada ao soerguimento na Província,

estaria confinada acima da zona de transição.

Palavras-chave: Zona de Transição do Manto; Província Borborema; Função

do Receptor.

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ABSTRACT

The mantle transition zone is defined by two seismic discontinuities,

nominally at 410 and 660 km depth, which result from transformations in the

mineral olivine. The topography of these discontinuities provides information

about lateral temperature changes in the transition zone. In this work, P-to-S

conversions from teleseismic events recorded at 32 broadband stations in the

Borborema Province were used to determine the transition zone thickness

beneath this region and to investigate whether there are lateral temperature

changes within this depth range. For this analysis, stacking and migration of

receiver functions was performed. In the Borborema Province, geophysical

studies have revealed a geoid anomaly which could reflect the presence of a

thermal anomaly related to the origin of intraplate volcanism and uplift that

marked the evolution of the Province in the Cenozoic. Several models have

been proposed to explain these phenomena, which include those invoking the

presence of a deep-seated mantle plume and those invoking shallower sources,

such as small-scale convection cells. The results of this work show that no

thermal anomalies are present at transition zone depths, as significant

variations in the transition zone thickness were not observed. However, regions

of depressed topography for both discontinuities (410 and 660 km) that

approximately overlap in space were identified, suggesting that lower-than-

average, lateral variations in seismic velocity above 410 km depth may exist

below the the Borborema Province. This is consistent with the presence of a

thermally-induced, low-density body independently inferred from analysis of

geoid anomalies. Therefore, the magma source responsible for the Cenozoic

intraplate volcanism and related uplift in the Province, is likely to be confined

above the upper mantle transition zone.

Keywords: Mantle Transition Zone; Borborema Province; Receiver Function.

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SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS ................................................................................... iii

RESUMO ……………………………………………………………................... iv

ABSTRACT .................................................................................................. v

CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO …………………………………………………. 1

CAPÍTULO II – ZONA DE TRANSIÇÃO DO MANTO …...………………….. 7

2.1 ESTRUTURA DE VELOCIDADE SÍSMICA .......................................... 8

2.2 COMPOSIÇÃO E MINERALOGIA DO MANTO SUPERIOR E ZONA

DE TRANSIÇÃO .........................................................................................

10

2.3 TRANSFORMAÇÕES DE FASE NA ZONA DE TRANSIÇÃO ............. 12

2.4 PROPRIEDADES DAS DESCONTINUIDADES ................................... 16

2.4.1 TOPOGRAFIA DAS DESCONTINUIDADES .................................. 16

2.4.2 INTERVALO DAS DESCONTINUIDADES ..................................... 19

2.5 PRESENÇA DE ÁGUA NO MANTO ..................................................... 21

CAPÍTULO III – FUNÇÃO DO RECEPTOR …………………………..…….... 23

3.1 FUNDAMENTOS DO MÉTODO FUNÇÃO DO RECEPTOR ............... 23

3.2 PROCESSAMENTO DE DADOS ......................................................... 30

3.2.1 REDES SISMOGRÁFICAS .............................................................. 30

3.2.2 SELEÇÃO DOS EVENTOS ............................................................. 32

3.2.3 PRÉ-PROCESSAMENTO ............................................................... 34

3.2.4 CÁLCULO DA FUNÇÃO DO RECEPTOR ...................................... 35

3.2.5 VARIABLE BIN RADIUS STACK ..................................................... 38

CAPÍTULO IV – RESULTADOS ………………………………...……………..

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4.1 EMPILHAMENTOS 1D ......................................................................... 40

4.2 EMPILHAMENTOS 3D ......................................................................... 44

CAPÍTULO V – CONCLUSÕES ................................................................... 56

REFERÊNCIAS ............................................................................................ 57

ANEXO 1 – ARTIGO SUBMETIDO .............................................................. 62

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1: Episódios magmáticos na Província Borborema no período Cenozóico. A posição e a geocronologia dos corpos vulcânicos estão baseadas na tabela publicada por Mizusaki et al. (2002), com compilações de dados a partir de Sial (1976b), Sial et al. (1981), Asmus & Guazelli (1981), Fodor et al. (1983) e Fodor & McKee (1986). Cartografia geológica modificada de Bizzi et al. (2003). O limite da Província Borborema corresponde à definição clássica de Almeida et al. (1977). Fonte: modificado de Oliveira (2008).

1

Figura 1.2: Topografia da Província Borborema (com destaque para o Planalto da Borborema) e batimetria da área oceânica adjacente. A linha preta é o limite da Província Borborema na definição clássica de Almeida et

al. (1977). Fonte: modificado de Oliveira (2008).

2

Figura 1.3: Esquema de evolução das etapas sequências que resultaram no magmatismo Cenozóico e no soerguimento do Planalto da Borborema de acordo com o modelo de convecção em pequena escala. Fonte: modificado de Oliveira (2008).

4

Figura 1.4: Superfície do geóide da região da Província Borborema processada por Sandwell & Smith (1997), com superposição dos limites do Planalto da Borborema (traço azul) e com indicação do lineamento Macaú-Queimadas. Os pontos em vermelho são ocorrências de magmatismos com suas respectivas datações geocronológicas em Ma. A linha tracejada (em branco) corresponde ao limite da Província Borborema na definição clássica de Almeida et al. (1977). Fonte: modificado de Oliveira (2008).

5

Figura 2.1: A) Perfis de densidade e de velocidade das ondas P e S na Terra, saltos à profundidade de 410 e 660 km demarcam as descontinuidades da zona de transição. B) Visualização em maior detalhe dos perfis no intervalo de profundidade de 0 a 800 km, o que inclui a zona de transição. Fonte: modificado de Kennett et al. (1995).

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Figura 2.2: Modelos globais de velocidade de referencia sísmica PREM, AK135 e o de Cammarano et al. (2005) mostrando a estrutura de velocidade de ondas P (acima) e ondas S (abaixo) no manto superior e zona de transição. Os 99 modelos de referencia de Cammarano et al. (2005) calculados para o pirólito com ajuste das propriedades elásticas minerais, dentro das taxa de incerteza, apresentam um ajuste razoavelmente bom com os modelos obtidos a partir de dados sísmicos

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globais, os modelos de velocidade PREM e AK135. Fonte: modificado de Frost (2008).

Figura 2.3: Reações de transformações de fase da olivina na zona de transição do manto. Fonte: modificado de Helffrich & Wood (2001).

12

Figura 2.4: Reações de transformações de fase do piroxênio. Fonte: modificado de Helffrich & Wood (2001).

13

Figura 2.5: Diagrama mostrando a estrutura mineral do pirólito no manto, com as transformações de fase da olivina e do garnet. As quatro fotos (da olivina, do garnet e dos piroxênios) são amostras naturais de xenólitos peridotitos, e as outras cinco imagens são de minerais obtidos de experimentos de alta pressão e alta temperatura, onde o campo de visão é aproximadamente de 0.2 mm. Fonte: modificado de Frost (2008).

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Figura 2.6: Diagrama esquemático de fase da olivina no manto. Linhas sólidas mostram a região de estabilidade de fase para olivina, wadsleyite, ringwoodite e perovskite + óxidos. Linhas tracejadas mostram o aumento da temperatura com a profundidade no manto e dentro de uma zona de subducção. Diminuição da temperatura em zonas de subducção move a transição de fase ou para profundidade mais rasa (olivina para wadsleyite) ou para profundidade maior (ringwoodite para perovskite + óxidos). Fonte: modificado de Helffrich & Wood (2001).

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Figura 2.7: Variação das profundidades previstas pelas mudanças de estrutura da olivina nas descontinuidades 410 km e 660 km com a variação da temperatura (T) e da velocidade (V) na zona de transição. Fonte: modificado de Bianchi (2008).

16

Figura 2.8: Curvas de temperatura-pressão para transformações de fase da olivina na zona de transição comparadas com as profundidades médias das descontinuidades (linhas sólidas verticais) e topografia global (regiões sombreadas verticais) das descontinuidades de 410 (em verde), de 520 (em azul) e de 660 (em vermelho). As curvas duplicadas para as transições de olivine-wadsleyite e wadsleyite-ringwoodite indicam o intervalo de profundidade onde as transformações das soluções sólidas

coexistem (Frost, 2003). As curvas sombreadas indicam as taxas de temperatura compatíveis com a topografia global das descontinuidades. A figura também mostra curvas individuais para a reação

ringwoodite para perovskite + periclase de diferentes estudos: [1]

Irifune et al. (1998), [2] Katsura et al. (2003), [3] Fei et al. (2004), [4] Ito & Takahashi (1989) e [5] Shim et al. (2001). Fonte: modificado de Frost (2008).

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Figura 2.9: Esboço do modelo proposto por Helffrich & Wood (2001) de um manto quimicamente uniestratificado. Subducção da placa introduz heterogeneidade no manto. Mistura por agitação convectiva do manto desagrega a placa subductada e material continental menor, produzindo heterogeneidades isoladas. Fonte: modificado de Helffrich & Wood (2001).

19

Figura 2.10: A transformação de fase da olivina para wadsleyite no sistema calculado a 1400° C em condições seca e com 0.4 wt %

(Frost & Dolejš, 2007), que é o contéudo de necessário para saturar a

olivina nessas condições. O deslocamento para baixo da região em que coexistem as duas fases no sistema hidrico é mostrado pelas curvas vermelhas. A linha vertical tracejada mostra o manto de razão de Fe/ (Fe+Mg) igual a 0.1. A transição seca é de aproximadamente 7 km de largura, enquanto a adição de amplia a transição a um máximo de 11

km. Fonte: modificado de Frost (2008).

20

Figura 2.11: Esboço do modelo de filtro de água na zona de transição. Fonte: modificado de Bercovici & Karato (2003).

21

Figura 3.1: a) Diagrama simplificado mostrando os principais raios convertidos de fases P-para-S que compreendem a função do receptor radial para uma camada ao longo de um semi-espaço. b) Forma de onda da função do receptor, correspondente ao diagrama de raios, exceto para a primeira chegada, letras maiúsculas denotam trajetória para baixo e letras minúsculas denotam trajetória para cima.Fonte: adaptado de Ammon (1991).

24

Figura 3.2: Resposta vertical e radial e a função do receptor calculada para uma única camada sobre um semi-espaço. A relação de amplitude entre a resposta sintética e a função do receptor é indicada no lado direito dos traços. Fonte: modificado de Ammon, 1991.

29

Figura 3.3: Mapa do nordeste do Brasil mostrando os limites da Província Borborema, os dois lineamentos magmáticos de idade Cenozóica (FNMA – Fernando de Noronha-Mecejana; MQA – Macau-Queimadas) e as estações sismográficas utilizadas neste estudo, as quais estão coloridas de acordo com as suas respectivas redes sismográficas, conforme indicado na legenda.

30

Figura 3.4: Fluxograma com as etapas realizadas no processamento de dados, sendo as etapas em vermelho correspondentes ao pré-processamento.

32

Figura 3.5: Perfil de velocidade da onda P (à esquerda) e as trajetórias dos

raios (à direita). Note que a distâncias menores de 30°, mais especificamente no intervalo de distância epicentral indicado em vermelho,

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as chegadas diretas da fonte e aquelas modificadas pelas descontinuidades

estão próximas. Acima dos 30° não há mais efeito da triplicação no manto. Dados referentes ao setor do manto situado sob o Canadian Shield. Fonte: modificado de LeFevre & Helmberger, 1989.

Figura 3.6: Diagrama de raio para onda P que percorre o manto e núcleo externo da Terra, com destaque para a zona de sombra para propagação da onda P. Fonte: modificado de Barbosa, 2008.

34

Figura 3.7: Funções do receptor sobrepostas calculadas para onda P a partir de eventos registrados em 32 estações sismográficas de banda larga na Província Borborema.

37

Figura 3.8: Esquema ilustrando os pontos de perfuração (círculos amarelo) de cinco eventos, em duas descontinuidades de profundidades diferentes, 410 e 660 km. Esses pontos servem como guias durante a escolha dos eventos que devem ser empilhados para realçar as descontinuidades. Fonte: adaptado de Bianchi (2008).

38

Figura 4.1: Seção mostrando o empilhamento dos traços de função do receptor para cada estação, calculados para onda P. Cada traço representa a média das amplitudes das funções de receptor associadas com os tempos de percurso Ps-P, calculados no intervalo de profundidade de 200 a 800 km. A quantidade de traços empilhados para cada estação (números em vermelho) é proporcional (aumenta) à razão sinal-ruído, conforme pode ser observado pelo bootstrap (em cinza), que corresponde a cálculo do erro. Esse erro é bem menor na estação PFBR do que na estação SLBR, por exemplo. As descontinuidades de 410, 520 e 660 são identificadas em cada traço empilhado (em verde).

42

Figura 4.2: Seção mostrando o empilhamento dos traços de função do receptor para cada estação, calculados para onda PP. Cada traço representa a média das amplitudes das funções de receptor associadas com os tempos de percurso Ps-P, calculados no intervalo de profundidade de 200 a 800 km. A quantidade de traços empilhados para cada estação (números em vermelho) é proporcional (aumenta) à razão sinal-ruído, conforme pode ser observado pelo bootstrap (em cinza), que corresponde a cálculo do erro. Esse erro é bem maior no resultado obtido para onda PP do que para onda P, devido à menor quantidade de funções do receptor para onda PP. Por isso, as descontinuidades de 410, 520 e 660 não são identificadas com clareza, com exceção das estações OCBR, PFBR, SBBR NBPA, NBPB e NBPV.

42

Figura 4.3: Mapa topográfico regional da área de estudo com os piercing

points (pontos pretos) plotados para as profundidades de 410 e 660 km,

45

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utilizando o software GMT. É possível verificar que os piercing points

estão mais espalhados, em relação as suas respectivas estações, para 660 km do que para 410 km devido à geometria do raio.

Figura 4.4: Testes feitos de variação do tamanho (raio) dos bins a profundidade de 410 km para determinar o critério de empilhamento das amplitudes dentro dos bins, incluindo um número mínimo de estações (n) e um número mínimo de piercing points (p), conforme indicado no canto superior direito de cada painel. O tamanho dos bins foi colorido de acordo com a legenda mostrada na figura.

46

Figura 4.5: Testes feitos de variação do tamanho (raio) dos bins a profundidade de 660 km para determinar o critério de empilhamento das amplitudes dentro dos bins, incluindo um número mínimo de estações (n) e um número mínimo de piercing points (p), conforme indicado no canto superior direito de cada painel. O tamanho dos bins foi colorido de acordo com a legenda mostrada na figura.

47

Figura 4.6: a) Mapa do tamanho (raio) dos bins a profundidades de 410 e 660 km para os nós definidos na Província Borborema. O tamanho dos bins para cada nó foi determinado selecionando o menor valor entre 0.25º e 2.0º, amostrados no intervalo de 0.25º, incluindo um mínimo de 30 piercing points de um mínimo de 4 diferentes estações. b) É possível observar que os nós com bins de menor grau coincidem com as regiões de alta densidade de piercing points.

48

Figura 4.7: A) Variação da espessura da zona de transição abaixo da Província Borborema. Foram considerados somente os bins com 1.0º ou menos. Zonas em verde denotam regiões de espessura “normal” (250±15

km), enquanto regiões em vermelho e azul denotam regiões de afinamento e de espessamento da zona de transição, respectivamente. B) Seções cruzadas mostrando os traços resultantes dos bins ao longo das direções norte-sul (vertical) e leste-oeste (horizontal). É possível notar que regiões de afinamento da espessura da zona de transição geralmente coincidem com conversões P410s de baixa amplitude nas seções cruzadas.

50

Figura 4.8: Espessura da zona de transição estimada para diferentes critérios de empilhamento das amplitudes dentro dos bins (mostrados nas Figuras 4.4 e 4.5), incluindo um número mínimo de estações (n) e um número mínimo de piercing points (p), conforme indicado no canto superior direito de cada painel. A espessura da zona de transição foi colorida de acordo com a legenda mostrada na figura.

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Figura 4.9: Topografia da zona de transição para a descontinuidade de 410-km (A) e para a descontinuidade de 660-km (B). Os mapas mostram variações aproximadamente similares para ambas as topografias, o que seria resultado de uma espessura da zona de transição aproximadamente constante (Figura 4.7) abaixo da área de estudo.

53

Tabela 1: Espessuras da zona de transição abaixo de cada uma das 19 estações, obtidas a partir do empilhamento e migração 1D das funções do receptor calculadas para a onda P.

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CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO

A Província Borborema está localizada no Nordeste do Brasil e tem um

embasamento de idade Pré-cambriana, com um arcabouço tectônico

estruturado no final do Neoproterozóico (Oliveira & Medeiros, 2012). Após a

separação dos continentes Sul-Americano e Africano no Mesozóico, a evolução

da Província foi marcada pelo magmatismo ao longo do lineamento Macau-

Queimadas (MQA) e do lineamento Fernando de Noronha-Mecejana (FNMA)

(Figura 1.1), e por eventos de epirogênese, sendo o soerguimento do Planalto

da Borborema a principal feição topográfica (Figura 1.2).

Figura 1.1: Episódios magmáticos na Província Borborema no período Cenozóico. A posição e a geocronologia dos corpos vulcânicos estão baseadas na tabela publicada por Mizusaki et al. (2002), com compilações de dados a partir de Sial (1976b), Sial et al. (1981), Asmus & Guazelli (1981), Fodor et al. (1983) e Fodor & McKee (1986). Cartografia geológica modificada de Bizzi et al. (2003). O limite da Província Borborema corresponde à definição clássica de Almeida et al. (1977). Fonte: modificado de Oliveira (2008).

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O Planalto da Borborema (Morais Neto et al., 2009) possui um formato

elíptico com alinhamento na direção NNE-SSW e com altitudes que chegam a

1200 m na sua parte central e oeste, configurando a região mais elevada da

Província. Contudo o magmatismo Cenozóico consiste em pequenos volumes

de rochas alcalinas, com datas / (Knesel et al., 2011) que variam

entre 50 e 7 Ma para o lineamento Macau-Queimadas (MQA) e entre 33 e 2 Ma

para o lineamento Fernando Noronha-Mecejana (FNMA). O FNMA tem sido

atribuído à pluma Fernando de Noronha, devido a sua distribuição linear e a

idade destes eventos (Mizusaki et al., 2002; Rivalenti et al., 2007). Segundo

reconstruções paleo-geográficas, a pluma estava perto da margem nordeste do

Brasil há cerca de 30 Ma (Morgan, 1983; O'Connor & Duncan, 1990), e a

plataforma Sul-Americana teria se movimentado para oeste sobre essa pluma.

O MQA também tem sido atribuído a uma pluma do manto, bem como o

Figura 1.2: Topografia da Província Borborema (com destaque para o Planalto da Borborema) e batimetria da área oceânica adjacente. A linha preta é o limite da Província Borborema na definição clássica de Almeida et al. (1977). Fonte: modificado de Oliveira (2008).

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soerguimento do Planalto da Borborema estaria associado a efeitos de

dilatação térmica (Jardim de Sá et al., 1999; Jardim de Sá, 2011).

Contudo o arranjo ortogonal dos lineamentos e o caráter de longa

duração do magmatismo no continente inferido a partir de estudos

geocronológicos pelo método / têm sugerido que processos rasos,

como convecção de pequena escala na base da crosta (Figura 1.3), entre 200

e 300 km, poderiam fornecer uma alternativa consistente da origem do

magmatismo Cenozóico na Província (Knesel et al., 2011). Segundo Oliveira

(2008), a possível convecção em pequena escala seria gerada por uma

instabilidade entre a raiz litosférica fria e a astenosfera quente. Como

consequência a interface litosfera/astenosfera seria desestabilizada e a

convecção produziria um arrasto da litosfera para dentro do manto quente. O

processo geraria magmatismo, que na crosta oceânica chegaria com grandes

volumes na superfície, enquanto na crosta continental pode atingir a superfície

ou ficar presa na base da crosta e formar uma camada máfica (underplating). O

contraste de densidade negativo entre o manto e a raiz na crosta formada pelo

underplating teria gerado um empuxo que deformou a crosta e soergueu a

superfície topográfica gerando o Planalto da Borborema.

Outra possibilidade seria de uma origem no manto profundo (pluma do

manto) em outro lugar e então a Província seria atingida por fluxo lateral

(Sleep, 2003). Segundo o modelo de fluxo lateral, regiões de litosfera fina

podem atuar como canal através do qual material de pluma poderia fluir e

sugere que vulcanismo intraplaca de idade inferior a 85 Ma no Brasil, incluindo

o da Província Borborema, é resultado de fluxo magmático canalizado pela

litosfera fina.

Estudos geofísicos já mostraram a existência de uma anomalia de

geóide abaixo da Província Borborema (Figura 1.4) que foi interpretada, a partir

de variações de densidade, como devidas a efeitos térmicos no manto ainda

não dissipados (Ussami et al., 1999), a qual teria a profundidade máxima de

100-150 km.

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Figura 1.3: Esquema de evolução das etapas sequências que resultaram no magmatismo Cenozóico e no soerguimento do Planalto da Borborema de acordo com o modelo de convecção em pequena escala. Fonte: modificado de Oliveira (2008).

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Figura 1.4: Superfície do geóide da região da Província Borborema processada por Sandwell & Smith (1997), com superposição dos limites do Planalto da Borborema (traço azul) e com indicação do lineamento Macaú-Queimadas. Os pontos em vermelho são ocorrências de magmatismos com suas respectivas datações geocronológicas em Ma. A linha tracejada (em branco) corresponde ao limite da Província Borborema na definição clássica de Almeida et al. (1977). Fonte: modificado de Oliveira (2008).

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Neste trabalho, investigamos a existência de anomalia térmica na zona

de transição do manto abaixo da Província Borborema, através do

mapeamento da espessura da zona de transição com funções do receptor, a

fim de discriminar entre alguns modelos propostos que explicariam a origem

dos eventos Cenozóicos magmáticos intraplaca e de soerguimento na

Província. A zona de transição do manto é delimitada, conforme modelos

globais de velocidade, por descontinuidades caracterizadas por mudanças

abruptas de velocidade a 410 km e 660 km de profundidade, e sua espessura é

fortemente dependente da temperatura (Helffrich & Wood, 2001). Mais

concretamente, apresentamos empilhamentos e migrações de funções de

receptor para 32 estações sismográficas de banda larga na Província

Borborema.

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CAPÍTULO II – ZONA DE TRANSIÇÃO DO MANTO

Mudanças abruptas observadas em modelos globais de velocidades

sísmicas a profundidade de 410 e 660 km caracterizam as descontinuidades

que delimitam a zona de transição do manto, conforme observado no modelo

global de velocidade AK135 (Engdahl et al., 1998; Kennett et al., 1995)

mostrado na Figura 2.1. Bernal (1936) propôs que essas variações de

velocidade são devidas às mudanças de fase dos minerais que constituem o

manto superior, sendo influenciadas fortemente por variações de temperatura e

pressão. A profundidade de 520 km também pode ser observada uma

descontinuidade sísmica a qual estaria associada a um contraste de velocidade

menos acentuado através desta descontinuidade (Helffrich, 2000).

Figura 2.1: A) Perfis de densidade e de velocidade das ondas P e S na Terra, saltos à profundidade de 410 e 660 km

demarcam as descontinuidades da zona de transição. B) Visualização em maior detalhe dos perfis no intervalo de

profundidade de 0 a 800 km, o que inclui a zona de transição. Fonte: modificado de Kennett et al. (1995).

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2.1 ESTRUTURA DE VELOCIDADE SÍSMICA

Modelos de referência sísmica como o PREM – Preliminary Earth

Reference Model (Dziewonski & Anderson, 1981) ou o AK135 (Engdahl et al.,

1998; Kennett et al., 1995) fornecem um perfil de velocidade unidimensional

com a profundidade da Terra a partir de dados de tempo de trânsito, dentre

outros. Esses modelos de velocidade na Terra são descritos por um conjunto

de funções polinomiais que operam sobre intervalos de profundidade definidos,

com a suposição de que as descontinuidades sísmicas ocorrem a certas

profundidades. As profundidades das descontinuidades são conhecidas a partir

de observações sismológicas de ondas que ao passarem por essas

descontinuidades são convertidas de fase ao serem refratadas ou

simplesmente são refletidas na descontinuidade (Shearer, 2000). Além da

profundidade das descontinuidades, tais estudos fornecem informações do

tamanho do salto de velocidade e da espessura (intervalo de profundidade) do

contraste de velocidade na descontinuidade. Contudo estas duas últimas

informações ainda não são usadas em modelos de velocidade de referência

sísmica, as quais podem ser bem interessantes como parâmetros em modelos

da estrutura química e térmica do manto.

Na Figura 2.2 são mostrados dois modelos de referência sísmica, o

PREM (Dziewonski & Anderson, 1981) e o AK135 (Engdahl et al., 1998;

Kennett et al., 1995). O modelo AK135 foi construído como um modelo de

referência para dados de tempo de trânsito, como por exemplo, problemas de

relocalização de terremotos e identificação de fase sísmica. Ele compreende

perfis de velocidade P e S isotrópica. A modificação AK135-F (Montagner &

Kennett, 1996) também inclui a densidade e a estrutura inelástica, obtidos por

adição de parâmetros de dados de modo normal. O PREM é dominado por

parâmetros de frequências de oscilações livres e curvas de dispersão de ondas

de superfície, mas também inclui um conjunto de tempos de trânsito de ondas

P e ondas S. O PREM fornece e , densidade e estrutura anisotrópica

radial e inelástica para ambas as velocidades P e S. Ambos AK135 e PREM

são amplamente usados e fornecem bom ajuste de primeira ordem para

tempos de trânsito e dados de modos normais, respectivamente.

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Sismicamente, tem havido poucas razões para atualizá-los, uma dessas razões

seria a possível eliminação da descontinuidade de 200 km no PREM, a qual se

acredita que não seja uma característica isotrópica global (Deuss &

Woodhouse, 2002; Gung et al., 2003; Leven et al., 1981).

Figura 2.2: Modelos globais de velocidade de referencia sísmica PREM, AK135 e o de Cammarano et al. (2005) mostrando a estrutura de velocidade de ondas P (acima) e ondas S (abaixo) no manto superior e zona de transição. Os 99 modelos de referencia de Cammarano et al. (2005) calculados para o pirólito com ajuste das propriedades elásticas minerais, dentro das taxa de incerteza, apresentam um ajuste razoavelmente bom com os modelos obtidos a partir de dados sísmicos globais, os modelos de velocidade PREM e AK135. Fonte: modificado de Frost (2008).

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2.2 COMPOSIÇÃO E MINERALOGIA DO MANTO SUPERIOR E ZONA DE

TRANSIÇÃO

Pirólito é uma composição de rocha sintética construída com base em

basaltos de dorsais meso-oceânicas (MORB - Mid-Oceanic Ridge Basalts)

proposta por Ringwood (1991). O conjunto mineral pirólito, possivelmente,

corresponde à composição do manto superior e zona de transição (Ringwood,

1991; Frost, 2008). A composição do manto superior pirólito corresponde a

rochas ultramáficas peridotíticas. Aproximadamente 92% do manto superior é

composto por olivina , mais especificamente 90% é olivina

magnesiana-Forsterita Os piroxênios, ortopiroxênio

e clinopiroxênio também fazem parte da composição do

manto superior.

Vários métodos têm sido utilizados para estimar a composição do manto

superior, a exemplo da análise de xenólitos que parecem não terem sido

afetados por fusão. Um exemplo é um peridotito que tem um teor de sílica

muito baixo, quase 45%, e são classificados como rochas ultramáficas. Essas

rochas de granulação grossa e cor cinza-esverdeada escura são compostas

principalmente de olivina com pequenas quantidades de piroxênio e anfibólio.

Os peridotitos são a rocha dominante nos primeiros quilômetros do manto da

Terra (manto raso) e constituem a fonte das rochas basálticas que se formam

nas dorsais meso-oceânicas, em ilhas oceânicas e basaltos de platô

continentais.

Outro tipo de análise seria assumir que certos elementos do manto têm

relações com condritos. Condritos são meteoritos rochosos que não foram

modificados devido à fusão ou diferenciação do corpo de origem, e são

formados quando vários tipos de poeira e pequenos grãos presentes no início

do sistema solar acretam para formar primitidas de asteróides. Este processo

teria um papel importante na formação dos planetas a partir da atração

gravitacional entre as partículas. Entre os componentes de sua constituição os

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mais enigmáticos são os côndrulos que são ricos em silicatos minerais como a

olivina e a piroxênio.

Outra forma de comprovar o composto mineral sintético pirólito foi

através de experimentos. Por exemplo, criar modelos que corresponderiam a

resposta sísmica para a composição do pirólito. Cammarano et al. (2005)

propõem um modelo de velocidade sísmica sintético (Figura 2.2), obtido para a

composição do pirólito com transição de fase, a partir de parâmetros físicos dos

minerais. Cammarano et al. (2005) calcularam perfis sísmicos sintéticos do

conjunto de parâmetros físicos elásticos e inelásticos dos principais minerais do

manto através de um procedimento estatístico. Taxas de incertezas

experimental e teórica para parâmetros mineral inelástico e elástico limitam a

solução espacial considerada. Foram obtidos 100.000 perfis sintéticos

resultantes, os quais são avaliados por sua compatibilidade com o dado

sísmico, ou seja, com os modelos PREM e AK135. Foram selecionados apenas

os modelos que se ajustam aos tempos de trânsito ou modos fundamentais

esferoidais e toroidal de dados reais, isto é, que se ajustem ao PREM ou ao

AK135. Na seleção final permanecem apenas 99 modelos de velocidade que

correspondem aos perfis mostrado em azul na Figura 2.2.

Os modelos de velocidade sintéticos relacionados aos parâmetros

físicos minerais para o pirólito se ajustam aos modelos de velocidade de

observações sismológicas (PREM e AK135), e podem ser utilizados em

inversões sísmicas e para auxiliar suas interpretações. Portanto, este ajuste

corrobora o modelo de composição pirólito do manto, pois esta composição é a

que melhor se ajusta às respostas, como densidade e velocidade, obtidas a

partir de observações sismológicas.

Contudo alguns desajustes podem ser considerados: baixas velocidades

acima de 400 km, salto de velocidade maior próximo à descontinuidade de 410

km, gradiente da zona de transição baixo, baixo salto de velocidade em torno

da descontinuidade de 660 km e forte gradiente imediatamente abaixo.

Com a análise dos três modelos de velocidades (Cammarano et al.,

2005, PREM e AK135) na Figura 2.2, podemos observar visualmente que o

modelo AK135 apresenta valores de velocidade intermediários aos outros dois

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modelos. Por isso AK135 foi o modelo de velocidade escolhido para a inversão

feita no presente trabalho.

2.3 TRANSFORMAÇÕES DE FASE MINERAL NA ZONA DE TRANSIÇÃO

As transformações de fase da olivina (Figura 2.3) estão relacionadas às

descontinuidades sísmicas (Figura 2.1). As transformações começam a

aproximadamente 14 GPa, na profundidade de 410 km, quando a olivina

transforma-se na estrutura polimórfica mais densa wadsleyite

que pode também ser chamada espinélio (uma forma modificada da

estrutura do espinélio). A aproximadamente 17,5 GPa, na profundidade de 520

km, o wadsleyite se transforma em ringwoodite, ou seja, essa

forma de espinélio se converte na estrutura de espinélio. A

aproximadamente 23 GPa, na profundidade de 660 km, o

ringwoodite ou espinélio sofre uma nova modificação,

sendo “quebrado” em dois compostos: a Perovskite

(Perovesquita) e a Magnesionwüstite (Magnésiovustita)

, o que marca o começo do manto inferior. Essas transformações

de fase geram contrastes de velocidade e densidade que formam as

descontinuidades sísmicas.

Figura 2.3: Reações de transformações de fase da olivina na zona de transição do manto. Fonte: modificado de Helffrich & Wood (2001).

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Fenômenos semelhantes ocorrem com o piroxênio (Figura 2.4), mas de

uma forma mais suave. As transformações de fase começam com a dissolução

do piroxênio na estrutura chamada garnet, uma estrutura parecida com a

granada. A 3 GPa o pirólito é composto de garnet, e com o aumento da

pressão ambos os componentes clinopiroxênio e ortopiroxênio são

incorporados ao garnet. O composto final de garnetet é

chamado majorite. Garnet aceita Mg e Fe no local octaedral mas não Ca, então

a substituição majorite diminui inicialmente a proporção de ortopiroxênio, mas

ao longo da zona de transição todos os componentes do piroxênio são

incorporados ao garnet majorite. A aproximadamente 18 GPa na profundidade

de 560 km, perovskita começa a se formar a partir do garnet. No

intervalo de profundidade de aproximadamente 660 km a 750 km, garnet

também se transforma em perovskita, durante um intervalo

de pressão maior do que a transformação de ringwoodite, fazendo com que o

contéudo de perovskita aumente ao longo dos primeiros 100 quilômetros do

manto inferior. Como essa mudança é gradual para praticamente todo o manto,

o piroxênio é responsável por uma mudança na inclinação do gradiente médio

da velocidade do manto, e não seria então responsável pela descontinuidade

de 660 km.

Figura 2.4: Reações de transformações de fase do piroxênio. Fonte: modificado de Helffrich & Wood (2001).

Podemos observar essas variações nas proporções minerais da

composição do pirólito em função da profundidade ao longo de uma geoterma

oceânica, conforme mostrado na Figura 2.5. O diagrama mostra as

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transformações de fase da olivina e do garnet no manto superior, na zona de

transição e em parte do manto inferior.

Conforme Bina & Helffrich (1994) e Helffrich & Wood (2001), as

transformações de fase na olivina têm coeficientes de Clapeyron (

opostos, conforme pode ser observado na Figura 2.6. As transformações de

olivina para wadsleyite (410 km) tem um declive positivo, com dP/dT de

aproximadamente +3MPa . Em contraste, a “quebra” de ringwoodite para

perovskite mais magnesiowüstite (660 km) tem um declive negativo, com dP/dT

de aproximadamente -2MPa .

Figura 2.5: Diagrama mostrando a estrutura mineral do pirólito no manto, com as transformações de fase da olivina e do garnet. As quatro fotos (da olivina, do garnet e dos piroxênios) são amostras naturais de xenólitos peridotitos, e as outras cinco imagens são de minerais obtidos de experimentos de alta pressão e alta temperatura, onde o campo de visão é aproximadamente de 0.2 mm. Fonte: modificado de Frost (2008).

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A consequência disso é que as profundidades das descontinuidades da

zona de transição vão depender da temperatura de diferentes maneiras. Em

regiões que apresentem elevadas temperaturas, como em plumas mantélicas,

as descontinuidades de 410 e de 520 km devem ser imageadas a uma

profundidade (pressão) maior do que o normal, e a descontinuidade de 660 km

deve ser imageada a uma profundidade (pressão) menor do que o normal. Em

regiões que apresentem temperaturas baixas, como no caso de zonas de

subducção onde a placa ao mergulhar no manto provoca neste um

resfriamento, velocidades maiores devem ser observadas, com isso as

descontinuidades de 410 e de 520 km devem ser imageadas a uma

profundidade (pressão) menor do que o normal, e a descontinuidade de 660 km

deve ser imageada a uma profundidade (pressão) maior do que o normal.

A Figura 2.7 ilustra essa importante característica das descontinuidades

da zona de transição do manto. Podemos observar que com a variação das

profundidades das descontinuidades com a temperatura, a espessura da zona

Figura 2.6: Diagrama esquemático de fase da olivina no manto. Linhas sólidas mostram a região de estabilidade de fase para olivina, wadsleyite, ringwoodite e perovskite + óxidos. Linhas tracejadas mostram o aumento da temperatura com a profundidade no manto e dentro de uma zona de subducção. Diminuição da temperatura em zonas de subducção move a transição de fase ou para profundidade mais rasa (olivina para wadsleyite) ou para profundidade maior (ringwoodite para perovskite + óxidos). Fonte: modificado de Helffrich & Wood (2001).

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de transição aumenta para uma diminuição de temperatura e diminui para um

aumento da temperatura.

2.4 PROPRIEDADES DAS DESCONTINUIDADES

2.4.1 TOPOGRAFIA DAS DESCONTINUIDADES

Estimativas de profundidade para as descontinuidades da zona de

transição são obtidas por análise de tempo de trânsito de ondas sísmicas que

foram refletidas ou convertidas na descontinuidade (Helffrich, 2000). Variações

globais na profundidade das descontinuidades da zona de transição têm sido

detectadas utilizando percursos SS (Shearer, 2000). Para uma primeira

aproximação, essa topografia resulta de variações na temperatura do manto e

dependerá da curva de Clapeyron (pressão-temperatura) para as

transformações minerais, embora variações na razão Fe/Mg possam também

influenciar o modelo (Frost, 2008). Essas curvas de Clapeyron, mostradas na

Figura 2.8, podem ser determinadas através de experimentos de alta precisão

de equilíbrio de fase para altos valores de temperatura e pressão (por exemplo,

Irifune et al., 1998).

Na Figura 2.8, as linhas sólidas verticais correspondem às

profundidades médias das descontinuidades e as regiões verticais sombreadas

Figura 2.7: Variação das profundidades previstas pelas mudanças de estrutura da olivina nas descontinuidades 410 km e 660 km com a variação da temperatura (T) e da velocidade (V) na zona de transição. Fonte: modificado de Bianchi (2008).

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mostram o intervalo de profundidade em que pode haver variação global da

profundidade das descontinuidades de 410, 520 e 660 km (Shearer, 2000). As

curvas duplicadas para as transições de olivine-wadsleyite e wadsleyite-

ringwoodite indicam o intervalo de profundidade onde as transformações das

soluções sólidas coexistem (Frost, 2003). As curvas

sombreadas indicam as taxas de temperatura e pressão compatíveis com a

topografia global das descontinuidades. Também são mostradas cinco curvas

de Clapeyron correspondentes a estudos para a transição de ringwoodite-

perovskite + periclase: [1] Irifune et al. (1998), [2] Katsura et al. (2003), [3] Fei

et al. (2004), [4] Ito & Takahashi (1989) e [5] Shim et al. (2001).

Figura 2.8: Curvas de temperatura-pressão para transformações de fase da olivina na zona de transição comparadas com as profundidades médias das descontinuidades (linhas sólidas verticais) e topografia global (regiões sombreadas verticais) das descontinuidades de 410 (em verde), de 520 (em azul) e de 660 (em vermelho). As curvas duplicadas para as transições de olivine-wadsleyite e wadsleyite-ringwoodite indicam o intervalo de profundidade onde as transformações das soluções sólidas coexistem (Frost, 2003). As curvas sombreadas indicam as taxas

de temperatura compatíveis com a topografia global das descontinuidades. A figura também mostra curvas individuais para a reação ringwoodite para perovskite + periclase de diferentes estudos: [1] Irifune et al. (1998), [2]

Katsura et al. (2003), [3] Fei et al. (2004), [4] Ito & Takahashi (1989) e [5] Shim et al. (2001). Fonte: modificado de Frost (2008).

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A média da variação da temperatura para a transição de olivina-

wadsleyite é de 1480°C, mas análise da topografia global indica um erro de

100°C. Embora possamos esperar que a média da variação da temperatura

para a transição de wadsleyite-ringwoodite seja no mínimo 50°C maior do que

para de olivina-wadsleyite, seu valor médio é de 1390°C devido à compressão

adiabática, com uma topografia de 100°C. Existe um desacordo entre os

estudos para a transição de ringwoodite-perovskite + periclase, e ainda os

intervalos de temperatura previstos nos diferentes estudos, na sua maioria, são

muito menores do que o esperado. Comparando as curvas de Clapeyron

desses estudos com a topografia de 660 km é possível prever uma variação

mínima na temperatura de 200°C, ou seja, maior do que a 410 km ou 520

km. Os desacordos entre os estudos na 660 surgem principalmente porque não

existe uma escala absoluta de pressão para essas condições de alta

temperatura (Frost, 2008).

A diminuição aparente na média da temperatura do manto entre 410 km

e 520 pode também resultar de estimativas experimentais imprecisas de

pressão, e embora haja múltiplos estudos na transição mineral de 410 e 520

km eles estão em bom acordo, diferentemente dos estudos na transição

mineral de 660. Segundo Helffrich (2000), a 520 km deve ser sismicamente

menos visível, porque pouco se aproxima de uma mudança descontínua nas

propriedades sísmicas. A descontinuidade de 520 km não é observada

globalmente, devido ao contraste de densidade na transição de wadsleyite para

ringwoodite não ser tão acentuado, assim a média da profundidade poderia ser

facilmente tendenciosa se a resolução do sinal a esta profundidade diminui.

Os valores de temperatura média inferiores ao esperado na parte inferior

da zona de transição (transição mineral de 520 - 660) também podem ser

observações importantes. Helffrich & Wood (2001) propõem com base em

imagens tomográficas, fluxo de calor e dados de geoquímica que ocorre

heterogeneidade no manto inferior devido à subducção da placa tectônica, a

qual atinge a profundidade do manto inferior e alguns pedaços dessa placa

estariam como “gotas” no manto devido à convecção, conforme mostrado na

Figura 2.9. Essas “gotas” poderia prejudicar a estimativa da profundidade das

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descontinuidades, pois seriam regiões horizontais de baixa temperatura porque

a placa é sempre mais fria do que o manto.

Na base do manto inferior a crosta oceânica ou continental penetrada

seria reciclada e estaria relacionada à formação de uma camada conhecida

como camada D”, a qual seria a responsável pela descontinuidade sísmica de

aproximadamente 2.700 km.

Figura 2.9: Esboço do modelo proposto por Helffrich & Wood (2001) de um manto quimicamente uniestratificado. Subducção da placa introduz heterogeneidade no manto. Mistura por agitação convectiva do manto desagrega a placa subductada e material continental menor, produzindo heterogeneidades isoladas. Fonte: modificado de Helffrich & Wood (2001).

2.4.2 INTERVALO DAS DESCONTINUIDADES

As transformações de fase dos minerais na zona de transição devem

produzir mudanças de velocidade que ocorrem em intervalos de profundidade.

Isso porque as transformações minerais do manto são soluções sólidas

multicomponentes. A variação da razão de Fe/(Fe+Mg) faz com que os

minerais em transformação coexistam sobre um intervalo de pressão

(profundidade). As proporções dos minerais mudam progressivamente à

medida que este intervalo é atravessado, provocando um gradiente nas

propriedades elásticas e um intervalo de profundidade para o salto de

velocidade. Outros parâmetros como temperatura e contéudo de água podem

também causar mudanças na espessura desse intervalo.

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Para o manto a razão Fe/ (Fe+Mg) é aproximadamente 0.1. O intervalo

de profundidade ao longo do qual a olivina e wadsleyite coexistem em 410 km

em condições seca é aproximadamente 0.25 GPa ou 7 km (Figura 2.10). As

transformações de wadsleyite para ringwoodite, como a 520 km, ocorrem ao

longo de um intervalo de profundidade mais amplo, em torno de 25 km,

enquanto a formação de silicato de magnésio perovskita (660 km) é composta

e resulta de uma transformação inicial de ringwoodite, ocorrendo ao longo de

um intervalo de menos de 4 km, e seguida por uma transformação mais ampla

do garnet de mais de 50 km (Figura 2.5).

A 520 km não é observada em estudos de alta frequência, mas aparece

em observações de menor freqüência, o que é consistente com seu

correspondente gradiente na velocidade de >10 km de espessura (Shearer,

2000).

Figura 2.10: A transformação de fase da olivina para wadsleyite no sistema calculado a 1400° C

em condições seca e com 0.4 wt % (Frost & Dolejš, 2007), que é o contéudo de necessário para saturar a

olivina nessas condições. O deslocamento para baixo da região em que coexistem as duas fases no sistema hidrico é mostrado pelas curvas vermelhas. A linha vertical tracejada mostra o manto de razão de Fe/ (Fe+Mg) igual a 0.1. A transição seca é de aproximadamente 7 km de largura, enquanto a adição de amplia a transição a um máximo de

11 km. Fonte: modificado de Frost (2008).

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2.5 PRESENÇA DE ÁGUA NO MANTO

Localmente, contudo, a descontinuidade de 410 km parece ser mais

variável na espessura do que a de 660 km. Em algumas localidades ela está

aparentemente com 4 km de espessura (Benz & Vidale, 1993), enquanto em

outras regiões ela pode atingir 30 km (Van der Meijde et al., 2003). Essas

observações podem resultar da presença de (água) no manto (Wood,

1995). Wood (1995) modelou os efeitos da água e de outros contaminantes

sobre a posição e visibilidade da 410. Experiências a cerca de wadsleyite

mostram que a presença de água tende a estabilizá-lo a pressões mais baixas

para 410. Assim o intervalo de profundidade (espessura) se torna mais amplo

com a presença de água, conforme mostrado na Figura 2.10.

Para produzir a espessura de 30 km na 410, conforme observado por

Van der Meijde et al. (2003), exigiria temperaturas mais baixas do que a média

do manto (<1400 °C) e grande conteúdo de , de acordo com os níveis em

que a olivina é saturada (Frost & Dolejš, 2007). Tais condições poderiam

possivelmente ocorrer em regiões de zonas de subducção, onde placas

tenham transportado para dentro do manto, conforme mostrado na Figura

2.11. O conteúdo de próximo do nível de saturação em olivina também

seria consistente com as observações de baixas velocidades pouco acima de

410 em algumas regiões, o que poderia ser causado por fusão parcial induzida

pela presença de (Revenaugh & Sipkin, 1994).

Figura 2.11: Esboço do modelo de filtro de água na zona de transição. Fonte: modificado de Bercovici & Karato (2003)

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Bercovici & Karato (2003) propuseram um modelo de filtro de água na

zona de transição (Figura 2.11). Onde a placa de subducção fria ao ser

introduzida na base do manto inferior gera um esforço de soerguimento. O

manto soerguido fica hidratado ao entrar na zona de transição, e ao sair da

zona de transição no limite de 410 km fica super-saturado, e sofre fusão

parcial, extraindo assim a água e filtrando os elementos incompatíveis para a

fase de fusão. A porção sólida residual de soerguimento do manto é flutuante,

mas muito seca e desprovida de elementos incompatíveis, seria a região fonte

de MORB (basaltos de dorsais meso-oceânicas). O mecanismo de filtragem da

água é suprimido nas plumas do manto, devido às altas temperaturas e

velocidades do material da pluma que resultam em reduzida solubilidade da

água e tempos de residência curta na zona de transição, conduzindo assim a

uma hidratação consideravelmente reduzida e, assim, pouca ou nenhuma

fusão ao passar no contorno de 410 km. Plumas assim chegam na superfície

ainda relativamente molhadas e enriquecidas em elementos compatíveis, e

seriam a fonte de OIB (basaltos de ilhas oceânicas). Quando a placa em

subducção atravessa a camada de fusão, o material acumulado nesta camada

é facilmente arrastado de volta para o manto inferior, fazendo com que o

material fundido flua lentamente pela placa.

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CAPÍTULO III – FUNÇÃO DO RECEPTOR

O método da função do receptor para a onda P e PP é utilizado neste

estudo para a determinação da espessura da zona de transição (Capitulo II)

que é definida como a região entre os dois saltos de velocidade para as ondas

de corpo nas profundidades de 410 km e 660 km aproximadamente, que irão

gerar conversões de ondas P para S quando atravessadas por uma onda P.

3.1 FUNDAMENTOS DO MÉTODO FUNÇÃO DO RECEPTOR

Funções do receptor (FR) são séries temporais, calculadas a partir das

três componentes do sismograma da cauda de onda P telesísmica, com

distância epicentral de 30° a 90°. Ondas PP também podem ser usadas para o

cálculo de FRs, neste caso com distância epicentral de 60° a 180°. Esses

cálculos são feitos através do método desenvolvido por Langston (1979), com o

objetivo de isolar a resposta da estrutura da Terra abaixo do receptor,

eliminando a resposta da fonte sísmica e do instrumento de medida (Owens et

al., 1984).O aspecto básico do método de função do receptor é que a

incidência de uma onda P telessísmica em uma descontinuidade (Figura 3.1a),

nas proximidades da estação sismográfica, produzirá uma fase P refratada (ou

transmitida), uma fase S convertida (Ps) durante a refração e ainda reflexões

múltiplas (reverberações). Devido à menor velocidade da fase Ps, a diferença

entre os tempos de chegada dessas fases refratadas, medirá a profundidade

da descontinuidade. Assim a forma de onda de uma função do receptor (Figura

3.1b) é composta pela onda P direta e pelas ondas convertidas P-para-S a uma

determinada profundidade h, que reverberam na estrutura abaixo do

sismômetro, sendo cada pico da função correspondente a uma trajetória na

estrutura local.

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O registro na estação, , de um deslocamento teórico de uma onda P

telessísmica, de acordo com Langston (1979), pode ser representado como:

(3.1)

onde e são as componentes vertical, radial e transversal,

respectivamente, é a resposta do instrumento, é a função temporal da

fonte e , e são a respostas vertical, radial e transversal da

estrutura abaixo da estação e (*) representa o operador convolução, todos no

domínio do tempo (t). As componentes e podem ser representadas

por:

Figura 3.1: a) Diagrama simpli f icado mostrando os pr incipais raios convert idos de fases P-para-S que compreendem a função do receptor radial para uma cam ada ao longo de um semi-espaço. b) Forma de onda da função do receptor, correspondente ao diagrama de raios, exceto para a pr imeira chegada , letras maiúsculas denotam trajetór ia para baixo e letras minúsculas denotam trajetória para cima.Fonte: adaptado de Ammon (1991).

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onde é a função em tempo da fonte; é o tempo de chegada, sendo a

ordem de chegada do raio ( é a onda P direta); e o sobre o somatório

representa o número de raios. A amplitude da chegada de cada componente

é descrita por para a componente vertical e radial, respectivamente.

O cálculo de uma função de receptor é um problema de deconvolução, cujo

objetivo é isolar os efeitos da estrutura abaixo da estação da forma de onda P

telessísmica. Portanto a convolução é tratada como uma multiplicação

espectral no domínio da frequência ( ) e as componentes das equações (3.1)

ficam sendo

(3.4)

.

As componentes e podem ser representadas por:

onde representa a amplitude de chegada normalizada pela amplitude da

onda P direta na componente vertical e similarmente, .

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Para eventos telessísmicos a onda P deve conter quase toda a energia em

sua componente vertical, pois para chegadas telessísmicas, ondas P são

registradas predominantemente na componente vertical e ondas S são

registradas predominantemente na componente horizontal. O que faz com que

se comporte como um delta de Dirac ( ), logo a primeira

equação (3.4) pode ser representada por:

(3.7)

Dessa forma as equações (3.4) podem ser reescritas por:

(3.8)

(3.9)

Assim, as respostas da estrutura sob a estação na direção radial e

transversal ( ) são determinadas pela deconvolução da

componente vertical com a componente horizontal ( ).

As equações (3.10) e (3.11) são as equações definidas como sendo a função

do receptor, na componente radial e transversal respectivamente. As funções

do receptor são séries temporais correspondentes à razão espectral complexa

da resposta radial e transversal pela resposta vertical.

(3.10)

(3.11)

Em um meio de camadas planas, para incidências íngremes de ondas

planas, as funções de receptor mantém muitas das propriedades de um

sismograma. Na verdade, picos e vales nas funções do receptor correspondem

a chegadas individuais na resposta da componente radial para a incidência da

onda plana. Segundo Ammon (1991), a relação especial de função de receptor

para a componente radial, em estruturas de camadas planas, é ilustrada

através de um simples caso onde ocorrem unicamente três chegadas nas duas

componentes: a onda P direta, uma chegada de onda S (conversão P-para-S

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de uma interface horizontal) e uma chegada de onda P (múltipla da interface

horizontal). Neste simples caso, temos

(3.12)

e (3.13)

com os subescritos e referentes as chegadas de ondas P e S,

respectivamente. Sendo a amplitude de conversões P-para-S muito menor do

que a amplitude da onda P direta (com incidência aproximadamente na

vertical), relativamente pouca energia de onda S é registrada na componente

vertical, e temos . Também, sendo que cada chegada gerada por ondas

planas P tem a mesma vagarosidade horizontal (em meio de camadas planas),

. Combinando estas informações com as equações (3.10), (3.12) e

(3.13), encontramos a primeira ordem nas amplitudes de ondas secundárias,

. (3.14)

Fornecendo que (amplitudes típicas de são da ordem de 0.1),

podemos expandir o denominador usando

(3.15)

Completando a multiplicação e novamente desconsiderando termos de ordem

maior que um, obtemos

(3.16)

ou no domínio do tempo

(3.17)

Podemos observar que a função de receptor nada mais é do que uma

versão reduzida da componente radial do deslocamento com a remoção das

múltiplas P (Figura 3.2). Por esta razão, na maioria dos estudos de funções do

receptor os seus picos e vales são identificados com a mesma nomenclatura

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definida para descrever as chegadas nos sismogramas. Estudos numéricos

mostram que os resultados também são assegurados até em meios com

homogeneidade lateral bem mais complicados (Ammon, 1991). O registro da

função do receptor radial terá o primeiro pico positivo, que é toda energia que

chega como onda P na estação, seguido por picos menores gerados por

conversões e reverberações. A Figura 3.2 apresenta um exemplo de uma

resposta de um modelo de uma camada sobre um semi-espaço de acordo com

a equação 3.16. As aproximações são validas quando supomos que o

parâmetro de raio é o mesmo.

O conceito de filtro Gaussiano passa-baixas também deve ser

considerado. Este filtro é aplicado antes da deconvolução, para a eliminação de

ruídos de alta frequência e/ou selecionar a faixa de frequências de interesse.

Ele é dado por

, (3.18)

sendo a constante que normaliza o filtro por unidade de amplitude no domínio

do tempo, é a freqüência angular do registro e é a largura do filtro. Quanto

menor o valor de maior será o conteúdo de frequências eliminadas.

Figura 3.2: Resposta vertical e radial e a função do receptor calculada para uma única camada sobre um semi-espaço. A relação de amplitude entre a resposta sintética e a função do receptor é indicada no lado direito dos traços. Fonte: modificado de Ammon, 1991.

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3.2 PROCESSAMENTO DE DADOS

3.2.1 REDES SISMOGRÁFICAS

Figura 3.3: Mapa do nordeste do Brasil mostrando os limites da Província Borborema, os dois lineamentos magmáticos de idade Cenozóica (FNMA – Fernando de Noronha-Mecejana; MQA – Macau-Queimadas) e as estações sismográficas utilizadas neste estudo, as quais estão coloridas de acordo com as suas respectivas redes sismográficas, conforme indicado na legenda.

Neste trabalho foram processados dados de estações sísmográficas de

banda larga temporárias e permanentes localizadas na Província Borborema

(Figura 3.3). As estações permanentes correspondem a 16 estações da Rede

Sismográfica do Nordeste (RSISNE), as quais são equipadas com sensores

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RefTek 151-120A, com resposta plana na velocidade entre 50 Hz e 120 s, e

digitalizadores GSN-130 de 24 bit. Esta rede começou a funcionar no final de

2010, mas se tornou completamente funcional em meados de 2011. Também

foram considerados dados da estação RCBR pertencente à rede Global

Seismographic Network. Esta estação tem funcionado desde 1999 e tem

contribuído com uma grande quantidade de dados para este trabalho (para

maior detalhes do equipamento e estação ver em

http//www.iris.edu/mda/IU/RCBR).

As estações temporárias pertencem a três conjuntos independentes de

estações na Província: uma rede linear com 7 estações cruzando a Província

na direção NW-SE, sendo financiada pelo Instituto Nacional de Ciência e

Tecnologia para Estudos Tectônicos (INCT-ET) do Conselho Nacional de

Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), entre 03/2012 e 02/2013;

uma rede com 8 estações pertencentes ao Instituto do Milênio – Projeto de

Estudos Geofísicos e Tectônicos na Província Borborema do CNPq, a qual

esteve em operação entre 2007 e 2009; e uma rede com 4 estações

pertencentes ao Brazilian Lithosphere Seismic Project (BLSP02), a qual esteve

em operação no nordeste do Brasil entre 2002 e 2005 (Assumpção et al.,

2004).

As estações do INCT-ET são equipadas com sensores Streckeisen STS-

2.5, com resposta plana na velocidade entre 50 Hz e 120 s, e digitalizadores

Quanterra Q330; as estações do projeto Milênio estavam equipadas com

sensores GeoTech KS-2000, com resposta plana na velocidade entre 50 Hz e

120 s e digitalizadores SMART24 de 24-bit; e as estações BLSP incluíram

sensores Guralp CMG-3T e Streckeisen STS-2, ambos com resposta plana na

velocidade entre 50 Hz e 120 s, e digitalizadores RT-130.

Todas as estações tinham sinal de tempo de GPS e durante seus

tempos de operação registraram continuamente a 100 amostras por segundo.

Devido ao mau funcionamento em alguns dos equipamentos, ao final foram

consideradas neste estudo 32 estações sismográficas, conforme mostrado na

Figura 3.3. O fluxograma com as etapas realizadas no processamento de

dados é mostrado na Figura 3.4.

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3.2.2 SELEÇÃO DOS EVENTOS

Ondas P telessísmicas registradas nas estações sismográficas de banda

larga descritas acima foram utilizadas para estimar funções do receptor para

cada estação. As listas dos eventos telessísmicos foram obtidas no catálogo do

USGS - United States Geological Survey

(http://earthquake.usgs.gov/regional/neic). Esses eventos registrados nas

estações foram então localizados no banco de dados da UFRN. A seleção dos

eventos foi feita baseada em dois critérios: à distância epicentral e a magnitude

do evento.

Nos eventos registrados a distâncias menores do que 30° do epicentro, a

amplitude é afetada pela triplicação do sinal sísmico do manto, devido à forte

Figura 3.4: Fluxograma com as etapas realizadas no processamento de dados, sendo as etapas em vermelho correspondentes ao pré-processamento.

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variação de velocidade com a profundidade, em 410 e 660 km de profundidade,

conforme mostrado na Figura 3.5. Para evitar a zona de triplicação do manto e

para ter a incidência próxima da vertical na estação evita-se utilizar eventos de

distâncias menores que 30° no calculo da função do receptor.

Os eventos ocorridos em distâncias superiores a 90° também não são

recomendados. Isso se deve ao fato de que a partir dessas distâncias, até

aproximadamente 144°, ocorre à zona de sombra onde geralmente não há

registro da onda P, conforme mostrado na Figura 3.6. No núcleo externo há um

decréscimo de velocidade, provocando essa zona de sombra para onda P.

Figura 3.5: Perfil de velocidade da onda P (à esquerda) e as trajetórias dos raios (à direita). Note que a distâncias menores de 30°, mais especificamente no intervalo de distância epicentral indicado em vermelho, as chegadas diretas da fonte e aquelas modificadas pelas descontinuidades estão próximas. Acima dos 30° não há mais efeito da

triplicação no manto. Dados referentes ao setor do manto situado sob o Canadian Shield. Fonte: modificado de LeFevre & Helmberger, 1989.

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Também é aconselhável utilizar eventos de grande magnitude (maior que

5.0 mb de preferência) para se trabalhar com sinais de boa relação sinal/ruído.

Neste estudo a magnitude mínima dos eventos foi de 5.5 mb ou superior.

Ondas PP telessísmicas também foram testadas para estimar funções do

receptor. Neste caso a zona de triplicação do manto ocorre para os eventos de

distâncias menores que 60° e a zona de sombra a distâncias superiores a 180°.

3.2.3 PRÉ-PROCESSAMENTO

No pré-processamento os dados foram inicialmente convertidos para o

formato SAC - Seismic Analysis Code (http://www.iris.edu/files/sac-manual). Na

etapa de preparação dos dados foi feita a escolha da janela temporal

adequada. As conversões P410s e P660s são registradas no intervalo de 40 a

80 segundos. O sismograma de cada evento foi cortado em uma janela de

tempo de 10 s antes e 100 s depois da chegada da onda P.

Foi aplicado um filtro passa-alta de frequência 0.05 Hz para remover ruído

de baixa frequência. E as formas de ondas filtradas foram decimadas a 20

Figura 3.6: Diagrama de raio para onda P que percorre o manto e núcleo externo da Terra, com destaque para a zona de sombra para propagação da onda P. Fonte: modificado de Barbosa, 2008.

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amostras por segundo (20 sps) depois da aplicação de um filtro passa-baixa de

8 Hz para evitar o efeito de aliasing. Os eventos foram rotacionados do sistema

de coordenadas de aquisição (Z – vertical, E – leste/oeste e N – norte/sul) para

o sistema ZRT (Z – vertical, R – radial, na direção do evento e T – transversal,

perpendicular à direção do evento).

3.2.4 CÁLCULO DA FUNÇÃO DO RECEPTOR

Na prática existem diferentes métodos para realizar a deconvolução que

calcula a função do receptor (Oldenburg, 1981). A deconvolução pode ser feita

no domínio da frequência, neste caso a mais utilizada é a divisão espectral com

nível de água (Clayton & Wiggins, 1976; Ammon,1991). A deconvolução

também pode ser feita no domínio do tempo, neste caso a mais utilizada é a

deconvolução iterativa, proposta por Ligorría & Ammon (1999).

Para estudos com grande quantidade de sismos e com boa relação

sinal/ruído, todos os métodos de deconvolução funcionam de maneira

apropriada e fornecem resultados similares, porém, em dados ruidosos o

resultado da deconvolução iterativa é melhor do que o da divisão espectral com

nível de água, principalmente na identificação das chegadas Psps+Ppss e

Ppps, normalmente camufladas pelo ruído (Ligorría & Ammon, 1999). Por esta

razão o método de deconvolução iterativa foi o escolhido para calcular as

funções do receptor apresentadas neste trabalho.

A deconvolução proposta por Ligorría & Ammon (1999) calcula a função

do receptor através do método dos mínimos quadrados. Neste caso a função

do receptor será um traço que, convoluído com a componente vertical, mais se

aproxima da componente horizontal (radial ou transversal). No método, esse

traço é composto por sucessivas adições de deltas e cada acresção

corresponde a uma iteração e, ao final do processo, é possível estipular a

percentagem do sinal recuperado pela função do receptor na componente

horizontal. Outra vantagem desse método é que primeiro são definidas as

grandes amplitudes (normalmente o primeiro pulso) e depois os detalhes.

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Neste trabalho optou-se por utilizar 500 iterações (ou seja, as funções

receptoras aqui presentes são compostas por um conjunto de 500 deltas).

O cálculo da função do receptor pode ser controlado de acordo com o

nível de detalhe desejado, através da aplicação do filtro gaussiano. Para um

conteúdo frequencial ≤ 0.25 Hz foi aplicado um filtro Gaussiano passa-baixas

de largura a=0.5 (equação 3.18), pois esta forneceu um balanço ótimo entre

resolução e detecção das conversões P-para-s das descontinuidades da zona

de transição.

Um conjunto de etapas de controle de qualidade foi aplicado para as

funções de receptor calculadas. Primeiramente as funções do receptor foram

convolvidas inversamente com a forma de onda vertical original para obter a

forma de onda radial e a correspondente percentagem do sinal recuperado

entre a forma de onda original e a reconstruída. As funções do receptor com

percentagem menor do que 85% foram rejeitadas. Em segundo lugar, as

funções de receptor transversais foram examinadas e aquelas com amplitudes

comparáveis com as funções de receptor radiais foram rejeitadas. Finalmente,

as funções de receptor selecionadas foram inspecionadas visualmente e

aquelas que se desviaram significativamente da média (outliers) foram

excluídas. A Figura 3.7 mostra todas as funções do receptor (sobrepostas)

obtidas após o processamento para onda P a partir de eventos registrados nas

32 estações sismográficas.

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Figura 3.7: Funções do receptor sobrepostas calculadas para onda P a partir de eventos registrados em 32 estações sismográficas de banda larga na Província Borborema.

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3.2.5 VARIABLE BIN RADIUS STACK

Uma das formas de aumentar a relação sinal/ruído e ressaltar as

descontinuidades é realizar o empilhamento de diferentes traços de funções do

receptor. Após o cálculo da função do receptor foi utilizado um algoritmo

baseado em um esquema de empilhamento para melhorar a relação sinal-ruído

e migrar as funções de receptor para o domínio das profundidades, chamado

Variable Bin Radius Stack (Owens et al., 2000). Esta técnica é implementada

através do empilhamento baseado nos pontos de perfuração (piercing points).

A utilização dos piercing points é importante para o imageamento de interfaces

muito profundas.

Os pontos de perfuração são definidos como a posição geográfica do raio

sísmico em profundidade onde a onda P de um determinado evento se

converte de P-para-S ao refratar através de uma descontinuidade (Figura 3.8).

O cálculo da distância dos pontos de perfuração à estação é feito através de

um traçado de raios usando o modelo global de velocidade AK135 e o

aplicativo TauP (Crotwell et al., 1999). A distância dos pontos de perfuração à

estação depende do parâmetro do raio do evento, do modelo de velocidade

adotado e da profundidade da interface. Essa distância é maior quanto mais

profunda for a descontinuidade, devido à geometria do raio.

Figura 3.8: Esquema ilustrando os pontos de perfuração (círculos amarelo) de cinco eventos, em duas descontinuidades de profundidades diferentes, 410 e 660 km. Esses pontos servem como guias durante a escolha dos eventos que devem ser empilhados para realçar as descontinuidades. Fonte: adaptado de Bianchi (2008).

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O modelo global de velocidade AK135 (Engdahl et al., 1998; Kennett et

al., 1995) utilizado na inversão compreende perfis de velocidade P e S

isotrópicos, e foi construído como um modelo de referência para dados de

tempo de trânsito (Capítulo II).

Na técnica de empilhamento Variable Bin Radius Stack, os pontos de

perfuração são agrupados em caixas circulares (bins) ao redor de nós (centro

dos bins) que cobrem a área de estudo. Os raios dos bins podem variar para

cada nó e profundidade, de modo que a caixa final inclui um número mínimo de

pontos de perfuração e um número mínimo de estações (Owens et al., 2000).

Os piercing points e os tempos de percurso Ps-P associados são

calculados a cada 10 km no intervalo de profundidade de 0 a 800 km para

todas as funções do receptor obtidas, e uma amplitude média para cada bin é

calculada para cada profundidade a partir das amplitudes individuais

associadas a cada tempo de percurso (Owens et al., 2000). A migração é

finalizada representando a amplitude média em função da profundidade da

conversão P-para-S.

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CAPÍTULO IV – RESULTADOS

4.1 EMPILHAMENTOS 1D

Inicialmente os piercing points foram agrupados para as estações das

redes Milênio e RSISNE e para a estação RCBR, sendo cada estação

correspondente a um único bin. Os resultados de empilhamento feitos com este

critério para as funções do receptor calculadas para onda P e para onda PP

são mostrados nas Figuras 4.1 e 4.2, respectivamente. Os erros dos traços

foram calculados através da técnica de análise estatística de dados chamada

bootstrap (Efron & Tibshirani, 1990), com 200 réplicas. Esse erro é bem maior

no resultado obtido para onda PP do que para onda P, devido à menor

quantidade de funções do receptor para onda PP, ou devido esta apresentar

menor relação sinal/ruído.

A Figura 4.1 mostra que, em geral, as descontinuidades de 410 e 660 são

facilmente identificáveis, mas, convém considerar que a descontinuidade de

520 não pode ser observada com bastante clareza em algumas estações,

como a AGBR, o que poderia estar associado a um contraste de velocidade

menos acentuado através desta descontinuidade (Helffrich, 2000). Segundo

Julià & Nyblade (2013) a descontinuidade de 520 km teria uma detecção mais

intermitente em relação às de 410 e 660 km, talvez devido a variações em

pequeno comprimento de onda dos contrastes de velocidade através dessa

descontinuidade.

Ainda na Figura 4.1 ocorrem variações na profundidade das

descontinuidades com respeito à profundidade nominal. Na estação NBPS, por

exemplo, as descontinuidades 410 e 660 estão a uma profundidade menor do

que o esperado, no entanto, a espessura da zona de transição não difere muito

do modelo global (250 km), o que pode significar que para esta estação a

estrutura acima da zona de transição apresenta velocidades maiores do que no

modelo global. Acima da descontinuidade de 410 em algumas estações como a

NBLI é possível observar uma amplitude negativa que poderia estar

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relacionada a valores de baixa velocidade associados à presença de material

parcialmente fundido (Ravenaugh & Sipkin, 1994). A presença de material

parcialmente fundido poderia estar associada a uma zona de transição

hidratada (Bercovici & Karato, 2003) o que também teria implicações na

visibilidade da descontinuidade de 410 (Wood, 1995; van der Meijde et al.,

2003).

A estimativa da espessura da zona de transição abaixo de cada estação

mostrada na Figura 4.1 é fornecida na Tabela 1, bem como a localização das

estações (latitude e longitude) e as profundidades medidas para as

descontinuidades de 410 e 660 km.

Na Figura 4.2, a qual mostra os empilhamentos para onda PP, as

descontinuidades de 410, 520 e 660 não são identificadas com clareza, com

exceção das estações OCBR, PFBR, SBBR NBPA, NBPB e NBPV. Nas

estações OCBR e PFBR (estações com maior número de FRs) as

descontinuidades de 410 e de 660 km estão aproximadamente nas mesmas

profundidades observadas para os empilhamentos com onda P.

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Figura 4.1: Seção mostrando o empilhamento dos traços de função do receptor para cada estação, calculados para onda P. Cada traço representa a média das amplitudes das funções de receptor associadas com os tempos de percurso Ps-P, calculados no intervalo de profundidade de 200 a 800 km. A quantidade de traços empilhados para cada estação (números em vermelho) é proporcional (aumenta) à razão sinal-ruído, conforme pode ser observado pelo bootstrap (em cinza), que corresponde a cálculo do erro. Esse erro é bem menor na estação PFBR do que na estação SLBR, por exemplo. As descontinuidades de 410, 520 e 660 são identificadas em cada traço empilhado (em verde).

Figura 4.2: Seção mostrando o empilhamento dos traços de função do receptor para cada estação, calculados para onda PP. Cada traço representa a média das amplitudes das funções de receptor associadas com os tempos de percurso Ps-P, calculados no intervalo de profundidade de 200 a 800 km. A quantidade de traços empilhados para cada estação (números em vermelho) é proporcional (aumenta) à razão sinal-ruído, conforme pode ser observado pelo bootstrap (em cinza), que corresponde a cálculo do erro. Esse erro é bem maior no resultado obtido para onda PP do que para onda P, devido à menor quantidade de funções do receptor para onda PP. Por isso, as descontinuidades de 410, 520 e 660 não são identificadas com clareza, com exceção das estações OCBR, PFBR, SBBR NBPA, NBPB e NBPV.

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Tabela 1 – Espessuras da zona de transição abaixo de cada uma das 19 estações, obtidas a partir do empilhamento e migração 1D das funções do receptor calculadas para a onda P.

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43

4.2 EMPILHAMENTOS 3D

Em outra situação, com o objetivo de visualizar possíveis variações

laterais na estrutura da zona de transição, os piercing points de todas as 32

estações (Figura 1.1) foram agrupados de modo a formar várias sequências de

bins alinhadas em perfis no intervalo de latitude de 2.0ºS e 12.0ºS e no

intervalo de longitude de 34.0ºW e 44ºW. Sendo os nós dos bins espaçados

uniformemente em 0.25º em ambos os perfis de latitude e longitude, de modo a

formar um grid regular.

Os piercing points a profundidade de 410 e 660 km são mostrados na

Figura 4.3, onde é possível observar que as regiões de topografia elevada na

Província apresentam maior quantidade de piercing points. É possível verificar

que os piercing points estão mais espalhados, em relação as suas respectivas

estações, para 660 km do que para 410 km devido à geometria do raio.

O grau de variação dos bins definidos para este estudo foi entre 0.25º e

2.0º para cada nó. Para determinar o critério de empilhamento das amplitudes

dentro dos bins, foram testados valores de 10 a 40 para o número mínimo de

piercing points e de 3 a 5 para o número de estações. Estes testes são

mostrados na Figura 4.4 para profundidade de 410 km e na Figura 4.5 para a

profundidade de 660 km, mostrando o tamanho (raio) dos bins de

empilhamento para cada nó e para as profundidades mencionadas. O melhor

equilíbrio entre resolução e área de cobertura é atingido para um mínimo de 30

piercing points e um mínimo de 4 diferentes estações. Este critério coincide

com o critério utilizado por Owens et al. (2000) em um estudo da espessura da

zona de transição embaixo do cráton da Tanzânia. A distribuição do tamanho

dos bins resultante para o critério selecionado é mostrada na Figura 4.6, a qual

mostra que boa parte dos bins possui tamanho de 1.0º ou menor.

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Figura 4.3: Mapa topográfico regional da área de estudo com os piercing points (pontos pretos) plotados para as profundidades de 410 e 660 km, utilizando o software GMT. É possível verificar que os piercing points estão mais espalhados, em relação as suas respectivas estações, para 660 km do que para 410 km devido à geometria do raio.

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Figura 4.4: Testes feitos de variação do tamanho (raio) dos bins a profundidade de 410 km para determinar o critério de empilhamento das amplitudes dentro dos bins, incluindo um número mínimo de estações (n) e um número mínimo de piercing points (p), conforme indicado no canto superior direito de cada painel. O tamanho dos bins foi colorido de acordo com a legenda mostrada na figura.

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Figura 4.5: Testes feitos de variação do tamanho (raio) dos bins a profundidade de 660 km para determinar o critério de empilhamento das amplitudes dentro dos bins, incluindo um número mínimo de estações (n) e um número mínimo de piercing points (p), conforme indicado no canto superior direito de cada painel. O tamanho dos bins foi colorido de acordo com a legenda mostrada na figura.

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Figura 4.6: a) Mapa do tamanho (raio) dos bins a profundidades de 410 e 660 km para os nós definidos na Província Borborema. O tamanho dos bins para cada nó foi determinado selecionando o menor valor entre 0.25º e 2.0º, amostrados no intervalo de 0.25º, incluindo um mínimo de 30 piercing points de um mínimo de 4 diferentes estações. b) É possível observar que os nós com bins de menor grau coincidem com as regiões de alta densidade de piercing points.

a) b)

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Os resultados de espessura da zona de transição abaixo da Província

Borborema são mostrados na Figura 4.7. A Figura 4.7a mostra uma variação

uniforme da espessura da zona de transição abaixo da região, com valores que

não diferem muito do valor nominal de 250 km. Apenas em alguns nós

dispersos são observados a espessura da zona de transição com

espessamento (≥ 270 km) e com afinamento (≤ 230 km), o que pode ser

atribuído às incertezas na determinação da profundidade da chegada P410s

devido à baixa amplitude de conversão. As amplitudes das chegadas P410s

são ilustradas na Figura 4.7b, a qual mostra duas seções cruzadas. As

conversões P660s são facilmente identificadas, mas as conversões P410s são

difíceis de serem observadas devido às amplitudes relativamente baixas. Como

discutido no capítulo II, as amplitudes das conversões Ps dependem do

contraste de velocidade de onda S e do intervalo de profundidade no qual a

transformação de fase acontece. As baixas amplitudes sugerem que os

contrastes são pequenos ou que o intervalo de profundidade é grande. A

segunda opção seria consistente com a presença de água na zona de

transição (Wood, 1995).

Na Figura 4.8 é mostrada a variação dos valores de espessura da zona

de transição para vários critérios de empilhamento das amplitudes. Esta figura

mostra que os bins com espessuras diferentes de 250 km tendem a

desaparecer quando o número de piercing points dentro de cada bin é

aumentado. Isso sugere que, provavelmente, as espessuras anômalas são

devidas a falta de resolução nesses bins particulares.

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Figura 4.7: A) Variação da espessura da zona de transição abaixo da Província Borborema. Foram considerados somente os bins com 1.0º ou menos. Zonas em verde denotam regiões de espessura “normal” (250±15 km), enquanto regiões em vermelho e azul denotam regiões de afinamento e de espessamento da zona de transição, respectivamente. B) Seções cruzadas mostrando os traços resultantes dos bins ao longo das direções norte-sul (vertical) e leste-oeste (horizontal). É possível notar que regiões de afinamento da espessura da zona de transição geralmente coincidem com conversões P410s de baixa amplitude nas seções cruzadas.

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Figura 4.8: Espessura da zona de transição estimada para diferentes critérios de empilhamento das amplitudes dentro dos bins (mostrados nas Figuras 4.4 e 4.5), incluindo um número mínimo de estações (n) e um número mínimo de piercing points (p), conforme indicado no canto superior direito de cada painel. A espessura da zona de transição foi colorida de acordo com a legenda mostrada na figura.

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Os resultados obtidos de espessura da zona de transição abaixo da

Província Borborema não são anômalos, são valores que não diferem

significativamente da espessura nominal de 250 km prevista em modelos

globais de velocidade. Mais precisamente, as estimativas deste estudo

fornecem um valor médio de espessura da zona de transição em torno de

250±10 km para a Província Borborema.

Considerando os valores da curva de Clapeyron (Capitulo II) de 3.1

MPa/ºC para a transformação de fase de 410 km e -2.0 MPa/ºC para a

transformação de fase de 660 km (Helffrich, 2000), estes resultados implicam

temperaturas anômalas para a zona de transição de ±75 ºC com respeito a

temperatura média da zona de transição. Temperaturas potenciais de amostras

de olivina encontradas no Hawaii e na Islândia têm fornecido temperaturas de

fusão de 1688ºC e 1637ºC, respectivamente (Putirka, 2005), o que é

consistente termicamente com upwellings do manto com uma camada

quimicamente densa no fundo (Farnetani, 1997). Assumindo uma temperatura

potencial em torno de 1350ºC para o manto ambiente (Rooney et al., 2011),

isto implica excessos de temperatura acima de 250ºC para a anomalia de

temperatura dos upwellings abaixo da Islândia e do Hawaii. Este valor é bem

maior do que o excesso de temperatura estimado para a zona de transição

abaixo da Província Borborema.

Esse valor relativamente baixo de temperatura detectado cruzando a

zona de transição sugere que, se existem perturbações termais no manto, elas

devem estar a profundidades mais rasas que 410 km. Para explorar esta

possibilidade melhor, as variações topográficas das descontinuidades de 410 e

660 km podem ser observadas na Figura 4.9. Tendo sido utilizado, para o

traçamento de raios durante a migração, um modelo 1D de velocidade global,

os desvios devido a estrutura da Terra devem ser mapeados na topografia das

descontinuidades. Contudo, variações laterais na estrutura de velocidade

acima de 410 km de profundidade poderiam causar um deslocamento vertical

semelhante para ambas as descontinuidades de 410 e 660 km e ainda deixar a

espessura da zona de transição relativamente inalterada (Owens et al., 2000).

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Figura 4.9: Topografia da zona de transição para a descontinuidade de 410-km (A) e para a descontinuidade de 660-km (B). Os mapas mostram variações aproximadamente similares para ambas as topografias, o que seria resultado de uma espessura da zona de transição aproximadamente constante (Figura 4.7) abaixo da área de estudo.

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A Figura 4.9 revela regiões de topografia baixa para ambas as

descontinuidades que aproximadamente se sobrepõem no espaço, sugerindo

que variações laterais nas velocidades do manto superior - acima de 410 km de

profundidade - devem existir abaixo da Província Borborema. Como a

topografia é mais deprimida do que soerguida é possível concluir que essas

variações de velocidade provavelmente sejam para valores menores em

relação ao modelo global de velocidade utilizado durante a migração.

Os resultados na espessura da zona de transição e na topografia das

descontinuidades sugerem que não há upwellings significativo no manto

cruzando a zona de transição abaixo da Província Borborema e que, caso

houvesse algum, deveria estar confinado no manto superior. Esta interpretação

é consistente com o resultado da modelagem de anomalia de geoide na

Província Borborema obtido por Ussami et al. (1999), no qual a anomalia

corresponderia a uma estrutura de baixa densidade não mais profunda do que

100-150 km. Esta faixa de profundidade da estrutura de baixa densidade seria

consequência de uma alteração térmica (Ussami et al., 1999) a qual é

consistente com a estrutura de baixa velocidade inferida neste trabalho. Tal

perturbação térmica poderia ter contribuído para gerar a topografia dinâmica na

Província Borborema (Morais Neto et al., 2009) e talvez ser responsável pelo

vulcanismo Cenozóico ao longo dos alinhamentos magmáticos.

Por fim, embora os resultados deste estudo sugiram que a origem do

vulcanismo intraplaca Cenozoico na Província Borborema esteja associada a

eventos rasos, eles não descartam a possibilidade de uma origem no manto

profundo em outro lugar (Sleep, 2003). Segundo o modelo de fluxo lateral,

regiões de litosfera fina podem atuar como canais através dos quais o material

de uma pluma distante poderia fluir lateralmente e atingir a Província

Borborema. Ainda segundo Sleep (2003), o vulcanismo intraplaca de idade

inferior a 85 Ma no Brasil, incluindo o da Província Borborema, é resultado do

fluxo magmático canalizado pela litosfera fina. Em particular, o modelo propõe

que uma anomalia de baixa velocidade observada em uma imagem

tomográfica abaixo da Bacia do Paraná no SE do Brasil poderia ser uma cauda

de uma pluma do manto (VanDecar et al., 1995) que seria a fonte que fornece

o tal fluxo lateral. Como esse fluxo poderia acontecer ao longo de mais de 1500

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km na profundidade abaixo da litosfera, alguma perturbação termal associada

com ele poderia não ter impacto na espessura da zona de transição abaixo da

Província Borborema, portanto os resultados deste trabalho não suportam nem

rejeitam sua existência. Contudo, imagens tomográficas mais recentes

mostram que a anomalia de baixa velocidade não se estende para

profundidades menores do manto (Schimmel et al., 2003).

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CAPÍTULO V – CONCLUSÕES

Neste trabalho foram migradas e empilhadas funções do receptor de um

total de 32 estações sismográficas de banda larga na Província Borborema,

Nordeste do Brasil, para fazer o mapeamento da espessura da zona de

transição abaixo dessa região. Os resultados obtidos de espessura da zona de

transição não são anômalos, são valores que não se diferem significativamente

da espessura nominal de 250 km prevista em modelos globais de velocidade.

Contudo foram observadas regiões de topografia baixa para ambas as

descontinuidades (410 e 660 km) que aproximadamente se sobrepõem no

espaço, sugerindo que variações laterais negativa nas velocidades acima de

410 km de profundidade podem existir abaixo da Província Borborema. O que é

consistente com a estrutura de baixa densidade que seria consequência de

uma alteração térmica proposta por Ussami et al. (1999). Portanto, a fonte

magmática que teria provocado no Cenozóico o vulcanismo intraplaca, e que

estaria relacionada ao soerguimento na Província, estaria confinada acima da

zona de transição.

Embora os resultados mostrados neste trabalho não descartem a

hipótese de fluxo lateral proveniente de uma pluma do manto distante proposta

por Sleep (2003), fontes magmáticas locais e rasas seriam mais plausíveis

para explicar as causas do vulcanismo intraplaca e do soerguimento de idade

Cenozóica na Província Borborema.

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62

ANEXO 1 – ARTIGO SUBMETIDO

Artigo submetido à revista Geophysical Journal International em 21 de janeiro de 2014.

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submitted to Geophys. J. Int.

Normal transition zone thickness under the Borborema1

Province of NE Brazil: Evidence lacking for deep mantle2

upwellings3

A.G. Pinheiro1 and J. Julia1,2,⋆

1 Programa de Pos-Graduacao em Geodinamica e Geofısica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte,

Natal - RN, 59078-970, Brazil.

2 Departamento de Geofısica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal - RN, 59078-970, Brazil.

4

5

SUMMARY6

We have investigated variations in transition zone thickness under the Borborema Province7

of NE Brazil by migrating and stacking teleseismic P-wave receiver functions at 32 seis-8

mic stations in the region. The Borborema Province represents the western portion of9

a larger Neoproterozoic mobile belt that occupied much of northern Gondwana, where10

extensional processes in the Mesozoic lead to the formation of a number of interconti-11

nental basins and ultimately continental breakup. Episodes of intraplate volcanism and12

uplift marked the evolution of the Province during the Cenozoic, but it is unclear whether13

those episodes originated from shallow or deep-seated magmatic sources. On one hand,14

the elliptical shape of the uplifted area, the stress pattern of the Cenozoic deformation,15

and the time overlap between uplift and volcanism suggest doming from thermal acti-16

vation due to a deep-seated mantle plume. On the other hand, geochronological dates of17

volcanic bodies in the Province are better understood if resulting from lithospheric ero-18

sion by a shallow, small-scale convection cell. Large temperature anomalies are expected19

to be associated with mantle upwellings, and constraints on the depth extent of the up-20

wellings can be obtained from transition zone thickness. Thinning of the transition zone21

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2 A.G. Pinheiro and J. Julia

with respect to its nominal 250 km value is considered diagnostic for positive temperature22

anomalies, while thickening is considered diagnostic for negative anomalies. Our results23

show that transition zone thickness is normal, around 250 km, throughout the Province24

and suggest that thermal perturbations - if present - are confined to the upper mantle. We25

argue that our results are consistent with a local, shallow magmatic source for the Ceno-26

zoic intraplate volcanism of the Borborema Province, although other proposed scenarios27

- such as channeling of upwelling plume along lithospheric thin spots - cannot be ruled28

out with our analysis.29

Key words: Borborema Province – intraplate volcanism – transition zone – receiver30

functions31

1 INTRODUCTION32

The origin of intraplate volcanism has often escaped a straight-forward explanation within the frame-33

work of plate tectonics [see e.g. Smith, 2013]. Intraplate volcanism has many times been attributed to34

mantle plumes [Morgan, 1971], and mantle plumes have indeed been successful in explaining features35

such as the age progression of volcanic island chains or the formation of large igneous provinces. An36

often-cited example is the Hawaiian-Emperor chain of the Pacific plate, where a chain of volcanic37

islands would have formed as the Pacific plate moved above the Hawaiian mantle plume. The volca-38

noes would have become inactive and progressively older as they moved away from the mantle plume,39

leaving a track of volcanos with an age progression along the line [Wilson, 1963]. Another exam-40

ple of plume-derived magmatism in an intraplate setting is the flood basalts of the Parana basin of41

Southeastern Brazil, where the large-volume and short-lived character of the erupted basalts would be42

explained by the passage of the South American lithosphere above the Tristan da Cunha plume in the43

Cenozoic [e.g. Peate, 1997]. Diffuse intraplate volcanism found in many continental areas around the44

globe, which is generally characterized as long-lived, short-volume and/or with lack of age progres-45

sion, however, makes the mantle plume paradigm difficult to apply [Bonneville et al., 2006; Knesel et46

al., 2011; Gallacher and Bastow, 2012].47

The Borborema Province of NE Brazil hosts an interesting case of diffuse volcanism not clearly48

associated with mantle plume activity. The Province, located in the northeasternmost corner of the49

South American continent, was part of the larger Brasiliano/Pan-African Neoproterozoic mobile belt50

⋆ Corresponding author: [email protected] (e-mail).

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Transition Zone Thickness in NE Brazil 3

that was shaped during the amalgamation of western Gondwana [Cordani et al., 2000]. Following51

extension in the Mesozoic - which lead to the formation of a number of intracontinental rift basins52

and, ultimately, the opening of the South Atlantic ocean - the evolution of the Province in the Cenozoic53

was marked by volcanism along two magmatic alignments: the Macau-Queimadas Alignment (MQA),54

on-shore and trending approximately north-south; and the Fernando de Noronha-Mecejana Alignment55

(FNMA), off-shore and trending east-west (Fig. 1). This Cenozoic magmatism consisted of small56

volumes of alkaline rocks, with Ar40/Ar39 dates ranging between 50 and 7 Ma for the MQA and57

between 33 and 2 Ma for the FNMA [Souza et al., 2003; Knesel et al., 2011]. Partly because of their58

linear arrangement, volcanism was attributed to the passage of the Province above a mantle plume59

for both the FNMA [e.g. Mizusaki et al., 2002; Rivalenti et al., 2007] and MQA [Jardim de Sa et al.,60

1999; Jardim de Sa, 2001]. However, the orthogonal arrangement of the alignments, the time-overlap61

of their magmatic activity, and the long-lived character of the magmatism challenge a mantle plume62

origin for the Cenozoic magmatism of NE Brazil [Knesel et al., 2011].63

A recently proposed geodynamic model invokes edge-driven convection [King and Ritserma,64

2000] as a viable mechanism for explaining the origin of Cenozoic magmatism in the Borborema65

Province. According to this model [Knesel et al., 2011], a small-scale convection cell would have de-66

veloped at the continental edge of the Province - where lithosphere presumably thins abruptly - and67

triggered the melts that resulted in the Cenozoic intraplate volcanism. A small-scale convection cell68

is more consistent with the observed small-volume magmatism than a mantle plume and, as the cell69

would travel with the plate, provides also a plausible explanation for both the long-lived character and70

the time overlap between on-shore and off-shore volcanism. Uplift of the Borborema Plateau - which71

had been explained as resulting from doming induced by a deep-seated mantle plume [Jardim de Sa72

et al., 1999; Jardim de Sa, 2001] - can also be explained by invoking a small-scale convection cell73

at the continental edge. In this context, the uplift of the Borborema Plateau would be the result of74

isostatic compensation and mafic underplating of the Borborema crust [Oliveira and Medeiros, 2012].75

Moreover, geophysical studies have shown the presence of a∼10 m geoid anomaly centered under the76

high elevations of the Borborema Province [Ussami et al., 1999]. The size of the geoid anomaly has77

been successfully modeled assuming Pratt isostasy with compensation depths down to 100-150 km,78

suggesting that thermal perturbations responsible for the low density regions do not extend into the79

deep mantle.80

In this paper, we investigate the plume origin for the intraplate Cenozoic volcanism in the Bor-81

borema Province by mapping the thickness of the mantle transition zone with receiver functions. The82

mantle transition zone is bounded by two discontinuities in seismic velocity at nominal depths of 41083

and 660 km depth, as imaged in global velocity models for the Earth [e.g. Dziewonski and Ander-84

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4 A.G. Pinheiro and J. Julia

son, 1981; Kennett et al., 1995]. These discontinuities are considered to have developed from phase85

transformations in the olivine-normative component of the mantle [e.g. Weidner and Wang, 2000;86

Cammarano et al.. 2005] and, as such, their precise depths vary with temperature according to the87

Clapeyron slopes of the corresponding phase transformations [e.g. Helffrich, 2000]. Moreover, as the88

Clapeyron slopes have opposite signs, positive temperature anomalies result in thinning of the transi-89

tion zone and negative temperature anomalies in thickening of the transition zone. Our results show90

that transition zone thickness is around 250 km throughout the Province, consistent with the nominal91

thickness reported in global seismic models, and rule out a local, deep-seated magmatic source for its92

Cenozoic intraplate volcanism.93

2 DATA SELECTION AND PROCESSING94

2.1 Seismic Networks95

Data for this study was collected at a number of permanent and temporary broadband stations in the96

Borborema Province (Figure 1). The permanent stations belong to the Rede Sismografica do Nordeste97

(RSISNE) monitoring network, which consists of 16 seismic stations equipped with RefTek 151-98

120A sensors, with flat response in velocity between 50 Hz and 120 s, and 24-bit RT-130 digitizers.99

The monitoring network was initially deployed at the end of 2010, becoming fully operational by100

mid 2011. We also considered data from the Global Seismic Network station RCBR (Figure 1). This101

station has been in operation since 1999 and contributed the largest amount of data to our dataset (see102

http://www.iris.edu/mda/IU/RCBR for details of equipment and station performance).103

The temporary stations belonged to three independent past deployments in the Province: (i) a104

linear network of 7 broadband stations crossing the Province in the NW-SE direction, deployed under105

the Instituto Nacional de Ciencia e Tecnologia para Estudos Tectonicos (INCT-ET) of the Brazilian106

Centro Nacional de Desenvolvimento Cientıfico e Tecnologico (CNPq) between 03/2012 and 02/2013;107

(ii) a small network of 8 broadband stations, deployed between 2007 and 2009 under CNPq’s Institutos108

do Milenio - Tectonic and Geophysical Studies in the Borborema Province project; and (iii) 4 stations109

from the larger Brazilian Lithosphere Seismic Project (BLSP02) network that were in operation in110

the Brazilian Northeast between 2002 and 2005 [Assumpcao et al., 2004]. The INCT-ET stations111

consisted of Streckeisen STS-2.5 sensors, with flat response in velocity between 10 Hz and 120 s,112

feeding Quanterra Q330 digitizers; the Milenio project stations were equipped with GeoTech KS-2000113

sensors, with flat response in velocity between 50 Hz and 120 s, and 24-bit SMART24 digitizers; and114

the BSLP stations included Guralp CMG-3T and Streckeisen STS-2 sensors, with flat response in115

velocity between 10 Hz and 60 s and 50 Hz and 120 s, respectively, and RT-130 digitizers.116

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Transition Zone Thickness in NE Brazil 5

All stations had GPS timekeeping and recorded continuously at 100 samples per second during117

their respective times of operations. Due to malfunctions in some of the equipment, the final com-118

bined network considered in this study included 32 sites spread throughout the Borborema Province119

(Figure 1).120

2.2 Receiver Function Computation and Selection121

Teleseismic P-waves recorded at the broadband stations described above were utilized to estimate122

receiver functions at each station. Receiver functions can be regarded as linear combinations of peaks123

and troughs, where the first peak is associated with the leading P-wave and the trailing peaks and124

troughs are associated with P-to-S conversions at subsurface discontinuities [Langston, 1979]. The125

amplitude and S-P travel-time of the secondary arrivals within the first 30 s after the direct P-wave are126

generally utilized to constrain crustal and uppermost mantle structure [e.g. Owens et al., 1984; Ammon127

et al., 1990; Julia et al., 2005]. Later-arriving P-to-S conversions generated at the discontinuities128

bounding the upper mantle transition zone - labeled P410s and P660s, respectively - can generally be129

identified after coherent stacking of receiver function waveforms and utilized to constrain transition130

zone thickness [e.g. Owens et al. 2000; Julia and Nyblade, 2013].131

To compute receiver functions at the broadband stations in the Borborema Province, we selected132

seismic sources located between 30◦ and 90◦ epicentral distance and with minimum magnitude 5.5 mb.133

The waveforms were windowed 10 s before and 100 s after the leading P-wave, demeaned, detrended,134

and tapered with a 5% cosine window. A high-pass filter with a cut-off frequency at 0.05 Hz was135

applied to remove low-frequency noise, and the filtered waveforms were decimated to 10 sps after136

low-pass filtering below 8 Hz to avoid aliasing. The vertical components were then deconvolved from137

the corresponding radial component to obtain the receiver function using the iterative time-domain138

procedure of Ligorrıa and Ammon [1999], with 500 iterations. Prior to deconvolution, the waveforms139

were low pass-filtered with a Gaussian filter of width 0.5 (fc ≤ 0.25 Hz). A Gaussian width of140

0.5 provided an optimal balance between resolution and detectability of P-to-S conversations from141

transition zone discontinuities.142

A multi-step quality control was then applied to the computed receiver functions. First, the com-143

puted receiver functions were convolved back with the original vertical waveforms to obtain the re-144

constructed radial waveform and the corresponding misfits (root mean square percentage) between the145

original and reconstructed waveforms. Receiver functions with a percent recovery under 85 % were146

rejected. Next, transverse receiver functions (deconvolution of the vertical component from the corre-147

sponding transverse component) were computed and visually examined. Transverse receiver functions148

should be identically zero for laterally homogeneous media [e.g. Ammon et al., 1990], so those radial149

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6 A.G. Pinheiro and J. Julia

receiver functions with amplitudes of comparable size in the corresponding transverse receiver func-150

tions were rejected. Finally, the remaining radial receiver functions were visually examined and out-151

liers removed from the dataset. Figure 2 displays the final receiver function dataset at select broadband152

stations in NE Brazil.153

3 TRANSITION ZONE THICKNESS154

In order to map transition zone thickness variation under the Borborema Province, the selected receiver155

function waveforms were stacked and migrated into the depth domain using the Variable Bin Radius156

Stacking procedure of Owens et al. [2000]. In this procedure, a set of raypaths are computed for each157

receiver function by raytracing through a background velocity model, assuming a P-to-S conversion158

upon refraction within a given depth range. The S-P travel-time is then computed for each raypath and159

the corresponding receiver function amplitude plotted against conversion depth, effectively migrating160

the receiver function from the time domain into the depth domain. Next, the geographical locations161

where the P-to-S conversions occur - the piercing points - are grouped within bins around prescribed162

nodes for each conversion depth and the corresponding amplitudes averaged, thus performing a wave-163

form stack in the depth domain. The radius of the bins may vary among nodes, according to a criterion164

involving a minimum number of piercing points and a minimum number of stations.165

Following the procedure outlined above, we defined a set of nodes between 2.0 ◦S and 12.0 ◦S166

latitude and 34.0 ◦W and 44.0 ◦W longitude. The nodes were uniformly spaced at 0.25◦ in both latitude167

and longitude. Ray-tracing was performed through the global earth model ak135 [Kennett et al., 1995]168

using the TauP utility of Crotwell et al. [1999], and assuming P-to-S conversions between 0 and169

800 km depth at 10 km depth intervals. The piercing points at depths of 410 and 660 km are displayed170

in Figure 3, and show that the most densely sampled regions occur mostly under regions of elevated171

topography in the Province. To define the bins for the stacking, bin radius was allowed to vary between172

0.25◦ and 2.0◦ at 0.25◦ intervals for each node until a minimum piercing point criterion was met. We173

experimented with criteria involving a minimum number of piercing points ranging between 10 and174

40 and a minimum number of stations ranging between 3 and 5, and found that 30 piercing points175

from at least 4 different stations provided the best compromise between resolution and areal coverage176

(Figs S1 and S2, Electronic Supplement). This criteria is identical to the one utilized in Owens et al.177

[2000] in a similar study in East Africa. The resulting bin size distribution for the selected criterion178

is displayed in Figure 4 and shows that most of the bins sample the region with bin radii of 1.0◦ or179

smaller.180

The results on transition zone thickness under the Borborema Province from the variable bin181

radius stacking procedure are displayed in Figure 5a. Only nodes with bin radius equal to or smaller182

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Transition Zone Thickness in NE Brazil 7

than 1.0◦ are shown. The figure shows a rather uniform transition zone thickness throughout the region,183

with values that do not deviate significantly from the nominal 250 km value. Some scattered nodes184

of thinner (≤ 230 km) and thicker (≥ 270 km) transition zone thickness are observed, which we185

attribute to uncertainty in the depth of the P410s arrival due to small conversion amplitudes. The small186

P410s amplitudes are illustrated in Figure 5b, which displays two north-south cross-sections along the187

37.75 ◦W and 36.75 ◦W longitudes. P660s conversions are easily identified, but P410s conversions188

are harder to observe due to the relatively small amplitudes that mark their position in the stacked189

waveforms. Nodes with transition zone thickness that deviates from the nominal 250 km value tend190

to fade away when the number of piercing points within the bins is increased (Fig. S3, Electronic191

Supplement).192

4 ORIGIN OF INTRAPLATE VOLCANISM193

The discontinuities that bound the transition zone are due to alterations in the crystal structure of the194

mineral constituents of the mantle, especially olivine [e.g. Frost, 2008]. According to high-pressure195

laboratory experiments, phase transformations occur at depths of∼410 km (or, equivalently, pressures196

around 14 GPa), where olivine turns into polymorphic wadselyite; ∼520 km (or pressures ∼17 GPa),197

where the polymorphic wadslyeite turns into ringwoodite; and, ∼660 km (or pressures ∼24 GPa),198

where ringwoodite splits into perovskite and magnesionwstite [e.g. Weidner and Wang, 2000]. Those199

phase transformations are strongly related to changes in temperature through their corresponding200

Clapeyron slopes and can be used to estimate temperature variation in the transition zone [e.g. Helf-201

frich, 2000]. Moreover, due to the opposite signs of the Clapeyron slopes, thinning of the transition202

zones can be related to hotter-than-average temperatures and thickening to colder-than-average tem-203

peratures.204

As noticed in the previous section, our analysis reveals that transition zone thickness under the205

Borborema Province does not deviate significantly from the nominal thickness value of 250 km (Fig-206

ure 5). More precisely, averaging transition zone thickness estimates over the study area gives an207

average transition zone thickness value around 250±1 km for the Borborema Province, with a sam-208

ple standard deviation at individual nodes of ±11 km. Using Clapeyron slope values of 3.1 MPa/◦C209

for the 410 km phase transformation and −2.0 MPa/◦C for the 660 km phase transformation [Helf-210

frich, 2000], these results imply temperature anomalies for the transition zone of ±75◦C with respect211

to average transition zone temperature. Potential temperatures from olivine samples found in Hawaii212

and Iceland have provided melt potential temperatures of 1688◦C and 1637◦C, respectively [Putirka,213

2005], consistent with estimates required by geodynamic models for mantle thermal upwellings with214

a chemically dense layer at the bottom [Farnetani, 1997]. Assuming potential temperatures around215

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8 A.G. Pinheiro and J. Julia

1350◦C for the ambient mantle [e.g. Rooney et al., 2012], this implies excess temperatures over 250◦C216

for deep thermal upwellings under Iceland and Hawaii. This value is well off confidence bounds for217

excess temperatures estimated for the transition zone under the Borborema Province.218

The lack of detectable thermal perturbations across the transition zone suggests that if thermal219

perturbations exist in the mantle, they must be shallower than 410 km depth. To explore this possibil-220

ity further, we examined variations in 410 and 660 km discontinuity topography (Fig. 5). Recall that221

a global 1D model was utilized to perform the ray-tracing during migration, and that deviations due222

to the true Earth structure will be mapped into discontinuity topography. Moreover, lateral variations223

in velocity structure above 410 km depth will cause a similar vertical shift for both discontinuities224

and leave transition zone thickness relatively unchanged [Owens et al., 2000]. The figure indeed re-225

veals regions of depressed topography for both discontinuities that approximately overlap in space,226

suggesting that lateral variations in upper mantle velocity above 410 km depth must exist under the227

Borborema Province. As the topography is depressed rather than uplifted, we also conclude that the228

variations must correspond to velocities that are slow with respect to the background model utilized229

during the migration.230

The results on transition zone thickness and on topography of the transition zone discontinuities231

(Figs 5 and 5) suggest that no significant mantle upwellings are crossing the transition zone under the232

Borborema Province, and that any potential magmatic sources that triggered its intraplate volcanism233

must be confined to the upper mantle (i.e. above 410 km depth). This interpretation is consistent with234

the modeling results for the geoid anomaly in the Borborema Province reported by Ussami et al.235

[1999], in which the size of the anomaly was successfully predicted assuming a low-density structure236

not deeper than 100-150 km depth. The depth range for the low-density body lies well within the237

depth-range for the low-velocity body inferred in our analysis, and is consistent with the thermal238

origin proposed by Ussami et al. [1999]. Such a thermal perturbation might be contributing to generate239

dynamic topography in the Borborema Province [Morais Neto et al., 2009] and perhaps be responsible240

for the Cenozoic volcanism along the magmatic alignments.241

Finally, although our results suggest a shallow, local origin for the Cenozoic intraplate volcanism242

in the Borborema Province, they cannot rule out a deep mantle origin from lateral flow [Sleep, 2003].243

The lateral flow model notices that regions of thin lithosphere can act as channels through which hot,244

buoyant plume material may flow and suggests that intraplate volcanism younger than 85 Ma in Brazil245

- including that in the Borborema Province - is the result of channeled flow along lithospheric thin246

spots. In particular, the model proposes that a low-velocity tomographic anomaly imaged under the247

Parana basin of SE Brazil that resembles a mantle plume tail [VanDecar et al., 1995] would be the248

source that feeds such lateral flow. As that flow would happen along more than 1500 km at sublitho-249

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Transition Zone Thickness in NE Brazil 9

spheric depths, any thermal perturbation associated with it would have no impact on transition zone250

thickness under the Province, and our results can neither support nor reject its existence. However,251

later tomographic images showed the low-velocity anomaly does not extend to lower mantle depths252

[Schimmel et al., 2003]. And the lack of active feeding of the lateral flow would make it pond and253

cool in some tens of millions of years making it hard to reconcile with the long-lived character of the254

Cenozoic volcanism [Knesel et al., 2011].255

5 CONCLUSIONS256

In summary, we have migrated receiver functions at 32 broadband stations in the Borborema Province257

of NE Brazil to map transition zone thickness variation throughout the region. We have found that258

transition thickness is not anomalous, with uniform values that do not deviate significantly from the259

nominal 250 km thickness value in global velocity models. We have interpreted this observation as260

evidence lacking for deep mantle upwellings in the Borborema Province. Observed variations in 410261

and 660 km discontinuity topography, on the other hand, have suggested a low-velocity body might262

exist within the Province’s upper mantle. This low-velocity body has been found consistent with a263

thermal origin, also proposed for a postulated low-density body in the shallow mantle to explain geoid264

anomalies in the region [Ussami et al., 1999]. Although our analysis cannot directly rule out lateral265

flow from a distant mantle plume proposed by Sleep [2003], we have argued that shallow, local mag-266

matic sources represent a more plausible origin for the origin of Cenozoic intraplate volcanism in the267

Borborema Province.268

ACKNOWLEDGMENTS269

This work has been supported in part by the Instituto Nacional de Ciencia e Tecnologia para Estudos270

Tectonicos (INCT-ET) of the Brazilian Centro Nacional de Desenvolvimento Cientıfico e Tecnologico271

(CNPq, grant number 57.3713/2008-1). AP was supported by a 2-year scholarship from CNPq to272

complete her M.Sc. degree at UFRN. Tom Owens is thanked for making the Variable Bin Radius273

Analysis codes freely available. All figures were produced with the Generic Mapping Tools of Wessel274

and Smith [1998].275

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This paper has been produced using the Blackwell Scientific Publications GJI LATEX2e class file.363

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Transition Zone Thickness in NE Brazil 13

Fernando de

Noronha

FNMA

MQAMacau

Queimada

Patos Lineament

Pernambuco Lineament

Transb

rasil

iano L

ineam

ent

AGBR

TRSB

NBPS

LP01 NBMO

SBBR LP02NBCL

NBPB

OCBRLP03

PFBR LP05

NBMA

NBPA RCBR

NBPVSLBR

NBLILP06

CS6B

LP04

NBTANBRF

NBAN

SABR

CAUB/NBCA

LP07

NBLANBPN

PDCB

NBCP

RSISNE

INCT-ET

Milênio

BLSP02

GSN

Precambrian lineament

Terrane boundary

Magmatic alignment

Parnaíba Basin Borborema Province

Cenozoic MagmatismSão Francisco Craton

Figure 1. Map of NE Brazil showing the boundaries of the Borborema Province, the two mutually perpen-

dicular Cenozoic magmatic alignments (FNMA - Fernando de Noronha-Mecejana Alignment; MQA - Macau-

Queimadas Alignment), and the location of the seismic stations utilized in this study. Seismic stations are color-

coded according to seismic network, as indicated in the legend.

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14

A.G

.P

inheiro

and

J.Ju

lia

LP01 LP02 LP04 LP05 LP06 LP07

CAUB CS6B PDCBTRSBRCBRAGBR OCBR PFBR SABR SBBR SLBR

NBAN NBCA NBCL NBCP NBLA NBLI NBMA NBMO NBPA NBPB NBPN NBPS NBPV

NBRF NBTA

02

04

06

08

0

time

(s)

02

04

06

08

0

time

(s)

02

04

06

08

0

time

(s)

Figure 2. Superposition of individual radial receiver function waveforms for select broadband stations in NE Brazil. Note how, in spite of being highly coherent at

the beginning, the location of the P410s and P660s conversions later in the waveforms (around 40 and 65 s, respectively) are not easy to identify.

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Transition Zone Thickness in NE Brazil 15

P410s

P660s

Figure 3. Map of piercing points for P-to-S conversions at depths of 410 and 660 km corresponding to the

selected receiver functions obtained at the broadband stations in the Borborema Province. Due to bending of the

seismic rays, piercing points for P660s conversions are more widespread than those for P410s conversions.

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16 A.G. Pinheiro and J. Julia

P410s

P660s

1.000.750.500.25 > 1.00

Figure 4. Map of bin radius size at 410 and 660 km depths for the nodes defined in the Borborema Province.

Bin radius for each node was determined by selecting the smallest value between 0.25◦ and 1.0◦, sampled at

0.25◦ intervals, that included a minimum of 30 piercing points from at least 4 different stations. Note how the

nodes with small bin radius coincided with the high-density piercing point regions in Figure 3.

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Tra

nsitio

nZ

one

Thickn

essin

NE

Bra

zil17

A) B)

Figure 5. a) Transition zone thickness variation under the study area. Only those bins with radius 1.0◦ or smaller have been considered. Green zones denote regions

of “normal” thickness (i.e. 250±10 km), while red and blue zones denote regions of thinner and thicker transition zone, respectively. b) Cross-sections along the

north-south (top) and east-west (bottom) directions, as indicated in the transition thickness map on top. Note how regions of thin transition zone thickness generally

coincide with small amplitude P410s conversions in the cross-sections.

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18 A.G. Pinheiro and J. Julia

= 410 km

< 410 km

> 410 km

= 660 km

< 660 km

> 660 km

Figure 6. Transition zone topography for the 410-km discontinuity (top) and 660-km discontinuity (bottom).

Note the approximately similar variations for both topographies, which result in an approximately constant

transition zone thickness (Fig. 5) across the study area.

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Tra

nsitio

nZ

one

Thickn

essin

NE

Bra

zil19

n=3 p=30n=3 p=20n=3 p=10 n=3 p=40

n=4 p=30n=4 p=20n=4 p=10 n=4 p=40

n=5 p=30n=5 p=20n=5 p=10 n=5 p=40

Figure S1. Bin radius at 410 km depth for piercing point criteria including a minimum number of stations (n) and a minimum number of piercing points (s), as

indicated in the upper-right corner on each panel. Bin radius has been color-coded according to the legend at the bottom of the figure.

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20

A.G

.P

inheiro

and

J.Ju

lia

n=3 p=30n=3 p=20n=3 p=10 n=3 p=40

n=4 p=30n=4 p=20n=4 p=10 n=4 p=40

n=5 p=30n=5 p=20n=5 p=10 n=5 p=40

Figure S2. Bin radius at 660 km depth for piercing point criteria including a minimum number of stations (n) and a minimum number of piercing points (s), as

indicated in the upper-right corner on each panel. Bin radius has been color-coded according to the legend at the bottom of the figure.

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Tra

nsitio

nZ

one

Thickn

essin

NE

Bra

zil21

n=3 p=30n=3 p=20n=3 p=10 n=3 p=40

n=4 p=30n=4 p=20n=4 p=10 n=4 p=40

n=5 p=30n=5 p=20n=5 p=10 n=5 p=40

Figure S3. Transition zone thickness for piercing point criteria including a minimum number of stations (n) and a minimum number of piercing points (s), as

indicated in the upper-right corner on each panel. Transition zone thickness has been color-coded according to the legend at the bottom of the figure.