Aula 01: Sismologia - CPGG-UFBA

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GEO046
Geofísica
Dados da Disciplina
Hédison Kiuity Sato ([email protected])
Créditos: 03.01.00 UC
Carga horária: 45.30.00
Pré-requisitos:
Ementa: Origem, evolução, constituição e estrutura
interna da Terra, a partir das evidências geofísicas.
Aplicações gerais e métodos da geofísica para
exploração dos recursos naturais, preservação ambiental
e obras de engenharia.
Aula no 01
INTRODUÇÃO
SISMOLOGIA
June 04
Hédison K. Sato
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Dados da Disciplina
Objetivos: Capacitar o estudante para entender o
princípio físico e a metodologia das ferramentas
geofísicas usadas na prospecção mineral, de petróleo,
de água subterrânea e em estudos geotécnicos e do
meio ambiente. Mostrar a efetividade dos métodos
geofísicos no estudo das características físicas do
planeta Terra, de suas estruturas interna e crustal, bem
como na confirmação da Tectônica de Placas.
Metodologia: Aulas teóricas expositivas. Aulas práticas
envolvendo exercícios para fixação dos conceitos e
aspectos teóricos, e aprendizado de algumas técnicas de
tratamento e interpretação de dados.
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Dados da Disciplina
Bibliografia:
Dobrin, M. B. e Savit, C. H., 1988, Introduction to Geophysical
Prospecting, McGraw-Hill Book Company.
Fowler, C. M. R. , 1990, The Solid Earth, Cambridge University
Press.
Sharma, P. V., 1986, Geophysical Methods in Geology, Elsevier.
Sheriff, R. B., 1989, Geophysical Methods, Prentice Hall, New
Jersey, USA.
Sleep, N. H., e Fujita, K., 1997, Principles of Geophysics,
Blackwell.
Telford, W. M., Geldart, L. P., Sheriff, R. E. e Keys, D. A., 1978,
Applied Geophysics, Cambridge University Press.
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Visão Geral
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O que é a geofísica?
Como ciência e tecnologia, o campo da geofísica inclui
investigações de natureza teórica e prática.
Envolve conhecimentos que passam pelas áreas da
física, geologia, matemática aplicada, processamento de
dados de alto desempenho.
Compartilha diversas técnicas com outros campos. Uma
das mais conhecidas seria a tomografia.
A geofísica utiliza as teorias físicas e medições na
descoberta ou avaliação das propriedades da terra.
A disciplina remonta à antigüidade, especialmente com
relação à predição de terremotos (um problema ainda
não resolvido).
A evolução significativa teve início no final do século XVI
nas áreas do magnetismo e gravidade.
Avanços significativos na instrumentação ocorridas nos
primeiros anos do século XX propiciaram um progresso
rápido da geofísica que levaram, por exemplo, à teoria
da tectônica de placas nos anos 60.
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O que é a geofísica?
A tectônica de placas, o estudo da estrutura interna da
Terra, e áreas relacionadas como processos globais e
regionais são referidas, coletivamente, como Geofísica
da Terra Sólida.
A subdisciplina conhecida como geofísica de exploração
envolve o uso da teoria geofísica e instrumentação para
a localização das fonte de petróleo e outros minerais.
Diferentemente da Geofísica da Terra Sólida, a geofísica
de exploração mineral geralmente concentra-se na
localização de heterogeneidades laterais numa pequena
parte da crosta terrestre.
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O que é a geofísica?
A geofísica aumentou significativamente a capacidade
do homem na exploração dos recursos naturais.
Os sentidos do ser humano não incapazes para quantificar, ou
mesmo detectar muitos fenômenos físicos (ex.: magnetismo).
O homem não pode detectar variações do campo gravitacional
terrestre da ordem do milionésimo, mas gravímetros medem (de
fato, 0,02 milionésimos ou melhor)
Sismologia, o principal método na exploração de petróleo, exige
cronometragem precisa e registros de vibrações fracas cujas
amplitudes são inferiores àquelas que o ser humano percebe.
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O que é a geofísica?
O que é a geofísica?
Do "Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics”,
de Robert E. Sheriff
Geofísica:
⌧(e) meteorologia,
⌧(f) gravidade e geodésia (campo gravitacional, tamanho e forma
da Terra),
⌧(g) eletricidade atmosférica e magnetismo terrestre (incluindo a
ionosfera, cinturão de Van Allen, correntes telúricas, etc.)
⌧(h) tectonofísica (processos geológicos dentro da terra), e
⌧(i) geofísica de exploração e engenharia. Geocronologia (datação
da história da Terra) e geocosmogenia (a origem da Terra) são
algumas vezes incluídos na lista.
Estudo da terra por meio de métodos físicos quantificados,
especialmente os métodos de reflexão e refração sísmica,
gravitacional, magnético, elétrico, eletromagnético e radioativo.
A aplicação dos princípios físicos para estudos da Terra inclui os
seguintes ramos:
Freqüentemente, refere-se apenas à Geofísica da Terra Sólida,
excluindo-se, então, o itens (c), (d) e (e) e partes dos outros
itens listados anteriormente.
⌧(a) sismologia (terremotos e ondas elásticas),
⌧(b) geotermometria (aquecimento terrestre, fluxo de calor,
vulcanologia, e fontes de calor),
⌧(c) hidrologia (água subterrânea e superficial),
⌧(d) oceanografia física,
O que é a geofísica?
Geofísico?
Geofísica de exploração é o uso os métodos sísmicos,
gravitacional, magnético, elétrico e eletromagnético, etc., na
procura por óleo, gás, minerais, águas, etc., com o objetivo da
exploração econômica.
Geofísico
É aquele que estudas as propriedades físicas da Terra ou aplica
as medidas físicas em problemas geológicos.
Um especialista em geofísica.
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Propriedades elásticas
Módulo de
Young
E=
P
∆L / L
Razão de
Poisson
σ=
∆D / D
∆L / L
P
P
Módulo de
µ=
=
cisalhamento
∆L / L φ
Módulo
volumétrico
k=
P
∆V / V
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Ondas elásticas
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Lei de Snell
Ondas longitudinais, compressionais, primárias (P).
k + 4µ / 3
vP =
Onda P incidente
Refletem e transmitem
ondas dos tipos P e S.
ρ
=
(1 − σ )E
(1 + σ )(1 − 2σ )ρ
sen iP sen RP sen RS
=
=
vP1
vP1
vS1
sen rP sen rS
=
=
vP2
vS 2
Ondas transversais, cisalhantes, secundárias (S).
vS =
µ
E
=
ρ
2(1 + σ )ρ
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Lei de Snell
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Lei de Snell
Onda S incidente
Refletem e transmitem
ondas dos tipos P e S.
Onda S incidente
Reflete e transmite
ondas do tipo S.
sen iS sen RP sen RS
=
=
vS1
vS1
vP1
sen iS sen RS sen rS
=
=
vS1
vS1
vS 2
=
sen rP sen rS
=
vP2
vS 2
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Velocidades vP: exemplos
Tipo de rocha
Ar
vP (m/s) Tipo de rocha
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Distribuição das velocidades
vP (m/s)
Anidrita
3500-5500
Água
1400-1500
Sal
4000-5500
Gelo
3000-4000
Granitos/gnaisses
5000-6200
Aluvião, areia
300-1700
Basalto
5500-6300
Arenitos
2000-4500
Gabro
6400-6800
Folhelhos
2400-5000
Peridotitos
7800-8400
Calcáreos, dolomitos
3400-6000
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Ondas superficiais: Rayleigh
A onda de Rayleigh se parece com uma SV acoplada a
uma P.
A amplitude diminui com a profundidade, tornando-se
pequena além do equivalente a um comprimento de
onda.
É similar às ondas no oceano, onde a partícula move-se
em elipses verticais de forma retrógrada.
Ela existe próxima à superfície do semi-espaço.
Sua velocidade é uma função da razão de Poisson.
Grosso modo, 0,92 vS.
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Ondas superficiais: Love
A onda de Love se parece com uma SH.
É uma onda guiada. Sua existência exige camadas com
velocidades S crescentes com a profundidade.
A situação mais simples é de uma camada uniforme
sobreposta a um semi-espaço uniforme com velocidade
vS maior.
A onda se propaga nos dois meios visto que estão
soldadas, mas a amplitude diminui exponencialmente
com a profundidade na camada mais profunda.
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Propagação de ondas
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Propagação de ondas
Nas interfaces A e B,
sen i1
sen f1
=
v1
v2
sen i2
sen f 2
=
v2
v3
Multiplicando-se as eqs.
nas interfaces A e B por r1
e r2, respectivamente,
pode-se escrever
r1 sen i1
v1
Na geometria dos raio,
q = r1 sen f1 = r2 sen i2
r1 sen f1
v2
r sen i2
= 2
v2
r sen i
=
v
=
=
=
r2 sen f 2
v3
=
p (constante )
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Tempo de trânsito
A diferença infinitesimal do tempo
de trânsito de
dT = t SQ − t SP
pode escrita como
dT = QN / v0
mas
QN = PQ sen i0 = r0 (d∆ ) sen i0
dT r0 sen i0
=
=p
d∆
v0
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Zonas de sombra
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Condição de sombra
Rápido aumento da velocidade
Considerando que (r sen i v ) = p ou pv = r sen i, e
que p é constante,
dv
di
p = sen i + r cos i
dr
dr
como sen i = pv r , pode - se escrever que
di
p ⎛ dv v ⎞
=
⎜ − ⎟.
dr r cos i ⎝ dr r ⎠
Assim, a condição di/dr < 0 (sem zona de sombra),
ou seja, o ângulo i cresce quando r descresce,
só é possível quando dv dr < v r .
Forte gradiente de velocidade gera a uma triplicação:
três ondas P atingem uma faixa.
No caso da elevação brusca, ocorre somente a
duplicação.
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Ondas no interior da Terra
As letras P e S referemse às ondas no manto,
iniciadas com p ou s se
refletidas na superfície.
A letra K para a onda P
no núcleo externo.
A letra I para a onda P
no núcleo interno.
A letra J é reservada
para a onda S no núcleo
interno.
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Tempos de
trânsito
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Modelo de velocidade na Terra
Modelo ajustado a um grande número de tempos de trânsito
observados.
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Tomografia
Anomalias a 1350 km
de profundidade em
dois modelos
independentes.
Zonas frias têm maior
velocidade das ondas
sísmicas.
As duas longas feições
em azul: uma nas
Américas e outra
estendendo-se pela
Eurásia podem indicar
convecções a grandes
profundidades
(Levi, 1997)
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Tomografia
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Terremoto & explosão nuclear
Seções verticais nas
regiões centrais da
América Central e Japão.
A zona fria prolonga-se
contínua com a
profundidade, sugerindo a
descida da placa da
litosfera oceânica no bordo
da placa tectônica.
Além disso, essas feições
coincidem com as regiões
com uma longa história de
subducção.
(Levi, 1997)
(Sullivan, 1998)
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Distribuição dos terremotos
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Seqüência de eventos
De (a) a (c), há um
contínuo acúmulo de
energia pela
deformação
cisalhante.
Em (d), toda a
energia elástica
gradativamente
acumulada é liberada
repentinamente.
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Primeira movimentação
(a) separação inicial da energia
da onda P em primeiros
movimentos fazendo
compressões e rarefações.
(b) Padrão de irradiação, vista
num plano perpendicular ao
plano da falha e o auxiliar
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Distribuição dos focos
Os terremotos ocorrem a profundidades inferiores a 700
km.
Por convenção, de acordo com a profundidade do foco,
são considerados:
rasos quando até 60 km,
intermediários até 300 km, e
profundos quando estão além dos 300 km.
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Distribuição dos focos
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Distribuição dos focos
Zona de WadatiBenioff ao norte
de Honshu
(Japão) que
mostra dois
planos paralelos
de concentração
dos focos.
Zona de WadatiBenioff sob a
região central do
Peru que
evidencia uma
zona de
subducção
horizontal.
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Magnitude dos terremotos
Apesar das modificações subseqüentes, a escala Mercali
(de G. Mercali, 1902) desenvolvida antes do advento da
instrumentação, é aplicada com base em relatórios
sobre a grau com que o local foi chacoalhado.
Atualmente, a modificação de Richter (1958) tornou-se
o padrão. Ela representa a intensidade do chacoalhar
numa escala de 12 pontos, do quase imperceptível ao
mais violento movimento, com base nas reações
humanas, simples observações e danos às construções.
Mesmo sem o interesse na medida a intensidade do
terremoto, esta escala é conveniente para se descrever
os efeitos locais do chacoalhar.
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Magnitude dos terremotos
Magnitude instrumental
MS = log10 (a/T) + f(∆,h)
onde
a é a amplitude,
T, o período,
f(∆, h), uma correção função da distância angular ∆,
e a profundidade h.
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Tsunami
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Oscilação livre da Terra
Modelagem do tsunami devido
ao terremoto ocorrido no Chile
em 1960.
Animação feita pelo Prof.
Nobuo Shuto do
Disaster Control Research
Center da Universidade de
Tohoku, Japão
http://www.geophys.washington.edu/tsunami/general/physics/characteristics.html
As elevações estão exageradas.
Observar as refrações e difrações.
A análise de ondas superficiais considerando uma Terra
plana é adequada para períodos curtos de onda, mas
progressivamente se torna inadequada para longos
períodos.
A curvatura da Terra influencia a dispersão e precisa ser
considerada. Uma abordagem mais geral considera os
modos de oscilação livre.
Após um forte terremoto, a Terra ressoa em inúmeras
freqüências discretas. Cada uma pode ser imaginada
como representação de uma onda estacionária
(superposição de ondas em direções opostas).
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Oscilação livre da Terra
Atualmente, identificam-se mais de 1000 modos de
oscilação livre.
150 anos se passaram desde a previsão teórica das
oscilações livres da Terra até a sua efetiva detecção.
Além disso, devido a complexidade do problema, os
cálculos dos modelos realistas só aconteceram com o
advento do computador.
Nos anos 1950, tendo desenvolvido um novo
instrumento capaz de medir ondas sísmicas de longo
período, H. Benioff detectou uma oscilação de 57 min.
de período (terremoto de Kamchatka, 1952).
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Oscilação livre da Terra
O relato de Benioff estimulou os pesquisadores que
aperfeiçoaram os instrumentos e a teoria, estando
prontos para registrar os efeitos do que foi o grande
terremoto de 1960, no Chile.
Naquele mesmo ano, o encontro em Helsinki da IUGG,
os dados coletados por diversos pesquisadores
mostravam grande concordância entre si e com a teoria
e cálculos já desenvolvidos.
Estabelecimento de um novo ramo da sismologia.
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Oscilação livre da Terra
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Oscilação livre da Terra
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Oscilação livre da Terra
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Referências:
Levi, B. G., 1997, Earth’s upper mantle: how low can it
flow?, Physics Today, August, 50(8), 17-20.
Sharma, P. V., 1986, Geophysical methods in geology.
2. ed., Elsevier, New York.
Stacey, F. D., 1992, Physics of the earth. 3. ed.,
Brookfield Press, Brisbane, Austrália.
Sullivan, J. D., 1998, The comprehensive test ban
treaty. Physics Today, March, 51(3), 24-29.
Telford, W. M., Geldart, L. P., Sheriff, R. E. e Keys, D.
A., 1978, Applied Geophysics, Cambridge University
Press.