Tomografia Sísmica do Sudeste Brasileiro

Resumo

Nesse trabalho, estamos realizando a tomografia sísmica usando a correlação de ruído ambiental e de frequência finita a partir de tempos residuais das ondas P e S na estações localizadas no sudeste brasileiro. O primeiro método usa a correlação cruzada do registro sísmico de duas estações é possível extrair informação sobre a estrutura entre elas e as principais vantagens dessa metodologia é que não é necessária a ocorrência de eventos sísmicos para realizar os estudos. O método frequência finita considera que a velocidade de propagação de uma onda é sensível as estruturas tridimensionais de velocidade que circundam a trajetória do raio sísmico e que estão volumetricamente contidas dentro da zona de Fresnel, onde as interações construtivas, que contam para o tempo de propagação da onda, ocorrem.

O tratamento teórico incorreto da propagação das ondas sísmicas nos faz perder informações importantes sobre a heterogeneidade da estrutura de velocidade no interior da Terra. Estão sendo integrados os resultados das duas metodologias para derivar novos modelos de estrutura para a região estudada.

Objetivos

Esse trabalho visa utilizar o método de tomografia para melhorar conhecimento da estrutura crustal da região Sudeste Brasileira e, dessa forma, prover um modelo tomográfico para a região que poderá servir como base para um modelo de velocidade 3D para a região.

Objetivos Específicos

A região sudeste do Brasil abriga parte de um dos mais enigmáticos derrames de lavas basálticas toleíticas já registradas na história da Terra, ocorrido há 134 milhões, no período cretáceo. Este derrame precedeu o processo de separação entre as placas da África e da América do Sul e é observado em uma larga extensão da Bacia do Paraná, outra estrutura geológica cuja origem e evolução ainda é incerta e matéria de estudo e intenso debate na literatura.

Na região sudeste também estão localizadas, em sua porção continental, as Províncias alcalinas da Alto Paranaíba e da Serra do Mar, oriundas do vulcanismo alcalino ocorrido no cenozoico, as escarpas da Serra do Mar, o cráton do São Francisco e, na parte offshore, as Bacias de Santos e Campos, por exemplo. Todas essas províncias magmáticas e estruturas geológicas ainda não possuem sua origem e evolução bem compreendidas. Assim, o estudo das propriedades físicas da crosta e do manto ajudam a fornecer vínculos essenciais para o entendimento de processos geodinâmicos que originaram e influenciam a evolução de tais províncias e estruturas geológicas.

Um dos métodos mais utilizados para se inferir as propriedades físicas no interior da Terra é a tomografia sísmica. A tomografia sísmica é uma técnica que permite obter imagens tridimensionais da estrutura de velocidade anômala no interior da Terra a partir de ondas sísmicas oriundas da energia liberada por fontes naturais ou artificiais.

A Rede Sismográfica Brasileira e, em especial, a Rede RSIS (Rede Sismográfica do Sul e do Sudeste), em operação desde 2011 pelo Observatório Nacional, conta com várias estações ao localizadas ao longo da costa sudeste, muitas delas com transmissão de dados em tempo real o que possibilita a determinação rápida de epicentros ao redor do mundo como pode ser observado no portal http://www.rsis1.on.br/. Essa base de dados continuadamente gerada desde 2011 é um fato propício para a aplicação de método de correlação de ruído ambiental, já que o método exige grande tempo de registro para ser utilizado.

A grande vantagem da tomografia de ruído em relação a convencional consiste na não necessidade a ocorrência de terremotos para a sua realização e também a obtenção de períodos menores de dispersão de velocidade de ondas de superfície. Em regiões com o Brasil, onde a atividade sísmica é considerada relativamente baixa, tais vantagens se tornam cruciais para estudos estruturais com maior resolução e confiabilidade.

Este presente trabalho visa utilizar a correlação de ruído ambiental das estações da Rede Sismográfica Brasileira para melhorar o conhecimento da estrutura crustal ao longo da costa e, dessa forma, prover um modelo tomográfico que pode servir como base para um modelo de velocidade 3D para a região. Além da velocidade de grupo das ondas de superfície, normalmente usada em trabalhos anteriores da literatura, também serão acrescentadas as velocidades de fase entre as estações, com o intuito restringir melhor as inversões.

As principais vantagens dessa metodologia é que não é necessária a ocorrência de eventos sísmicos para realizar os estudos e também a possibilidade de se amostrar períodos de menores que dez segundos que dificilmente são amostrados com análise de dispersão de velocidade de eventos. Dados nessa faixa de frequência são importantes para determinação de estruturas mais rasas como as bacias intracratônicas e as costeiras.

Por fim, tendo em vista o volume de dado sismológicos que está sendo gerado, este projeto não contribuirá somente para a auscultação sísmica brasileira (oceânica e terrestre), mas também para outras pesquisas como esforços crustais (e.g., Assumpção et al., 2017), anisotropia sísmica (Hu et al., 2017) ou função do receptor (Assumpção et al., 2013).

Apoio: Petrobras

***

Seismic Tomography of Southeast Brazil

Summary

In this work, we are performing a seismic tomography using both the correlation of environmental noise and finite frequency from P and S wave residual times at stations located in southeastern Brazil. The first method uses the cross correlation of the seismic record of two stations, it is possible to extract information about the structure between them and the main advantage of this methodology is that the occurrence of seismic events is not necessary to carry out the studies. The finite frequency method considers that the propagation velocity of a wave is sensitive to three-dimensional velocity structures that surround the seismic ray trajectory and that are volumetrically contained within the Fresnel zone, where the constructive interactions, which count for the propagation time of the wave, occur.

The theoretical incorrect treatment of the propagation of seismic waves makes us lose important information about the heterogeneity of the velocity structure inside the Earth. The results of the two methodologies are being integrated to derive new structure models for the studied region.

Objectives

This work aims to use the tomography method to improve knowledge of the crustal structure of the Southeastern region of Brazil and, in this way, to provide a tomographic model for the region that can serve as a basis for a 3D velocity model for the region. 

Specific objectives

The southeast region of Brazil is home to part of one of the most enigmatic tholeiitic basaltic lava flows ever recorded in Earth's history, which occurred 134 million ago, in the Cretaceous period. This spill preceded the separation process between the plates of Africa and South America and is observed in a large extension of the Paraná Basin, another geological structure whose origin and evolution is still uncertain and a matter of study and intense debate in the literature.

In the southeast region are also located, in its continental portion, the alkaline provinces of Alto Paranaíba and Serra do Mar, originating from the alkaline volcanism that occurred in the Cenozoic, the Serra do Mar escarpments, the São Francisco craton and, in the offshore part, the Santos and Campos Basins, for example. All these magmatic provinces and geological structures still do not have their origin and evolution well understood. Thus, the study of the physical properties of the crust and the mantle help to provide essential links for the understanding of geodynamic processes that originated and influence the evolution of such provinces and geological structures.

One of the most used methods to infer physical properties inside the Earth is seismic tomography. Seismic tomography is a technique that allows obtaining three-dimensional images of the anomalous velocity structure inside the Earth from seismic waves originating from energy released by natural or artificial sources.

The Brazilian Seismographic Network (www.rsbr.gov.br) and in special the RSIS Network (South and Southeast Seismographic Network), in operation since 2011 by the National Observatory, has several stations located along the southeast coast, many of them with real-time data transmission, which enables the rapid determination of epicenters around the world, as can be seen on the portal http://www.rsis1.on.br/. This database continuously generated since 2011 is a favorable fact for the application of the environmental noise correlation method since the method requires a great amount of recording time to be used.

The great advantage of noise tomography in relation to the conventional one is that it does not need the occurrence of earthquakes for its realization and that it obtains shorter periods of surface wave velocity dispersion. In regions like Brazil, where seismic activity is considered relatively low, such advantages become crucial for structural studies with greater resolution and reliability.

This present work aims to use the correlation of environmental noise from the stations of the Brazilian Seismographic Network to improve the knowledge of the crustal structure along the coast and, in this way, to provide a tomographic model that can serve as a basis for a 3D velocity model for the region. . In addition to the group velocity of surface waves, normally used in previous works in the literature, phase velocities between stations will also be added, to better restrict inversions.

The main advantages of this methodology are that it is not necessary for the occurrence of seismic events to carry out the studies and the possibility of sampling periods of less than ten seconds, which are rarely sampled with event velocity dispersion analysis. Data in this frequency range are important for determining shallower structures such as intracratonic and coastal basins.

Finally, given the volume of seismological data that is being generated, this project will not only contribute to the Brazilian seismic auscultation (oceanic and terrestrial), but also to other research such as crustal efforts (eg, Assumpção et al., 2017), seismic anisotropy (Hu et al., 2017) or receptor function (Assumpção et al., 2013).

Support: Petrobras

--

Equipe ON:

Sergio Luiz Fontes (lattes) - sergio@on.br

Fabio Luiz Dias (lattes) - fabioludias@gmail.com

Thiago Moeda Sant Anna (lattes) - tsantanna@on.br

Italo Maurício (lattes) - italomauricio@on.br

José Antonio Pereira (lattes) - joseantonio@on.br

Equipe USP: Carlos Alberto Moreno Chaves