Sismologia — Ciência dos Terremotos, onde, como e por quê? (1)

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Minicurso ministrado por George Sand França, durante a III Semana de Inverno de Geofísica, IMECC/Unicamp, 2012.

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Sismologia — Ciência dos Terremotos, onde, como e por quê? (1)

  1. 1. Universidade de Brasília – UNB Instituto de Geociências – IG Observatório Sismológico - IG SISMOLOGIA (Ciências doTerremotos. Onde, como e por que?) Prof. Dr. George Sand FrançaMuseu de Kobe, Japão. 2005
  2. 2. Roteiro do Curso• História• Entendendo o assunto? • Ondas de corpo. • Ondas superficiais. • Estrutura interna da Terra. • Intensidade sísmica e magnitude. • Mecanismos de falhamento. • Esforços tectônicos.• Sismicidade mundial. (Segunda hora)• Sismicidade intraplaca.• Sismicidade da America do Sul. (Terceira hora)• Sismicidade induzida. (Quarta hora)
  3. 3. Introdução Sismologia (do grego seismos = abalo) é o estudo dos terremotos,eventos artificias e dos diversos movimentos que ocorrem nasuperfície terrestre. Aristóteles (século IV ac) deu a primeira explicaçãoo deterremotos como causa de ventos e vapores que são presos aotentar escapar do interior da terra. (livro IV de“Meterorolgocorum”) A teoria de Aristóteles permaneceu até século 17, entretantoalgumas modificações foram desenvolvidas, em vez de vapor, fogo,explosivo no interior da terra (acredite ou não, até mesmo Newtonaceitou a ideia). Lendas: ● Japão – Bagre - Namuzu  China, Mongólia – Sapo  Ilhas Filipinas – Grande Serpente
  4. 4. Introdução
  5. 5. Introdução Kamchatka, Siberia, Russia, - Um deus chamado Tuli levou um trenó carregado de terra puxado por cães infestados de  pulgas: Quando os cães param para  dá aquele coçada, a terra tremeu. México, California El Diablo, fez um rasgo gigantes no chão para que ele e seus companheiros não tem que tomar oIndia - Acreditavam que caminho mais longo,oito poderosos elefantes quando queremlevantou a terra. Quando provocar o mal sobreum deles se cansava, a terra.abaixa e sacude a cabeça,causando um terremoto.
  6. 6. Até hoje! Apocalipse bíblicoSegunda Lenda: A terra foi formada às 9:00 hs da manhã, no dia 27 de outubro, 4004 AC após um rigoroso calculo feito pelo Archbiship Ussher (1664) “Fim do Mundo”- Prefeito do sul do país prepara população para este dia – Confira… YouTube-Movie
  7. 7. História! Zhang Heng, 132 DC – China  Sismoscópio Sinalizado a direção de um tremor de terra, bem como a ocorrência de agitação
  8. 8.  1556 China – 830.000 Vítimas (M 8) História!  1600s Lei de Hooke que lineariza a relação esforço e deformação.  1755 (1 de novembro) - Terremoto de Lisboa 70.000 vítimas (M 8.7) ● John Michell, (1760) - Propôs um método para determinar a origem dos terremotos. ● Sugeriu que as direções de propagação de ondas em locais diferentes devem ser representados como linha do que ser prorrogado até cruzaram. Então confirmou que o terremoto teve origem no Atlântico. (Tempo de Percurso para localizar a fonte) ● Terremotos devido vapores de água - “Subterranean Fires” (Magma)  Descrevendo as ondas elásticas  Especulou - falhas → causa.( Figura da geology.about.com/library/bl/bllisbon1755eq.htm) (Photos.com/Jupiterimages)
  9. 9. História!
  10. 10. História!● 1783 - Calabria, Itália, Primeiro comitê de investigação sísmica● Primeiro catalogo de “choques” - Van Hoff and A Perry ● Primeira escala de intensidade - P. Eagen (1828) - Depois M De Rossi, F. Forel e G. Mercalli escalas de intensidade● Primeiro mapa de isosismos - J. Noggerath (1847)● C. Lyell - Mostra que terremotos como causa de movimento vertical sobre grande areas ● Estudos - 1819 - Rann of Cutch – Terremoto na India 1822 and 1835 Chile 1855 Wairrarapa, Nova Zealândia (Falhas observadas)
  11. 11. História!● 1821-22, Equações de Elasticidade (Navier and Cauchy)● 1830 - Poisson calcula 2 tipos de onda que se propagar em um corpo sólido (onda P e S)● R. Mallet (1810-1881 ) - ● Catalogo completo e datado – ● Estimativas de velocidades sísmicas usando explosões ● Acreditava que a causa dos terremotos devido a expansão repentina de vapor de água em contato com a rocha aquecida “magma”● 1883 - G. K. Gilbert – associou terremotos com falhas!
  12. 12. História!● Lee, Jennings, Kisslinger e Kanamori – International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology, Part A-Academic Press (2002)
  13. 13. 1880-1920 ● Instrumentação Sísmica ● 1856: L. Palmieri construiu um sismoscópio que registrou o tempo do evento. ● 1875: F. Cecchi, Italy - primeiro sismômetro ● 1887: Primeiro registro de F. CecchiSismograma de Moncalieri, Itália23 Fevereiro de 1887 - USGS Filippo Cecchi
  14. 14. 1880-1920● 1880-1885 - J. Milne, J. Ewing and T. Gray– Primeiro sismógrafo● 18 de abril de 1889 – Primeiro registrodistante de um terremoto (ocorrido noJapão e registrado na Postdam, Alemanha)foi identificado por E. von Rebeur-Paschwitz.(Nature, V40, 1889.)● 1892 - John Milne liderou odesenvolvimento do primeiro sismômetroportátil - Inicia a era da SISMOLOGIAGLOBAL.● 1906 - 12 sismógrafos instalados pelomundo registra o tremor de SF.
  15. 15. 1880-1920● Ewing: Sismômetro de Pêndulohorizontal para detectar os terremotos ● Tambor circular enfumaçado – John Milne tremor local no japão 8 de março de 1881. MEM :CMG-3E:BHZ (Counts) 15000 10000 5000 Pena risca um papel 0 enfumaçado 21h44m00s 21h46m00s 21h48m00s 21h50m00s 21h52m00s 21h54m00s 21h56m00s 21h58m00s 22h00m00s 22h02m00s 11-11-04 11-11-04 11-11-04 11-11-04 11-11-04 11-11-04 11-11-04 11-11-04 11-11-04 11-11-04
  16. 16. Fatos marcantes na Sismologia ● Ondas ● Lord Rayleigh (1842-1919) – Ondas Rayleigh (1885) ● Richard Oldham (1900) – identificou as onda P, S e Rayleigh no sismograma do terremoto de Assam, India (1897) ● A E. H. Love (1863-1940) - Ondas Loves (1911)Lord Rayleigh
  17. 17. Fatos marcantes na Sismologia ● Estrutura da Terra R. Oldham (1906) – Confirmou a existência do núcleo da terra. A. Mohorovicic (1909) – A Moho (Crosta- Manto) apartir da análise de dados de terremotos a pequenas distancias (O terremoto de “Kulpa Valley” na Croácia) I. Lehman (1936) mostrou que núcleo interno sólidoA. Mohorovicic R. Oldham
  18. 18. Fatos marcantesInge Lehmann (1883-1993)● ● Núcleo líquido
  19. 19. Fatos marcantes na Sismologia H. Jeffereys (1891-1989) e K. Bullen (1906-1976)● Usando uma grande quantidade de dados, melhorando as localizações epicentrais, e assim gerando um modelo empírico da terra.● Tabela de tempo de percurso da fases de Jeffreys-Bullen (1940)● Mostrou a terra quase simetricamente esférica com poucas descontinuidades.● Mostrou o limite manto-núcleo ( Manto sólido – núcleo líquido)
  20. 20. Fatos marcantes na Sismologia Modelo develocidade para Terra deJeffreys-Bullen (1940)H. Jeffreys
  21. 21. Mecanismo dos terremotos● 1911: Teoria do Rebote elástico de Reid (deformação) – terremotos relacionados para falhas (usou os dados do terremoto de SF)● 1917: T. Shida - mostrou que através do Primeiro movimento da onda P poderia ser dividido em quadrantes separado por linhas nodais.● 1935: Richter desenvolveu a magnitude local – Baseada em dados de amplitude do sinal.● 1946: Primeiro registro de um teste nuclear por sismógrafo● Outros pioneiros na área :● Byerly, S. Nakamura, S. Kunitomi, H.Honda, M. Ishimoto e Keilis Borok● Fontes do tipo Binário simples e binários duplos ( single couple e double- couple).
  22. 22. “Vault” Sísmico – 1950Dado é armazenado em papel fotográfico.Sismômetro “Bosch-Omori”, magnificação ~ 10 X
  23. 23. Mais● 1960s teoria da Placa tectônica (H. Hess, L. Sykes, J. T. Wilson, W. Pitman)● 1961: The World-Wide Standardized Seismic Network (WWSSN) - monitorar terremoto e testes nucleares. WWSSN – foi fundamental para deriva continental e teoria da placa. WWSSN mas tarde incorporado pelo o IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology) e continua Global Seismic Network (GSN).● 1966: Keiiti Aki define o momento sísmico - medida física da magnitude de um terremoto ● Mo = Area * deslocamento médio * rigidez● 1969-72: Registro tremores na Lua pela missão “Apollo” "moonquakes" ???● 1977: Hiroo Kanamori estabeleceu escala de magnitude de momento Mw – Baseada no momento sísmico.● 1980s Criação do “Incorporated Research in Seismology (IRIS)”
  24. 24. ● 1984: Rede Sísmica Digital, GSN. Para substituir WWSSN.●1996: O IDC (International Data Center) é estabelecido em Viena e monitoramento sísmico é feito através do Sistema Internacional de Monitoramento (IMS). O IMS usa somente algumas estações da GSN.
  25. 25. FDSN (“Federation of DigitalSeismograph Networks”)
  26. 26. Introdução Esta ciência busca conhecer e determinar em que circunstânciasocorrem os sismos naturais ou artificiais assim como suas causas edistribuição sobre o globo terrestre. A sismologia é um método geofísico utilizado para estudar as camadasprofundas da Terra e compreender os mecanismos envolvidos natectônica global do nosso planeta.
  27. 27. Ondas de corpo Onda P | Onda S• São ondas sísmicas que se propagam em todas as direções na terra.• A propagação das ondas sísmicas sofre os mesmos fenômenos da propagação da luz, ou seja, a direção das ondas de corpo muda ao passar de um meio com velocidade e/ou densidade para outro com velocidade e/ou densidade diferente.
  28. 28. Ondas de corpo Onda P | Onda S c L. Braile, Purdue University
  29. 29. Ondas de corpo Onda P | Onda S
  30. 30. Ondas de corpo Onda P | Onda SExemplo da propagação da onda S L. Braile, Purdue University
  31. 31. Propagação das ondas de corpo Onda P | Onda S
  32. 32. Velocidade ondas de corpo Onda P | Onda S• Velocidade das ondas dependem das propriedadesfísicas do meio que se propagam. α=v P = √ λ+ 2μ ρ β=v S = √ μ ρ• λ e µ são denominados parâmetros de Lamé e ρ é a densidadedo meio.• λ não tem explicação física, é uma constante matemática. 2• K=λ+ μ módulo de incompressibilidade do volume. 3
  33. 33. Ondas de superfície Onda Rayleigh | Onda Love• São ondas que se propagam junto a superfície da Terra.• Terremotos rasos geram melhores ondas superficiais.• Explosões nucleares geram ondas superficiais menores e issoé um fator importante para diferenciar terremotos de explosõesnucleares.• Ondas de superfície possuem maior duração e amplitude queondas de corpo.
  34. 34. Ondas de superfície Onda Rayleigh | Onda Love
  35. 35. Ondas de superfície Onda Rayleigh | Onda Love• (LR ou R) Combinação do movimento das ondas P e Scontidas no plano vertical (Lord Raiyleigh 1887).• Ocorre próximo a superfície, seu movimento é uma elipseretrógrada (sentido anti-horário).• Pode ser registrada tanto na componente vertical como nahorizontal.• Sua amplitude decresce exponencialmente com a amplitude. L. Braile, Purdue University
  36. 36. Ondas de superfície Onda Rayleigh | Onda Love• (LQ ou Q) Corresponde a superposição das ondas S comvibrações horizontais e ocorrem quando a aumento davelocidade da onda S com a profundidade.• Polarizada horizontalmente, ou seja, só pode ser registradapela componente horizontal. L. Braile, Purdue University
  37. 37. Comparando aspropagações das ondas Onda P Onda S Onda de superfície
  38. 38. Sismo do Chile de 20/06/2003 registrado em Aquidauana-MT e Caruaru-PE.P S superfície
  39. 39. Sismo do Chile de 20/06/2003 registrado em Aquidauana-MT e Caruaru-PE.P S superfície
  40. 40. Estrutura interna da Terra Crosta | Manto | Núcleo● A análise de milhares fases permitiu a construir as curvas de tempo-distância de ondas refratadas e refletidas no interior da terra e deduzir asua estrutura principal: Crosta, manto e núcleo. (Software Seismic Wavesdo Alan Jones, Purdue University).● Um modelo de velocidade-profundidade é proposto e então calculado otempo de percurso e comparado com as observações.● Duas zonas de Baixa Velocidade no manto superior e uma zona detransição entre o núcleo interno e núcleo externo.
  41. 41. Estrutura interna da Terra Crosta | Manto | Núcleo
  42. 42. Estrutura interna da Terra Crosta | Manto | Núcleo
  43. 43. Estrutura interna da Terra Crosta | Manto | Núcleo
  44. 44. Estrutura interna da Terra Crosta | Manto | Núcleo
  45. 45. Estrutura interna da Terra Crosta | Manto | Núcleo
  46. 46. Estrutura interna da Terra
  47. 47. Intensidade Sísmica e magnitude● Intensidade sísmica é uma classificação dos efeitos que asondas sísmicas provocam em um determinado lugar.● Escala Mercalli Modificada (MM)● Mapa de isolinhas – Quanto maior a distância menor aintensidade.● Problemas: Não é uma medida real, logo está sujeita aincerteza.
  48. 48. Intensidade Sísmica e magnitude
  49. 49. Intensidade Sísmica e magnitude
  50. 50. Intensidade Sísmica e magnitude
  51. 51. Intensidade Sísmica e magnitude● Em 1935 – Charles Ritcher através da comparação de sismosformulou uma escala de sismos.● Instrumento padrão, Sismógrafo de Wood-Anderson.● Gráfico de log de A versus distância.
  52. 52. Intensidade Sísmica e magnitude• A  máxima amplitude.• A0  Para amplitude de 0,001 mm no sismograma a distânciade 100 km. (Califórnia - Wood-Anderson). M L =log A−log A0 M L =log A+2,56log R−1,67
  53. 53. Intensidade Sísmica e magnitude● No Brasil, Assumpção em 1983, denominou a escala demagnitude regional que é uma extensão da ML. Usada parasismos pequenos e moderados e é chamada de magnituderegional. (200 e 1500 km).● V  velocidade da onda P (µm/s).● R  distância em km. m R=log V+2,3log R−2,48
  54. 54. Intensidade Sísmica e magnitude• Magnitude de duração: m D =A0 +A1 log D• Magnitude de ondas de corpo (mb): m b=log( A/T )+Q(h,Δ)
  55. 55. Intensidade Sísmica e magnitude• T é o período dominante da onda medida e Q é uma funçãoempírica em função da ∆ e da profundidade.
  56. 56. Intensidade Sísmica e magnitude
  57. 57. Intensidade Sísmica e magnitude• Magnitude de ondas superficiais (Ms)M S =log( A/T )+1,66log Δ+ 3,3• A= Amplitude da onda Rayleigh (µm) registrado entre 20º e100º de distância.• T período da superfície (entre 18 e 22 s)
  58. 58. Intensidade Sísmica e magnitude• Relação entre a MS e amplitude máxima do chão (A)versus distâncias (km), tamanho da fratura (L), deslocamentomédio da fratura (D) e a energia. energia
  59. 59. Intensidade Sísmica e magnitude• Reflete melhor os tamanhos absolutos baseados noprocessos físicos que ocorrem durante a ruptura. É baseadano momento sísmico.• µ módulo de rigidez• D  deslocamento médio da falha• S  área total da superfície de ruptura M 0 =μDS 2 M W = log M 0 −6,0 3
  60. 60. Intensidade Sísmica e magnitude • Evento raso.M S =1,68 m b −4 . 82 • Momento e MSlog M 0 =1,5 M s −16,1
  61. 61. Intensidade Sísmica e magnitude• A relação entre a magnitude M e o logaritmo de N (númerosde sismos) que ocorre num dada área por unidade de tempo, édo tipo linear. log N=a+bM
  62. 62. Intensidade Sísmica e magnitude
  63. 63. Intensidade Sísmica e magnitude● Magnitude mb e MS é para onda telesísmicas (17 º < ∆ < 90º ).● Eventos profundos, não se usa M S.● Eventos locais (∆< 200 km) – M , m L D.● Eventos regionais (200 < ∆ < 1500 km) – m ,m R D , MS.
  64. 64. Intensidade Sísmica e magnitude• Gutenberg e Richter propuseram uma fórmula empírica querelaciona a energia liberada E, em ergs, com magnitude MS e mb. log E≃5,8+2,4m b ≃ 11,8+1,5 M s Desta forma, podemos analisar a quantidade de energia radiadapelo sismo, usando a relação empírica entre as magnitudes.
  65. 65. Intensidade Sísmica e magnitude Magnitude versus Energia
  66. 66. BibliografiaShearer P. - Introduction to seismologyFowler C. M. R. – The solid earthEditor: Teixeira & colaboradores - Decifrando a terra.Lay e Wallace – Modern Global seismologyUnderstand the Earth (Para entender a Terra)Lee, Jennings, Kisslinger e Kanamori – International Handbook ofEarthquake and Engineering Seismology, Part A-Academic Press (2002)

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