June 04 Hédison K. Sato

GEO046Geofísica

Aula no 01INTRODUÇÃO SISMOLOGIA

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Dados da Disciplina

Hédison Kiuity Sato (sato@cpgg.ufba.br)Créditos: 03.01.00 UC Carga horária: 45.30.00Pré-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.

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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

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.

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O que é a geofísica?

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?

Do "Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics”, de Robert E. SheriffGeofísica:

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: ⌧(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,

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O que é a 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.

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.

11O 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.

GeofísicoÉ aquele que estudas as propriedades físicas da Terra ou aplica as medidas físicas em problemas geológicos.Um especialista em geofísica.

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LLPE/∆

=

φµ P

LLP =

∆=

/

LLDD

//

∆∆

=σ

VVPk

/∆=

Propriedades elásticas

Módulo de Young

Razão de Poisson

Módulo de cisalhamento

Módulo volumétrico

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Ondas elásticas

Ondas longitudinais, com-pressionais, primárias (P).

( )( )( )ρσσ

σρµ

2111

3/4

−+−=

+=

E

kvP

( )ρσρµ

+==

12EvS

Ondas transversais, cisa-lhantes, secundárias (S).

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Lei de Snell

22

111

sensen

sensensen

S

S

P

P

S

S

P

P

P

P

vr

vr

vR

vR

vi

==

==

Onda P incidenteRefletem e transmitem ondas dos tipos P e S.

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Lei de Snell

22

111

sensen

sensensen

S

S

P

P

S

S

P

P

S

S

vr

vr

vR

vR

vi

==

==

Onda S incidenteRefletem e transmitem ondas dos tipos P e S.

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Lei de Snell

211

sensensenS

S

S

S

S

S

vr

vR

vi

==

Onda S incidenteReflete e transmite ondas do tipo S.

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Velocidades vP: exemplos

Tipo de rocha vP (m/s) Tipo de rocha vP (m/s)

Ar 330 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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Distribuição das velocidades

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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

3

2

2

2

2

1

1

1

sensen

sensen

vf

vi

vf

vi

=

=

Nas interfaces A e B,

2211 sensen irfrq ==

Na geometria dos raio,

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Propagação de ondas

)(constante pv

irv

frv

irv

frv

ir

==

==

==

sen

sensen

sensen

3

22

2

22

2

11

1

11

Multiplicando-se as eqs. nas interfaces A e B por r1e r2, respectivamente, pode-se escrever

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Tempo de trânsito

pv

irddT

idriPQQN

vQNdT

==∆

∆==

=

0

00

000

0

sensen)(sen

/mas

A diferença infinitesimal do tempo de trânsito de

SPSQ ttdT −=pode escrita como

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Zonas de sombra

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Condição de sombra

( )

.

0

.cos

sen

cossen

,sensen

rvdrdvri

di/drrv

drdv

irp

drdi

rpvidrdiiri

drdvp

pirpvpvir

<

<

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

=

+=

==

quando possível é só descresce, quando cresce ângulo o seja, ou

sombra), de zona (sem condição a Assim,

queescrever se-pode ,como

constante, é que eouque doConsideran

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Rápido aumento da velocidade

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 referem-se 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.

28Tempos 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

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)

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Terremoto & explosão nuclear

(Sullivan, 1998)

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Distribuição dos terremotos34

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, eprofundos quando estão além dos 300 km.

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Distribuição dos focos

Zona de Wadati-Benioff ao norte de Honshu(Japão) que mostra dois planos paralelos de concentração dos focos.

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Zona de Wadati-Benioff sob a região central do Peru que evidencia uma zona de subducçãohorizontal.

Distribuição dos focos

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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 instrumentalMS = 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

Modelagem do tsunami devido ao terremoto ocorrido no Chile em 1960.Animação feita pelo Prof. Nobuo Shuto do Disaster Control ResearchCenter da Universidade de Tohoku, Japão

http://www.geophys.washington.edu/tsunami/general/physics/characteristics.html

As elevações estão exageradas.Observar as refrações e difrações.

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Oscilação livre da Terra

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 Terra46

Oscilação livre da Terra

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Oscilação livre da Terra48

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.