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Sismologia Bsica

Aula Introduo Geral Prof. George Sand Frana Observatrio Sismolgico - UnB

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DisciplinaIGD - Instituto de Geocincias Cdigo: 112992 Denominao: Sismologia Bsica Pr-req: IGD-112372 Geofsica Geral OU IGD-112461 Geofsica Bsica OU IGD-112968 Introduo Geofsica Ementa: CONCEITOS BSICOS DE PROPAGAO DE ONDAS ELSTICAS APLICADOS AO ESTUDO DA TERRA SLIDA (COM NFASE NA LISTOFERA DE SISMOMETRIA DE PONTES SISMICAS (QUANTIFICAO E MECANISMO FOCAL) SISMICIDADE E TECTNICA GLOBAL, DA SISMOCIDADE INDUZIDA E ENGENHARIA SSMICA.2

Programa(1) SISMOLOGIA (i) Histria; (ii) Definies e; (iii) Conceitos Bsicos. (2) ONDAS SSMICAS (i) Tipos de Ondas Elsticas; (ii) Fatores que Influenciam na Gerao e Propagao de Ondas Elsticas e o Reconhecimento do Sinal Ssmico; (3) Sismologia e Ssmico de Reflexo e Refrao Aplicados ao Estudo da Litosfera. (4) SISMOMETRIA (i) Equipamentos Sismogrficos; (ii) Funcionamento e Calibrao. (5) Aquisio e Noes de Processamento do Sinal Ssmico.Interpretao dos Sismogramas. (6) ESTRUTURA INTERNA DA TERRA (i) Estrutura de Velocidade da Terra com nfase na Crosta.3

Programa(7) Identificao de Fases de um Sinal Ssmico (Fases Crustais, Regionais e Telesssmicas). (8) FONTES DE TERREMOTOS (i) Classificao e Parmetros de Fontes(Hipocentro, Magnitude e Momento Ssmico). (9) EFEITOS DOS SISMOS (i) Parmetros de Movimento de Solo e Intensidade Ssmica (Escala de Intensidade e Estudos Macrosssmicos). (10) FSICA DO FALHAMENTO E SISMOTECTNICA (i) Mecanismos Focais; (ii) A Ambiguidade da Soluo dos Mecanismos focais e a Determinao dos Esforos Locais e Regionais. (11) SISMICIDADE GLOBAL (i) Dinmica Global; (ii) Tectnica de placas (iii) Estatstica de Terremotos e Riscos Ssmico.4

Programa(12) SISMICIDADE INTRAPLACA E BRASILEIRA (i) Distribuio dos Esforos Intraplacas e a Zonao Sismolgica do Territrio Brasileiro. (13) TERREMOTOS INDUZIDOS PELO HOMEM (i) Exploses; (ii) Injeo de Fluidos; (iii) Minerao. (14) SISMICIDADE INDUZIDA POR RESERVATRIO (SIR) (i) Conceitos Bsicos e Histrico da SIR no Brasil. (15) ENGENHARIA SSMICA E FSICA DO FALHAMENTO E SISMOTECTNICA (16) ENGENHARIA DE TERREMOTOS (i) Aplicao da Sismologia na Minerao com Exploso e Quantificao das Vibraes Produzidas por Exploses e seus Efeitos em Obras Civis5

A Ementa - SugestoIntroduo - SISMICIDADE E TECTNICA GLOBAL. CONCEITOS BSICOS DE PROPAGAO DE ONDAS ELSTICAS APLICADOS Sismologia Bsica (Determinao de terremoto, hipocentro, magnitude e mecanismo focal) Estudos da litosfera (Funo do Receptor e Ondas superficiais) Anisotropia crustal e mantlica. SISMOCIDADE INDUZIDA E ENGENHARIA SSMICA. Sismometria?? (vai d tempo?)

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Objetivos e metodologiaObjetivos: Capacitar o estudante para entender o princpio fsico e a metodologia das ferramentas da sismologia usadas e sua aplicao em estudos geotectnicos e geotcnicos. Mostrar a efetividade dos mtodos sismolgicos no estudo das caractersticas fsicas do planeta Terra, de suas estruturas interna e crustal, bem como na confirmao da Tectnica de Placas. Metodologia: Aulas tericas expositivas. Aulas prticas envolvendo exerccios para fixao dos conceitos e aspectos tericos, e aprendizado de algumas tcnicas de tratamento e interpretao de dados.7

Prova?Atividade prtica (40 %) Exerccios (20 %) Prova 1 (20 %) Prova 2 (20 %) Referncias Introduction to Seismology, Peter M. Shearer, Cambridge University Press. An introduction to seismology,earthquakes, and earth structure, S. Stein and M. Wysession, Blackwell Publishing, 2003. Modern Global Seismology, Thorn Lay and Terry C. Wallace, Academic Press.8

Vamos comearO que sismologia?O termo sismologia derivado do grego: Logos (Logia) ----- Estudo, cincia. Seismos (Sismo) ----- balanar

Cincia jovem TeoriaAristteles (4 AC) --- Primeira explicao sobre os terremotos. Os terremotos eram vapores ou ventos do interior da terra que tentavam escapar. (Meterorolgocorum libri IV) A teoria de Aristteles permaneceu at sculo 17, entretanto algumas modificaes foram desenvolvidas, em vez de vapor, fogo, explosivo no interior da terra (acredite ou no, at mesmo Newton aceitou a idia).Lenda: Grande Serpente Segunda Lenda: A terra foi formada s 9:00 hs da manh, no dia 27 de outubro, 4004 AC aps um rigoroso calculo feito pelo Archbiship Ussher (1664)

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O progresso1600s Lei de Hooke que linearizava a relao esforo e deformao. 1760 J. Mitchell (pai da sismologia) foi o primeiro a fazer a relao entre o movimento solo com a propagao de ondas elsticas. Euler, Lagrange e Coulomb cada contribuiu para desenvolver a teoria. 1800s Surgimento da teoria sismolgica! 1827 Navier desenvolveu a equao do movimento e esse trabalho continuou com Cauchy, Poisson, Lame, Kirchhoff, Lord Kelvin 1850 Primeiro terremoto catalogado - R. Mallet. 1887 Lord Rayleigh demonstrou a existncia de uma soluo adicional as equaes elsticas de movimento para corpos com a superfcie livre, conhecida como as ondas Rayleigh. No nicio de 1900s Teoria do Rebote elstico, deriva continental (Alfred Wegener), Ondas Love (Love) 1960s teoria da Placa tectnica (H. Hess, L. Sykes, J. T. Wilson, W. Pitman) Registro tremores na Lua pela misso Apollo 1980s Criao do Incorporated Research in Seismology (IRIS)10

Video 1

Observao Sismolgica (uma cincia jovem)

Sismocpio Zhang Heng (132 AD) Por volta de 1840s, James Forbes construiu o primeiro sismmetro usando o princpio do pndulo invertido.

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Em 1890, iniciou os sismmetros REAL que so baseado em pndulos que podem produzir um registro contnuo de terremoto. Por exemplo, o primeiro registro aps 15 min do terremoto do Japo foi registrado por Philipo Cecchi em 1889 em Postdam, Alemanha. Sismgrafos normalmente consiste de duas partes. O sismmetro e registrador (digitalizador). Os sismmetros atuais so aparelhos eletromecnicos, mas que o princpio bsico alm de mensurar o movimento do solo pode ser visualizado usando um sistema fsico simples.12

Observao Sismolgica

Sismmetro de Banda Larga vs. WWSSN. O sismmetro de banda larga (broad band") tem sensibilidade instrumental para um maior intervalo de frequncia; Os de Longo perodo e perodo curto so chamados banda estreita (narrow) devido sensibilidade 1/15 s a 1 hertz respectivamente. A regio amarela o intervalo de frequncia audvel ( Nos podemos ouvir ondas entre 20 Hz a 20.000 Hz).

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Federao da Rede Sismogrfica Digital -FDSN (Federation of Digital Seismograph Networks)

BDFBPS07 RCBR SAML PTGA SPB

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Informaes sobre a ocorrncia e falhas - Centroid Moment Tensor Solutions ou Solues de Tensor de momento.

Terremotos acontecem diariamente, mas sua ocorrncia no aleatria. A maioria pode ser explicado pela teoria das placas tectnicas. Entretanto, intraplaca e terremotos profundos ainda so uma incgnita para comunidade.15

Atividade 1a) Explique como o sismocpio pode identificar a direo do evento? b) O que um sismgrafo? c) Como est a cobertura mundial de estao? Regio Carente de estao e de acordo com o slide 14, qual o pas que proporcionalmente tem mais estao?

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Porque devemos entender as ondas ssmicas

Sismologia o estudo da gerao, propagao e registro das ondas ssmicas. at hoje o meio mais eficaz para descobrir a estrutura interna da terra.

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Sismograma= fonte*impulso*resposta do meio *receptor

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Marcos para o estudo sismolgicos 1 de Novembro de 1755 Terremoto de Lisboa 70.000 mortes

18 de Abril de 1906, Terremoto de San Francisco (Ms 7.7-7.9). 3.000 mortes (fogo e terremotos)

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Terremoto de Bam no ra em 2003

Terremoto de 6.7 Mw 26/12/2003,mais 30.000 mortes 2/3 da casas de Bam (620 km SE de Teer foram destrudas) Questes que permanecem:

(1) Previso de terremotos? (2) O porqu dessa grande devastao se consideramos um terremoto moderado para os pases como Japo e USA.20

Dezembro de 2004, terremoto de Sumatra 227.898 mortes

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Mecanismo de fonte e terremotos histricos22

Magnitude 7.0 - HAITI 12 de Janeiro de 2010 12 21:53:09 UTC

Antes e depois do terremoto Palcio Presidencial em PortoPrncipe, Haiti

fonte:iris

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Magnitude 7.0 HAITIO terremoto ocorreu cerca de 15 km da parte oeste da capital Porto Principe.

Tera, 12 de Janeiro de 2010 s 21:53:09 UTC

USGS Shaking Intensity Extreme Violento Severo Muito Forte Forte Moderado Leve Fraco No Sentido Intensidade Mercalli Modificada

fonte:iris

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Magnitude 7.0 HAITI


Carel Pedre via Twitter

BBC "Milhares de pessoas podem ter morrido hoje, aps um terremoto atingir a capital do Haiti, deixando dezenas de milhares de desabrigados e enterrados sob escombros .... Milhares de pessoas se reuniram nas praas pblicas at tarde da noite, cantando hinos e chorando, com muitas pessoas gravemente feridas sentado na rua pedindo por mdicos" The Gazette, U.K.

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Magnitude 7.0 HAITIPs-abalos


USGS Ps-abalos (amarelo)

Na primeira 11 horas - 32 psabalos maiores que magnitude 4.

Google Earth 26

Magnitude 7.0 HAITI


Terremoto principal e sismicidade Esse terremoto (estrela) ocorreu limite de placa transformante entre a placa Caribenha e a placa Norte Americana. Como se espera para um terremoto transformante, a profundidade rasa cerca de 10 km. A profundidade e proximidade da capital populacional contribuiu para destruio. Esse forte terremoto foi o de maior magnitude aps 200 anos

USGS

Magnitude 7.0 HAITIHaiti ocupa a parte da oeste da ilha Hispaniola. Em extenso, movimento entre a placa caribenha e Norte americana particionada entre duas grandes limites em um sistema transcorrente O sistema Setentrional no norte do Haiti e Sistema de falha Enriquillo-Plantain Garden.

Tera, 12 de Janeiro de 2010 s 21:53:09 UTCMann

A localizao e mecanismo focal de um terremoto so consistente com o evento tem movimento de falha transcorrente. Sobre o sistema de falha Enriquillo-Plantain Garden. Esse sistema tem movimento relativo cerca de 7 mm/ano

USGS Centroid Moment Tensor

fonte:IRIS

Magnitude 7.0 HAITI


Jenda Johnson

Magnitude 8.8 COSTA DE MAULE, CHILESbado, 27 de Fevereiro de 2010 s 06:34:17 UTC

Terremoto de magnitude 8.8 a 325 quilmetros SW de Santiago, Chile e 115 quilmetros de Concepcion, (segunda maior cidade do Chile).

AP Photo/David Lillo

USGS


Este sismo ocorreu na zona de subduco da placa, em que a placa ocenica de Nazca subducta sob a placa continental Sul-americana. A estrela vermelha no mapa abaixo mostra o epicentro do terremoto, enquanto as setas mostram a direo do movimento da placa de Nazca para a Placa Sul-Americana. A localizao do terramoto o limite inicial de convergncia das duas placas em taxa de cerca de 8 cm/ano.Nazca Plate

South American Plate

UNAVCO


O mapa mostra atividade ssmica histrica perto do epicentro, de 1990 at os dias hoje. Conforme mostrado na seo transversal, tremores de terra rasos (pontos laranja) e aumentar para 300 km de profundidade (pontos azuis) para o leste como a placa de Nazca mergulha sob a Placa Sul-Americana.

A

A

USGS


Geometria da TrincheiraMapa da zona de subduco, mostrando a rea da trincheira vinculada neste exemplo. Terremoto locais do so mostrados. Retngulo indica a rea mostrada na seo transversal; todos os terremotos nesta rea podem ser utilizadas para entender a geometria trincheira.

Seo transversal da zona de subduco.

(Gavin Hayes, NEIC)


Costa do Chile tem um histrico de grandes terremotos. Desde 1973 , 13 eventos maiores que 7.0 aconteceram na regio. O terremoto do dia 27/02 aconteceu 230 km ao Norte do maior evento j registrado de magnitude de 9.5, maio de 1960.

A rea de ruptura aproximada para o terremoto de 8.8.


Embora a magnitude seja uma importante medida do tamanho de um terremoto, particularmente para meios de comunicao. o momento ssmico uma medida que representa fisicamente significativa do tamanho do terremoto. Momento ssmico proporcional ao produto do deslizamento sobre a falha e a rea da falha que desliza. Estes mapas "do deslizamento na superfcie da falha do terremoto Haitiano de 12 de Janeiro de M7.0 e terremoto Chileno de M8.8 mostra que, embora o deslizamento no Chile foi de apenas cerca de 50% maior, a rea de falha foi imensamente maior. Isso explica a liberao de energia de aproximadamente 500 vezes mais no terremoto do Chile do que no terremoto Haiti.

Chile

Haiti

Modelos de falhas finita por Gavin Hayes, USGS National Earthquake Information Center


Grandes terremotos envolvem deslocamentos sobre uma superfcie de falha que progressiva no espao e no tempo. Esse "mapa" do deslizamento de falha na superfcie do terremoto chileno mostra como a falha se deslocou - do um ponto inicial (ou foco) cerca de 35 km abaixo da superfcie da Terra. A ruptura teve uma extenso demais de 500 km ao longo da falha e, a partir da superfcie da Terra a profundidades de mais de 50 km. As maiores quantidades de ruptura ocorreu nos primeiros 60 segundos, mas deslocamentos menores continuou por at 200 segundos aps o incio do terremoto.

Modelamento de falha Finite por Gavin Hayes, UGS National Earthquake Information Center


Diagrama simplificado da falha de empurro durante um terremoto na zona de subduco. O movimento sbito ao longo da falha desloca enormes volumes de gua do mar a fonte de tsunami.

USGS O eixo de tenso (T) reflete a direo do esforo mnimo compressivo. O eixo de preso (P) reflete a direo do esforo mximo compressivo.

USGS Centroid Moment Tensor Solution


Grandes terremotos rasos em zonas de subduco podem produzir tsunamis porque estes eventos podem deslocar uma grande rea do oceano por vrios metros. Ao longo da costa do Chile, a altura do tsunami de ondas chegou 2,3 metros. Tsunamis podem ter comprimentos de onda superiores a 100 km e os perodos de dezenas de minutos. J que o comprimento de onda 20 vezes maior do que a profundidade mdia dos oceanos (4 km), um tsunami se propagar como uma onda de gua rasas" que pode se propagar atravs de uma bacia do ocenica com uma perda mnima de energia.

No oceano, um tsunami viaja a uma velocidade de mais de 700 km/h.

USGS USGS


No Hava, o alerta de tsunami alarmes soaram s 6 horas, dando aos residentes cerca de 5 horas para evacuar para terrenos mais altos ~ 11 da manh foi a chegada do tsunami.

NOAA

Slide especial


Uma grande seqncia tremor de terremoto. Um terremoto dessa magnitude certamente vem com diversas rplicas logo na primeira hora. A taxa de rplicas diminui rapidamente - a queda proporcional ao inverso do tempo do terremoto principal. Isso significa que o segundo dia tem cerca de metade do nmero de rplicas do primeiro dia do dcimo e tem cerca de 1/10 o nmero do primeiro dia. Estes padres descrevem apenas o comportamento global de rplicas, s vezes em reais, nmero e localizao das rplicas so aleatrios.

IRIS Earthquake Browser (IEB).



Modelo de Tsunami Model Earthquake Research Institute, Tokyo Terremoto de 9.5 1655 mortes Gerou tsunami e 61 mortes no Havai, Japo e Filipinas

Earthquake Research Institute, Tokyo

Atividade 2a)Qual diferena tectnica entre o terremoto do Chile, Sumatra e do Haiti? b)Por que os terremoto do Haiti deve mais vtimas que o do Chile? c)Tsunami mesma coisa que maremoto? d)Quais os locais mais propcios a gerar Tsunamis?

Previso de Terremoto?1. Previso de longo prazo vivel, com base a idias de gaps ssmico e rebote elstico.

Caso bem sucedido: Sismo de Loma Prieta.

sempre confivel? No, veja o exemplo de Parkfield. Ocorrncia anteriores: 1857,1881,1901,1922,1934,1966, esperava-se outro antes de 1993, mas venho acontece em 1994.

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A viabilidade da previso de curto prazo muito difcil! Houve sucesso?

Sim, os exemplos1. 1975 M 7.4 Terremoto de Haicheng 2. 1980 Erupo do Monte Santa Hellen

Indcios;

(1) Microsismicidade (2) Nvel de emisso de gs - Rodnio (3) Nvel de gua (4) Razo de Poisson (5) Comportamento Animal

MAS, nenhum verdadeiramente confivel!

Precisamos ainda confiar em nosso melhor amigo, ou pior inimigo para prever os terremotos?

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Usa da intensidade e sismicidade como indicador para anlise de risco ou perigo ssmico. Por exemplo, a periodicidade usado para prever o prximo grande evento. Lembrando: Em Parkfield no funcionou Desenvolvimento de escalas como Escala de Intensidade de Mercali Modificada (MMI) a(M,r)=b10c Mr-d

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Se no podemos prever terremotos bem, o que mais pode fazer?1. Estabelecer treinos deevacuaes de terremoto e sistemas de alerta. 2. Receba em tempo real alerta de Tsunami no local 3. Construir melhores casas!

Lema: Terremotos no matam pessoas, e sim os edifcios, fogos que so os verdadeiros viles!48

Podemos aprender mais sobre terremotos a partir de outros aspectos, tais como Fonte mecanismos, Periodicidade vs MagnitudeSoluo de Momento tensor para os ltimos 15 anos.

Podemos usar a representao doublecouple para fontes de terremotos.

Podemos busca a recorrncia de sismo com relao escala (p.e. Guttenberg-Richter) e aprender o padro de recorrncia de Terremotos

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Estatstica Mundial

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Monitoramento e verificao do tratado de testes Nucleares

(1960)Tratado de Teste Nucleares: Proibio de teste na atmosfera, oceano, espao - WWSSN concretizada (1976) Tratado de Testes limite de carga: < 150 KT de TNT CTBT: 1996, Proibio Completa Hoje: Mistrio51

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Muito dos terremotos no so simples, mas os seus mecanismos pode auxiliar no conhecimento sobre os processos dinmicos em subsuperfcies

Nesse exemplo, fonte doublecouple no adequada para representa essa fonte. Ento mais um sistema complexo tem que ser usado para estudar regies em particular.

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Atividade 3a) Previso terremoto, explique porque to difcil prever terremoto? b) O slide 52 mostra o grfico mostrando como descriminar um terremoto de uma exploso. Busque critrios que voc varia para descriminar os terremotos. Explique o grfico.

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Outros usos da sismologia: Anlise Estrutural1.Ssmica Rasa (falhas, depsitos de leo ou mineral)

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Existe uma grande conexo entre os estudos de ssmica rasa e estrutura global.

Deteo da Discontinuidade de Lehmann (220-km) Deteo Clara (Gu et al., 2001)56

Diferentes Tipos de ondas

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Anlise estrutural

Porqu as ondas ssmicas so importantes para estudar a estrutura profunda da terra?

No podemos VER o interior da Terra com o nosso prprio olhos e as ondas ssmicas so o nico meio para tentar entender o que temos no interior da terra.

E geoqumica, fsica mineral, geologia, eletromag?

Resposta: Falta de dados, baixa sensibilidade profunda e cobertura de dados.59

1909, Mohorovii descobriu a Moho

Grande eventos que determinaram a estrutura de anlise.

1913, Gutenberg determinou o ncleo para 2900 km 1936, Lehmann descobriu o ncleo interno. Incio dos 90, Lay e colaboradores descobriram a camada D

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Questes importantes, em discusso:

Super Rotao?Sung and Richard Su and Dziewonski, 1995

PKJKP?Duess and Woodhouse, 2001

Ncleo interno mais interno ainda?Ishii and Dziewonski, 2002

http://www.ldeo.columbia.edu/~richards/Jefflec.htm l

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O que f(x,y)? Aplicao mdica

Tomografia ssmica tem o mesmo principio

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Escolha da regio e o tipo de dado.Feng et al., 2004

Um caminhos com cobertura densa minimiza a quantidade necessrias de informaes a priori Certo tipo de dados pode trazer bons resultados.64

O que isso significa? Anomalia de Temperatura

Feng et al., 2004,JGR. (Velocidade da onda S)

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Jornada para parte intermediria da terra, Parte I: Litosfera continental

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Jornada para parte intermediria da terra, Parte II: Zonas de Subduco

Replumaz, EPSL, 200467

reas vermelhas representam a regio com temperatura maior do que a mdia para o Manto e reas azuis representam temperaturas menores (fria), zona de subduco com mergulho rpido Plumas e Zonas de subduco, Onde elas comeam e onde que acaba?

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Plumas alcana a superfcie terrestre? Plumas profundas - manto

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Complicaes1. Presena

de heterogeneidades (soluo: Comparao ente as velocidades da onda P e da S) 2. Variaes nos limites 3. Anisotropia Ssmica 4. Efeito da presena de poros, gua, fuso etc 5. Ausncia de dados, cobertura e resoluo.70

Shear Wave Splitting (Diviso da Onda S)

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Sensibilidade da onda Ssmica Off-ray

Um boa quantidade de raios no interior da Terra e, portanto, precisamos um pouco de raios para ter um problema de tomografia bemcondicionada ou vinculada.

Dahlen, GJI, 200272

Como podemos melhorar? Teoria espectral!

antes

hoje

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Antes

Depois

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Melhorando as observaes

O primeiro Arranjo Sismogrfico Americano (USArray) foi atravs de um arranjo de telemetria de 400 sismmetros de Banda Larga com transmisso de dados em tempo real e com caracterstica densa com estaes espaada a ~70 km e uma abertura de ~1.400 km. O arranjo registra terremotos locais, regionais e telesismos, fornecendo uma resoluo para estrutura da crosta e manto de dezenas de quilmetros e aumentando tambm a resoluo do manto inferior e do limite manto-ncleo. O arranjo iria correr todo o pas com 18 a 24 meses para cada local. Comeou em 2001. E o Brasil? Pensamento errado?

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Brasil?

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O futuro da sismologia global!

Adicionando sismmetros no oceano (OBS) para melhorar a cobertura nas regies ocenicas (que no se limita a aumentar a resoluo em dados dos oceanos, mas muitos outros lugares tambm!)

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Concluses

Ondas ssmicas nos dar informaes sobre fontes e o meio que est percorrendo. parte vital do conhecimento da dinmica de toda cincia da terra. Em muitos casos, consideramos ondas ssmicas como OS DADOS para outras disciplinas. Este curso ir cobrir uma variedade de tpicos, com um claro foco sobre o "estado-da-arte" dos mtodos ssmicos. Muitos problemas em geofsica mundial ainda esto em discusso e no tarde para fazer parte ainda da vanguarda da sismologia regional ou global.79

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WWW.iriS.eDu/hq/LrSPS/

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Atividade 4

O que anisotropia? Como sabemos que existe um corpo anmalo? Qual ser o problema no futuro para Sismologia?

Ufa terminamos por hoje!!! 4 horas de aula !

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