Tomografía sísmica y estructura de la Tierra

Mediante la inversión de los tiempos de viaje y las formas de onda de las ondas sísmicas, los sismólogos construyen imágenes tridimensionales del interior de la Tierra, revelando la corteza, el manto y el núcleo, así como las anomalías de velocidad que mapean la convección y la tectónica.

Definition

La tomografía sísmica es la metodología de problema inverso que reconstruye imágenes tridimensionales de la velocidad sísmica dentro de la Tierra a partir de grandes conjuntos de mediciones de tiempo de viaje y forma de onda, y junto con los modelos de referencia unidimensionales define nuestro conocimiento de la estructura interna de la Tierra.

Scope

Este tema abarca la determinación de la estructura interna de la Tierra a partir de observaciones sísmicas: el descubrimiento de los principales límites (Moho, límite núcleo-manto, núcleo interno), los modelos de referencia de la Tierra y la inversión tomográfica de datos de tiempo de viaje y forma de onda para variaciones de velocidad tridimensionales. Trata la tomografía de ondas de cuerpo y de ondas superficiales, la resolución y la regularización de problemas inversos mal planteados, y la interpretación de las anomalías de velocidad en términos de temperatura, composición y flujo. El énfasis está en la obtención de imágenes del interior más que en la fuente.

Core questions

• ¿Cómo se descubrieron sísmicamente los principales límites internos de la Tierra?
• ¿Cómo se invierten los tiempos de viaje y las formas de onda para la estructura de velocidad tridimensional?
• ¿Qué limita la resolución de las imágenes tomográficas y cómo se estabiliza la inversión?
• ¿Cómo se interpretan las anomalías de velocidad en términos de temperatura, composición y flujo?

Key concepts

• Modelos de referencia de la Tierra y estructura de velocidad radial
• Discontinuidad de Mohorovicic, límite núcleo-manto y núcleo interno
• Tomografía de ondas de cuerpo y de ondas superficiales
• Problemas inversos, regularización y resolución
• Anomalías de velocidad como indicadores de temperatura y composición

Key theories

Modelo de referencia de la Tierra en capas

Décadas de datos de tiempo de viaje se sintetizaron en modelos de referencia esféricamente simétricos, como el PREM, que especifican la velocidad, la densidad y la atenuación en función de la profundidad, proporcionando la línea de base contra la cual se miden las anomalías tridimensionales.

Inversión tomográfica

La tomografía sísmica trata la obtención de imágenes como un problema inverso linealizado, relacionando las perturbaciones en los tiempos de viaje u ondas observados con las perturbaciones en la velocidad a lo largo de las trayectorias de los rayos o los núcleos de sensibilidad, y resolviendo el sistema regularizado para recuperar la estructura tridimensional.

Mechanisms

La velocidad sísmica depende de los módulos elásticos y la densidad de la roca, que varían con la temperatura, la composición, la fase y la presencia de material fundido o fluidos; el material frío y denso es generalmente rápido y el material caliente o parcialmente fundido es lento, por lo que una imagen de velocidad invertida a partir de muchos trayectos de rayos cruzados se convierte en un mapa indirecto del estado térmico y composicional del interior.

Clinical relevance

Las imágenes tomográficas del manto restringen la ubicación de las losas subducidas y las plumas ascendentes, vinculan el interior con los movimientos de las placas y el vulcanismo de puntos calientes, y a escalas corticales apoyan los estudios de riesgos y recursos; los modelos de referencia anclan la ubicación de los terremotos en todo el mundo.

History

Mohorovicic identificó el límite corteza-manto en 1909, Gutenberg localizó el límite núcleo-manto y Lehmann descubrió el núcleo interno en 1936; el Modelo Preliminar de Referencia de la Tierra de 1981 y el auge de la tomografía computacional en la década de 1980 abrieron la era de la obtención de imágenes tridimensionales de la Tierra profunda.

Key figures

• Inge Lehmann
• Andrija Mohorovicic
• Adam Dziewonski
• Don Anderson

Seminal works

• dziewonski1981
• nolet2008
• lehmann1936

Frequently asked questions

¿En qué se parece la tomografía sísmica a una tomografía computarizada médica?

Ambas reconstruyen una imagen interna a partir de muchas mediciones realizadas a lo largo de trayectorias que cruzan el cuerpo en diferentes direcciones; en la tomografía sísmica, los rayos son ondas sísmicas y la cantidad que se representa es la velocidad de la onda, que varía con la temperatura y la composición de la roca.

¿Cómo sabemos que la Tierra tiene un núcleo interno sólido?

Inge Lehmann descubrió en 1936 que ciertas ondas sísmicas que llegaban al lado opuesto de la Tierra solo podían explicarse si el núcleo externo líquido rodeaba un núcleo interno sólido distinto que refractaba las ondas de manera diferente, una estructura confirmada desde entonces por muchas otras observaciones.