Tomografia Sísmica e Estrutura da Terra

Ao inverter os tempos de trânsito e as formas de onda das ondas sísmicas, os sismólogos constroem imagens tridimensionais do interior da Terra, revelando a crosta, o manto e o núcleo, bem como as anomalias de velocidade que mapeiam a convecção e a tectónica.

Definition

A tomografia sísmica é a metodologia de problema inverso que reconstrói imagens tridimensionais da velocidade sísmica dentro da Terra a partir de grandes conjuntos de medições de tempo de trânsito e forma de onda, e, juntamente com modelos de referência unidimensionais, define o nosso conhecimento da estrutura interna da Terra.

Scope

Este tópico abrange a determinação da estrutura interna da Terra a partir de observações sísmicas: a descoberta das principais fronteiras (Moho, fronteira núcleo-manto, núcleo interno), modelos de referência da Terra e a inversão tomográfica de dados de tempo de trânsito e forma de onda para variações de velocidade tridimensionais. Aborda a tomografia de ondas de corpo e de ondas de superfície, a resolução e a regularização de problemas inversos mal-postos, e a interpretação de anomalias de velocidade em termos de temperatura, composição e fluxo. A ênfase é na imagem do interior, e não na fonte.

Core questions

• Como foram descobertas sismicamente as principais fronteiras internas da Terra?
• Como são invertidos os tempos de trânsito e as formas de onda para a estrutura de velocidade tridimensional?
• O que limita a resolução das imagens tomográficas e como a inversão é estabilizada?
• Como as anomalias de velocidade são interpretadas em termos de temperatura, composição e fluxo?

Key concepts

• Modelos de referência da Terra e estrutura de velocidade radial
• Descontinuidade de Mohorovicic, fronteira núcleo-manto e núcleo interno
• Tomografia de ondas de corpo e de ondas de superfície
• Problemas inversos, regularização e resolução
• Anomalias de velocidade como proxies para temperatura e composição

Key theories

Modelo de referência da Terra em camadas

Décadas de dados de tempo de trânsito foram sintetizadas em modelos de referência esfericamente simétricos, como o PREM, que especificam a velocidade, densidade e atenuação como funções da profundidade, fornecendo a linha de base contra a qual as anomalias tridimensionais são medidas.

Inversão tomográfica

A tomografia sísmica trata a imagem como um problema inverso linearizado, relacionando perturbações nos tempos de trânsito ou formas de onda observados a perturbações na velocidade ao longo dos caminhos dos raios ou kernels de sensibilidade, e resolvendo o sistema regularizado para recuperar a estrutura tridimensional.

Mechanisms

A velocidade sísmica depende dos módulos elásticos e da densidade da rocha, que variam com a temperatura, composição, fase e a presença de fusão ou fluidos; material frio e denso é geralmente rápido e material quente ou parcialmente fundido é lento, de modo que uma imagem de velocidade invertida a partir de muitos caminhos de raios cruzados torna-se um mapa proxy do estado térmico e composicional do interior.

Clinical relevance

Imagens tomográficas do manto restringem a localização de placas subduzidas e plumas ascendentes, ligam o interior aos movimentos das placas e ao vulcanismo de pontos quentes, e em escalas crustais apoiam estudos de perigos e recursos; modelos de referência ancoram a localização de terramotos em todo o mundo.

History

Mohorovicic identificou a fronteira crosta-manto em 1909, Gutenberg localizou a fronteira núcleo-manto, e Lehmann descobriu o núcleo interno em 1936; o Modelo Preliminar de Referência da Terra de 1981 e o surgimento da tomografia computacional na década de 1980 abriram a era da imagem tridimensional da Terra profunda.

Key figures

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

Seminal works

• dziewonski1981
• nolet2008
• lehmann1936

Frequently asked questions

Como a tomografia sísmica é semelhante a uma tomografia computadorizada médica?

Ambas reconstroem uma imagem interna a partir de muitas medições feitas ao longo de caminhos que atravessam o corpo em diferentes direções; na tomografia sísmica, os raios são ondas sísmicas e a quantidade imageada é a velocidade da onda, que varia com a temperatura e composição da rocha.

Como sabemos que a Terra tem um núcleo interno sólido?

Inge Lehmann descobriu em 1936 que certas ondas sísmicas que atingiam o lado oposto da Terra só poderiam ser explicadas se o núcleo externo líquido envolvesse um núcleo interno sólido distinto que refratasse as ondas de forma diferente, uma estrutura desde então confirmada por muitas outras observações.