Propagação de Ondas Sísmicas

Uma perturbação elástica na Terra propaga-se como ondas de corpo P e S através do interior e como ondas de Rayleigh e Love ao longo da superfície, refratando e refletindo em limites definidos pela estrutura de velocidade.

Definition

A propagação de ondas sísmicas é a transmissão de energia elástica através da Terra, governada pela equação de onda, produzindo ondas de corpo que viajam através do interior e ondas superficiais que viajam ao longo da superfície livre, cada uma refratada, refletida e atenuada de acordo com os módulos elásticos e a densidade do meio.

Scope

Este tópico abrange a equação de onda elastodinâmica e os tipos de ondas que ela suporta: ondas P de compressão, ondas S de cisalhamento e as ondas superficiais dispersivas de Rayleigh e Love. Ele trata da reflexão, refração e conversão de modo em interfaces, da lei de Snell e da teoria de raios, da formação de fases sísmicas e curvas de tempo de viagem, da atenuação e da propagação geométrica, e da dispersão de ondas superficiais. O foco está em como as propriedades elásticas do meio controlam a velocidade, o caminho e a amplitude da energia sísmica.

Core questions

• O que distingue as ondas P, S, Rayleigh e Love em velocidade, movimento e caminho?
• Como surgem a reflexão, refração e conversão de modo nas interfaces de velocidade?
• Por que as ondas superficiais são dispersivas e o que a dispersão revela sobre a estrutura?
• Como a atenuação e a propagação geométrica reduzem a amplitude da onda com a distância?

Key concepts

• Ondas de corpo compressivas (P) e de cisalhamento (S)
• Ondas superficiais de Rayleigh e Love e sua dispersão
• Lei de Snell, caminhos de raios e curvas de tempo de viagem
• Reflexão, refração e conversão de modo em interfaces
• Atenuação sísmica (Q) e propagação geométrica

Key theories

Equação de onda elástica e teoria de raios

A elastodinâmica linear produz uma equação de onda cujas soluções se separam em ondas de corpo P e S; no limite de alta frequência, sua energia segue raios obedecendo à lei de Snell, permitindo que os tempos de viagem sejam previstos a partir de um modelo de velocidade.

Dispersão de ondas superficiais

Como as ondas de Rayleigh e Love amostram a profundidade em função da frequência, os componentes de período mais longo viajam mais rápido, produzindo uma dispersão característica cuja inversão restringe o perfil de profundidade da velocidade sísmica.

Mechanisms

O estresse aplicado a um sólido elástico produz deformações volumétricas e de cisalhamento que se propagam como ondas P e S, respectivamente; em um limite onde a impedância muda, a energia se divide em ondas refletidas e transmitidas, possivelmente com conversão de modo, enquanto a superfície livre e a estratificação aprisionam energia em ondas superficiais guiadas cujas velocidades de fase e grupo dependem do período.

Clinical relevance

Compreender a propagação de ondas é essencial para localizar terremotos, prever como o tremor variará em uma região e projetar os levantamentos sísmicos usados para mapear o subsolo para estudos de água, energia e engenharia.

History

Rayleigh previu ondas superficiais em um semiespaço elástico em 1885 e Love explicou as ondas superficiais polarizadas horizontalmente em 1911; a instrumentação do século XX e a estrutura quantitativa codificada por Aki e Richards transformaram a propagação de ondas em uma ferramenta precisa para estudos de fonte e estrutura.

Key figures

• Lord Rayleigh
• Augustus Edward Hough Love
• Keiiti Aki

Seminal works

• akirichards2002
• shearer2009
• steinwysession2003

Frequently asked questions

Por que as ondas P sempre chegam antes das ondas S?

As ondas P são compressivas e viajam mais rápido do que as ondas S de cisalhamento no mesmo material, então elas chegam primeiro a um sismômetro; a lacuna crescente entre as chegadas de P e S com a distância é usada para estimar a que distância ocorreu um terremoto.

Por que as ondas superficiais são geralmente as mais destrutivas?

As ondas superficiais são confinadas perto da superfície, então sua energia se espalha em duas dimensões em vez de três e atenua mais lentamente com a distância; combinado com seus longos períodos, isso geralmente as torna as chegadas de maior amplitude no solo.