Universidade de São Paulo Instituto de Física de São Carlos - IFSC. FFI0210 Acústica Física. Ondas Sísmicas. Prof. Dr.

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Sebastião Teves Vilaverde
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1 Universidade de São Paulo Instituto de Física de São Carlos - IFSC FFI0210 Acústica Física Ondas Sísmicas Prof. Dr. José Pedro Donoso

2 Agradescimentos O docente da disciplina, Jose Pedro Donoso, gostaria de expressar o seu agradecimento as editoras LTC (livros Tecnicos e Científicos) e Cengage Learning pelo acesso às figuras dos livros textos: Fisica de Tipler & Mosca e Fundamentos de Física de Halliday, Resnick e Walker (LTC) e Principios de Física de Serway & Jewett (Cengage Learning).

3 Estrutura interna da Terra Crosta (crust) Manto (mantle) Núcleo externo (outer core) Núcleo interno (inner core) Tarbuck & Lutgens Earth Science Prentice Hall, 1997

fluido viscoso. No manto inferior a rocha é mais densa por causa das grandes pressões.

4 Interior da Terra A crosta continental é composta de granito e basalto. O manto, que representa 85% do volume da Terra, consiste de rocha sólida muito quente que se comporta como um fluido viscoso. No manto inferior a rocha é mais densa por causa das grandes pressões. O núcleo, de níquel e ferro, consiste de uma camada externa fluida e um núcleo interno sólido. Planeta Terra. Coleção Ciência & Natureza Time & Life / Abril Livros, 1996

Essa descontinuidade (Mohorovicic, 1909) indica uma mudança na densidade

5 Ondas sísmicas Os estudos revelaram uma região de 15 a 50 km de profundidade na qual as ondas ficam mais lentas. Essa descontinuidade (Mohorovicic, 1909) indica uma mudança na densidade e marca a separação crostra e manto. Coleção Ciência & Natureza, Planeta Terra (Time Life & Abril 1996)

6 Densidade da Terra Limites visíveis: 1 - núcleo sólido interno, 2 - núcleo externo semilíquido 3 manto sólido Ref: Halliday, Resnick, Walker, Fundamentos de Física

7 Estudando o interior da Terra: a técnica de tomografia sísmica permite obter uma visão 3D da densidade no interior da Terra Planeta Terra. Coleção Ciência & Natureza Time & Life / Abril Livros, 1996

8 Ondas sísmicas Os sismógrafos permitiram aos geólogos identificar tipos de ondas sísmicas. As primeiras a chegar são as ondas de compressão (ondas P), que comprimem elásticamente as rochas. Depois chegam as ondas secundárias (ondas S), ondas de cisalhamento, que se movem para cima e para baixo. Coleção Ciência & Natureza, Planeta Terra (Time Life & Abril 1996)

9 Coleção Ciência & Natureza, Planeta Terra (Time Life & Abril 1996)

10 Coleção Ciência & Natureza, Planeta Terra (Time Life & Abril 1996)

11 Intervalo entre as ondas P e S A diferença de tempo entre a chegada das ondas P e S aumenta com a distância ao foco. Para encontrar o foco de um terremoto se utiliza a fórmula de Omori: R = Kt K = 6.7 km/s R : distância do sismógrafo até o epicentro t = tempo S P (do sismógrafo) Coleção Ciência & Natureza, Planeta Terra (Time Life & Abril 1996)

12 Os instrumentos de registro conhecidos como sismógrafos permitiram aos geologos identificar os tipos básicos de onda sísmica. Coleção Ciência & Natureza, Planeta Terra (Time Life & Abril 1996)

Sismógrafos Os sismógrafos consistem de duas

13 Sismógrafos Os sismógrafos consistem de duas partes, uma rígida fixa a Terra e um elemento livre de movimentarse. (a) aparelho de Chang Heng, China, de 136 A.C. (b) Aparelho italiano (1731) sensível aos movimentos horizontais e verticais J.H. Painter, Geology Today (CRM Books, 1973)

Sismógrafo chinés (132 d.c.) Indicava a direção de um terremoto pela liberação de uma bola de bronze que caia da boca de um dragão na boca de um sapo situado embaixo.

14 Sismógrafo chinés (132 d.c.) Indicava a direção de um terremoto pela liberação de uma bola de bronze que caia da boca de um dragão na boca de um sapo situado embaixo. Dentro dele, um pêndulo invertido inclinavase quando a Terra tremia, caindo num dos oito canais voltados para diferentes direções. Ao mover-se, puxava um gatilho que abria a mandíbula do dragão e expelia a bola. Coleção História em Revista, Impérios em Ascenção (Time Life, 1990)

15 Relação distância (ao epicentro) e intervalo de tempo S - P A.E. Kehew, Geology (Prentice Hall, 1995)

16 Determinação da magnitude (Escala Richter) A magnitude é obtida do nomograma, a partir do intervalo de tempo S-P e a intensidade do sinal registrado no sismógrafo. A.E. Kehew, Geology (Prentice Hall, 1995)

17 Sinal registrado num sismógrafo (seismogram) Registro realizado em Cambridge, MA, em 29 dezembro 1939, de um terremoto com epicentro em Erzincam (Turquia). O intervalo de tempo P S, de 10 min e 45 seg, indica a distância entre a estação e o epicentro, a 9700 km de distância. P.H. Rahn, Engineering Geology (Elsevier, 1986)

18 Tempo vs distância ondas S e P Velocidades: Ondas S : 7.3 km/s Ondas P : 13.7 km/s P.H. Rahn Engineering Geology (Elsevier, 1986)

19 Diagrama nemônico para a determinação da magnitude de um terremoto P.H. Rahn Engineering Geology (Elsevier, 1986)

20 Diagrama nemônico para a determinação da magnitude de um terremoto P.H. Rahn Engineering Geology (Elsevier, 1986) Exemplo: se a amplitude a onda registrada no sismógrafo for 23 mm, e a diferença da chegada das ondas S e P for 24 segundos, a magnitude do terremoto é 5.

21 Linhas isócronas Marcam o momento em que uma onda sísmica atinge um determinado ponto. No centro dos círculos concêntricos isócronos, esta o epicentro do terremoto. Coleção Ciência & Natureza, Planeta Terra (Time Life & Abril 1996)

A mudança abrupta das propriedades físicas na fronteira manto núcleo da Terra entorta a trajetória das ondas P Por causa da refração das ondas sísmicas,

22 A mudança abrupta das propriedades físicas na fronteira manto núcleo da Terra entorta a trajetória das ondas P Por causa da refração das ondas sísmicas, existe uma zona de sombra (entre 105 o e 140 o ) na qual não chegam ondas seguindo uma trajetória direta. Tarbuck & Lutgens, Earth Science (Prentice Hall, 1997)

Corte tranversal da Terra mostrando as trajetórias das ondas produzidas por um terremoto. Apenas a ondas P podem se propagar no núcleo líquido. As ondas S não entram no núcleo.

23 Corte tranversal da Terra mostrando as trajetórias das ondas produzidas por um terremoto. Apenas a ondas P podem se propagar no núcleo líquido. As ondas S não entram no núcleo. Por causa da refração das ondas sísmicas, existe uma zona de sombra (entre 105 o e 140 o ) na qual não chegam ondas seguindo uma trajetória direta. Serway e Jewett Princípios da Física (Cengage Learning, 2004)

24 Onda sísmica Velocidade da onda sísmica em função da profundidade. A figura mostra como a estrutura interior da Terra afeta as trajetória das ondas. J.H. Painter, Geology Today (CRM Books, 1973)

25 Registro de um sismógrafo mostrando a chegada de ondas P e S geradas por um terremoto. Neste registro, o intervalo de tempo P S é 5 segundos. Tarbuck e Lutgens, Earth Science (Prentice Hall, 1997)

Exemplo da determinação do epicentro de um terremoto (Garland, Introduction to Geophysics) Formula de Omori Distância entre a estação e o foco R ( 6.

26 Exemplo da determinação do epicentro de um terremoto (Garland, Introduction to Geophysics) Formula de Omori Distância entre a estação e o foco R ( 6.7km s) t = / Estação Nemuro Mizusawa t (P-S) 368 s 402 s R 2465 km 2693 km t é a diferença de tempo entre a chegada das ondas P e S New Dehli 621 s 4160 km

27 Nemuro Mizusawa New Dehli

28 Latitude: 55 º Epicentro: Longitude: 114 º Russia, perto da fronteira com a Mongolia, a 400 km oeste do Lago Baikal

29 Terremoto de magnitude 6.6 na área de Northridge, Los Angeles, atribuido a uma falha (ruptura) a 14 km de profundidade. O terremoto, de 40 segundos de duração, afetou a Golden State Freeway e a Santa Monica Freeway. Tarbuck & Lutgens Earth Science (Prentice Hall, 1997)

30 Northridge Los Angeles, 1994 Colapso de uma freeway por causa do terremoto. E.A. Keller, Environmental Geology (Prentice Hall, 2011)

31 Northridge Los Angeles, 1994 O terremoto foi iniciado por uma ruptura rochosa a 18 km de profundidade. A propagação da falha provocou uma elevação de 38 cm na cadeia montanhosa de Santa Susana. E.A. Keller Environmental Geology (Prentice Hall, 2011)

32 Northridge, Los Angeles, 1994 E.A. Keller Environmental Geology (Prentice Hall, 2011) Sismogramas de diferentes estações localizadas de 38 km a 356 km. Observe as diferentes tempos S - P

Cidade de Mexico, 1985 O terremoto (8.1 na escala de Richter) aconteceu na costa oeste de Mexico. Perto da costa, o tremor de terra causou poucos danos.

33 Cidade de Mexico, 1985 O terremoto (8.1 na escala de Richter) aconteceu na costa oeste de Mexico. Perto da costa, o tremor de terra causou poucos danos. A medida que as ondas sísmicas foram para o interior, o solo tremeu ainda menos. Mais, na Cidade de Mexico, a 400 km de distância, causou grandes danos. Halliday, Resnick, Walker Fundamentos da Física (Editora LTC, 2009) Ela foi construida sobre o leito de um lago antigo, onde o solo ainda é úmido e macio. As amplitudes da aceleração no solo macio chegaram a 0.2g, e a frequencia angular se concentrou em torno de ω = 3 rad/s (0.5 Hz). Muitos edifícios com frequências de ressonância dessa ordem desabaram. Edifícios mais baixos (com ω 0 maiores) ou mais altos (ω 0 menores) permaneceram de pé.

34 Tarbuck & Lutgens, Earth Science (Prentice Hall, 1997)

89), de magnitude 7.1. O epicentro foi localizado na falha de San Andreas.

35 Amplificação das ondas sísmicas Este efeito de amplificação apareceu no terremoto de Loma Prieta, San Francisco (1989), de magnitude 7.1. O epicentro foi localizado na falha de San Andreas. A amplificação das ondas sismicas provocou a queda de uma via elevada E.A. Keller, Environmental Geology

36 Terremoto no Chile

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