REFRAÇÃO SÍSMICA PROFUNDA NO SETOR SUDESTE DA PROVÍNCIA TOCANTINS

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Instituto Astronômico e Geofísico Departamento de Geofísica Dissertação de Mestrado REFRAÇÃO SÍSMICA PROFUNDA NO SETOR SUDESTE DA PROVÍNCIA TOCANTINS Fábio André Perosi Orientador: Jesus Antonio Berrocal Gomez São Paulo 2000

2 Be careful with your wish. You may get it... (Anônimo) À minha mãe, Maria, com todo carinho. À Simone e Mateus. Presentes no meu dia a dia. Sempre.

3 AGRADECIMENTOS Quero expressar o meu sincero agradecimento ao meu orientador, Prof. Dr. Jesus Antonio Berrocal Gomez, tanto pelo seu profissionalismo na orientação e coordenação nos trabalhos acadêmicos e de campo, quanto pelo otimismo e serenidade passados a cada momento do desenvolvimento deste trabalho que foram uma lição de vida. À FAPESP (Fundação de Amparo a Pesquisa de São Paulo), uma das entidades de fomento à pesquisa mais importantes do país, pelo apoio dado a este projeto específico e à continuidade do Projeto Temático, ao qual este faz parte. Agradeço a todos os Professores do IAG que me auxiliaram direta e indiretamente no desenvolvimento desta pesquisa. Aos Funcionários do IAG que por sua paciência e simpatia tornaram mais agradáveis as longas horas passadas no interior da instituição. Ao pessoal da UnB, que também estiveram presentes nos trabalhos de campo.

4 Um agradecimento especial ao grupo do IAG/USP (foto) que no trabalho de campo, se empenharam com extrema força de vontade para superar os inúmeros percalços ocorridos nesta etapa. Aos meus colegas do IAG, ao pessoal do CRUSP e aos meus amigos Instituto de Física/UFRGS que me apoiaram pessoalmente ou por durante o tempo inteiro e que transformaram os momentos difíceis em momentos mais agradáveis. E, finalmente, mas não menos importante, agradeço aos meus familiares, à minha mãe, que sempre se esforçou para me dar um boa educação e me estimulou em vários momentos, à Simone, minha adorável companheira, que esteve ao meu lado nos momentos mais duros e suportou o meu difícil humor nesses momentos e ao Mateus que ocupa o seu lugar em meu coração e é motivo das minhas alegrias mais sinceras. iii

5 SUMÁRIO DEDICATÓRIA AGRADECIMENTOS SUMÁRIO ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE TABELAS RESUMO ABSTRACT 1. INTRODUÇÃO Generalidades Objetivo Conteúdo da Dissertação 2 2. CONCEITOS BÁSICOS DO MÉTODO DE REFRAÇÃO SÍSMICA PROFUNDA Introdução Crosta, Manto, Litosfera e Astenosfera Definições de Crosta Definições de Manto Superior Litosfera e Astenosfera Teoria da Elasticidade Propagação de Ondas Ondas Planas Ondas Esféricas Teoria dos Raios Espalhamento de Ondas Refração Sísmica Profunda Tempo Reduzido Gradiente de Velocidade Camadas Inclinadas Procedimentos e Características Básicas na Interpretação Métodos de Interpretação em Refração Sísmica Aspectos Gerais ARCABOUÇO TECTÔNICO Localização e Embasamento Tectônico Seqüência Geocronológica LEVANTAMENTO DE DADOS DO EXPERIMENTO DE REFRAÇÃO SÍSMICA PROFUNDA Localização Equipe e Equipamentos Metodologia Etapa Preparatória Execução do Levantamento de Dados de RSP Posicionamento dos Pontos de Tiro e de Registro 38 i ii iv vi viii xix xi

6 5. ANÁLISE PRELIMINAR DOS DADOS Introdução Qualidade dos Dados Processamento dos Dados Padronização dos Arquivos Modelos Preliminares Interpretação e Refinamento dos Modelos Generalidades Resultados MODELAMENTO FINAL E INTERPRETAÇÃO Introdução O pacote SEIS Processamento de Dados Resultados Finais Seção Seção Seção Total Interpretação dos Resultados DISCUSSÃO E CONCLUSÕES 100 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 103 ANEXO I - Fotografias 106 ANEXO II Leituras das fases 111 v

7 INDÍCE DE FIGURAS Figura 2.1 Onda esférica se propagando 10 Figura 2.2 Raios refletidos e refratados (Lei de Snell) 13 Figura 2.3 Curva de tempos de propagação para um modelo de crosta com duas camadas 15 Figura 2.4 Modelo V-z com um acentuado gradiente de velocidade 17 Figura 2.5 Camada inclinada com tiros direto e reverso 17 Figura Exemplos de curvas caminho-tempo com tiros direto e reverso com a camada inclinada da Figura Figura 3.1 Mapa geológico simplificado da região de estudo mostrando a linha L3 de RSP 22 Figura 3.2 Regiões, sistemas e faixas de dobramentos do ciclo Brasiliano e crátons relacionados 25 Figura 3.3 Arqueano 26 Figura 3.4 Proterozóico Médio 26 Figura 3.5 Proterozóico Superior 27 Figura 3.6 Mesozóico 27 Figura 3.7 Cenozóico 28 Figura 3.8 Época Atual 28 Figura 4.1 Mapa político da região de estudo com a localização da linha L3 30 Figura 5.1 Seção Sísmica da Explosão EX31 46 Figura 5.2 Seção Sísmica da Explosão EX34 47 Figura 5.3 Seção Sísmica da Explosão EX37 48 Figura 5.4 Registro do mesmo ponto com o mesmo intervalo de tempo visualizados no SAC e no SU 50 Figura 5.5 Sismogramas dos três primeiros registros da Ex31 visualizados no programa SU 51 Figura 5.6 Os mesmos traços da Figura 5.5. visualizados no SAC. 52 Figura 5.7 Registros da mesma estação, original e filtrado, visualizados no SAC 57 Figura 5.8 Curvas caminho-tempo da Seção 1 (tiro direto) 61 Figura 5.9 Curvas caminho-tempo da Seção 1 (tiro reverso) 62 Figura 5.10 Modelo Teórico para a Seção 1 63 Figura 5.11 Modelo Teórico para a Seção 1 Tiro reverso 64 Figura 5.12 Seção Reduzida do Tiro Direto ( Seção 1) 65 Figura 5.13 Seção Reduzida do Tiro Reverso ( Seção 1) 66 Figura 6.1 a.tempos Reduzidos b. Raios Seção 1 Direto 75 Figura 6.2 Sismogramas Sintéticos Seção 1 Direto 76 Figura 6.3 a. Tempos Reduzidos b. Raios Seção 1 Direto 77 Figura 6.4 Sismogramas Sintéticos Seção 1 Direto 78 Figura 6.5 a. Tempos Reduzidos b. Raios Seção 1 Direto 79 Figura 6.6 a. Tempos Reduzidos b. Raios Seção 1 Reverso 80 Figura 6.7 Sismogramas Sintéticos Seção 1 Reverso 81 Figura 6.8 a. Tempos Reduzidos b. Raios Seção 2 Direto 83

8 Figura 6.9 Sismogramas Sintéticos Seção 2 Direto 84 Figura 6.10 a. Tempos Reduzidos b. Raios Seção Total Direto 85 Figura 6.11 Sismogramas Sintéticos Seção Total Direto 86 Figura 6.12 Ajuste do Modelo para a Seção 1 (Tiro Direto) no Prog. XMGR 89 Figura 6.13 Ajuste do Modelo para a Seção 1 (Tiro Reverso) no Prog. XMGR 90 Figura 6.14 Ajuste do Modelo para a Seção Total (Tiro Direto) no Programa XMGR 91 Figura 6.15 Seção Sísmica referente ao tiro direto da Seção 1 94 Figura 6.16 Seção Sísmica referente ao tiro direto da Seção 1 95 Figura 6.17 Seção Sísmica referente ao tiro reverso da Seção 1 96 Figura 6.18 Seção Sísmica referente ao tiro reverso da Seção 1 97 Figura 6.19 Seção Sísmica referente ao tiro direto da Seção Total 98 Figura 6.20 Seção Sísmica referente ao tiro direto da Seção Total 99 viii

9 INDÍCE DE TABELAS Tabela 4.1 Dados das explosões da linha L3. 33 Tabela 4.2 Programação dos tiros da linha L3 37 Tabela 5.1 Modelos preliminares obtidos com o programa TVEL 67 Tabela 6.1 Modelos finais para a Seção 1 88 Tabela 6.2 Modelo final para a Seção Total 93

10 RESUMO O presente trabalho de mestrado está inserido nos estudos de refração profunda do Projeto Temático Estudos Geofísicos e Modelo Tectônico dos Setores Central e Sudeste da Província Tocantins, Brasil Central. Nesses estudos foram levantadas três linhas de refração de aproximadamente 300 km de extensão, duas no setor Central da Província Tocantins e uma no setor Sudeste, que é o objeto de estudo deste trabalho. Foram utilizados 111 sismógrafos digitais SGR pertencentes ao programa PASSCAL, instrumentos auxiliares do USGS, e 13 sismógrafos digitais e instrumentos auxiliares do IAG/USP. A linha sísmica teve aproximadamente 300 km de extensão com pontos de registro separados a cada 2,5 km, distribuídos ao longo de estradas principais e secundárias. A cada 50 km, aproximadamente, foi realizada uma explosão, nas explosões dos extremos da linha foram utilizados 1000 kg de explosivo e para a explosão central uma carga de 500 kg. Para a determinação das coordenadas geográficas dos pontos de tiro e de registro, foi utilizado o método diferencial com medidas de GPS. O principal objetivo deste trabalho foi obter como produto final um modelo de velocidades sísmicas contendo as características físicas das principais descontinuidades na crosta terrestre e no manto superior. Para análise e processamento dos dados foram utilizados os pacotes SAC, SU, SEIS. Para o modelamento foram utilizados a teoria do raio e a elaboração de sismogramas sintéticos, do pacote SEIS. Para a elaboração do modelo final foram utilizados os dados das explosões dos pontos extremos e central, tendo em vista que devido a problemas técnicos não

11 foram registrados os sinais das outras 4 explosões. Além disso, as explosões registradas não apresentaram sinais claros em toda a extensão da linha. Devido a tudo isso e considerando as unidades geológicas presentes na região de estudo são sugeridos três modelos de velocidades sísmicas. O primeiro modelo refere-se ao tiro direto (EX31) localizado no extremo sudoeste da linha, sobre a Bacia do Paraná. Para este modelo obteve-se para superfície (0 km) a velocidade inicial de 2 km/s (coberturas); para a profundidade de 0,086 km a velocidade inicial é de 5,15 km/s (basalto); para a profundidade de 0,350 km obteve-se a velocidade inicial de 4,6 km/s (arenito - camada de baixa velocidade); para profundidade de 0,650 km a velocidade inicial é de 5,75 km/s e para profundidade de 4 km obteve-se a velocidade inicial de 6,07 km/s. O segundo modelo refere-se ao tiro reverso (EX34) localizado no centro da linha sobre granitóides do Grupo Araxá. Para este modelo obteve-se para superfície (0 km) a velocidade inicial de 2 km/s; para a profundidade de 0,06 km a velocidade inicial é de 5,69 km/s e para a profundidade de 0,860 km obteve-se a velocidade inicial de 6,25 km/s. Finalmente, o terceiro modelo refere-se ao tiro direto para toda a extensão da linha (300 km). Este modelo foi definido a partir de fases secundárias lidas nos registros e modelos anteriores propostos na literatura. Da superfície até os 4 km iniciais de profundidade este modelo é igual ao primeiro, para uma profundidade de 20 km obteve-se a velocidade inicial de 6,70 km/s e para uma profundidade de 40 km a velocidade é de 8,00 km/s (descontinuidade de MOHO). x

12 ABSTRACT This work to fulfil the degree of Master of Sciences is inserted among the deep seismic refraction studies of the Thematic Project Geophysical Studies and Tectonic Model of the Tocantins Province Central and Southeast Sectors, Central Brazil. Three refraction lines, of around 300 km long each, were deployed, two of them in the Central sector and the other in the SE sector, that is subject of the present work. The equipment used in this experiment was composed by 111 SGR digital seismographs belonging to the PASSCAL Program. Complemented with auxiliary instruments from USGS and 13 seismographs belonging to IAG/USP. The space among the recording points was 2.5 km, which were located along main and secondary roads. Every 50 km was fired an explosion with 1000 kg of emulsion in each extreme and 500 kg in the central point. The geographical co-ordinates were determined by using the GPS differential method. The main objective of this work is to obtain as a final product a seismic velocity model with the physical characteristics of the main discontinuities in the crust and upper mantle. The packages SAC, SU and SEIS were used to perform the data analysis and processing. To carry on the modelling were used the ray theory and the synthetic seismograms construction, belonging to the SEIS package Data from the extreme and middle points of the seismic line were used to elaborate the final model, considering that due to technical problems signals from the other four explosions were not recorded. Apart from that, the recorded explosions did not present clear signals all along the extension of the line. Due to these facts, and considering also the geological units present in the studied region, are suggested three seismic velocity models.

13 The first model is referred to the direct shot (EX31), which is localised in the Southwest extreme of the line on the Parana Basin province. In this model we obtained the P wave velocity (V P ) of 2 km/sec at the surface, corresponding to the unconsolidated sediments and soil on the top of that basin. At a depth of 86 m we found V P of 5,15 km/sec and at a depth of 350 m the velocity V P of 4,6 km/sec, corresponding to the basalt and sand layers of the Parana Basin. Underlying them, at 650 m of depth we found the basement with V P of 5,75 km/sec and finally at a depth of 4 km there is a layer with V P of 6,07 km/sec, corresponding to a typical upper crust P wave velocity. The second model corresponds to the reverse shot (EX34) that is localised in the middle point of the line on the granitoides of the Araxa Group. For this model we obtained V P of 2 km/sec for the superficial layers, then at a depth of 60 m was obtained V P of 5,69 km/sec and for a depth of 860 m the value of V P is 6,25 km/sec. Finally, the third model belongs to the whole line section (300 km) from the direct shot (EX31). This model was obtained by using the arrivals of secondary phases and the results of models proposed in other works. From the surface down to 4 km of depth this model is similar to the first one. At 20 km of depth there is a layer with V P of 6,70 km/sec, corresponding to the lower crust, with Moho at a depth of 40 km with V P of 8,00 km/sec. xii