6. MODELAGEM FINAL E INTERPRETAÇÃO

Transcrição

1 6. MODELAGEM FINAL E INTERPRETAÇÃO 6.1 Introdução Os problemas de propagação de ondas desempenham um papel importante em vários ramos da Geofísica, entre os quais está o método de investigação do campo das ondas elásticas dentro da crosta e do manto superior da Terra, cuja estrutura é muito complicada. Em muitas regiões a velocidade das ondas sísmicas muda consideravelmente em todas as direções, regiões estas que são de grande interesse para estudos contemporâneos de Geodinâmica. Além disso, existem descontinuidades estruturais nas camadas mais superficiais da Terra que apresentam formas geométricas e propriedades físicas das mais complicadas. Para estudar a propagação das ondas elásticas em estruturas complicadas podem ser utilizados métodos analíticos de aproximação, tais como o método do raio. Nas aplicações sismológicas este método foi utilizado inicialmente para investigar principalmente a estrutura interna da Terra a partir das curvas de tempos de percurso das body waves e para calcular raios e tempos de percurso teóricos, em vários tipos de meio, para, finalmente, compará-los com os dados observados. Uma das limitações na aplicação do método do raio é que dá resultados aproximados, mesmo assim é o método que permite obter respostas aproximadas para muitos problemas da propagação das ondas sísmicas de volume em meios com modelos complicados. A grande utilidade do método de raio e, conjuntamente, do pacote SEIS, é possibilitar a modelagem de meios lateralmente heterogêneos com interfaces curvas.

2 6.2 O Pacote SEIS O pacote SEIS consiste em uma série de programas que auxiliam na modelagem numérica de um campo de ondas sísmicas em estruturas de camadas em duas dimensões, através do método de propagação de raios e da elaboração de sismogramas sintéticos, que foi originalmente elaborado na Charles University, Praga- Rep. Tcheca. (Cerveny & Psencik, 1988). Este pacote possui os programas fontes abertos dando possibilidade de qualquer pesquisador alterá-los de acordo com as suas necessidades, desse modo, com o passar dos anos é possível encontrar várias versões desse pacote. O pacote SEIS é constituído de seis programas. O programa principal SEIS88, calcula as trajetórias dos raios, a partir de um modelo inicial, com seus respectivos tempos de percurso e as amplitudes para a construção dos sismogramas sintéticos. Os programas RAYPLOT, SYNTPL e SEISPLOT são utilizados para construir os gráficos dos dados calculados no SEIS88, ou seja, eles permitem principalmente a visualização dos modelos com o traçado de raios, as curvas caminho-tempo e os sismogramas sintéticos. Estes programas possibilitam a utilização da escala de tempo em tempo reduzido (Seção 2.5.1). Finalmente, os programas SMOOTH e POLARPLOT tem por finalidade auxiliar na construção de modelos de velocidade e para construir o diagrama de movimento de uma partícula, respectivamente. Para cada programa é necessário criar um arquivo de entrada. Nestes arquivos de entrada são colocadas as informações básicas como o modelo estrutural, grade de velocidades, posições dos registradores, escalas de tempo e de distância para os gráficos dos modelos, densidade do meio e fator de qualidade, entre as principais. Todos estes dados são colocados em arquivos formato ASCII, 69

3 estruturados para que o pacote localize em cada posição do arquivo os valores que deverão ser utilizados para determinado processamento. Um ponto positivo do pacote de programas SEIS é que ele proporciona o processamento de modelos relativamente complicados. Permite a elaboração de modelos com interfaces inclinadas e curvas, regiões em forma de lente, camadas com quinas, além de poder considerar gradientes verticais e variações laterais de velocidades. A limitação numérica do programa, no caso da grade de velocidades é de 1000 pontos para todas as camadas, consideradas no modelo, o que é suficiente para descrever uma estrutura complexa. O traçado de raios, que está limitado a 400 pontos por raio, e o número total de estações de registro que está limitado a 99 posições. O limite de 400 pontos força-nos, algumas vezes, a reduzir a precisão do traçado do raio (curvatura) ou ampliar o círculo de precisão de chegada do raio em torno do registrador, para que haja uma convergência. O problema do número máximo de registradores pode ser contornado diminuindo-se o número de registradores concentrando-os nas regiões da maior interesse do modelo. No caso dos modelos das Seções 1 e 2, estes problemas não chegaram a afetar tanto, porque os raios tem uma distância menor para percorrer se comparados aos raios do modelo para uma seção com 300 km. No caso da seção de 300 km de extensão é necessário reduzir a amostragem dos raios e o número de posições de registro, pois no nosso caso, existem mais de 99 posições de registro e os raios percorrem trajetórias mais extensas. Os raios que excedem os 400 pontos são desconsiderados automaticamente. Outro ponto positivo deste pacote é a quantidade de documentos explicativos (manuais) que ele possui, dando respaldo para os iniciantes e para quem deseja alterar o seu código fonte. 70

4 Para determinar os raios que chegam aos registradores é utilizado o método de traçado de raios entre dois pontos (two-point ray tracing): o programa faz partir um raio da fonte sísmica até determinado registrador e depois, se o raio atingir um círculo ao redor do registrador com um diâmetro que é estipulado pelo usuário, faz o caminho de volta até a fonte. Desta forma, o programa vai gerando raios com distâncias próximas ao registrador até conseguir o raio mais próximo da posição do registrador. Este raio é armazenado em um arquivo. Se não é obtido êxito em um certo número de iterações (também determinado pelo usuário), ou se o raio passar de 400 pontos, esta posição de registrador é desconsiderada, então o programa não cria um raio para esta posição. O tempo de percurso para um determinado registrador é obtido através de uma interpolação linear entre os tempos de percurso dos raios mais próximos, em ambos os lados da posição do registrador em questão e é utilizada a amplitude do raio mais próximo. Quanto a distribuição de velocidades em cada camada, o pacote SEIS utiliza a aproximação bicubic spline interpolation, que é a mais utilizada neste tipo de modelamento. Esta aproximação consiste numa interpolação suave dos valores de velocidade na interface (as primeiras e segundas derivadas são contínuas). Este procedimento é utilizado quando é necessário efetuar uma interpolação em um intervalo razoavelmente grande, dividindo este intervalo em intervalos menores e utilizando polinômios de graus baixos (geralmente do 3º grau) para fazer a interpolação nestes intervalos menores. Finalmente, unem-se estes intervalos menores, cada uma com a sua interpolação, voltando a formar o intervalo original totalmente interpolado. Esse processo garante uma interpolação bem suave. O programa também possui em sua documentação uma tabela de código de erros que ocorrem com mais freqüência. Esta tabela é muito útil para direcionar a 71

5 construção dos arquivos de entrada no caminho certo, entretanto muitas mensagens não são diretas, por exemplo, se uma mensagem indica que o raio não consegue alcançar a superfície o problema pode estar no gradiente de velocidade escolhido, ou na posição da fonte, ou na escolha do intervalo dos ângulos dos raios que saem da fonte, ou seja, é exigido um conhecimento razoável da lógica do programa para identificar onde estariam as prováveis fontes de erro. Este pacote, possui a opção de gerar automaticamente ondas diretas e refletidas, do tipo P e/ou S. Também permite gerar manualmente ondas refletidas e as diving waves através de um código simples definido por seus programadores. Neste código indica-se o tipo de raio (refletido ou transmitido), o número de elementos que os raios terão e por quais camadas passarão. Os códigos que iniciam com 1 indicam reflexão e os que iniciam com 0 indicam transmissão, e o segundo algarismo indica o número de componentes que o raio possuirá. Por exemplo, o código , indica que o raio é refletido na segunda interface, tem quatro elementos e passará duas vezes pela primeira e duas vezes pela segunda camada. No caso das ondas refratadas, o código 0 1 1, indica que o raio será transmitido, que tem um elemento e que passará pela primeira camada e pelas seguintes camadas, dependendo da distância epicentral considerada, desse modo, o programa gerará todos os raios com estas características que o modelo permitir. Observando-se os exemplos de códigos de raios acima, pode-se perceber que no caso do código 0 1 1, é mencionado que o raio é transmitido e não refratado, o que significa que o programa não traça as refrações críticas seguindo as interfaces, mas sim uma sucessão de raios que mergulham e curvam-se em várias profundidades da mesma camada, devido ao gradiente de velocidade. Desse modo, o código acima (0 1 1) é suficiente para o programa traçar todas os raios 72

6 transmitidos possíveis para um determinado modelo, pois os raios iniciais (primeira camada) são transmitidos para as demais camadas e, de acordo com os gradientes, são curvados e redirecionados à superfície quando for o caso. Assim, ajustando-se o gradiente de velocidade para um valor adequado obtêm-se raios que simulam com precisão satisfatória as refrações críticas. Outra limitação do pacote SEIS é que não mostra nos gráficos caminhotempo, as curvas correspondentes as ondas refletidas em conjunto com as diving waves. As reflexões são mostradas somente nos sismogramas sintéticos. Além de utilizar o programa SEIS, foram utilizados também diversos pacotes de programas instalados nas estações de trabalho do Laboratório de Sismologia do IAG/USP, tais como: GMT, para a construção das seções sísmicas e traçado das curvas caminho-tempo teóricas nessas seções; XMGR, para visualizar o refinamento dos modelos e alguns scripts elaborados em Unix por diversos autores, que permitem transformar os arquivos do SAC em formato ASCII e utilizá-los no GMT. Todos estes pacotes acima citados são de grande auxílio no processo de modelagem, pois permitem uma visualização rápida dos traços em conjunto com as linhas correspondentes às velocidades sísmicas. 6.3 Modelagem dos Dados Iniciou-se com o programa SEIS dos dados relativos à Seção 1 (tiros direto e reverso). O primeiro modelo considerado foi o modelo refinado obtido preliminarmente com o programa TVEL. Desta vez, delimitou-se melhor a interface relativa à Bacia do Paraná, considerando camadas inclinadas, e utilizou-se um gradiente de velocidade mais realístico, 0.01km/s (Mooney et al., 1983), que o utilizado anteriormente no programa TVEL. A partir deste modelo começou-se o 73

7 aperfeiçoamento contínuo do modelo através da comparação entre os resultados teóricos, gerados do modelo, e os dados reais obtidos no campo. Para cada modelo (Seção 1) foram gerados o diagrama de raios, o gráfico com as curvas caminho-tempo e os sismogramas sintéticos para fazer a comparação com os dados reais. Como o programa SEIS88 salva em arquivos ASCII as tabelas para a construção do gráficos, fica facilitada a leitura dos tempos teóricos de chegada que o programa calculou para as fases principais. Desse modo, pode-se comparar os valores calculados com os tempos de chegada observados originais e ir modificando o modelo, sucessivamente. Os modelos finais conseguidos, utilizando o pacote SEIS, estão apresentados nas Figuras 6.1a e 6.1b, correspondentes, respectivamente, ao gráfico das curvas caminho-tempo e ao traçado de raios do tiro direto da Seção 1. Na Figura 6.2 se apresentam os sismogramas sintéticos correspondentes a esse tiro. Na Figura 6.3 são apresentados resultados semelhantes para a porção inicial da linha correspondente ao tiro direto. Os resultados correspondentes ao tiro reverso da Seção 1 são apresentados nas Figuras 6.4 e 6.5. Nas Figuras 6.6 e 6.7 são apresentados, respectivamente, os gráficos caminho-tempo/traçado de raios e os sismogramas sintéticos do tiro direto da Seção 2 (EX34-Ex37). O modelo apresentado nessas figuras foi extrapolado do tiro reverso da Seção 1 74

8 A. Figura A) Curvas Caminho-Tempo - Seção 1- Tiro Direto - Modelo Final (Tempo Reduzido com Vred = 6km/s). B. Figura B) Traçado de Raios - Seção 1-TiroDireto - Modelo Final 75

9 Figura Sismogramas Sintéticos com ondas refratadas e refletidas - Seção 1-TiroDireto - Modelo Final (Tempo Reduzido com Vred = 6km/s). 76

10 A. Figura A) Curvas Caminho-Tempo - Seção 1- Tiro Direto - Tempo Reduzido (Vred = 6km/s) B. Figura B) Traçado de Raios - Seção 1 (Região da Bacia do Paraná) - Tiro Direto 77

11 A. Figura A) Curvas Caminho-Tempo - Seção 1- Tiro Reverso - Modelo Final (Tempo Reduzido com Vred = 6km/s). B. Figura B) Traçado de Raios - Seção 1-TiroReverso - Modelo Final 78

12 Figura Sismogramas Sintéticos com ondas refratadas e refletidas - Seção 1-TiroReverso- Modelo Final (Tempo Reduzido com Vred = 6km/s). 79

13 A. Figura A) Curvas Caminho-Tempo - Seção 2- Tiro Direto (Tempo Reduzido com Vred = 6km/s). B. Figura B) Traçado de Raios - Seção 2- Tiro Direto 80

14 Figura Sismogramas Sintéticos com ondas refratadas e refletidas - Seção 2-TiroDireto - (Tempo Reduzido com Vred = 6km/s). 81

15 Foi elaborado um modelo teórico preliminar para a linha sísmica integral entre as explosões EX31 e EX37, principalmente para ser utilizado como orientação na identificação de algumas reflexões de ângulo amplo de refletores mais profundos (20km e 40km), utilizando como base o modelo obtido na porção superficial da Seção 1 e complementado com dados da porção mais profunda da crosta publicados em trabalhos anteriores (Giese & Schutte, 1975; Pedreschi, 1989; Alarcon, 1989; Assumpção, 1994). Nos registros originais da linha L3 aparecem alguns sinais relativamente claros, com tempos superiores a 30 segundos e distâncias superiores a 150 km, sugerindo tratar-se de prováveis reflexões de camadas mais profundas. Através deste modelo preliminar tenta-se neste trabalho identificar essas prováveis reflexões. Os resultados correspondentes a este modelo são apresentados nas Figuras 6.8 (gráficos das curvas caminho-tempo e traçado de raios) e 6.9 (sismogramas sintéticos). Nas Figuras 6.10 e 6.11 pode-se observar as reflexões da camada cuja velocidade inicial é de 8 km/s (descontinuidade de Moho), que não aparece nas figuras anteriores por uma limitação numérica do programa. 6.4 Resultados Finais Seção 1 A Seção 1, de 150 km de extensão, entre os tiros EX31 e EX34, como foi dito anteriormente, é importante porque cruza a interface da Bacia do Paraná com a Faixa de Dobramentos Brasília. Durante o processo de modelagem e verificação dos traços iniciais das primeiras chegadas, foram observadas fases secundárias importantes que ajudaram a definir os parâmetros do modelo. Isso auxiliou na reformulação da grade de velocidades, tornando-a mais realística. 82

16 A. Figura A) Curvas Caminho-Tempo - Seção Total - Tiro Direto - Modelo Final (Tempo Reduzido com Vred = 6km/s). B. Figura B) Traçado de Raios - Seção Total - Tiro Direto - Modelo Final 83

17 Figura Sismogramas Sintéticos - Seção Total (ref. Figura 6.8) - Tiro Direto - Modelo Final (Tempo Reduzido com Vred = 6km/s). 84

18 Reflexão MOHO A. Figura A) Curvas Caminho-Tempo - Seção Total - Tiro Direto - Modelo Final (Tempo Reduzido com Vred = 6km/s). B. MOHO Figura B) Traçado de Raios enfatizando a reflexão na descontinuidade de MOHO Seção Total - Tiro Direto - Modelo Final 85

19 Figura Sismogramas Sintéticos incluindo a reflexão na descontinuidade de MOHO - Seção Total - Tiro Direto - Modelo Final (Tempo Reduzido com Vred = 6km/s). 86

20 Os resultados apresentados nas Figuras 6.1 a 6.3 foram obtidos através de diversas tentativas de comparação entre os dados reais com os dados teóricos do modelo, até conseguir-se a melhor aproximação entre esses dados, como se mostra na Figura 6.12 (modelo final), que corresponde ao tiro direto da Seção 1. De forma semelhante, para o tiro reverso da Seção 1, os resultados apresentados nas Figuras 6.4 e 6.5 foram obtidos através das comparações como as mostradas na Figura 6.13 (modelo final). Esse procedimento tornou-se de grande utilidade para a conseguir o modelo final, considerando-se a qualidade pobre dos sinais desta linha de RSP. Os tempos de percurso teóricos, dos primeiros 60 km do tiro direto da Seção 1 mostrados na Figuras 6.3, concordam, em grande parte, com os tempos de percurso reais. Entretanto, não é possível identificar a reflexão da camada de baixa velocidade nos sismogramas registrados devido a sua proximidade com outras fases secundárias, apesar dessa camada ter sido incluída no modelo Seção 2 Nas Figuras 6.6 e 6.7 foram apresentados os resultados parciais do tiro direto da Seção 2. O modelo apresentado nessas figuras foi extrapolado do tiro reverso da Seção 1. Esse modelo não chegou a ser refinado, principalmente, devido a qualidade dos dados (Figura 5.3) ser inferior aos da Seção 1 (Figuras 5.1 e 5.2) Seção Total Para o modelo de 300 km de extensão não foram elaboradas grades de velocidades específicas. Foi utilizada a grade da Seção 1, extrapolando a penúltima 87

21 camada dessa grade e para as camadas mais profundas foram utilizados dados retirados de modelos existentes na literatura. Neste caso, da mesma forma que nas seções anteriores, os resultados mostrados nas Figuras 6.8 e 6.9 foram conseguidos de ajustes obtidos através de gráficos como o da Figura 6.14, que mostra o resultado final dessa seção. 6.5 Interpretação dos Resultados Os resultados obtidos para a Seção 1 não permitiram a elaboração de um modelo único representativo dessa seção. Isto foi devido a baixa qualidade dos sinais que não atingiram a extensão completa desta seção em ambos sentidos. Além disso, a presença da Bacia do Paraná num extremo desta seção dificultou o cálculo das profundidades devido a presença da camada de baixa velocidade sob a camada de basalto. Por este motivo o modelo final proposto para esta seção é apresentado, na Tabela 6.1, para os tiros direto e reverso. Tabela 6.1 Modelos finais para a Seção 1 (150km) Seção 1 Tiro Direto Seção 1 Tiro Reverso Camada Prof. (km) V (km/s) Camada Prof. (km) V (km/s) 1 0 2, ,0 2 0,086 5,15 2 0,060 5,69 3 0,350 4,60 3 0,860 6,25 4 0,650 5, ,5 6,7 5 4,00 6, ,5 8, ,00 6, ,00 8,00 88

22 Secao 1 - Tiro Direto 5 4 Tempo Reduzido (s) - [tr = t- X/6] Distancia (km) Figura Ajuste do modelo para Seção 1 (tiro direto) no programa XMGR.

23 Secao 1 - Tiro Reverso 5 4 Dados Lidos Curvas Teoricas Tempo Reduzido (s) - [tr = t- X/6] Distancia (km) Figura Ajuste do modelo para Seção 1 (tiro reverso) no programa XMGR.

24 Secao Total - Tiro Direto 5 4 Dados Lidos Curvas Teoricas 3 Tempo Reduzido (s) - [tr = t- X/6] Distancia (km) Figura Ajuste do modelo para Seção Total (tiro direto) no programa XMGR.

25 Na Tabela 6.1 as fases definidas com as primeiras chegadas estão diferenciadas das definidas com chegadas secundárias (sombreadas), em ambos os tiros. A Bacia do Paraná é a feição tectônica dominante na região do tiro direto da Seção 1. Ela está presente nos primeiros 125 km da porção superficial SW dessa seção, como pode ser observado na Figura 6.1, porém com mais detalhe na Figura 6.3. Os dados reais também mostram a presença dessa bacia, como se observa na Figura Na seção da Figura 6.16 aparece uma curva correspondente a reflexão no topo da camada de baixa velocidade, porém esta fase não foi identificada nos sismogramas reais. As seções das Figuras 6.15 e 6.16, em escala de tempo normal e reduzido, respectivamente, não mostram uma correlação clara entre os sinais registrados e as curvas caminho-tempo teóricas, devido a baixa qualidade dos dados como se explica anteriormente e a escala em que os dados são representados. Essa correlação pode ser observada no gráfico da Figura 6.12 que mostra as mesmas curvas caminho-tempo teóricas juntamente com as leituras das fases identificadas nos sismogramas reais. Os sismogramas sintéticos foram utilizados principalmente para identificar algumas fases através do tempo de percurso teórico das mesmas, no entanto eles também podem ser utilizados para correlacionar as amplitudes dos sismogramas sintéticos e as amplitudes das fases reais observadas. Nas Figuras 6.18 e 6.18 são apresentadas as seções em tempo normal e reduzido para o tiro reverso da Seção 1, respectivamente. Nestas seções observa-se a melhor qualidade dos sinais correspondentes a explosão EX34 que foi efetuada num poço perfurado numa rocha competente (granitóide da Formação Araxá), apesar de ter sido utilizada uma carga de 500 kg de explosivo, ou seja, a metade da carga utilizada na explosão EX31. Outro fator que pode ter influenciado na qualidade pobre dos sinais do tiro direto, além da falta de coesão no local do tiro, é a geologia da Bacia do Paraná que teria atenuado os sinais da carga de 1000 kg da explosão 92

26 EX31. O gráfico da Figura 6.13 também mostra uma correlação melhor entre os dados teóricos e reais do que os dados mostrados nas seções das Figuras 6.17 e O gráfico da Figura 6.13 apresenta algumas peculiaridades que podem corresponder a feições geológicas existentes em algumas porções desta seção. Por exemplo, o tiro reverso apresenta, em torno dos 25 km a partir da origem, uma distribuição de pontos formando uma curva com tempos de chegada mais rápidos que a velocidade sugerida pelos pontos anteriores e posteriores a essa porção da linha. Esta feição resultou na opção de uma velocidade média maior que a dos pontos extremos, que talvez não seja a mais apropriada para esta camada. Finalmente, a Seção Total (tiro direto) com dados da explosão EX31. Nas Figuras 6.19 e 6.20, são mostradas as seções com tempo normal e reduzido, respectivamente, juntamente com as curvas caminho-tempo teóricas correspondentes ao modelo apresentado na Tabela 6.1 (tiro direto). Na seção da Figura 6.19 foi possível observar algumas fases secundárias (prováveis reflexões) em torno dos 150 km e dos 200 km e outras mais que ajudaram a definir um modelo preliminar para a crosta sob a região de estudo. Estas fases podem ser verificadas no gráfico da Figura 6.14, o modelo é apresentado na Tabela 6.2. Tabela 6.2 Modelo final para a Seção Total Seção Total Tiro Direto Camada Prof. (km) V (km/s) 1 0 2,00 2 0,086 5,15 3 0,350 4,60 4 0,650 5,75 5 4,00 6, ,00 6, ,00 8,00 93

27 94 Tempo (s) SSR Distância (km) Figura Seção Sísmica referente ao tiro direto da Seção SSR SSR SSR

28 SSR1 032-SSR SSR SSR t - X/6 (s) Distância (km) Figura Seção Sísmica, em tempo reduzido, referente ao tiro direto da Seção 1.

29 96 Tempo (s) SSR1 056-SSR SSR SSR Distância (km) Figura Seção Sísmica referente ao tiro reverso da Seção

30 SSR1 056-SSR SSR SSR1 030-SSR SSR t - X/6 (s) Distância (km) Figura Seção Sísmica, em tempo reduzido, referente ao tiro reverso da Seção 1.

31 SSR SSR SSR1 058-SSR SSR SSR PRG PRG Tempo (s) Distância (km) Figura Seção Sísmica referente ao tiro direto da Seção Total.

32 SSR SSR SSR1 058-SSR SSR SSR PRG PRG t - X/6 (s) Distância (km) Figura Seção Sísmica, em tempo reduzido, referente ao tiro reverso da Seção Total.