Geofísica de la Tierra Sólida

Sismología (Introducción)

Bibliografía

Fowler, C.M.A., The Solid Earth (2004) Lowrie, W., Fundamentals of Geophysics (1999) Sleep, N y Fujita, K., Principles of Geophysics (1998) Stacey, F., Physics of the Earth (1993)

Sismología

• Estructura y dinámica del interior de la Tierra mediante el uso de las ondas símicas • Distribución y mecánica de los sismos

Estructura interna de la Tierra

corteza

manto núcleo externo

núcleo interno

Sismología • La sismología es la mayor fuente de información sobre la estructura del interior de la Tierra • Los grandes sismos producen ondas elásticas que se transmiten por todo el planeta • El estudio de las velocidades, refracciones y reflexiones de las ondas sísmicas en el interior permite inferir su estructura

• Sismógrafos • Determinan amplitud de las ondas sísmicas en un rango dado de frecuencia y en una orientación determinada (X, Y, Z)

• Ondas de Cuerpo • Ondas P

• Ondas S

• Ondas Superficiales • Ondas Love

• Ondas Rayleigh

Ondas de Cuerpo

Vp = ((k + 4/3 µ) / φ ) 1/2

Vs = (µ / φ ) 1/2 Vp > Vs

• Las Ondas Superficiales son dispersivas • Velocidad varía con la frecuencia • >λ > Prof • Dispersión: el arribo de la onda se distribuye en función de su velocidad

• Conversión de Ondas: cada rayo que incide en una interfase genera 4 rayos (2 reflejados y 2 refractados)

• Los ángulos de reflexión y refracción cumplen la Ley de Snell

Recnocimiento de fases sísmicas

Todo sismograma suele tener fases características que responden a distintos tipos de ondas

Sismograma: Las fases sísmicas corresponden a distintas ondas y distintas refracciones y reflexiones La identificación de cada fase es la base para identifiar interfases y para medir la velocidad de las ondas

• La evidencia experimental indica que las velocidades están relacionadas directamente con las densidades en el interior de la Tierra • Conocimiento de velocidades del interior terrestre permitirán conocer sus densidades

Las Ondas P solo se registran hasta 103°:

Cono de Sombra de ondas P Discontinuidad mayor de velocidad (descenso) a 2900 km (NUCLEO) Descubierto por Oldham (1906) y determinado por Gutemberg (1912) Lehman (1936) descubrió el nucleo interno

Los gráficos J-B (t vs x) Permiten determinar distancia y tiempo de origen al epicentro

Principales fases sísmicas Compilación t vs x (IASP´91)

• El cono de sombra de las ondas P se extiende desde 103° hasta 143° • A partir de ese punto aparecen ondas con tiempo anómalo (lentas) que viajaron por el núcleo • Vp en el núcleo mucho menor que en el manto

Entre 103° y 143° solo aparecen ondas débiles difractadas sobre la superficie del núcleo y en la base del manto (capa D``)

Fases Sísmicas P: onda P en el manto S: onda S en el manto K: onda P en el núcleo externo I: onda P en el núcleo interno J: onda S en el núcleo interno

Principales trayectorias sísmicas

Oscilaciones Libres Estudio de las frecuencias naturales de vibración del planeta Dos Modos: S (Esferoidal) T (Toroidal)

La OL complementan a bajas frecuencias los datos de dispersión de Ondas Superficiales

Ondas Rayleigh y modos S

Ondas Love y modos T

(u: veloc. de grupo; v: veloc. de fase)

Dispersión de Ondas Superficiales Permiten mapear con gran detalle la variación de velocidad en profundidad en la corteza y manto superior Zona de Baja Velocidad Entre 100 y 200 km en continentes Entre 60 y 120 km en océanos

Vp y Vs vs Prof. A partir de las ondas de cuerpo, superficiales y de O.L. se puede construir un modelo de variación de las velocidades con la profundidad (Modelo Unidimensional)

0-70 km : discontinuidad de Mohorovicic Vp: 6-6.5 km/s a 8.1 km/s 60-100 km: zona de baja velocidad Vp: 8.1 a 8.0 km/s

Vs: 5.0 a 4.6 km/s

410 km y 660 km: saltos de velocidad del manto superior (5%) 2750 km: capa D´´ 2910 km: discontinuidad de Gutemberg Vp: 13.4 a 8.1 km/s Vs: 7.3 a 0 km/s 5150 km: discontinuidad de Lehmann Vp: 10.4 a 11.0 km/s Vs: 0 a 3.5 km/s

Ecuación de Adams-Williamson

Conociendo Vp y Vs se podría inferir como varían otros parámetros en el interior de la Tierra Pero Vp y Vs dependen de la densidad y los modulos µ y κ Hace falta una tercera ecuación. Compresión adiabática del material a partir de tope del manto partiendo de densidad conocida

La velocidad de las ondas sísmicas disminuye abruptamente en el núcleo externo. Un tipo de onda (S) no se propaga el núcleo externo es líquido La densidad se duplica

La ecuación A-W no puede explicar los saltos de velocidad en el manto superior 410 y 660 km: cambios de fase de la olivina. Aumento de densidad (5-10%) 410 km: la olivina (α) pasa a wadsleyita (β) Hacia 520 Km, la olivina (α) o (β) pasa a ringwoodita (γ) A los 660 Km se forma perovskita y magnesiowustita [(Mg,Fe)O]

Wadsleyita

Ringwoodita

Perovskita

Las transformaciones de 410 y 660 km tienen pendientes opuestas. (P vs T)

Ambas ocurren en la losa oceánica a menor y mayor profundidad respectivamente.

Cambios de fase del Manto Superior

Variación de la velocidad de las ondas sísmicas y la densidad en el interior de la Tierra

Variación de parámetros físicos con la profundidad Dziewonski y Anderson (1981): PREM (Preliminary Reference Earth Model) (velocidades, densidad, gravedad, coeficientes elásticos)

Variación de parámetros elásticos

Capa D´´ Investigaciones muy recientes indican un nuevo cambio de fase: Perovskita-Postperovskita

(Vp2 – 4/3 Vs2)1/2

Composición del Manto y Núcleo (a partir del PREM)

Los registros de T vs dist muestran dispersión: - Errores experimentales - Variaciones laterales de velocidad. Los modelos unidimensionales de velocidad vs profundidad (ej. PREM, IASPEI91) están determinados con errores menores a la variación lateral de velocidad. Nuevo paso: definir modelos de velocidad tridimensionales

Tomografía Sísmica - Análisis comparativo de múltiples registros de una o más fases sísmicas con diferentes recorridos. - Pueden ser regionales o globales - Implican la selección de fases y determinación de tiempos de arribo de miles a decenas de miles de registros -

MODELOS TOMOGRAFICOS

En la última década se ha alcanzado una convergencia razonable entre diversos modelos tomográficos globales. La mayoría de los modelos son construidos sobre la base de un número limitado de fases sísmicas Las zonas de velocidades mayores tienden a interpretarse como de mayor densidad y por ende más frías

Distintos modelos tomográficos A. Celdas discretas de velocidad constante

B. Función distribución de velocidades

Modelos construidos por distintas metodologías: Rasgos mayores similares Diferencias sustantivas en los detalles

Modelo de tomografía sísmica del manto terrestre a distintas profundidades

En el tope y la base del manto se observan las mayores variaciones La temperatura aumenta de 900 C en el tope a 3700 C en la base del manto

Tomado de Berk y otros (2000)

Bulk Sound velocity

Vp = ((k + 4/3 µ) / φ ) ½ Vs = (µ / φ ) ½ VΦ = (Vp2 - 4/3 Vs2) ½ = (k / φ ) ½

Las relaciones entre Vp y Vs permiten cuantificar los efectos de k y µ y aportar información sobre la causa de la variación de las velocidades en el manto

Ondas S

Bulk Sound

Ondas P

Los modelos de tomografía sísmica indican que existen en el planeta dos zonas en la que material más caliente asciende desde la base del manto hasta la superficie (superplumas)

Distribución espacial de sismos en el planeta

Loa sismos ocurren mayormente en los límites de placas

Distribución de los sismos con la profundidad

Sismos en límites divergentes: superficiales (p < 30 km) y de baja magnitud (m7) Sismos en límites convergentes: pueden ser profundos (p < 700 km), alcanzan las magnitudes mayores (m>8)

Zona de Wadati-Benioff Distribución ordenada de la profundidad de los sismos en relación a la trinchera oceánica Imagen de la losa oceánica subduciendo

Zona de Wadati-Benioff • En algunos casos se observa una doble zona de W-B (margen del Pacífico Occidental – Japón)

Cada zona de W-B tiene características propias No existen sismos a prof. >700 km Algunas zonas de WB se horizontalizan cerca de los 660 km Límite entre el Manto Superior y el Inferior: Límite inferior de la subducción?

Margen occidental de América del Sur Variación muy marcada del ángulo de subducción a lo largo del margen Zonas de W-B subhorizontales

No todos los márgenes convergentes presentan zona de W-B Placa de Juan de Fuca: muy jóven y caliente no produce sismos

En una década nuestra visión del manto ha cambiado completamente La losa oceánica observada por sísmica penetra al manto inferior

Subducción sin sismos Transferencia de masa entre el manto superior y el inferior

Las zonas de alta velocidad de las ondas sísmicas se correlacionan con la distribución de hipocentros (zonas de Wadati-Benioff): subducción de corteza oceánica

Los estudios de tomografía sísmica desarrollados en los últimos 10 años permiten contar con verdaderas ecografías de la Tierra

Topografia de las interfases del Manto Superior -

Medición de tiempos de arribo de ondas SS, S410S y S660S

-

Comparación con modelos tomográficos

-

Anomalías de tiempo interpretadas como variación en la profundidad de las interfases

Discontinuidad de 410 km

Discontinuidad de 660 km

Espesor de la zona de transición

Capa D”

Laterally varying S-wave velocities at ~2700 km depth in the mantle from the tomography model of Grand (2002). Blue regions: higher than average velocity, red regions: lower than average velocity. Average is defined by the PREM model (Figure 2). Labeled subregions: areas where an S-wave velocity discontinuity has been observed a few hundred kilometers above the core-mantle boundary (CMB). This usually corresponds to regions where seismic velocity is higher than average, which may be regions where temperature is lower than average, with a post-perovskite transition at shallower depths than in lowvelocity/hotter regions.

Transición del Manto Inferior

Mapping of shear velocity heterogeneity into depth of the perovskite to post-perovskite phase transition relative to the CMB assuming a Clapeyron slope of 6 MPa/K with reference height of 200 km above the CMB and the tomographic model in Figure 1. (From Helmberger et al., 2005).

Zonas de ultra-baja velocidad en la base del manto

Helmberger et al.1998 and Russell et al.1998 infer that the origins of the Iceland and Hawaii mantle plumes lie at the core-mantle boundary

Zonas de ultra baja velocidad

Zonas de UBV (rojo) en la base del manto (10% o más) Mayores HS (amarillo). Garnero et al (1999)

Factor de Atenuación o Factor Calidad (Q)

Q relacionado con el estado térmico Losa oceánica: Q alto (>100) Arco magmático: Q bajo (< 10)

Modelo de atenuación basado en ondas S (90000 mediciones) Se ve correlación con las tomografías de velocidad. ¾Velocidad > Q Losas en la base del manto Megaplumas del Pacífico y Africa La temperatura es un factor principal en las variaciones del manto

Lawrence and Wysession, 2006a,b

Correlación entre Vs y Q

Lawrence and Wysession, 2006a,b

Gran anomalía de Q (bajo) por debajo de Asia Oriental en el techo del manto inferior Agua en el manto? Producto de la deshidratación de losas oceánicas estacionadas?

Tomografías del Núcleo -Comparación entre fases que no ingresan al NI y aquellas que lo hacen someramente - Variaciones apreciables de velocidad - 2 hemisferios: Lento: Pacifico Oriental Veloz: Pacífico Occidental

Residuales de velocidad en el NI El NI parece ser inhomogéneo

Existe una marcada anistropía para la transmisión de ondas P en el núcleo interno. Dirección de máxima velocidad cercana al eje de rotación Residuales entre dos fases alcanzan una diferencia muy significativa entre 10 y 30° con el eje de rotación.

Super-rotación del Núcleo Interno - El NI es anisotrópico - Trayectorias polares son 10% más veloces que ecuatoriales - Eje de máxima velocidad a 10° de eje de rotación - En 30 años eje rápido rotó unos 30° - Super-rotación del NI 1 vuelta cada 400 años (o 4000?)

.

•

El NI es muy anisotrópico. Las ondas sísmicas que viajan en sentido N-S lo hacen mucho más rápido que en otra dirección. La variación en la posición de este camino rápido de las ondas permitió identificar que el NI rota más rápido que el manto (una vuelta cada 400 años)

Song y Helmberger (1999) han encontrado evidencia de una capa superficial del nucleo interno (100-300 km) que sería isótropa. Zona de cristalización “reciente”?. Zona más “amorfa”?

Anisotropía sísmica

En un medio isótropo las ondas se propagan a igual velocidad en todas direcciones En un medio anisótropo la velocidad varía con la dirección de propagación (ondas P) o con la dirección de vibración (ondas S) Ondas S: splitting

Determinación de la ubicación de la anisotropía

Máxima velocidad de propagación paralela a la dirección de spreading

En los primeros 100 km (aprox.) la anisotropía sísmica está gobernada por la cinemática de placas. Máxima velocidad de ondas P y S paralelas o subparalelas a dirección de propagación de fondo oceánico

La anisotropía estaría gobernada en el manto por la alineación del eje C de la olivina en la dirección de convexión del manto

225 km

Anisotropía sísmica en el manto superior (hasta 700 km) Conrad et al. (2007, JGR)

Como cambió nuestra visión del interior terrestre en 100 años