Universidade Estadual de Campinas Instituto de Geociências
Geotectônica Ticiano J. Saraiva dos dos Santos • Prof. Ticiano
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Métodos Geofísicos •
Gravimetria
•
Magnetometria
•
Sísmica
Métodos Geofísicos •
Gravimetria
•
Magnetometria
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Sísmica
Gravimetria Medida da aceleração da gravidade.
Mede pertubações locais geradas no campo terrestre em função da presença de rochas de diferentes densidades. Maior densidade , maior contribuição para o campo gravitacional.
A variação da gravidade causada pela topografia do terreno necessita de correções denominadas: Correção ar-livre e Bouguer. Ar-livre
0,03086 x altura (mgal) (somada ao valor medido)
Bouguer – 0,0419 x p (magal)/metro
A variação causada pelos efeitos da maré, ou seja, da atração da lua e do sol, é denominada de efeito tidal. Correção por tabelas.
Variação da densidade de algumas rochas e suas médias. Fonte: Decifrando a Terra
Anomalia de gravidade causada pelo granito Tourão (situado no Estado do RN). O perfil A-B, mostra uma acentuada queda no valor de gravidade que coincide com o setor de maior profundidade do granito, menos denso que as rochas encaixantes. A extensão horizontal do corpo intrusivo (~ 50 km) é cerca de dez vezes maior que a sua profundidade máxima (~ 5 km). Fonte: DT, R.I.F. Trindade.
Mapa de anomalias Bouguer do Brasil e áreas adjacentes. O intervalo das linhas de contorno é de 20 mGal. Fonte: Sá et al. 1993.
Isostasia • Isostasia é um conceito fundamental de geofísicos, baseado no seguinte princípio: • ... Existe um nível abaixo da litosfera terrestre (na astenosfera) onde nenhum gradiente de pressão pode ser mantido no tempo geológico. Tal nível é chamado de “nível de compensação” .
Isostasia é o balanço gravitacional de massas na superfície terrestre.
O balanço (equilíbrio) é baseado no contraste de densidade dos materiais envolvidos. A crosta é menos densa que o manto.
Tipos de isostasia: Isostasia local (Airy ou Pratt): não há estiramento lateral da litosfera;
Isostasia regional, há um estiramento lateral da litosfera (flexura);
Isostasia Local
Em grande escala (>1000km), o modelo mais apropriado é o de isostasia local, que diz:
Como o principal contribuinte para pressão na terra é o peso da carga (soterramento), não pode existir qualquer diferença de peso entre duas colunas verticais quando medido da superfície da Terra para o nível de compensação.
Modelo de compensação isostática de Airy. A camada superior rígida possui densidade constante mas inferior àquela do substrato plástico. O equilíbrio isostático é atingido pela variação da espessura da camada superior, de modo que as montanhas têm raízes profundas (fonte:Decifrando a Terra)
Modelo de compensação isostática de Pratt. A camada superior rígida é composta por blocos de igual profundidade, mas com diferentes p. O equilíbrio isostático é atingido pela variação da densidade, de modo que as rochas sob as cadeias montanhosas são menos densas, enquanto as das bacias oceânicas são mais densas. (fonte:Decifrando a Terra)
Mecanismo de compensação isostática tipo Aire. TA espessura da crosta de densidade pc, r esp da raiz, “a” esp da anti-raiz, pm densidade do manto, pw de H2O
Mecanismo de compensação isostática tipo Pratt. Tp espessura da crosta, ph densidade da crosta, Dp prof. De compensação abaixo Tp.
r = hpc/(pm-pc)
Isostasia Regional
Numa escala mais local (< 1000km), a litosfera é capaz de sustentar o gradiente de pressão horizontal que ascende entre duas colunas litosféricas de diferentes pesos. Em outras palavras, a litosfera é capaz de “flexurar ” sobre um peso e “abrigar" a astenosfera abaixo do gradiente de pressão que pode originar-se na litosfera.
Flexura da litosfera em resposta peso da carga, por excesso de topografia (a - b) ou subducção (c).
Outras formas de “soterramento” Crustal
Gelo é menos denso que rocha, mas uma pilha sobre a crosta terá um impacto isostático.
Degelo
Grande parte da Escandinávia está experimentando um rápido soerguimento, em resposta a remoção das geleiras que existiam há dezenas de milênios.
Movimentos verticais da litosfera causados pela adição (a) e remoção (c) de uma carga na sua superfície. A linha pontilhada refere-se à situação de equilíbrio isostático. A linha tracejada indica como a gravidade varia com a adição ou remoção da carga.
O equilíbrio entre tectônica de soerguimento e erosão
Estabilidade de falhas sobre cargas de gelo.
Derretimento do gelo provoca instabilidade.
OK, INTERVALO !!!!!
Magnetometria Medida do campo magnético terrestre.
O campo magnético terrestre é equivalente ao campo de um dipolo, cujo eixo faz um ângulo de 11,5° com o eixo de rotação da Terra e está um pouco afastado de seu centro.
Mapa de declinação magnética indicando a posição dos pólos e a linha de declinação zero. Fonte: Langel et al., 1980.
Minerais ferromagnéticos, paramagnéticos e diamagnéticos Material
Susceptibility x 10^3 (SI)*
Air
~0
Quartz
-0.01
Rock Salt
-0.01
Calcite
-0.001 - 0.01
Sphalerite
0.4
Pyrite
0.05 - 5
Hematite
0.5 - 35
Illmenite
300 - 3500
Magnetite
1200 - 19,200
Limestones
0-3
Sandstones
0 - 20
Shales
0.01 - 15
Schist
0.3 - 3
Gneiss
0.1 - 25
Slate
0 - 35
Granite
0 - 50
Gabbro
1 - 90
Basalt
0.2 - 175
Peridotite
90 - 200
Magnetização de esfera enterrada no polo
Magnetização de esfera enterrada no equador
Assinatura Magnética Minerais ricos em ferro (ferromagnesianos) são levemente magnetizados na direção paralela ao campo magnético existente na época do resfriamento, abaixo de 580 oC. • Se a rocha se move ou se o campo magnético muda, a rocha retém a assinatura magnética original. •
Magnetismo reverso e dados do assoalho oceânico O campo magnético terrestre muda; • A assinatura magnética registrada nas rochas também guarda a polaridade; • Nas cadeias meso-oceânicas nova croista oceânica é gerada e registra a assinatura e polaridade magnética. •
Padrão do magnetismo nas cadeias mesooceânicas
Formação de anomalias Magnéticas
Distribuição do fundo oceânico mundial
Magnetismo Reverso
Registro magnético em sedimentos oceânicos
Sismologia
Estudo da propagação das ondas sísmicas ( P e S) geradas naturalmente (terremotos) ou artificialmente (explosões) possibilitando o entendimento da estrutura interna da Terra. Grande movimento num curto intervalo de tempo.
Terremoto •
•
•
•
Movimentom de rocha ao longo de uma falha. Rocha sob tensão acumula energia de deformação com o tempo; Fraturamento da rocha. Liberação da energia como onda sísmica, provocano o terremoto.
Tipos de ondas sísmicxas
1. ondas internas viajam no interior da terra; 2. Ondas superficiais -- viajam na superfície da terra –
Tipos de ondas intaernas
Primária ou "P" : maior vewlocidade, Causa compressão e expansão na direção de propagação Secundária ou "S" : Ondas de cisalhamento Mais lentas do que a onda P, mas mais rápida do que a superfície de onda. Causa cisalhamento de rocha perpendicular a direção de propagação da onda> Não se propaga através do líquido Ondas superficiais "Love" (“L”) e Rayleight
Causa choque vertical e horizontal Viaja exclusivamente na superfície da Terra.
Tensão vs Deformação (pressure)
Foco e Epicentro de Terremoto
Os dois modos principais de propagação das vibrações sísmicas são a onda P (a), longitudinal e a onda S (b), transversal (vibração perpendicular à direção de propagação). Junto à superfície da Terra, propagam-se também as ondas superficiais: onda Rayleigh (c), e ondas Love (d).
Ao gerar-se um tremor as ondas sísmicas propagam-se em todas as direcções, provocando o movimento do solo tanto horizontal, como verticalmente. Nos lugares próximos ao epicentro, a componente vertical do movimiento é maior que a horizontal e diz-se que o movimento é trepidatório. Por outro lado, ao propagarem-se as ondas sísmicas, as componentes verticais atenuam-se e ao chegar a um solo brando, as componentes horizontais amplificam-se e diz-se que o movimento é oscilatório.
Movimento Trepidatório
Movimento Oscilatório
Movimentos Trepitatório e Oscilatório
Ondas P
Ondas S
• Medida das ondas de “som” do terremoto
Superfície de onda
Onda P - rápida
Onda S
Tempos de chegada determina a distância do terremoto.
Velocidade de propagação das ondas P e S
Onde k é a propriedade de incompressibilidade da rocha; u é a rigidez da rocha (ou a resistência ao cisalhamento) e; p é a densidade.
Zona de sombra de ondas P
Zona de sombra de ondas S
De maneira geral, quanto maior a densidade do material, maior a velocidade de propagação das ondas P e S.
Sísmógrafos – registra a intensidade do terremoto
Curva de velocidade de propagação das ondas P e S
Triangulação de 3 estações para localizar o epicentro do terremoto.
Determinando a magnitude de terremotos Magnitude medida da energia liberada durante o terremoto. Há diferentes caminhos para se medir a magnitude. –
Magnitude Richter Mede a amplitude da maior onda S no registro sismográfico. Leva em conta a distância entre o sismógrafo e o epicentro. •
•
Escala Richter Escala logaritimica (NÃO física) O aumento de uma unidade representa a magnetude 10 vezes maior. 1 unidade na escala Richter representa aproximadamente um aumento de 30 vezes na energia liberada. •
•
•
Intensidade Intensidade refere-se a quantidade de danos causados Escala Mercalli é usada para expressar os danos. •
•
Movimento do Tsunami
Mov. Tsunami : ~600 mph em água profunda ~250 mph média profundidade ~35 mph em água rasa
Previsão de Terremoto (?)
Mecanismo Focal de Terremotos
Geometria de Falha
Teste de Mecanismo Focal Hipótese de Falhas Transformantes
Mecanismos Focais Atuais
Mecanismo Focal de El Salvador
ESTRUTURA INTERNA DA TERRA Diferenciação da Terra Velocidade de propagação de ondas e Descontinuidades internas da terra • Composição da terra - crosta # continental superior e inferior # oceânica 1 , 2 e 3 - ofiolitos - metamorfismo #diferenças entre crosta cont. e oceânica • •
- manto # estrutura sísmica # composição # zona de baixa velocidade (LVZ) # zonas de transição
Deformação na crosta e manto
- Núcleo •
Litosfera e Astenosfera
•
Fluxo de calor na Terra
O início da Terra - Extremamanete violento; - Muito quente, fusão do ferro; -Rochas do interior da Terra fortemente comprimidas e quentes; - Calor Radiogênico adicionado devido a fissão; - a Terra é diferenciada em camadas.
Qual a composição da Terra primitiva? Estudo de meteoritos; Muitos são ferro e Níquel Alguns contém condritos. pequenos corpos rochosos nos meteoritos que podem representar material condesado da nebula solar original A composição da terra seria similar a desses meteoritos, Entretanto Meteoritos tem 35 % de Ferro e a Terra apenas 6%
Como a Terra continuou acrescionando, a temperatura passou do ponto de fusão e houve uma liquefação. Por causa de sua maior densidade, o ferro foi para o centro da proto-Terra devido a gravidade. Os elementos mais leves foram para superfície. Originalmente a Terra era homogênea, mas devido ao calor e fusão, o material foi se separando formando zonas concêntricas de diferentes densidades, tornando-se assim, DIFERENCIADA
Propagação de ondas sísmicas e o interior da Terra.
•
A velocidade de propagação de ondas sísmicas depende da composição do material e da pressão.
•
Pode-se usar o comportamento de propagação de ondas sísmicas para desvendar o interior da Terra.
•
Quando as ondas se movem de um material para outro elas mudam de velocidade e direção.
Propagação da ondas sísmicas P e S
Caminho da ondas P e S na Terra
Tempo de propagação das ondas sísmicas P e S com a profundidade da Terra. Propriedades como incompressibilidade, rigidez e densidade são
Mudanças de Vp e Vs fornecem dados para revelar a disposição das camadas no interior da Terra
Principais Descontinuidades: • • • • • • • •
Conrad Moho (mo-ho-RHO-vi-chich) LVZ 400 km 670 km D Gutenberg Lehman
p r o f u n d i d a d e
• Conrad:
- profundidade de 5 a 30 km - crosta máfica a félsica -crosta superior e crosta inferior - normalmente ausente - aumento da velocidade p/ 6,3 km/s
• Moho (mo-ho-RHO-vicic):
- profundidade de 4 a 55 km - mudança composicional - tectonicamente ativa?? - marca o limite crosta - manto - velocidade aumenta p/ 8km/s
• LVZ (low velocity zone): - zona de baixa velocidade das ondas sísmicas - presente entre 80 e 300 km profundidade - ondas S sempre presente, P ausente em algumas regiões - regionalmente variável, P sobre embasamento antigo - possibilidades: Tº anomalamente alta, mudança de fase, mudança composicional, presença de fendas ou fissuras, fusão parcial - importância: representa uma camada de baixa viscosidade, ocorrendo o movimento relativo entre a litosfera e a astenosfera.
•400 km e 670 km: - distribuição mundial - acima de 400 km o principal constituinte é olivina - em 400 km, mudança de fase mineral para uma estrutura de maior densidade, no caso para espinélio - em 670 km, mudança da estrutura do espinélio para perovskita; limite manto superior – manto inferior
Estrutura da Crosta e manto superior
Zona de baixa velocidade (astenosfera)
olivina
r o o t i n r a e p M u s
Zona de transição olivina -espinélio
Estrutura do espinélio
Z. transição espinélio-perovskita
r o i o t n r e a f n M I
Estrutura da perovskita e óxido de magnésio
D: - ocorre na profundidade de 2870 km - camada fina, 200 a 300 km, na porção inferior do manto - mistura de material do manto e núcleo? Fe líquido do núcleo com silicatos do manto - produção de ligas metálicas e silicatos não metálicos a partir da perovskita - possível zona de origem das plumas do manto
•
Gutenberg - profundidade de 2885 km - FeO fluido, FeS vs silicato(Mg, Fe) - limite entre núcleo e manto - gera forte reflexão sísmica e provavelmente representa uma mudança de interface
•
Lehman - profundidade de
5144 km - Fe sólido vs. FeO FeS fluído - limite núcleo externo – interno
Crosta • 5 a 75 km espessura • Sólida • Silício (Si) e oxigênio (O) • Continental – 5 a 75 km espessura – antiga (bilhões de anos) – Deformado – Densidade 2.7 g/cm3 – Granodiorítica
- Aumento densidade: 30Mpa/km - Aumento temperatura: 25ºC/km, diminuindo à metade no Moho
• Crosta continental superior
composição granítica • Crosta continental inferior – Velocidade de 6,5 a 7,6 km/s – Composição basáltica? (associações minerais incompatíveis) – Composição variável (granodiorítica a granítica, ácidas; gabroica anortosítica) –
Crosta Continental: 0.374% massa; profundidade de 0-50 km.
A crosta continental contém 0.554% da massa manto-crosta. É a parte externa da Terra, composta essencialmente de rochas cristalinas, com minerais de baixa densidade, principalmente quartzo (SiO2) e feldspato. A crosta (oceânica e continental) é a superfície da Terra, sendo a parte mais fria do planeta. Dessa forma, as rochas se deformam suavemente, e esta porção rígida é denominada de
•Oceânica – 5 a 8 km espessura – Relativamente jovem
(menos de 200 Ma)
– Indeformado – Densidade 3.0 g/cm3 – Basáltica – Equilíbrio isostático com a crosta continenta l – Subdividido em 3 camadas (1, 2 e
3)
Crosta Oceânica: 0.099% de massa da Terra; profundidade 0-10 km
A crosta oceânica contém 0.147% da massa mantocrosta. A maior parte da crosta terrestre foi feita através da atividade vulcânica. O sistema de cadeias oceânicas, conjunto de 40.000 km de vulcões, gera nova crosta oceânica a uma taxa de 17 km3 por ano, cobrindo o fundo oceânico com basaltos.
•Camada 1:
- sedimentos terrígenos e depósitos pelágicos; - espessura média de 0,4 km •Camada 2:
- espessura média de 1 a 2,5 km - velocidade sísmica 3,4 a 6,2 km/s - subcamadas 2A, 2b e 2C; aumento da velocidade e diminuição da porosidade - basaltos fraturados, basaltos maciços com diques e diques com basaltos maciços
•Camada 3:
- camadas 3A, 3B (velocidade de 6,5-6,8 e 7-7,7 km/s respct - metagabros e gabros com bolsões de plagiogranitos e prointrusões de serpentinitos (3A); Gabros e metagabros com protointrusões e bolsões de cumulatos ultramáficos
(a) Crosta oceânica sugerida pela velocidade das ondas P. C a m a d a 1 - sedimentos; Camada 2rochas vulcânicas porosas com proporção pequena d e sedimentos ; Camada 3 – rochas máficas maciças; Camada 4 – rochas ultramáficas. (b) Crosta oceânica no ofiolito de Omã, Golfo Pérsico, (Fonte: Decifrando a Terra)
-Toda crosta oceânica é produzida nos centros de expansão. - Manto quente funde-se próximo a superfície devido a diminuição da pressão. -O magma basáltico dissolvido resfria como intrusões gabróicas abaixo de 2km de profundidade, enquanto grandes quantidades eruptem no mar formando pillow lavas. -O topo da câmara magmática vai sendo intrudida continuamente por diques, levando magmas para a superfície. Por isto ocorrer no centro de expansão, cada dique está sempre fraturado por um novo dique, formando um grande amontoado de diques verticalmente orientados chamados de complexo de diques acamadados
SUITE OFIOLITICA
OFIOLITOS
Assembléia de rochas ígneas variando de basaltos a gabros e peridotitos e sedimentos. Geralmente ocorre em cinturões colisionais; Originados de litosfera oceânica.
Estrutura da crosta oceânica e manto superior
Distinção de 4 camadas via velocidade sísmica • Programas de sondagens marinhas • Ofiolitos •
Estrutura da crosta oceânica e manto superior Ofiolitos típicos
Litologias e espessura de uma sequência ofiolítica do Oman ( Boudier e Nicolas, 1985) Earth Planet. Sci. Lett., 76, 84-92.
Diferenças entre crosta oceânica e continental :
•0.2 Ga versus 3.5 Ga de
idade máxima;
•5 km versus 35 km de espessura média; •globalmente acamadada versus grande heterogeneidade; •ampla calmaria sísmica versus tectonica ativa; • vulcanismo de grande-escala versus
vulcanismo suave.
O
MANTO
Manto superior: 10.3% da massa; profundidade de 10-400 km
O manto superior contém 15,3 % da massa crosta-manto. Olivina (Mg,Fe)2SiO4 e piroxênio (Mg,Fe)SiO3 são os primeiros minerais formados. Estes e outros minerais são refratários e cristalizados a altas temperaturas. Parte do manto superior, a astenosfera, pode ser parcialmente fundida.
Zona de Transição: 7.5% da massa da Terra; profundidade de 400-650 km.
A zona de transição ou mesosfera (manto médio), chamado também de camada fértil, contém 11.1% da massa crosta-manto e é a fonte dos magmas basálticos. Contém Ca, Al, e Granada. Esta camada é densa quando fria, por causa da granada. Flutua quando quente por que existem minerais fundentes para formar basaltos que podem subir como magma.
Manto Inferior: 49.2% da massa da terra, profundidade de 650-2,890 km
O manto inferior contém 72.9% da massa crosta – manto e é provavelmente composta de Si, Mg e oxigênio. Pode conter algum Fe, Ca e Al. Essa dedução é feita assumindo que a Terra tem uma abundância similar e proporção de elementos cósmicos como encontrados no sol e meteoritos primitivos.
D": 3% da massa da Terra; profundidade de 2,700-2,890 km
Mesmo freqüentemente identificada como parte do manto inferior, descontinuidades sísmicas sugerem que a camada D" diferencie-se quimicamente do manto inferior abaixo deste. Teoriza-se que o material dissolvia-se no núcleo ou afundava no manto, mas não no núcleo por causa da sua densidade.
Composição do Manto:
Composição do Manto:
Amostras do manto superior ocasionalmente aparece em zonas de falha oceânicas, falhas de cavalgamento em cinturões colisionais, ou em erupções de basaltos. A rocha é geralmente peridotítica, ¾ de dunito (ou olivine pura) e ¼ basalto. Este último pode ser formado por fusão parcial do pirólito, que deriva de magma basáltico enriquecido, partindo do final do dunito empobrecido. .
- peridotito: >>olivina e <15% granada; - eclogítico: <
30% granada
Núcleo externo : 30.8% da massa da Terra, profundidade de 2.890-5.150 km
O núcleo externo é uma massa líquida quente, eletricamente condutiva onde ocorrem os movimentos convectivos. Esta camada condutiva combina com a rotação da Terra e cria um efeito dínamo que mantém um sistema de correntes elétricas conhecido como campo magnético terrestre.. Esta camada não é tão densa quanto ferro fundido, o que indica a presença de elementos mais leves. Suspeita-se que 10% seja composto de enxofre e/ou oxigênio, pois estes elementos são abundantes no cosmo e dissolve-se facilmente em ferro fundido.
Núcleo Interno: 1.7% da massa da Terra, profundidade de 5.150 a 6.370 km
O núcleo interno é sólido . Acredita-se que foi solidificado como resultado da pressão, o que ocorre com muitos líquidos quando a temperatura diminui e a pressão aumenta.
Litosfera e Astenosfera crosta
Litosfera (rígida) Astenosfera (plástica)
Mesosfera (rígida)
Núcleo externo (líquido) Núcleo interno (sólido)
Fluxo de Calor Litosfera:
- atua como uma camada isolante e a transferência de calor na mesma ocorre por condução ( radiação de sua superfície); - afinamento litosférico – aumento gradiente geotermal e fluxo térmico. O inverso verdadeiro. - limite termal inferior de 1300-1400ºC – dissipação Astenosfera
- convecção termal - modelos variáveis
Calor interno da Terra •
Calor original
•
Subseqüente decaimento radioativo
•
Condução
•
Convecção
Fluxo de Calor Plumas do Manto
- bolhas de material aquecido, com densidade e viscosidade menor que os materiais adjacentes; - Tuzo Wilson: causadores de rifteamento e cadeia meso oceânicas, atividade vulcânica, hot spots - várias interpretações quanto a natureza da pluma (agente causador e desencadeador), profundidade, dimensão, forma, condições limites (pressão, temperatura, viscosidade), tempo de desenvolvimento, respostas sísmicas, etc. -
Convecção do manto superior: possível motor da tectônica global
Variação da temperatura com a profundidade sobre regiões continentais e oceânicas.
Valor de Condutividade para Várias rochas Sedimentares
Tipo de rocha
Condutividade (W/m/K)
Arenito
3-5
Folhelho
1.5 - 2
Sal
6
Valor médio do fluxo de calor na superfície terrestre Região
Média fluxo de calor na superfície (mW/m2)
Africa
49.8
America do Sul
52.7
America do Norte
54.4
Australia
63.6
Europa
60.2
Media continental
56.5
Pacífico norte
95.4
Pacífico sul
77.4
Atlântico norte
67.4
Média oceânica
78.2
