Sismos - Estrutura e Dinâmica da Geosfera PDF

ESTRUTURA E DINÂMICA DA GEOSFERA Sismologia Sismos – definição e causas Deteção e registo de sismos Intensidade e magnitude de um sismo...

ESTRUTURA E DINÂMICA DA GEOSFERA Sismologia Sismos – definição e causas Deteção e registo de sismos Intensidade e magnitude de um sismo Dados de propagação de ondas sísmicas e profundidade das descontinuidades da geosfera Sismos e tectónica de placas  Sismicidade em Portugal Minimização do risco sísmico Angra do Heroísmo, Portugal (1980) Sichuan, China (2008) Canterbury, Nova Zelândia (2016) Izmir, Turquia (2020) Fig. 1 – Algumas consequências de diferentes sismos. Estrutura e dinâmica da geosfera Estrutura e dinâmica da geosfera Sismologia A Sismologia é a ciência que estuda os sismos causados pela propagação de ondas sísmicas, geradas natural e artificialmente. Os sismos, ou tremores de terra, são movimentos vibratórios da geosfera causados pela súbita libertação de energia elástica armazenada nas rochas. Origem dos sismos Artificial Natural Colapso (grutas e desabamentos) Tectónicos Explosões em minas e pedreiras; Explosões nucleares Vulcânicos  Sismologia O comportamento das rochas sujeitas a estados de tensão permite a sua classificação em rochas de comportamento elástico, de comportamento frágil (rígido) e de comportamento dúctil (maleável). Comportamento elástico Dentro do seu limite de elasticidade, a rocha recupera a sua forma inicial após a cessação do estado de tensão. Comportamento frágil Atingido o limite de elasticidade e em condições de baixa temperatura e pressão, a rocha sofre alteração irreversível, fraturando. Formam-se falhas geológicas (deformação descontínua). Comportamento dúctil Em condições de elevada temperatura e pressão, a rocha sofre alteração irreversível, sem sofrer fratura. Podem formar-se dobras geológicas (deformação contínua). Teoria do Ressalto Elástico A Teoria do Ressalto Elástico, formulada por Harry F. Reid, em 1911, explica o mecanismo de formação de um sismo tectónico: – nos limites tectónicos, sujeitos à atuação de forças compressivas, distensivas ou de cisalhamento, ocorre a acumulação de energia elástica; – atingido o limite de resistência da zona de falha, ocorre o movimento dos blocos, ou seja, ocorre a rotura da rocha; – a movimentação brusca dos blocos, ou ressaltos, provoca a libertação sob a forma de ondas sísmicas da energia elástica acumulada; Rochas sujeitas a forças tectónicas, neste caso de cisalhamento A ação continuada das forças tectónicas durante um determinado período de tempo gera um estado de tensão. Atingido o limite de resistência das rochas, ocorre a libertação súbita de energia com movimento ao longo do plano da falha. Sismologia O ambiente geodinâmico gerador de sismos tectónicos localiza-se na litosfera, onde as rochas apresentam comportamento frágil e estão sujeitas a estados de tensão, nomeadamente nas zonas de limites de placas litosféricas. Réplicas premonitórios SISMO Abalos principal Ambos de menor intensidade Ocorrem após o sismo principal Antecedem o sismo Sismologia Parâmetros de caracterização sísmica  Foco sísmico ou hipocentro - local da litosfera onde ocorre a libertação da energia sísmica. Epicentro – local à superfície da Terra, situado na vertical do foco. Ondas sísmicas – modo de propagação da energia libertada. A distância entre o foco e o epicentro designa-se por profundidade ou distância focal. Sismologia  Profundidade do foco sísmico em diferentes contextos tectónicos Correspondem a cerca de 85% da energia libertada anualmente Correspondem a cerca de 12% da energia libertada anualmente Correspondem a cerca de 3% da energia libertada Sismologia Ondas sísmicas  A energia sísmica libertada no foco propaga-se através da geosfera sob a forma de ondas elásticas. Em meios de composição homogénea – que não é o caso da Terra – a energia sísmica expande-se tridimensionalmente, sob a forma de esfera, com centro no foco. Propagação de energia sísmica num meio de composição homogénea (A) e heterogénea (B) As superfícies esféricas definidas pelo conjunto de pontos na mesma fase do movimento ondulatório designam-se frente de onda. À direção de propagação da onda sísmica perpendicular à frente de onda convencionou-se chamar raio sísmico. Sismologia Definem-se quatro tipos de ondas sísmicas: primárias, secundárias, de Love e de  Rayleigh. Ondas sísmicas profundas ou internas ― Existem dois tipos de ondas profundas ou internas: ― Longitudinais, primárias ou ondas P; ― Transversais, secundárias ou ondas S. ― Ondas P, propagam-se em todos os meios; ― A sua velocidade de propagação é diretamente proporcional à rigidez e incompressibilidade e inversa da densidade. Fig. 5 – Relação entre a direção de vibração das partículas e a direção da propagação das ondas P. Ondas S, propagam-se apenas em meios sólidos; ― A sua velocidade de propagação é diretamente proporcional à rigidez e inversa da densidade. Fig. 6 – Relação entre a direção de vibração das partículas e a direção da propagação das ondas S. Ondas sísmicas superficiais ― São ondas de maior amplitude e que produzem grande destruição. ― Existem dois tipos de ondas superficiais: ― Ondas de Love  ― Ondas de Rayleigh Fig. 7 – Relação entre a direção de propagação das ondas superficiais, de Love (A) e de Rayleigh (B), e a direção de vibração das partículas. Sismologia Sismologia Sismologia Efeitos secundários de um sismo Formação de um tsunami Quando o epicentro de um sismo se localiza no fundo oceânico/crusta oceânica, ou muito próximo, pode ocorrer a formação de ondas gigantes – que se designam maremoto, raz de maré ou tsunami. Atividade pág. 149 Sismologia Liquefação Quando o epicentro de um sismo se localiza em áreas constituídas por sedimentos saturados em água e com fraca capacidade de drenagem, pode ocorrer a sua liquefação. Os sedimentos, devido à vibração sísmica, perdem a sua coesão e resistência ao corte comportando-se, então, como um fluido.  Processo de liquefação devido à vibração sísmica Deteção e registo de sismos Os sismógrafos são aparelhos de precisão que registam, em sismogramas, a vibração induzida pelas ondas sísmicas. Um sismógrafo consiste numa massa suspensa que funciona como um pêndulo, que oscila quando é atingida por ondas sísmicas. Numa estação sismográfica existem, geralmente, três sismógrafos: um para registo dos movimentos verticais e dois para registo dos movimentos horizontais (um orientado na direção norte-sul e outro na direção este oeste. Sismógrafo de registo de movimentos verticais e sismógrafo de registo de movimentos horizontais. Sismologia  Sismograma. (S-P) é o intervalo de tempo que separa o registo das ondas P e S. Sismologia Os sismogramas permitem o cálculo do intervalo (S-P). Identificado este intervalo em, pelo menos,  três estações sismográficas, é possível determinar a distância de cada estação ao epicentro. A transposição destas distâncias para um mapa permite a determinação gráfica do epicentro sísmico. Sismologia Intensidade e magnitude de um sismo A intensidade avalia um sismo em função do grau de perceção que a população teve dele e do seu grau de destruição, sendo determinada pelo preenchimento de um questionário padrão distribuído pelas entidades oficiais. Para definir a intensidade de um sismo numa determinada área utiliza-se a Escala Internacional ou de Mercalli Modificada, com doze graus. Sismologia A intensidade de um sismo depende, entre outros fatores: – da profundidade do foco e da distância ao epicentro, na medida em que a capacidade vibratória das ondas sísmicas diminui à medida que elas se afastam do seu ponto de origem, diminuindo, também, a intensidade sísmica; – da natureza do subsolo, isto é, da resposta das rochas que o constituem, à passagem das ondas sísmicas; os sedimentos finos não consolidados tendem a amplificar e a prolongar a vibração sísmica; – da quantidade de energia libertada no foco, sendo um sismo tanto mais intenso quanto maior a quantidade de energia nele libertada. Sismologia  Mapa de isossistas do terramoto de Lisboa de 1755. Sismologia A magnitude avalia um sismo em função da quantidade de energia libertada no  hipocentro, sendo determinada pela máxima amplitude das ondas sísmicas registadas nos sismogramas, para distâncias conhecidas entre o hipocentro e a estação sísmica. É uma grandeza numérica que aumenta à medida que aumenta a quantidade de energia libertada no foco. Para calcular a quantidade de energia libertada no foco utiliza-se a Escala de Magnitude de Richter. A relação entre a magnitude (M) e a energia (E) libertada num sismo, expressa em Joules, pode ser calculada pela equação: Sismologia Sismologia  entre a Escala de Richter, o número de sismos por ano e a quantidade de energia libertada. Ondas sísmicas e descontinuidades do interior da Terra ― As ondas sísmicas sofrem alterações significativas da sua velocidade ou desvios na sua trajetória quando atravessam uma superfície de separação entre dois meios com diferentes propriedades físicas e/ou químicas. ― Essa superfície de separação denomina-se descontinuidade sísmica. Fig. 9 – Relação entre ondas sísmicas diretas, refletidas e refratadas. ― As ondas sísmicas ao atravessarem uma descontinuidade podem ser refratadas ou refletidas. ― As ondas que se propagam sempre no mesmo meio são designadas de ondas diretas. Estrutura e dinâmica da geosfera Estrutura e dinâmica da geosfera Durante a sua expansão, a partir do seu ponto de origem, isto é, do foco, uma frente de onda sísmica encontra zonas de separação entre meios com propriedades elásticas distintas (rigidez, incompressibilidade e densidade). Esta zona de separação designa-se descontinuidade e, no interior da geosfera, definem-se três: entre a crusta e o manto, descontinuidade de Mohorovicic; entre o manto e o núcleo externo, descontinuidade de Gutenberg; entre o núcleo externo e o núcleo interno, descontinuidade de Lehmann. O ângulo de reflexão, de refração e, a direcão de propagação das ondas a partir de uma superfície de descontinuidade, depende do ângulo de incidência e da velocidade da onda. O estudo da propagação das ondas sísmicas, permite calcular o epicentro de um sismo e os tempos necessários para que as ondas percorram o trajeto entre o foco sísmico e os sismógrafos que as registam. Estes dados permitem o cálculo da espessura das camadas da geosfera. Dados de propagação de ondas sísmicas e profundidade  das descontinuidades da geosfera Definem-se três formas de desenvolvimento de uma onda sísmica: (1) onda direta – onda sísmica inicial, com origem no foco, que emerge na superfície sem interagir com qualquer superfície de descontinuidade do interior da geosfera; (2) onda refletida – é uma nova onda, formada numa superfície de descontinuidade, ou seja, não tem origem no foco, que se pro paga em sentido contrário e no mesmo meio em que a onda inicial se estava a propagar; (3) onda refratada – é a onda transmitida para o segundo meio, numa superfície de descontinuidade (ou seja, também não tem origem no foco mas sim na superfície da descontinuidade). Descontinuidade de Mohorovicic ou Moho. ― Andrija Mohorovicic verificou que as estações mais próximas do epicentro registavam a chegada de dois conjuntos de ondas P e S. ― Propôs a existência de uma descontinuidade a separar um meio superficial, no qual as ondas se propagam com menor velocidade, a crusta, de um meio mais profundo, onde a velocidade das ondas é maior, o manto. ― O registo dos dois grupos distintos de ondas P e S será consequência da refração das ondas nesta descontinuidade – o primeiro grupo de ondas P e S correspondia a ondas refratadas e o segundo grupo a ondas diretas. ― Estudos posteriores revelaram que as ondas sísmicas ao passarem da crosta para o manto aumentavam a sua velocidade. Deste modo, apesar de percorrem uma distância maior, o aumento da velocidade de propagação faz com que cheguem mais rápido. Estrutura e dinâmica da geosfera Estrutura e dinâmica da geosfera Descontinuidade de Mohorovicic A onda B (refratada) atinge a estação sismográfica mais rapidamente do que a onda A (direta) porque a velocidade de propagação no manto é superior. Em 1906, o irlandês Richard Oldham constatou que as ondas P registadas no pólo oposto ao epicentro se encontravam atrasadas em comparação com as registadas nas proximidades do epicentro. Concluiu que “as ondas, penetrando a grande profundidade, atravessaram um núcleo central composto por uma matéria diferente que as transmite com uma velocidade menor.” Existência de um núcleo com dimensão desconhecida  O alemão Beno Gutenberg determinou a dimensão do núcleo terrestre, depois de observar que, para cada sismo, existe um setor da superfície terrestre onde é impossível registar ondas sísmicas diretas. Gutenberg designou esta faixa da superfície terrestre, onde os sismogramas não registam atividade sísmica significativa durante um terramoto, por zona de sombra sísmica. A zona de sombra sísmica localiza-se à distância angular de 103° a 142° do epicentro de cada sismo, ou à distância quilométrica de 11 459 a 15 798 km, tendo presente que 1° corresponde a aproximadamente 111,25 km.  - Gutenberg demonstrou que a zona de sombra se deve à descontinuidade entre o manto e o núcleo externo, que marca uma mudança nas propriedades e na composição da geosfera. - O manto tem uma composição rochosa e rígida enquanto que o núcleo externo tem uma composição metálica e fluida. - Assim, na transição para o núcleo, as ondas sísmicas sofrem intensa reflexão e refração. Este desvio da trajetória das ondas internas cria, para cada sismo, uma zona de sombra, onde não se propagam ondas P e S de elevada energia e, consequentemente, não se manifesta atividade sísmica relevante. - Descontinuidade de Gutenberg ou CMB (cole-mantle boundary) Separação manto - núcleo A – Zona de sombra para as ondas P Estrutura e dinâmica da geosfera Estrutura e dinâmica da geosfera.B– Zona de sombra para as ondas S.  Nas estações sismográficas situadas a menos de 11 459 km (103º) do epicentro são registadas ondas P e S diretas. Para as estações situadas entre 11 459 km (103º) e 15 798 km (142º) de distância do epicentro existe uma zona de sombra sísmica caracterizada pela ausência de receção de ondas P e S diretas, desviadas por reflexão e refração, segundo ângulos constantes, no contacto com o núcleo. A partir dos 15 798 km de distância do epicentro, registam-se ondas sísmicas internas refratadas, que atravessaram o núcleo, e ondas refletidas. Zona de sombra e descontinuidade de Gutenberg  Sismologia Em 1936, a dinamarquesa Inge Lehmann, analisando registos sismográficos, concluiu que as ondas P chocam contra “qualquer coisa dura” a 5150 km, uma vez que se verifica um aumento da velocidade de propagação destas ondas. Tendo em conta que a velocidade das ondas P é maior em meios sólidos do que em meios líquidos, é de supor a existência de um núcleo interno no estado sólido. À fronteira entre o núcleo externo fluido e o núcleo interno sólido dá-se o nome de descontinuidade de Lehmann. A trajetória e a velocidade das ondas 4, 5 e 6 é condicionada pela reflexão e refração na transição para o núcleo interno. Sismologia Sismos e tectónica de placas Distribuição dos epicentros (·) de 30 000 sismos, registados num período de 6 anos. Enquadramento tectónico dos sismos  Sismos Interplaca Intraplaca placas Ocorrem no interior das placas tectónicas, associados, frequentemente a falhas ativas. Ocorrem nas zonas de fronteira de MOVIMENTO DE APROXIMAÇÃO ENTRE UMA PLACA OCEÂNICA E UMA PLACA CONTINENTAL Placa de Nazca (oceânica) ao colidir com a placa Sul-americana (continental) mergulha sob esta. Mecanismo responsável pela maior parte dos sismos que ocorrem no Chile, Peru, Equador, Colômbia... MOVIMENTO DE APROXIMAÇÃO ENTRE PLACAS CONTINENTAIS Da colisão entre as placas Euroasiática e Indo-australiana,resultou a formação dos Himalaias. Ainda hoje estas placas se empurram mutuamente originando tensóes responsáveis or sismos ocorridos no Nepal, China, Afeganistão... SUBDUCÇÃO ENTRE PLACAS OCEÂNICAS Mecanismo gerador de violentos sismos, como os que ocorreram nas Ilhas Aleutas e no arquipélago da Indonésia  MOVIMENTO DE AFASTAMENTO DE PLACAS OCEÂNICAS Cerca de 10% dos sismos ocorrem neste alinhamento do fundo oceânico.  MOVIMENTO DE AFASTAMENTO DE PLACAS CONTINENTAIS Vale de Rift Africano  MOVIMENTO HORIZONTAL ENTRE PLACAS  Falha de Santo André, na Califórnia, marca a fronteira entre a placa do Pacífico e a placa Norte Americana. Sismologia Sismicidade em Portugal Carta de isossistas do sismo de 1969 Previsão sísmica, é possível?  Minimização de efeitos identificando zonas de maior risco sísmico. O perigo da atividade sísmica depende: - da magnitude; - da intensidade do sismo; - da densidade populacional. Sismologia Minimização do risco sísmico Métodos de previsão sísmica  Lacuna sísmica Secção de uma falha geológica que tendo produzido sismos no passado se encontra passiva ou silenciosa ou ainda que não teve atividade sísmica relevante. Intervalo de recorrência sísmica  Intervalo de tempo entre sismos de uma dada magnitude. Verifica-se que alguns sismos ocorrem em intervalos de tempo regulares, o que permite prever novas ocorrências. Mapeamento do risco sísmico Com base em dados obtidos em diferentes estações sismográficas é possível elaborar cartas de isossistas de intensidade máxima expectável. Esta carta é importante na gestão, no planeamento e no ordenamento do território. Mapeamento do perigo sísmico Para Portugal Continental, o Eurocódigo 8; que regulamenta na UE a construção de estruturas sismorresistentes, define 11 zonas sismogénicas, sendo que, cada zona representa regiões que partilham as mesmas características sismológicas, tectónicas e geológicas.  Rede de estações sismográficas de Portugal Continental PARA PRATICAR 1. Selecione a opção que completa corretamente a opção.  As ondas S propagam-se através de meios _______ e as ondas P propagam-se em meios _________. A. sólidos, líquidos e gasosos (…) líquidos B. sólidos e líquidos (…) sólidos, líquidos e gasosos C. sólidos (…) sólidos, líquidos e gasosos D. sólidos e líquidos (…) líquidos PARA PRATICAR 2. Selecione a opção que completa corretamente a opção. À profundidade de cerca de 2900 km localiza-se a _____________que separa o manto do núcleo externo. Esta fronteira é assinalada pela anulação de propagação das ondas _______. A. descontinuidade de Mohorovicic (…) S B. descontinuidade de Gutenberg (…) S C. descontinuidade de Mohorovicic (…) P e S D. descontinuidade de Gutenberg (…) P e S PARA PRATICAR 3.  Selecione a opção que completa corretamente a opção. Numa dada estação sismográfica não são registadas ondas P diretas, relativamente a um determinado macrossismo. Tal facto pode atribuir-se ao facto de a região em causa estar situada A. a uma distância epicentral entre 103° e 143°. B. a uma distância epicentral entre 60° e 90°. C. a uma distância epicentral superior a 160°. D. na região epicentral. PARA PRATICAR 4. Selecione a opção que completa corretamente a opção. Os sismos que ocorrem ao longo das cristas oceânicas são sismos _____ profundos e geralmente de menor magnitude, ao contrário daqueles que ocorrem em limites de ________ de placas tectónicas. A. pouco (…) convergência B. muito (…) convergência C. pouco (…) divergência D. muito (…) divergência