Inversion of Rayleigh and Love wave dispersion curves : new constraints on the shear-wave velocity and radial anisotropy structure of the South American lithosphere

Abstract

Os avanços científicos apresentados nesta tese são resultado de esforços para medir e inverter dados de dispersão de ondas de superfície para imagear a estrutura sísmica da litosfera sob a América do Sul. Nossas descobertas são apresentadas em três estudos distintos. O primeiro deles apresenta um modelo de velocidade de ondas de cisalhamento obtido pela inversão de 26.984 curvas de velocidade de grupo de ondas Rayleigh do modo fundamental, com períodos entre 9 e 180 s. A interpretação desse modelo é focada na estrutura cratônica abaixo da América do Sul. Para o cráton Amazônico, o corte de velocidade em 150 km de profundidade apresenta uma correlação geral com idades geocronológicas de províncias, exceto na província Maroni-Itacaiúnas, onde é levantada a hipótese que os eventos intraplaca tectono-termais K’Mudku do Mesoproterozoico e/ou o magmatismo volumoso da Província Magmática do Atlântico Central (após a ruptura da Pangeia) são candidatos para explicar a diminuição de velocidade e consequentemente a quebra na correlação entre velocidades e idades. O modelo também é consistente com um paleocontinente São Francisco que engloba tanto o atual cráton do São Francisco quanto partes dos cinturões Brasília e Araçuaí. Alguns autores sugerem que essa extensão é válida também para a província da Borborema; entretanto, as baixas velocidades mostradas pelo modelo para profundidades maiores que 70 km sugerem afinamento litosférico, algo que também é corroborado por outras evidências geofísicas e geológicas. Logo, uma possível raiz cratônica do paleocontinente São Francisco sob a província da Borborema provavelmente foi erodida. Finalmente, nosso modelo também mostra uma estrutura de alta velocidade sísmica na região do cráton Río de la Plata, consistente com estudos magnetotelúricos. Como medidas manuais de curvas de dispersão demandam muito e consomem bastante tempo, uma ferramenta para obter automaticamente mais medidas de dispersão para melhorar os modelos é fundamental. Com isso em mente, nós desenvolvemos e apresentamos a ferramenta DisperPy no nosso segundo estudo, uma biblioteca escrita em Python e baseada em algoritmos de aprendizado de máquina desenvolvida para extrair curvas de dispersão de velocidade de grupo de terremotos automaticamente. O arcabouço de análise do DisperPy visa resolver dois problemas principais: (1) avaliar a qualidade da forma de onda e determinar se é possível extrair a sua respectiva curva de dispersão e (2) medir a curva de dispersão de velocidade de grupo de formas de onda com boa qualidade. Para lidar com o primeiro problema, o DisperPy usa uma rede neural convolucional baseada na arquitetura ResNet-34. Para o segundo problema, o DisperPy depende de uma combinação de diferentes algoritmos de aprendizagem de máquina não supervisionada. Um experimento de tomografia de ondas de superfície é realizado nos Estados Unidos contíguos para testar o DisperPy, resultando em um total de 194.325 curvas de dispersão de velocidade de grupo extraídas a partir de formas de onda de banda larga da componente vertical de sismogramas. Consistente com estudos prévios, os mapas mostram uma dicotomia de velocidade proeminente, com baixas velocidades na parte oeste tectonicamente ativa dos EUA e velocidades altas na parte estável central e leste dos EUA. No terceiro estudo, voltamos a atenção novamente para a América do Sul e exploramos uma importante, embora negligenciada, propriedade da litosfera: a anisotropia. Estudos de anisotropia radial são complementares aos estudos de velocidade sísmica isotrópica, e podem fornecer informações adicionais acerca de deformações atuais e passadas, além de fluxo. Usando o DisperPy, construímos um conjunto de dados de 255.292 e 75.843 curvas de dispersão de velocidade de grupo de ondas Rayleigh e Love, respectivamente, tanto de terremotos como de correlações cruzadas de ruído sísmico entre pares de sensores. O uso de curvas de ruído sísmico nos fornece vínculos mais fortes sobre a estrutura mais rasa. Invertemos esse conjunto de dados para construir de forma independente modelos de velocidade de onda cisalhante polarizados vertical e horizontalmente, e a diferença entre eles nos fornece a anisotropia radial. Nosso modelo revela uma crosta muito anisotrópica (e especialmente a crosta superior rasa) e um manto superior mais homogêneo, caracterizado principalmente por anisotropia radial positiva. Sugerimos que uma grande parte da anisotropia radial rasa possa estar relacionada à orientação preferencial causada pelo alinhamento de material heterogêneo relacionado às Províncias Magmáticas do Paraná e do Atlântico Central.