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Dynamic triggering of seismic activity in rifting and volcanic settings

Detalhes bibliográficos
Resumo:	As interações entre sismos são importantes objetos de estudo em sismologia. O exemplo mais óbvio destas interações é o despoletar de réplicas que podem ocorrer após um sismo perto da fonte. Pensa-se que estas réplicas são despoletadas pela tensão estática que deforma o solo até uma distância de um a dois comprimentos de falha. Outro tipo destas interações é o despoletar de sismicidade a grandes distâncias devido à tensão dinâmica imposta pela passagem das ondas sísmicas. Este fenómeno chamado de Dynamic Triggering (sismicidade despoletada pela tensão dinâmica) foi reportado pela primeira vez por Hill et al. [1993] que observaram um aumento na sismicidade no Oeste do Estados Unidos após o sismo de magnitude 7.3 de 28 de Junho de 1992 em Landers. O aumento da sismicidade verificou-se até mais de 1250 km e iniciou-se na sua maioria durante a passagem das ondas de superfície. Dynamic Triggering é atualmente um fenómeno bem documentado, mas os mecanismos para sua ocorrência não são ainda completamente percebidos, existindo vários modelos propostos. É também habitualmente aceite devido a várias observações que estruturas vulcânicas podem ser afetadas pela passagem de ondas sísmicas. Este fenómeno pode ser uma importante ferramenta para perceber os processos que despoletam o movimento de uma falha, a nucleação de sismos e medir as tensões necessárias para uma falha movimentar-se e assim aumentar o conhecimento da mecânica dos sismos e melhorar os estudos de risco sísmico. Novas observações do fenómeno em diferentes ambientes são por isso essenciais para perceber os mecanismos que levam ao dynamic triggering e em que condições o fenómeno ocorre. De forma a fortalecer a relação causal entre o aumento da sismicidade e a passagem das ondas sísmicas vários testes estatísticos podem ser utilizados, sendo o mais utilizado a estatística _ [Matthews and Reasenberg, 1988; Aron and Hardebeck, 2009]. O dynamic triggering foi amplamente observado em regimes vulcânicos e distensivos. Este trabalho tem como objetivo procurar evidências de sismicidade despoletada pelas tensões dinâmicas impostas pelas ondas de superfície (instantaneous dynamic triggering) em quatro regiões onde este fenómeno não foi anteriormente estudado detalhadamente: Arquipélago de Cabo Verde, Moçambique e na Dorsal Mesoatlântica no vulcão submarino Lucky Strike e no Arquipélago dos Açores. Estes são ambientes vulcânicos e de rifting (regime distensivo). Na região de Cabo Verde foram utilizados dados de duas redes sísmicas temporárias, uma composta por 7 estações de banda larga com três componentes instaladas entre 2002 e 2004 [Helffrich et al., 2010] e outra instalada entre 2007 e 2008 no âmbito do projeto CV-Plume composta por 40 estações de banda larga com três componentes [Vales et al., 2014]. A estes dados foram ainda adicionados os registos da estação SACV da rede sísmica global. Em Moçambique foram utilizados dados de uma rede temporária de 30 estações de banda larga com três componentes instalada no âmbito do projeto MOZART entre 2011 e 2013 [Fonseca et al., 2014]. No vulcão Lucky Strike foram utilizados dados OBS (Ocean Bottom Seismometer) obtidos no âmbito do projecto MOMAR [Crawford et al., 2013]. No Arquipélago dos Açores foram utilizados os dados das estações permanentes CMLA, da rede sísmica global, e ROSA, da rede sísmica portuguesa, localizadas em São Miguel e São Jorge, respetivamente. Os eventos analisados foram escolhidos obtendo um catálogo de sismos do United States Geological Survey (USGS) com as seguintes características: magnitude ≥ 5.5, profundidade ≤ 100 km, distância epicentral ≥ 100 km e tensão dinâmica estimada ≥ 1 kPa para a onda de Rayleigh de 20 segundos. Em Cabo Verde foram ainda analisados eventos adicionais com magnitude ≥ 7, profundidade ≤ 100 km e distância epicentral ≥ 100 km. Para cada evento foram analisados os dados para as 6 horas antes e depois do tempo de origem do evento. Foi retirada a resposta instrumental aos dados e foram rodados para as componentes radial, transversal e vertical (nos dados de OBS esta rotação não foi feita). Os dados foram depois filtrados com um filtro passa-alto (>5 Hz), ou outro filtro no caso de existência de ruído local, e obtida a função envelope. Com a função envelope das três componentes foi calculada uma função envelope média das três componentes que foi utilizada na deteção dos sinais de alta frequência. A detecção de sinais de alta frequência e avaliação do seu aumento através da estatística β foram feitas utilizando um algoritmo de deteção automática STA/LTA (short-term average/long-term average) feito por Peng et al. [2014], baseado em Earle and Shearer [1994]. Foram utilizadas janelas STA e LTA de 2 e 10 segundos, respetivamente, para detetar sinais de alta frequência de curta duração e de 10 e 50 segundos, respetivamente, para detetar sinais de alta frequência de duração mais longa. Foi utilizada uma razão STA/LTA de 1.5 como threshold. β foi calculado comparando os sinais detetados na janela de triggering, entre a chegada das ondas com 5 e 2 km/s, com os sinais detetados antes da chegada da onda P. Valores de β ≥ 2 indicam um aumento estatisticamente significativo da atividade de alta frequência. Todos os resultados foram depois inspecionados visualmente de forma a evitar falsos positivos. Foram analisados 52 eventos sísmicos diferentes e foram utilizados dados de 88 estações sísmicas diferentes em 4 áreas de estudo diferentes. Nas 4 áreas de estudo foram detetados 6 possíveis casos positivos de dynamic triggering. Foi detetado um caso positivo de triggering em Cabo Verde, 2 casos em Moçambique e 3 casos no Arquipélago dos Açores. A sismicidade detetada é na sua maioria emergente e os sinais não foram detetados em mais de duas estações. Não foi por isso possível determinar as fontes dos sinais observados. Na maioria dos dados de Cabo Verde é identificado um forte ruído cultural de alta frequência que pode estar a afetar os resultados. Apenas se detetou um resultado claro de aumento significativo em sinais de alta frequência na estação MLOS, na ilha do Fogo, durante a passagem das ondas sísmicas do sismo de 2002 de Denali, Mw7.9. Esta é uma estação que não apresenta o forte ruído cultural. Os sinais possivelmente despoletados pelo sismo estão numa banda de frequência também ocupada pelo ruído cultural observado nas outras estações. Outros dois casos onde foi identificado um aumento significativo generalizado nas ilhas noroeste e sudoeste durante a passagem das ondas de superfície ocorreram no período de aumento do ruído cultural. Uma análise mais aprofundada que permita determinar a origem dos sinais e distinguir os sinais despoletados pela tensão dinâmica do ruído cultural é necessária para melhor interpretar estes resultados. Em Moçambique foi observado um claro aumento da atividade de alta frequência em quatro estações durante a passagem das ondas de superfície do sismo de 6 de Fevereiro de 2013 das ilhas Salomão, Mw8.0. Estas quatro estações estavam na área das estruturas tectónicas ativas identificadas em Moçambique. Nenhum sinal coerente foi observado entre as quatro estações e não foi possível uma localização e ligar claramente o aumento da atividade de alta frequência às estruturas tectónicas. Foi ainda identificado um aumento significativo na atividade de alta frequência numa estação no Cratão do Kapvaal, zona onde não estão identificadas estruturas ativas, durante a passagem das ondas sísmicas do sismo de 16 de Abril de 2013 de Saravan, Mw7.7. Nenhuma evidência clara de dynamic triggering foi identificada no vulcão submarino Lucky Strike. Foram detetados problemas instrumentais nos dados que afetaram os resultados obtidos. Os dados do Arquipélago dos Açores mostram que na ilha de São Jorge não foi registado nenhum aumento significativo da atividade durante a passagem das ondas sísmicas de vários eventos. Em Chã de Macela, na ilha de São Miguel foram registados vários casos de aumento de atividade significativos. Os sinais detetados são emergentes e parecem ser tremor. As ondas sísmicas podem estar a ativar as estruturas vulcânicas na ilha. Estes resultados mostram que as regiões dos Açores, Cabo Verde e Moçambique são regiões onde podem ocorrer eventos despoletados pelas tensões dinâmicas impostas pelas ondas sísmicas (dynamic triggering). Os resultados também sugerem que a sismicidade triggered pelas ondas sísmicas não tão frequente e comum como proposto por estudos anteriores. Dados de estações mais protegidas de fontes de ruído cultural ou um método para melhor determinar quais os sinais do ruído cultural podiam melhorar as observações e a compreensão deste fenómeno nestas regiões. Nos Açores um estudo mais detalhado com dados de uma rede mais extensa e com maior cobertura ajudaria a confirmar as evidências detetadas na estação de Chã de Macela.
Autores principais:	Neves, Miguel João Góis Ferreira Gaspar
Assunto:	Dynamic triggering Ondas de superfície Estatística β Tremor Teses de mestrado - 2016
Ano:	2016
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	As interações entre sismos são importantes objetos de estudo em sismologia. O exemplo mais óbvio destas interações é o despoletar de réplicas que podem ocorrer após um sismo perto da fonte. Pensa-se que estas réplicas são despoletadas pela tensão estática que deforma o solo até uma distância de um a dois comprimentos de falha. Outro tipo destas interações é o despoletar de sismicidade a grandes distâncias devido à tensão dinâmica imposta pela passagem das ondas sísmicas. Este fenómeno chamado de Dynamic Triggering (sismicidade despoletada pela tensão dinâmica) foi reportado pela primeira vez por Hill et al. [1993] que observaram um aumento na sismicidade no Oeste do Estados Unidos após o sismo de magnitude 7.3 de 28 de Junho de 1992 em Landers. O aumento da sismicidade verificou-se até mais de 1250 km e iniciou-se na sua maioria durante a passagem das ondas de superfície. Dynamic Triggering é atualmente um fenómeno bem documentado, mas os mecanismos para sua ocorrência não são ainda completamente percebidos, existindo vários modelos propostos. É também habitualmente aceite devido a várias observações que estruturas vulcânicas podem ser afetadas pela passagem de ondas sísmicas. Este fenómeno pode ser uma importante ferramenta para perceber os processos que despoletam o movimento de uma falha, a nucleação de sismos e medir as tensões necessárias para uma falha movimentar-se e assim aumentar o conhecimento da mecânica dos sismos e melhorar os estudos de risco sísmico. Novas observações do fenómeno em diferentes ambientes são por isso essenciais para perceber os mecanismos que levam ao dynamic triggering e em que condições o fenómeno ocorre. De forma a fortalecer a relação causal entre o aumento da sismicidade e a passagem das ondas sísmicas vários testes estatísticos podem ser utilizados, sendo o mais utilizado a estatística _ [Matthews and Reasenberg, 1988; Aron and Hardebeck, 2009]. O dynamic triggering foi amplamente observado em regimes vulcânicos e distensivos. Este trabalho tem como objetivo procurar evidências de sismicidade despoletada pelas tensões dinâmicas impostas pelas ondas de superfície (instantaneous dynamic triggering) em quatro regiões onde este fenómeno não foi anteriormente estudado detalhadamente: Arquipélago de Cabo Verde, Moçambique e na Dorsal Mesoatlântica no vulcão submarino Lucky Strike e no Arquipélago dos Açores. Estes são ambientes vulcânicos e de rifting (regime distensivo). Na região de Cabo Verde foram utilizados dados de duas redes sísmicas temporárias, uma composta por 7 estações de banda larga com três componentes instaladas entre 2002 e 2004 [Helffrich et al., 2010] e outra instalada entre 2007 e 2008 no âmbito do projeto CV-Plume composta por 40 estações de banda larga com três componentes [Vales et al., 2014]. A estes dados foram ainda adicionados os registos da estação SACV da rede sísmica global. Em Moçambique foram utilizados dados de uma rede temporária de 30 estações de banda larga com três componentes instalada no âmbito do projeto MOZART entre 2011 e 2013 [Fonseca et al., 2014]. No vulcão Lucky Strike foram utilizados dados OBS (Ocean Bottom Seismometer) obtidos no âmbito do projecto MOMAR [Crawford et al., 2013]. No Arquipélago dos Açores foram utilizados os dados das estações permanentes CMLA, da rede sísmica global, e ROSA, da rede sísmica portuguesa, localizadas em São Miguel e São Jorge, respetivamente. Os eventos analisados foram escolhidos obtendo um catálogo de sismos do United States Geological Survey (USGS) com as seguintes características: magnitude ≥ 5.5, profundidade ≤ 100 km, distância epicentral ≥ 100 km e tensão dinâmica estimada ≥ 1 kPa para a onda de Rayleigh de 20 segundos. Em Cabo Verde foram ainda analisados eventos adicionais com magnitude ≥ 7, profundidade ≤ 100 km e distância epicentral ≥ 100 km. Para cada evento foram analisados os dados para as 6 horas antes e depois do tempo de origem do evento. Foi retirada a resposta instrumental aos dados e foram rodados para as componentes radial, transversal e vertical (nos dados de OBS esta rotação não foi feita). Os dados foram depois filtrados com um filtro passa-alto (>5 Hz), ou outro filtro no caso de existência de ruído local, e obtida a função envelope. Com a função envelope das três componentes foi calculada uma função envelope média das três componentes que foi utilizada na deteção dos sinais de alta frequência. A detecção de sinais de alta frequência e avaliação do seu aumento através da estatística β foram feitas utilizando um algoritmo de deteção automática STA/LTA (short-term average/long-term average) feito por Peng et al. [2014], baseado em Earle and Shearer [1994]. Foram utilizadas janelas STA e LTA de 2 e 10 segundos, respetivamente, para detetar sinais de alta frequência de curta duração e de 10 e 50 segundos, respetivamente, para detetar sinais de alta frequência de duração mais longa. Foi utilizada uma razão STA/LTA de 1.5 como threshold. β foi calculado comparando os sinais detetados na janela de triggering, entre a chegada das ondas com 5 e 2 km/s, com os sinais detetados antes da chegada da onda P. Valores de β ≥ 2 indicam um aumento estatisticamente significativo da atividade de alta frequência. Todos os resultados foram depois inspecionados visualmente de forma a evitar falsos positivos. Foram analisados 52 eventos sísmicos diferentes e foram utilizados dados de 88 estações sísmicas diferentes em 4 áreas de estudo diferentes. Nas 4 áreas de estudo foram detetados 6 possíveis casos positivos de dynamic triggering. Foi detetado um caso positivo de triggering em Cabo Verde, 2 casos em Moçambique e 3 casos no Arquipélago dos Açores. A sismicidade detetada é na sua maioria emergente e os sinais não foram detetados em mais de duas estações. Não foi por isso possível determinar as fontes dos sinais observados. Na maioria dos dados de Cabo Verde é identificado um forte ruído cultural de alta frequência que pode estar a afetar os resultados. Apenas se detetou um resultado claro de aumento significativo em sinais de alta frequência na estação MLOS, na ilha do Fogo, durante a passagem das ondas sísmicas do sismo de 2002 de Denali, Mw7.9. Esta é uma estação que não apresenta o forte ruído cultural. Os sinais possivelmente despoletados pelo sismo estão numa banda de frequência também ocupada pelo ruído cultural observado nas outras estações. Outros dois casos onde foi identificado um aumento significativo generalizado nas ilhas noroeste e sudoeste durante a passagem das ondas de superfície ocorreram no período de aumento do ruído cultural. Uma análise mais aprofundada que permita determinar a origem dos sinais e distinguir os sinais despoletados pela tensão dinâmica do ruído cultural é necessária para melhor interpretar estes resultados. Em Moçambique foi observado um claro aumento da atividade de alta frequência em quatro estações durante a passagem das ondas de superfície do sismo de 6 de Fevereiro de 2013 das ilhas Salomão, Mw8.0. Estas quatro estações estavam na área das estruturas tectónicas ativas identificadas em Moçambique. Nenhum sinal coerente foi observado entre as quatro estações e não foi possível uma localização e ligar claramente o aumento da atividade de alta frequência às estruturas tectónicas. Foi ainda identificado um aumento significativo na atividade de alta frequência numa estação no Cratão do Kapvaal, zona onde não estão identificadas estruturas ativas, durante a passagem das ondas sísmicas do sismo de 16 de Abril de 2013 de Saravan, Mw7.7. Nenhuma evidência clara de dynamic triggering foi identificada no vulcão submarino Lucky Strike. Foram detetados problemas instrumentais nos dados que afetaram os resultados obtidos. Os dados do Arquipélago dos Açores mostram que na ilha de São Jorge não foi registado nenhum aumento significativo da atividade durante a passagem das ondas sísmicas de vários eventos. Em Chã de Macela, na ilha de São Miguel foram registados vários casos de aumento de atividade significativos. Os sinais detetados são emergentes e parecem ser tremor. As ondas sísmicas podem estar a ativar as estruturas vulcânicas na ilha. Estes resultados mostram que as regiões dos Açores, Cabo Verde e Moçambique são regiões onde podem ocorrer eventos despoletados pelas tensões dinâmicas impostas pelas ondas sísmicas (dynamic triggering). Os resultados também sugerem que a sismicidade triggered pelas ondas sísmicas não tão frequente e comum como proposto por estudos anteriores. Dados de estações mais protegidas de fontes de ruído cultural ou um método para melhor determinar quais os sinais do ruído cultural podiam melhorar as observações e a compreensão deste fenómeno nestas regiões. Nos Açores um estudo mais detalhado com dados de uma rede mais extensa e com maior cobertura ajudaria a confirmar as evidências detetadas na estação de Chã de Macela.