Tomografia Adjunta da América do Sul baseada em Simulações 3D de Ondas Sísmicas por Elementos Espectrais

A tomografia adjunta, uma técnica de inversão de forma de onda completa baseada em simulações de ondas 3D, agora é comumente usada em sismologia graças aos avanços no poder computacional e nos métodos numéricos. Neste estudo, usamos simulações de onda sísmicas com o método dos elementos espectrais 3D em escala continental (Komatitsch and Tromp, 2002a,b) e 112 terremotos registrados por 1311 estações sismográficas para construir um modelo de tomografia de forma de onda da América do Sul. A tese começa com uma revisão da equação de onda em elastodinâmica seguida por uma explicação introdutória do método dos elementos espectrais (Schubert, 2003; Igel, 2017). Também revisitamos o problema da inversão em geofísica e o método adjunto (Plessix, 2006) de forma intuitiva. Prosseguimos com uma explicação simplificada da teoria da frequência finita (Dahlen et al., 2000) e uma revisão de estudos tomográficos anteriores na América do Sul. Para realizar nossa tomografia, detectamos e removemos dados ruidosos e problemáticos usando nosso algoritmo de múltiplos estágios antes da seleção da janelas temporais, reduzindo a probabilidade de descartar dados úteis ou assimilar formas de onda de má qualidade em inversões. Nossa função objetivo usa a exponencial complexa da fase instantânea (Yuan et al., 2020), que otimiza as informações extraídas de cada série temporal sem a necessidade de janelas de curtas. Realizamos 23 iterações, aumentando gradualmente o conteúdo da frequência dos dados para evitar que mínimos locais atrapalhassem a convergência. Nosso modelo final (SAAM23, South American Adjoint Model, iteration 23) mostra uma redução de ∼50% no resíduo total. Também mensuramos a melhora através de correlação cruzada usando 53 terremotos que não foram incluídos na inversão. Nos longos comprimentos de onda, o modelo é compatível com estudos anteriores, como Van der Lee et al. (2001), Feng et al. (2007), Celli et al. (2020) e Lei et al. (2020). A Placa de Nazca é bem imageada e aparece contínua nas profundidades de 300-500 km seguindo o segmento de placa horizontalizada sob o Peru. Abaixo da região norte da América do Sul, a placa cruza a zona de transição e mergulha no manto inferior. Na parte central e sul da América do Sul, a placa se horizontaliza perto da descontinuidade de 650 km, antes de mergulhar no manto inferior. Na plataforma estável, tanto os crátons expostos (Amazônico e São Francisco), quanto os blocos cratônicos cobertos (Paranapanema e Parnaíba, sob as bacias intracratônicas do Paraná e Parnaíba, respectivamente), apresentam altas velocidades em profundidades litosféricas. A descontinuidade sísmica que separa a litosfera da astenosfera (DLA) foi estimada através da profundidade do gradiente de velocidade negativo mais acentuado. Uma boa concordância foi encontrada entre a DLA sísmica e os valores obtidos pelas funções do receptor de onda S. No Cráton Amazônico, tanto as anomalias positivas da velocidade da onda S na litosfera, quanto a profundidade da DLA, aumentam com a idade média das províncias geocronológicas. Por outro lado, nenhuma anomalia de alta velocidade foi encontrada abaixo do Cráton do Rio de La Plata. A tese termina com a apresentação do SphGLLTools, um conjunto de rotinas de código aberto que projetamos para permitir a visualização fácil e prática de modelos tomográficos definidos em malhas de elementos espectrais usando interpolação direta ou uma expansão versátil em harmônicos esféricos, usando o GMT6 (Wessel et al., 2019) para criar imagens de alta qualidade. Também conduzimos o leitor através de uma explicação completa, porém intuitiva, da teoria e dos conceitos usados pelas rotinas.