La tomografía sísmica o sismotomografía es una técnica para obtener imágenes del subsuelo de la Tierra con ondas sísmicas producidas por terremotos o explosiones. Las ondas P , S y superficiales se pueden utilizar para modelos tomográficos de diferentes resoluciones según la longitud de onda sísmica, la distancia de la fuente de onda y la cobertura del conjunto sismógrafo. [1] Los datos recibidos en los sismómetros se utilizan para resolver un problema inverso, en el que se determinan las ubicaciones de reflexión y refracción de las trayectorias de las ondas. Esta solución se puede utilizar para crear imágenes 3D de anomalías de velocidad que pueden interpretarse como variaciones estructurales, térmicas o de composición. Los geocientíficos utilizan estas imágenes para comprender mejor los procesos tectónicos del núcleo, el manto y las placas .
La tomografía se resuelve como un problema inverso . Los datos del tiempo de viaje sísmico se comparan con un modelo terrestre inicial y el modelo se modifica hasta encontrar el mejor ajuste posible entre las predicciones del modelo y los datos observados. Las ondas sísmicas viajarían en línea recta si la Tierra tuviera una composición uniforme, pero las capas de composición, la estructura tectónica y las variaciones térmicas reflejan y refractan las ondas sísmicas . La ubicación y magnitud de estas variaciones se pueden calcular mediante el proceso de inversión, aunque las soluciones a las inversiones tomográficas no son únicas.
La tomografía sísmica es similar a la tomografía computarizada (TC) de rayos X médica en el sentido de que una computadora procesa los datos del receptor para producir una imagen en 3D, aunque las tomografías computarizadas utilizan atenuación en lugar de diferencia de tiempo de viaje. La tomografía sísmica tiene que abordar el análisis de las trayectorias curvas de los rayos que se reflejan y refractan dentro de la Tierra, y la posible incertidumbre en la ubicación del hipocentro del terremoto . Las tomografías computarizadas utilizan rayos X lineales y una fuente conocida. [2]
La tomografía sísmica requiere grandes conjuntos de datos de sismogramas y fuentes de terremotos o explosiones bien ubicadas. Estos estuvieron más disponibles en la década de 1960 con la expansión de las redes sísmicas globales, y en la década de 1970, cuando se establecieron archivos de datos de sismógrafos digitales. Estos desarrollos ocurrieron simultáneamente con avances en la potencia informática que eran necesarios para resolver problemas inversos y generar sismogramas teóricos para probar modelos. [3]
En 1977, los tiempos de retardo de las ondas P se utilizaron para crear el primer mapa 2D de velocidad sísmica a escala de matriz sísmica. [4] En el mismo año, se utilizaron datos de la onda P para determinar 150 coeficientes armónicos esféricos para anomalías de velocidad en el manto. [1] El primer modelo que utiliza técnicas iterativas, necesarias cuando hay un gran número de incógnitas, se realizó en 1984. Se basó en el primer modelo radialmente anisotrópico de la Tierra, que proporcionó el marco de referencia inicial necesario para comparar modelos tomográficos con iteración. [5] Los modelos iniciales tenían una resolución de ~3000 a 5000 km, en comparación con la resolución de unos pocos cientos de kilómetros de los modelos actuales. [6]
Los modelos tomográficos sísmicos mejoran con los avances en la informática y la expansión de las redes sísmicas. Los modelos recientes de ondas corporales globales utilizaron más de 10 7 tiempos de viaje para modelar de 10 5 a 10 6 incógnitas. [7]
La tomografía sísmica utiliza registros sísmicos para crear imágenes 2D y 3D de anomalías del subsuelo resolviendo grandes problemas inversos que generan modelos consistentes con los datos observados. Se utilizan varios métodos para resolver anomalías en la corteza y la litosfera , el manto poco profundo, el manto completo y el núcleo según la disponibilidad de datos y los tipos de ondas sísmicas que penetran la región en una longitud de onda adecuada para la resolución de características. La precisión del modelo está limitada por la disponibilidad y precisión de los datos sísmicos, el tipo de onda utilizado y las suposiciones hechas en el modelo.
Los datos de la onda P se utilizan en la mayoría de los modelos locales y globales en áreas con suficiente densidad de terremotos y sismógrafos. Los datos de ondas S y superficiales se utilizan en modelos globales cuando esta cobertura no es suficiente, como en cuencas oceánicas y lejos de zonas de subducción . Los tiempos de primera llegada son los más utilizados, pero los modelos que utilizan fases reflejadas y refractadas se utilizan en modelos más complejos, como los que obtienen imágenes del núcleo. También se utilizan tiempos de viaje diferenciales entre fases o tipos de olas.
Los modelos tomográficos locales a menudo se basan en una matriz sísmica temporal dirigida a áreas específicas, a menos que se trate de una región sísmicamente activa con una amplia cobertura de red permanente. Estos permiten obtener imágenes de la corteza y el manto superior .
Los modelos tomográficos de escala regional a global generalmente se basan en longitudes de onda largas. Varios modelos coinciden mejor entre sí que los modelos locales debido al gran tamaño de las características que representan, como losas subducidas y superplumas . La desventaja de cubrir todo el manto y cubrir toda la Tierra es la resolución basta (cientos de kilómetros) y la dificultad para obtener imágenes de características pequeñas (por ejemplo, penachos estrechos). Aunque se utilizan a menudo para obtener imágenes de diferentes partes del subsuelo, los modelos derivados de ondas P y S coinciden en términos generales en dónde hay superposición de imágenes. Estos modelos utilizan datos tanto de estaciones sísmicas permanentes como de conjuntos temporales suplementarios.
La tomografía sísmica puede resolver la anisotropía, la anelasticidad, la densidad y la velocidad del sonido en masa. [6] Las variaciones en estos parámetros pueden ser el resultado de diferencias térmicas o químicas, que se atribuyen a procesos como plumas del manto, losas en subducción y cambios de fase mineral. Las características de mayor escala que se pueden visualizar con tomografía incluyen las altas velocidades debajo de los escudos continentales y las bajas velocidades debajo de los centros de expansión oceánica . [4]
La hipótesis de la pluma del manto propone que áreas de vulcanismo que no se explican fácilmente por la tectónica de placas, llamadas puntos calientes , son el resultado de surgencias térmicas tan profundas como el límite entre el núcleo y el manto que se convierten en diapiros en la corteza. Esta es una teoría activamente cuestionada, [9] aunque las imágenes tomográficas sugieren que hay anomalías debajo de algunos puntos críticos. Las mejores imágenes de ellas son las grandes provincias de baja velocidad de corte, o superplumas, visibles en los modelos de ondas S del manto inferior y que se cree que reflejan diferencias tanto térmicas como de composición.
El hotspot de Yellowstone es responsable del vulcanismo en la Caldera de Yellowstone y de una serie de calderas extintas a lo largo de la llanura del río Snake . El Proyecto Geodinámico de Yellowstone intentó obtener imágenes de la columna de humo debajo del punto caliente. [11] Encontraron un fuerte cuerpo de baja velocidad de ~30 a 250 km de profundidad debajo de Yellowstone, y una anomalía más débil de 250 a 650 km de profundidad que descendía 60° al oeste-noroeste. Los autores atribuyen estas características a que la pluma del manto debajo del punto caliente se desvía hacia el este por el flujo en el manto superior observado en los modelos de ondas S.
El hotspot de Hawái produjo la cadena de montes submarinos Hawaiano-Emperador . Las imágenes tomográficas muestran que tiene entre 500 y 600 km de ancho y hasta 2.000 km de profundidad.
Las placas en subducción están más frías que el manto hacia el que se mueven. Esto crea una anomalía rápida que es visible en las imágenes tomográficas. Tanto la placa de Farallón que se subdujo debajo de la costa occidental de América del Norte [12] como la porción norte de la placa india que se subdujo debajo de Asia [13] han sido fotografiadas mediante tomografía.
Las redes sísmicas globales se han expandido constantemente desde la década de 1960, pero todavía están concentradas en continentes y regiones sísmicamente activas. Los océanos, particularmente en el hemisferio sur, están insuficientemente cubiertos. [9] Los modelos tomográficos en estas áreas mejorarán cuando haya más datos disponibles. La distribución desigual de los terremotos naturalmente sesga los modelos hacia una mejor resolución en regiones sísmicamente activas.
El tipo de onda utilizada en un modelo limita la resolución que puede alcanzar. Las longitudes de onda más largas pueden penetrar más profundamente en la Tierra, pero solo pueden usarse para resolver características grandes. Se puede lograr una resolución más fina con ondas superficiales, con la desventaja de que no se pueden utilizar en modelos del manto profundo. La disparidad entre la longitud de onda y la escala de características hace que aparezcan anomalías de magnitud y tamaño reducidos en las imágenes. Los modelos de onda P y S responden de manera diferente a los tipos de anomalías según la propiedad del material impulsor. Los primeros modelos basados en el tiempo de llegada naturalmente prefieren caminos más rápidos, lo que hace que los modelos basados en estos datos tengan una resolución más baja de las características lentas (a menudo calientes). [7] Los modelos superficiales también deben considerar las importantes variaciones de velocidad lateral en la corteza continental.
La tomografía sísmica proporciona sólo las anomalías de velocidad actuales. Se desconocen las estructuras anteriores y las lentas tasas de movimiento en el subsuelo (de mm a cm por año) impiden la resolución de los cambios en escalas de tiempo modernas. [14]
Las soluciones tomográficas no son únicas. Aunque se pueden utilizar métodos estadísticos para analizar la validez de un modelo, persiste una incertidumbre irresoluble. [7] Esto contribuye a la dificultad para comparar la validez de los resultados de diferentes modelos.
La potencia de cálculo limita la cantidad de datos sísmicos, el número de incógnitas, el tamaño de malla y las iteraciones en los modelos tomográficos. Esto es de particular importancia en las cuencas oceánicas, que debido a la cobertura limitada de la red y la densidad de los terremotos requieren un procesamiento más complejo de datos distantes. Los modelos oceánicos poco profundos también requieren un tamaño de malla más pequeño debido a la corteza más delgada. [5]
Las imágenes tomográficas suelen presentarse con una rampa de color que representa la intensidad de las anomalías. Esto tiene la consecuencia de hacer que cambios iguales parezcan de diferente magnitud según las percepciones visuales del color, como que el cambio de naranja a rojo sea más sutil que el de azul a amarillo. El grado de saturación del color también puede sesgar visualmente las interpretaciones. Estos factores deben tenerse en cuenta al analizar imágenes. [2]
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