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Tomografía sísmica

La tomografía sísmica o sismotomografía es una técnica para obtener imágenes del subsuelo de la Tierra mediante ondas sísmicas . [1] Las propiedades de las ondas sísmicas se modifican según el material a través del cual viajan. Al comparar las diferencias en las ondas sísmicas registradas en diferentes ubicaciones, es posible crear un modelo de la estructura del subsuelo. Lo más común es que estas ondas sísmicas sean generadas por terremotos o fuentes artificiales como explosiones. Se pueden utilizar diferentes tipos de ondas, incluidas las ondas P , S , Rayleigh y Love para las imágenes tomográficas, aunque cada una tiene sus propias ventajas y desventajas y se utilizan según el entorno geológico, la cobertura del sismómetro , la distancia de los terremotos cercanos y la resolución requerida. El modelo creado por las imágenes tomográficas es casi siempre un modelo de velocidad sísmica , y las características dentro de este modelo pueden interpretarse como variaciones estructurales, térmicas o de composición. Los geocientíficos aplican la tomografía sísmica a una amplia variedad de entornos en los que la estructura del subsuelo es de interés, desde la estructura de toda la Tierra hasta los pocos metros superiores debajo de la superficie.

Teoría

La tomografía se resuelve como un problema inverso . Los datos sísmicos se comparan con un modelo inicial de la Tierra 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 variaciones estructurales , químicas y térmicas afectan las propiedades de las ondas sísmicas, sobre todo su velocidad , lo que lleva a la reflexión y refracción de estas ondas. La ubicación y la magnitud de las variaciones en el subsuelo se pueden calcular mediante el proceso de inversión, aunque las soluciones a las inversiones tomográficas no son únicas. Lo más común es que solo se considere el tiempo de viaje de las ondas sísmicas en la inversión. Sin embargo, los avances en las técnicas de modelado y la potencia informática han permitido que diferentes partes, o la totalidad, de la forma de onda sísmica medida se ajusten durante la inversión. [2] [3] [4]

La tomografía sísmica es similar a la tomografía computarizada con rayos X (TC) médica en el sentido de que una computadora procesa los datos del receptor para producir una imagen en 3D, aunque las TC utilizan la atenuación en lugar de la diferencia de tiempo de viaje. La tomografía sísmica tiene que lidiar con 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 TC utilizan rayos X lineales y una fuente conocida. [5]

Historia

A principios del siglo XX, los sismólogos utilizaron por primera vez las variaciones del tiempo de viaje de las ondas sísmicas de los terremotos para hacer descubrimientos como la existencia del Moho [6] y la profundidad del núcleo externo. [7] Si bien estos hallazgos compartían algunos principios subyacentes con la tomografía sísmica, la tomografía moderna en sí no se desarrolló hasta la década de 1970 con la expansión de las redes sísmicas globales. Redes como la Red Sismográfica Estandarizada Mundial fueron motivadas inicialmente por pruebas nucleares subterráneas , [8] pero rápidamente mostraron los beneficios de sus conjuntos de datos accesibles y estandarizados para la geociencia . Estos desarrollos ocurrieron simultáneamente con los avances en las técnicas de modelado y la potencia informática que se requerían para resolver grandes problemas inversos [9] [10] y generar sismogramas teóricos, [11] que se requieren para probar la precisión de un modelo. [12] Ya en 1972, [13] los investigadores utilizaron con éxito algunos de los principios subyacentes de la tomografía sísmica moderna para buscar áreas rápidas y lentas en el subsuelo. [14]

La primera publicación ampliamente citada que se asemeja en gran medida a la tomografía sísmica moderna se publicó en 1976 y utilizó terremotos locales para determinar la estructura de velocidad 3D debajo del sur de California. [15] [14] El año siguiente, se utilizaron tiempos de retardo de ondas P para crear mapas de velocidad 2D de toda la Tierra en varios rangos de profundidad, [16] lo que representa un modelo 3D temprano. El primer modelo que utilizó técnicas iterativas, que mejoran un modelo inicial en pequeños pasos y son necesarias cuando hay una gran cantidad de incógnitas, se realizó en 1984. [17] El modelo fue posible iterando sobre el primer modelo de la Tierra radialmente anisotrópico , creado en 1981. [18] Un modelo de la Tierra radialmente anisotrópico describe cambios en las propiedades del material, específicamente la velocidad sísmica, a lo largo de una trayectoria radial a través de la Tierra, y asume que este perfil es válido para cada trayectoria desde el núcleo hasta la superficie. Este estudio de 1984 también fue el primero en aplicar el término "tomografía" a la sismología, ya que el término se había originado en el campo médico con la tomografía de rayos X. [12]

La tomografía sísmica ha seguido mejorando en las últimas décadas desde su concepción inicial. El desarrollo de inversiones adjuntas, que pueden combinar varios tipos diferentes de datos sísmicos en una única inversión, ayuda a anular algunas de las desventajas asociadas con cualquier tipo de datos individual. [12] Históricamente, las ondas sísmicas se han modelado como rayos 1D, un método conocido como "teoría de rayos" que es relativamente simple de modelar y que generalmente puede ajustarse bien a los datos de tiempo de viaje. [19] Sin embargo, las formas de onda sísmicas registradas contienen mucha más información que solo el tiempo de viaje y se ven afectadas por una trayectoria mucho más amplia que la que supone la teoría de rayos. Métodos como el método de frecuencia finita intentan tener esto en cuenta dentro del marco de la teoría de rayos. [20] Más recientemente, el desarrollo de la tomografía de "forma de onda completa" o "forma de onda" ha abandonado por completo la teoría de rayos. Este método modela la propagación de ondas sísmicas en toda su complejidad y puede producir imágenes más precisas del subsuelo. Originalmente, estas inversiones se desarrollaron en sismología de exploración [21] en los años 1980 y 1990 y eran demasiado complejas computacionalmente para estudios a escala global y regional [12] , pero el desarrollo de métodos de modelado numérico para simular ondas sísmicas [22] ha permitido que la tomografía de forma de onda se vuelva más común.

Proceso

La tomografía sísmica utiliza registros sísmicos para crear modelos 2D y 3D del subsuelo a través de un problema inverso que minimiza la diferencia entre el modelo creado y los datos sísmicos observados. [23] Se utilizan varios métodos para resolver anomalías en la corteza , litosfera , manto y núcleo en función de la disponibilidad de datos y tipos de ondas sísmicas que pasan por la región. Las longitudes de onda más largas penetran más profundamente en la Tierra, pero las ondas sísmicas no son sensibles a características significativamente más pequeñas que su longitud de onda y, por lo tanto, brindan una resolución menor. Los diferentes métodos también hacen diferentes suposiciones, lo que puede tener un gran efecto en la imagen creada. Por ejemplo, los métodos tomográficos comúnmente utilizados funcionan mejorando iterativamente un modelo de entrada inicial y, por lo tanto, pueden producir resultados poco realistas si el modelo inicial no es razonable. [23]

Los datos de ondas 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 generan imágenes del núcleo. También se utilizan tiempos de viaje diferenciales entre fases o tipos de ondas.

Tomografía local

Los modelos tomográficos locales suelen basarse en un conjunto sísmico temporal que apunta a zonas 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 .

Tomografía regional o global

Variaciones simplificadas e interpretadas de la velocidad de las ondas P y S en el manto a lo largo del sur de América del Norte que muestran la placa Farallón subducida.

Los modelos tomográficos a escala regional y global se basan generalmente en longitudes de onda largas. Varios modelos tienen una mejor concordancia entre sí que los modelos locales debido al gran tamaño de las características que representan, como losas subducidas y superplumas . La desventaja de la cobertura de todo el manto en comparación con la de toda la Tierra es la resolución gruesa (cientos de kilómetros) y la dificultad de representar características pequeñas (por ejemplo, columnas estrechas). Aunque a menudo se utilizan para representar imágenes de diferentes partes del subsuelo, los modelos derivados de ondas P y S coinciden en gran medida cuando hay superposición de imágenes. Estos modelos utilizan datos tanto de estaciones sísmicas permanentes como de conjuntos temporales complementarios.

Aplicaciones

La tomografía sísmica puede resolver la anisotropía, la anelasticidad, la densidad y la velocidad del sonido en masa. [34] Las variaciones en estos parámetros pueden ser resultado de diferencias térmicas o químicas, que se atribuyen a procesos como las columnas del manto, las placas en subducción y los cambios de fase mineral. Las características de mayor escala que se pueden visualizar con la tomografía incluyen las altas velocidades debajo de los escudos continentales y las bajas velocidades debajo de los centros de expansión oceánica . [35]

Puntos calientes

La gran provincia africana de baja velocidad de cizallamiento (superpluma)

La hipótesis de la pluma del manto propone que las áreas de vulcanismo que no se explican fácilmente mediante la tectónica de placas, llamadas puntos calientes , son el resultado de un afloramiento térmico dentro del manto. Algunos investigadores han propuesto una fuente en el manto superior por encima de la discontinuidad de 660 km para estas plumas, [36] mientras que otros proponen una fuente mucho más profunda, posiblemente en el límite entre el núcleo y el manto . [37]

Si bien la fuente de las columnas del manto ha sido muy debatida desde que se propusieron por primera vez en la década de 1970, [38] la mayoría de los estudios modernos argumentan a favor de que las columnas del manto se originan en el límite entre el núcleo y el manto o cerca de él. [39] Esto se debe en gran parte a las imágenes tomográficas que revelan tanto las columnas en sí [40] [41] como las grandes zonas de baja velocidad en el manto profundo que probablemente contribuyen a la formación de columnas del manto. Estas grandes provincias de baja velocidad de corte , así como las zonas más pequeñas de velocidad ultrabaja, se han observado de manera constante en muchos modelos tomográficos de la Tierra profunda [42].

Zonas de subducción

Las placas en subducción son más frías que el manto hacia el que se desplazan, lo que crea una anomalía rápida que es visible en las imágenes tomográficas. Se han obtenido imágenes tomográficas de la mayoría de las zonas de subducción de todo el mundo y han proporcionado información sobre las geometrías de la corteza y el manto superior en estas áreas. Estas imágenes han revelado que las placas en subducción varían ampliamente en cuanto a la inclinación con la que se desplazan hacia el manto. [43] [44] Las imágenes tomográficas también han permitido observar características como porciones más profundas de la placa en subducción que se desprenden de la porción superior. [45]

Otras aplicaciones

La tomografía se puede utilizar para obtener imágenes de fallas y comprender mejor su peligro sísmico . Esto se puede lograr mediante la obtención de imágenes de la falla misma al observar las diferencias en la velocidad sísmica a lo largo del límite de la falla [46] o al determinar la estructura de velocidad cercana a la superficie [47] , lo que puede tener un gran impacto en la magnitud de la amplitud del movimiento del suelo durante un terremoto debido a los efectos de amplificación del sitio . [48] La estructura de velocidad cercana a la superficie a partir de imágenes tomográficas también puede ser útil para otros peligros, como el monitoreo de deslizamientos de tierra para detectar cambios en el contenido de humedad cerca de la superficie , que tiene un efecto tanto en la velocidad sísmica como en el potencial de futuros deslizamientos de tierra. [49] [50]

Las imágenes tomográficas de los volcanes han proporcionado nuevos conocimientos sobre las propiedades del sistema magmático subyacente . Estas imágenes se han utilizado con mayor frecuencia para estimar la profundidad y el volumen del magma almacenado en la corteza [51] [52] , pero también se han utilizado para limitar propiedades como la geometría, la temperatura o la química del magma [53] [54] [55] Es importante señalar que tanto los experimentos de laboratorio como los estudios de imágenes tomográficas han demostrado que recuperar estas propiedades a partir de la velocidad sísmica únicamente puede ser difícil debido a la complejidad de la propagación de las ondas sísmicas a través de zonas focalizadas de rocas calientes y potencialmente fundidas [56] [57]

Aunque comparativamente primitiva a la tomografía en la Tierra, la tomografía sísmica se ha propuesto en otros cuerpos del sistema solar y se ha utilizado con éxito en la Luna . Los datos recopilados de cuatro sismómetros colocados por las misiones Apolo se han utilizado muchas veces para crear perfiles de velocidad 1-D para la luna, [58] [59] [60] y, con menos frecuencia, modelos tomográficos 3-D. [61] La tomografía se basa en tener múltiples sismómetros, pero los métodos adyacentes a la tomografía para restringir la estructura de la Tierra se han utilizado en otros planetas. Si bien en la Tierra estos métodos se utilizan a menudo en combinación con modelos de tomografía sísmica para restringir mejor las ubicaciones de las características del subsuelo, [62] [63] aún pueden proporcionar información útil sobre los interiores de otros cuerpos planetarios cuando solo se dispone de un solo sismómetro. Por ejemplo, los datos recopilados por el instrumento SEIS (Experimento Sísmico para Estructura Interior) en InSight [64] en Marte han podido detectar el núcleo marciano. [65]

Limitaciones

Las redes sísmicas globales se han expandido de manera constante desde la década de 1960, pero aún se concentran en los continentes y en regiones sísmicamente activas. Los océanos, particularmente en el hemisferio sur, están poco cubiertos. [66] Las redes sísmicas temporales han ayudado a mejorar los modelos tomográficos en regiones de particular interés, pero por lo general solo recopilan datos durante meses o algunos años. La distribución desigual de los terremotos sesga los modelos tomográficos hacia regiones sísmicamente activas. Los métodos que no se basan en terremotos, como los estudios de fuentes activas o la tomografía de ruido ambiental, han ayudado a obtener imágenes de áreas con poca o ninguna sismicidad, aunque ambos tienen sus propias limitaciones en comparación con la tomografía basada en terremotos.

El tipo de onda sísmica que se utiliza en un modelo limita la resolución que puede alcanzar. Las longitudes de onda más largas pueden penetrar más profundamente en la Tierra, pero solo se pueden utilizar 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 más profundos que la corteza y el manto superior. La disparidad entre la longitud de onda y la escala de la característica hace que las anomalías aparezcan de magnitud y tamaño reducidos en las imágenes. Los modelos de ondas P y S responden de manera diferente a los tipos de anomalías. Los modelos basados ​​únicamente en la onda que llega primero prefieren naturalmente vías más rápidas, lo que hace que los modelos basados ​​en estos datos tengan una resolución menor de las características lentas (a menudo calientes). [67] Esto puede resultar un problema importante en áreas como los volcanes, donde las rocas son mucho más calientes que sus alrededores y, a menudo, están parcialmente derretidas. [68] Los modelos superficiales también deben considerar las variaciones significativas de la velocidad lateral en la corteza continental.

Debido a que los sismómetros se han utilizado en gran número desde finales del siglo XX, la tomografía solo es capaz de visualizar cambios en la estructura de velocidad a lo largo de décadas. Por ejemplo, las placas tectónicas solo se mueven a milímetros por año, por lo que la cantidad total de cambio en la estructura geológica debido a la tectónica de placas desde el desarrollo de la tomografía sísmica es varios órdenes de magnitud menor que la resolución más fina posible con las redes sísmicas modernas. [69] Sin embargo, la tomografía sísmica todavía se ha utilizado para visualizar cambios en la estructura de velocidad cerca de la superficie en escalas de tiempo de años a meses. [70] [71]

Las soluciones tomográficas no son únicas. Aunque se pueden utilizar métodos estadísticos para analizar la validez de un modelo, sigue habiendo incertidumbre irresoluble. [25] Esto contribuye a dificultar la comparación de la validez de los resultados de diferentes modelos.

La capacidad de procesamiento limita la cantidad de datos sísmicos, el número de incógnitas, el tamaño de la 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 terremotos requieren un procesamiento más complejo de datos distantes. Los modelos oceánicos poco profundos también requieren un tamaño de malla de modelo más pequeño debido a la corteza más delgada. [72]

Las imágenes tomográficas suelen presentarse con una rampa de color que representa la intensidad de las anomalías. Esto tiene la consecuencia de que los cambios iguales parezcan de distinta magnitud según las percepciones visuales del color, como el cambio de naranja a rojo, que es más sutil que el de azul a amarillo. El grado de saturación del color también puede distorsionar visualmente las interpretaciones. Estos factores deben tenerse en cuenta al analizar las imágenes. [5]

Véase también

Referencias

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Enlaces externos

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