Capítulo 2 - DEC/FCT/UNL

Capítulo 2. Mecanismos de geração dos sismos
A estrutura da Terra. Origem dos sismos. Teorias dos mecanismos sísmicos.
As falhas como geradoras de sismos. Geometria, tipo e classificação da sua
actividade. Foco. Epicentro. Distância epicentral. Ondas sísmicas.
2.1.
A Estrutura da Terra
A Terra tem uma forma aproximadamente esférica com as seguntes características
geométricas e físicas gerais:
Diâmetro equatorial=12740 km
Diâmetro polar=12700 km
Massa= 4.9 × 10 24 kg
Densidade média =5.5
Tendo presente que a densidade das rochas superficiais se situa tipicamente entre 2.7
e 3 conclui-se, do valor médio da densidade, que a Terra é marcadamente
heterogénea do ponto de vista desta grandeza física, o que por sua vez permite
antecipar a hetergoneidade relativamente a outras grandezas, como sejam a
constituição e a velocidade das ondas elásticas.
Densidade das rochas superficais entre 2.7 e 3 ⇒ Heterogeneidade da Terra , com
maior densidade no interior.
Estrutura interna da Terra.
O modelo actual de conhecimento da estrutura interna da Terra muito deve à
contribuição da Sismologia especialmente através da interpretação dos movimentos
sísmicos superficiais quanto aos trajectos seguidos pela ondas sísmicas desde a sua
génese até à superfície.
A estrutura da Terra divide-se, numa primeira análise, em crusta (litosfera), manto
(astenosfera) e núcleo.
Crusta terrestre
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Espessura variável de 25 a 40 km nas zonas continentais (por vezes mais: 60 a 70
km) e de 5 km nas zonas oceânicas. Corresponde a 0.4 % do raio da Terra.
A estrutura interna da crusta é complexa mas pode ser descrita como uma sequência
estratigráfica – no sentido interior-superfície – de basalto e, na zona continental, de
granito a ele sobrejacente. A crusta oceânica apresenta maior uniformidade e é mais
densa que a crusta continental. A crusta, por contactar com a atmosfera ou com os
oceanos tem uma temperatura inferior aos materiais subjacentes.
É a zona quase exclusiva de sismogénese.
Fronteira entre crusta e manto
A fronteira entre a crusta e o manto marca uma descontinuidade da velocidade de
propagação de ondas chamada discontinuidade de Mohorovicic – situada a
profundidade variável – que desempenha o papel de refractor e reflector das ondas. A
existência desta discontinuidade foi deduzida dos fenómenos de refracção e reflexão
que acompanham a propagação das ondas sísmicas através de discontinuidades
físicas.
Discontinuidade de Mohorovicic (velocidades de ondas S e P) [NR]. S105.bmp
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A Estrutura da Terra [K] s008.tif
A tempeatura da Terra [K]s025.tif
Manto
O manto tem cerca de 2850 km. A zona mais próxima da crusta, o manto superior,
tem cerca de 650 km. Densidade de 4 a 5.
O manto encontra-se a uma temperatura elevada (4000ºF) estando os materiais seus
constituintes num estado viscoso com comportamento misto sólido-líquido.
Já foram registados sismos ocorridos no manto superior (a profundidade máxima
registadas de ocorrência de sismos é de cerca de 600 km). Não se conhecem sismos
no manto inferior.
Núcleo
Resta descrever o núcleo, subdivido em núcleo exterior no estado líquido com 2300
km de espessura e pelo núcleo interior no estado sólido com uma espessura de 1100.
No núcleo exterior não é possível a transmissão de ondas de corte, ondas S.
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essencialmente por ferro fundido (densidade 9 a 12). O núcleo interior ou núcleo
sólido (densidade 15) é uma mistura de ferro e níquel sob elevadíssimas pressões .
2.2.
Origem dos sismos
Diversos fenómenos podem estar na origem de sismos, sendo os mais importante –
pela taxa anual de ocorrência sísmica, pela severidade das consequências e pela
extensão das áreas afectadas – os de origem tectónica. Estes são associados à
libertação de energia de deformação acumulada ao longo de certo tempo na crusta
terrestre.
Ainda hoje não se encontra estabelecido de forma consensual qual o mecanismo de
génese sísmica, sendo a explicação mais favorecida a associada à rotura mais ou
menos plana de massas geológicas levando à formação de falhas e ao deslizamento
relativo dos respectivos bordos.
Esta explicação é contrariada pelo conhecimento da ocorrência de sismos no manto a
profundidades superiores a 600 km, portanto, em zonas cuja ductilidade e cujo
estado físico impedem a formação de roturas de grande expressão capazes de
alcançar de forma assinalável a superfície da crusta terrestre. Outras explicações
concorrentes daquela existem, sendo no entanto, de pequena relevância para a
sismicidade que interessa à Engenharia Sísmica, isto é, à sismicidade de origem na
crusta terrestre.
2.3.
Teorias dos mecanismos sísmicos
A aceitação da origem tectónica dos sismos é resultado de um longo processo de
elucidação de dúvidas e de rejeição de objecções. Este processo remonta à hipótese
(teoria) da deriva dos continentes, a qual é precursora de uma outra teoria, a da
existência de placas tectónicas interagindo entre si nas orlas. Esta teoria foi sugerida
pela interpretação dos registos dos movimentos superficiais de origem sísmica e do
reconhecimento do fundo dos oceanos cujo início se deu em meados do século XX.
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Interacção entre placas tectónicas
A interacção entre placas dá-se nas suas fronteiras o que leva à existência de
deformações que se processam de forma contínua (deformações assísmicas) e que,
pontualmente, ocorrem de forma espamódica (deformações sísmicas).
O movimento de placas deve-se ao equilíbrio termomecânico dos constituintes da
manto. Os gradientes de temperatura e de densidade aí existentes (temperatura
crescente e densidade decrescente em profundidade) justificam a existência de um
processo de natureza convectiva que leva ao afundamento das massas em contacto
com a crusta. Este afundamento é acompanhado, por conservação de massa, da
ascensão do magma quente. Estas correntes de convecção impõem tensões
tangenciais sob a crusta, as quais são o motor da interacção mecânicas entre as placas
tectónicas.
Consideram-se identificadas seis placas principais: a Africana, a Euro-Asiática, a
Americana, a Antárctica, a Indo-Australiana e a do Pacífico.
Cartografia das placas tectónicas e respectivos movimentos [F] Kramer s007.jpg
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Do ponto de vista conceptual consideram-se três tipos de cinemática de interacção: (i)
afastamento ou transcorrente (zonas de distensão), (ii) subducção (zonas de
compressão) e (iii) deslizamento transformante (zonas de distorção)
Zonas de afastamento
Em algumas zonas as placas afastam-se lentamente. No espaço assim criado o magma
ascende à superfície arrefecendo, solidificando e integrando-se nas placas adjacentes.
Ao arrefecer, o magma fica magnetizado sob o campo magnético terresrte reinante na
altura, o qual varia no tempo. Esta circunstância permite, através da medição da
polaridade nestas zonas, datar a respectiva génese, o que evidenciou a existência de
um fenómeno contínuo de empilhamento lávico (“rigdge”). Por exemplo, no ridge
meso-atlântico esta acumulação dá-se a uma taxa de 2 cm por ano, enquanto que no
ridge do Pacífico ocorre a uma taxa de 18 cm/ano. Estima-se que a crusta oceânica
cresca a uma taxa de 3.1 km2 por ano.
A ascensão pode fazer-se de forma lenta e continuada ou por forma brusca durante os
sismos ou erupções vulcânicas sub-aquáticas.
As zonas de empilhamento lávico podem aparecer á superfície da água: exemplo a
Islândia onde a actividade vulcânica é quase constante com cerca de 150 vulcões
activos.
Zonas de subducção
A criação de nova massa de crusta por ascensão magmática obriga, por
compatibilidade cinemática, a que alguma crusta seja, simultaneamente, consumida
por qualquer processo. Nas zonas de subdução as orlas das placas contíguas
aproximam-se através do afundamento relativo de uma delas, o qual se processa com
deslizamento sob elevados níveis de compressão. Esta circunstância favorece a
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acumulação de energia de deformação cuja libertação no interface entre as placas é
causadora de sismos. A placa que mergulha aquece e torna-se mais dúctil, chegando,
em zonas suficientemente profundas, a ser incapaz de de produzir sismos. Estas zonas
encontram-se frequentemnete nas orlas continentais.
Quando as placas que transportam continentes colidem podem formar-se sistemas
montanhosos como por exemplo os Himalaias que resultaram da colisão da placa
Indo-Australiana com a placa EuroAsiática.
O movimento relativo das placas Africana e Euro-Asiática está a conduzir à
diminuição do mar Meditterânico e eventualmente dará origem à génese de uma
cadeia montanhosa paralela ao eixo do Mediterrâneo (vidé os Alpes).
Zonas transformantes
Falhas transformantes ou “strike slip faults transform faults”: movimento dos bordos
de falha é paralelo à sua orientação horizontal. Falhas direita e esquerdas. Caso
particular importante planos de falha sub-verticais. Exemplo mais famoso: a falha de
Santo André na Califórnia é uma falha transformante direita. Outro caso: contacto das
placas Euro-Asiática e Africana.
Falha transformante esquerda [SM] s107.bmp
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2.4.
As falhas como geradoras de sismos
A implantação dos epicentros dos sismos mais imoprtantes num mapa-mundi com as
fronteriras das placas tectónicas torna evidente a existência de uma correlação quase
absoluta entre a a actividade sísmica significativa e as zonas de interacção entre
placas. Em particular, nas zonas de subducção esta correspondência estabelece-se
com os epicentros dos sismos de maior energia libertada (cf. Figura seguinte). Esta
constatação foi somente possível após a instalação de uma rede sismográfica mundial
e a posterior interpretação dos tempos de chegada das perturbações sísmicas às
diversas estações de modo a identificar a posição do epicentro sísmico.
Actividade sísmica no Mundo. Epicentros dos sismos mais significativos. [B1] Kramer s006.jpg
Esta Figura sugere ainda o forte contraste entre a sismicidade originada nas zonas de
interacção inter-placa e a sismicidade de origem em zonas internas das placas.
2.5.
Geometria, tipo e classificação da sua actividade.
Uma falha é a manifestação de um processo de rotura mais ou menos localizado que,
por esgotamento da capacidade resistente em zonas vizinhas, se pode propagar por
diversos quilómetros de extensão. É habitualmente idealizada como uma figura plana
descrita pela direcção ou azimute (definido em relação ao Norte) pela inclinação
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(ângulo formado com um plano horizontal) e pela direcção do respectivo vector de
deslocamento.
Geometria idealizada de uma falha [GC]
As falhas são classificadas quanto ao seu movimento nas seguintes categorias: (i)
falhas transcorrentes, (ii) falhas transformantes (strike-slip fault), (iii) falhas inversas
e (iiv) falhas normais.
.
Representação esquemática dos tipos de falhas quanto ao movimento.
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005 Bolt p86
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As falhas inversas estão associadas a zonas de subducção ou ainda a zonas de
compressão entre blocos, sendo causadoras dos sismos de maior severidade dado que
o material envolvido se encontra comprimido sob tensão significativa o que potencia
o acumular de deformações sem rotura (comportamento dúctil) a qual uma vez
atingida liberta a respectiva energia mecânica. O movimento correspondente faz-se
com subida relativa do tecto da falha.
Tensões associadas ao movimento de falhas. (a) e (b): falha normal. (c) e (d) falha inversa. Código de cor associada ao
movimento inicial da falha: preto (compressão), branco : (extensão). S002 Bolt p 127
Por último, as falhas normais estão associadas a zonas de distensão em que o nível de
tensão normal nas faces é reduzido correspondendo-lhe um movimento relativo
descendente do tecto.
Ocorrência de falhamento normal sub-vertical em zona de distensão [SM] s103.jpg
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Tensões associadas ao movimento de falhas. (a) e (b): falha normal. (c) e (d) falha inversa. Código de cor associada ao
movimento inicial da falha: preto (compressão), branco : (extensão). S002 Bolt p 127
Nalguns casos a rotura estende-se até à superfície sendo possível estudar o respectivo
movimento e deduzir parâmetros cinemáticos como seja a taxa de deslizamento anual
entre os bordos da falha. Os movimentos residuais podem apresentar valores
significativos (cf. Figura seguinte)
Rotura à superfície da Falha de Santo André (falha transformante direita) no sismo
de S. Francisco de 1906 (a cerca deslocou-se próximo de 2.5 m) [GC]
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2.6.
Geometria de um sismo
2.7.
Ondas sísmicas
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Referências Bibliográficas
[GC] A. Gomes Coelho (2003) – Notas de Aula sobre Geologia e Engenharia
Sísmica. Mestrado em Geotecnia para Engenharia Civil IST-UTL/LNEC/FCT-UNL.
[K] Kramer – Geotechnical Earthquake Engineering.
[SM] Stein e Wysession (2003) – An Introduction to Seismology, Earthquakes, and
Earth Structure. Blackwell Publishing.
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