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Tema III.

Propagación de ondas sísmicas: Ondas Superficiales.Anelasticidad y anisotropía.

I. Propagación en un medio semiinfinito: Ondas Rayleigh

II. Propagación en un medio y una capa: OndasLove

III. Modos de las ondas Love.

IV. Propagación de las ondas Rayleigh en mediosestratificados.

V. Dispersión de ondas. Velocidad de fase y grupo.

�Determinación de la velocidad de grupo y de fase.Método de frecuencias instantaneas.

�Determinación de la velocidad de grupo y de fase.

Método de análisis de Fourier.

VI. Curvas de dispersión y estructura de la tierra.

VII. Anelasticidad y amortiguamiento.

� Factor de calidad Q. Coeficiente anelástico γ.�Atenuacion: Ondas internas. Ondas superficiales. OndasCoda.

�Propagacion de las ondas sísmicas en medios anisótropos.

Tema III.

Propagación de ondas sísmicas: Ondas Superficiales.Anelasticidad y anisotropía.

I. Propagación en un medio semiinfinito: Ondas Rayleigh

II. Propagación en un medio y una capa: OndasLove

III. Modos de las ondas Love.

IV. Propagación de las ondas Rayleigh en mediosestratificados.

V. Dispersión de ondas. Velocidad de fase y grupo.

�Determinación de la velocidad de grupo y de fase.Método de frecuencias instantaneas.

�Determinación de la velocidad de grupo y de fase.

Método de análisis de Fourier.

VI. Curvas de dispersión y estructura de la tierra.

VII. Anelasticidad y amortiguamiento.

� Factor de calidad Q. Coeficiente anelástico γ.�Atenuacion: Ondas internas. Ondas superficiales. OndasCoda.

�Propagacion de las ondas sísmicas en medios anisótropos.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS: ONDAS SUPERFICIALES, ANELASTICIDAD Y ANISOTROPIA

3.1 ONDAS RAYLEIGH EN UN MEDIO SEMIINFINITO� Existencia de superficies libre y de discontinuidad

�Acoplamiento de energía

� Ondas Superficiales

�Propuestas por Lord Rayleigh en 1885 (sup. Libres)

�Observadas por R.D Oldham en 1900

�Su Amplitud disminuye con z, v < ondas S, desplazamientos enel plano de incidencia (dirección paralela a la superficie)

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

3.1 ONDAS RAYLEIGH EN UN MEDIO SEMIINFINITO

Si la onda se propaga en x1

Los desplazamientos de lasondas Rayleigh serán:

ux x1

1 3

= −∂ φ

∂ψ

∂u u2 2=

ux x3

3 1

= +∂ φ

∂ ψ

Para ondas sup. prop. en x1 convelocidad de fase c y nº de onda k,las soluciones de la ec. de onda, esdecir, φ, ψ y u2 son:

{ }φ = − + −A ikrx ik x ctexp ( )3 1

{ }ψ = − + −B iksx ik x ctexp ( )3 1

{ }u C iksx ik x ct2 3 1= − + −exp ( )

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

3.1 ONDAS RAYLEIGH EN UN MEDIO SEMIINFINITO

Sustituyendo las ecuaciones en la ecuación de ondas se obtiene:

rc

= −2

2 1α

sc

= −2

2 1β

Para que la amplitud de φ, ψ y u2 decrezca con z � r y s hande ser imaginarios positivos � c < β < α

Son ondas que se propagan en la dirección x1 y se atenúanexponencialmente en dirección negativa de x3.

La atenuación depende del nº de onda k.Las ondas de alta frecuencia sufren mayor atenuación

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

3.1 ONDAS RAYLEIGH EN UN MEDIO SEMIINFINITO

Para evaluar A,B,C y c se aplican las condiciones de contornoen la superficie libre (τ31 = τ32 = τ33 = 0)

τ µ∂

∂313

1

1

3

0= +

=

u

x

u

xτ µ

∂322

3

0= =u

xτ λ µ

∂λ

∂333

3

1

1

2 0= + + =( )u

x

u

x

• Sustituyo los valores de u1, u2 y u3

2rA-(1-s2)B=0 ; [α2(1+r2)-2β2]A-2β2sB=0; C=0

Propagaciónsólo en (x1, x3)

∃ solución si:

4rs β2-(1- s2) [α2(1+r2)-2β2]=0

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

3.1 ONDAS RAYLEIGH EN UN MEDIO SEMIINFINITO

• Simplificando y sustituyendo los valores de r y s:

2 4 1 12

2

2 2

2

2

2−

= − −

c c c

β α β

• Haciendo λ=µ � α= (3)1/2β � Defino incógnita y = (c / β)2 �

y y y3 2856

3

32

30− + − = y =

42+2/(3)1/2

2-2/(3)1/2 Compatiblecon c < β

• Luego la velocidad de las ondas Rayleigh en este medio es:cR = 0.9194 β � Puesto que r = 0.85 i y s = 0.39 i

{ }φ = + −A kx ik x c tRexp . ( )085 3 1

{ }ψ = + −B kx ik x c tRexp . ( )0 39 3 1

• Propag. en x1 y atenuación en –x3• Interacción de ondas P y SV conla superficie libre

• Los desplazamientos serán:u a e e sen k x c t

kx kx

R10 85 0 393 3058= − −( . ) ( ). .

u a e e k x c tkx kx

R30 85 0 39085 1473 3= − + −( . . ) cos ( ). .

• Si x3 = 0

u a sen k x c tR1 10 42= −. ( ) u a k x c tR3 10 62= −. cos ( )

El movimiento muestra un desfase de 90º entre el componente vertical y el horizontal � Trayectoria forma en cada periodo unaelipse de movimiento retrógrado. La amplitud disminuye con la prof.y a una cierta prof. el componente horizontal = 0 y a partir, de ella el movimiento es progrado

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

3.1 ONDAS RAYLEIGH EN UN MEDIO SEMIINFINITO

con a= -kA

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

3.1 ONDAS RAYLEIGH EN UN MEDIO SEMIINFINITO

Velocidad menor que la de las ondas S. Gran daño en las estructuras.

3.2 ONDAS LOVE EN UN MEDIO Y UNA CAPA

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

� Hecho experimental a partir de registros:Existe ondas con movimiento horizontal y transversal queprecedían a las ondas Rayleigh.

� 1908: Knott y Wiechert proponen que es un efecto de transmisión por la corteza terrestre.

� 1911: Love lo explica desarrollando la teoría de propagaciónde ondas superficiales de componente transversal, en una capa(corteza) sobre un medio semiinfinito, de distintas propiedadeselásticas (ondas Love)

3.2 ONDAS LOVE EN UN MEDIO Y UNA CAPA

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

• Solución de la ecuación de onda en un medio semiinfinito develocidades α y β y densidad ρ, con una capa de espesor Hsuperpuesta de velocidades α’ y β’ y densidad ρ’ con β > β’.Esta solución ha de ser propagación paralela a la superficie ydisminución de su amplitud con la profundidad.

• ∃ 2 tipos de ondas:.- Rayleigh (desplaz. Verticales).- Love (desp. Horizontal-transversal)

• Aparece el fenómeno de dispersión, es decir, v = f( frec.)

3.2 ONDAS LOVE EN UN MEDIO Y UNA CAPA

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

• Por sencillez sólo estudiamos el problema de las ondas Love:u A iks x ik x ct B iks x ik x ct2 3 1 3 1' ' exp[ ' ( )] 'exp[ ' ( )]= + − + − + −

u B iksx ik x ct2 3 1= − + −exp[ ( )] con: sc

= −2

2 1β

sc

''

= −2

2 1β

• Atenuación del desplazamiento con la profundidad �� s imaginario positivo

• Condiciones de contorno: esfuerzos nulos en la superficie libre(x3 = H) y continuidad de esfuerzos y desplazamientos en la deseparación entre la capa y el medio (x3 = 0).

3.2 ONDAS LOVE EN UN MEDIO Y UNA CAPA

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

x Hu

x

x

u u

u

x

u

x

3 322

3

3

2 2

322

332

2

3

0

0

= = =

=

=

= = =

: ''

'

' ''

'τ µ∂

τ µ∂

∂τ µ

Condiciones de Contorno.

• Sustituyendo los valores de los desplazamientos:

A e B eiks H iks H' '' '− =− 0

A s B s B s' ' ' ' ' 'µ µ µ− + = 0

A B B' '+ − = 0

∃ Solución si el determinantees nulo, � s’ debe ser real�β’ < c < β � ondas propagándose hacia abajo yhacia arriba dentro de la capa.

3.2 ONDAS LOVE EN UN MEDIO Y UNA CAPA

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

• La ecuación resultante es:µ

µ

s

i stg ks H

' ''=

• Sustituyendo los valores de s y s’ en función de c, β’ y β :

µβ

µβ

β

1

1

1

2

2

2

2

2

2

= −

c

ctg kH

c

'`

`

Ecuación de dispersión (relaciona c con el número de onda (o implícitamente la frecuencia)).

3.2 ONDAS LOVE EN UN MEDIO Y UNA CAPA

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

� La ecuación dispersiva se puede obtener también a partir deinterferencia constructiva de ondas, que se reflejan en la superficie de separación entre la capa y el medio, con unángulo i mayor que el crítico.

� Las ondas Love, por tanto, se pueden considerar como el resultado de la interferencia constructiva de ondas supercríticas (SH), con reflexión total en la base de la capa

• Si xc es la distancia que coincide con la onda reflejada conángulo crítico � Las reflexiones para x < xc son subcríticasy para x > xc son supercríticas (reflexiones totales)

ONDA LOVE PROPAGÁNDOSE

3.2 ONDAS LOVE EN UN MEDIO Y UNA CAPA

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

3.3 DISPERSIÓN DE ONDAS. VELOCIDAD DE FASE Y GRUPO.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

� Las ondas de distinto periodo viajan con distinta velocidad.

� Hasta ahora hemos obtenido velocidades de fase o velocidada que se propaga la fase de cada componente armónico de lasondas

� Si Vfase = cte � Vfase = Vgrupo (velocidad de transporte de energía). A la inversa esto no ocurre.

3.3 DISPERSIÓN DE ONDAS. VELOCIDAD DE FASE Y GRUPO.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

� Defino velocidad de grupo como: Ud

dk=

ω

� Sustituyo ω = k c(k) con c(k) velocidad de fase �

U c kd c k

dk= +

( )

µβ

µβ

β

1

1

1

2

2

2

2

2

2

= −

c

ctg kH

c

'`

`

Recordando la relación entre c y k

0 12

2

2< − <kHc

β

π

`

tg (0) � k=0 � c = β

tg (π/2) � k=∞ � c = β’

Luego β < c(k) < β’La forma de la curva depende de H (espesor)

3.3 DISPERSIÓN DE ONDAS. VELOCIDAD DE FASE Y GRUPO.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

Sustituyendo c(k) obtengo la curva para U(k)

En el tren de ondas llegarán primero las defrecuencia baja (largo periodo) (k=0) y mástarde las de frecuencia alta´.

La mayor energía llega al final del tren correspondiendo a lamínima velocidad de grupo.

3.3 DISPERSIÓN DE ONDAS. VELOCIDAD DE FASE Y GRUPO.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

Llegada de las ondas de distinto periodo a una distancia X.

FaseAiry

3.4 MODOS DE LAS ONDAS LOVE.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

� Hemos acotado el argumento de la tg entre 0 y π/2 perotambién toma valores entre π y 3 π/2, 2 π y 5 π/2 ...

� Para cada valor de H obtengo una familia infinita de curvas.Cada curva se denomina modo de propagación. El correspondientea 0 y π/2 es el modo fundamentaly el resto modos superiores.

3.4 MODOS DE LAS ONDAS LOVE.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

Frecuencia de corte para el modo de orden n:k

n

H

n =

π

β

β '1

� Los desplazamientos de las ondas correspondientes a cada modotienen distinta distribución con la profundidad.

A e B eiks H iks H' '' '− =− 0 B A e

i ks H' ' '= 2

Sustituyendo y tomando parte real:

u A ks Hx

Hk s H x ct' ' cos ' cos ( ' )2

312 1= −

+ −

B A ks H eiks H= 2 'cos( ' ) '

u A ks H e k s H x ctksx

2 12 3= + −' cos ' cos ( ' )

3.4 MODOS DE LAS ONDAS LOVE.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

� En el medio la amplitud de los despl. disminuye exponencialmentecon la profundidad y en el interior de la capa viene modulada porla función cos [kHs’(1-x3 /H)].� En x3=H (sup. libre), la amplitud siempre es máxima. Dentro de lacapa (0 < x3 < H) existen puntos donde se anula u2, sólo para los modos superiores (1 para el 1º, 2 para el 2º,...)

3.5 ONDAS RAYLEIGH EN MEDIOS ESTRATIFICADOS.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

• c también depende de f• Hay modos de vibración:simétricos y antisimétricos deacuerdo con las condicionesdel movimiento en la superf.libre y en la de separación.• Para el modo fundamentallas velocidades máximas y minimas son: cR y cR’• Si λ <<H, la capa se comportacomo un medio semiinfinito ysi λ >> H, esta no afecta a lapropagación de la onda.

3.6 CURVAS DE DISPERSIÓN Y ESTRUCTURA DE LATIERRA.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

¿De qué depende la forma de la curva de dispersión?

Parámetros que definen la estructura estratificada de las capas superiores de la Tierra (espesores, velocidades P y S, densidades)

• Las ondas superf. con periodo entre 15 y 100 s reflejan la estructurade la corteza y el manto superior y los periodos mayores dan información de las capas más profundas del manto.

3.6 CURVAS DE DISPERSIÓN Y ESTRUCTURA INTERNADE LA TIERRA.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

• 1930, W. Roehrbach, D.S. Carder y M. Ewing: 1ºs estudiosde ondas superficiales.

• J.T.Wilson (1940 y 1948): Trabajos sobre la corteza del Atlántico• 1949, M.Ewing, F. Press y J. Oliver: Determinación de estructurasde la corteza y manto superior en zonas continentales y oceánicas.• 1955, Y.Sato, introduce el análisis de Fourier (gran adelanto)• Uso de ordenadores y FFT (algoritmo de Cooley y Tukey)•1964 W.L. Pilant y L. Knopoff: Método del filtro de velocidadde grupo (group-delay filter)• 1968, Análisis espectral: Métodos para determinar v grupo y fase,basados en correlación cruzada, filtrado múltiple

3.6 CURVAS DE DISPERSIÓN Y ESTRUCTURA INTERNADE LA TIERRA.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

Dispersión de ondas Rayleigh en el Atlántico Norte y curvasteóricas para modelos oceánico y de escudo continental.

Curva Oceánicas

Curva Continental

Caída Rápida debidoa la capa de agua.

3.6 CURVAS DE DISPERSIÓN Y ESTRUCTURA INTERNADE LA TIERRA.

TEMA 3: PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS

Velocidad de Grupo

Velocidad de Fase

ANIMACION DE LA PROPAGACIÓN DE ONDA P

3.7 ATENUACIÓN ANELÁSTICA DE ONDAS INTERNAS YSUPERFICIALES

� La Tierra no se comporta como un medio perfectamente elástico.

�Disipación de energía en forma de calor por fricción interna.

� Si el medio fuera elástico, la amplitud de las ondas disminuye por:Dispersión geométrica: 1/ r (ondas internas o esféricas)

1/r1/2 (ondas superfic. o cilíndricas)

� El medio no es elástico � Mayor decrecimiento debido a:Atenuación anelástica.

� Atenuación en el espacio y el tiempo con mecanismos complejosque dependen de la naturaleza de los materiales (at. intrínseca).

• Atenuación de ondas en el espacio y en el tiempo.

• Para el movimiento de una onda se puede definir un factor de calidad Q(ω), función de la frecuencia:

1 1

2Q

E

E( )ω π=

• 1/Q representa la razón entre la energía disipada �E durante un ciclo de un movimiento armónico de frecuencia � y el máximo o la energía media E, acumulada durante el mismo ciclo.

• Sea m.a de amplitud A que se atenúa y para un periodo �� A exp (-π/Q)

∆ E AQ

= − −

2 12

expπ

1 1

2Q

E

E( )ω π=

∆ 1 1

Q

A

A=

π

∆y

3.7 ATENUACIÓN ANELÁSTICA DE ONDAS INTERNAS YSUPERFICIALES

• Vamos a definir factores de calidad temporal (Qt) y espacial (Qe)Qt : Atenuación de la onda con t para un punto fijo del espaciodurante un periodo.

Qe : Atenuación de la onda para un tiempo dado a lo largo de una distancia de una longitud de onda.

u(x,t) = A exp [i (k’x-ω’t)] ::Ec. m.a.e. con k’=k+i k* y ω’= ω - i ω *

u(x,t) = A exp [i (kx- ω t)-(k*x- ω *t)]

u(x) = A [exp(-k*x)] cos(kx- ω t)u(t) = A [exp(-k ω *x)] cos(kx- ω t)

1 2

Qt

ω

*

1 2

Q

k

ke

=*

Como c’ = ω’/k’ y c’=c+ ic*, si ω * << ω y k* << k �

c ck

k

* * *= +

ω

ω�

3.7 ATENUACIÓN ANELÁSTICA DE ONDAS INTERNAS YSUPERFICIALES

3.7.1 Atenuación de ondas internas

• Tomo valores complejos para las velocidades de P y Sα' = α + i α * y β ' = β + i β *Las partes imaginarias de α y β están relacionadas con Qe

1 2

α

α=

*y

1 2

β

β=

*

• Entonces:α α

α

' = +

1

2

i

Qy β β

β

' = +

1

2

i

Q

• Tomo valores complejos para los coef. elasticidad µ y compresibilidad K : µ’= µ + i µ * y K’ = K + iK* y definir:

12

1 2

µ

µ=

*/

12

1 2

Q

K

KK

=

* /

y

3.7 ATENUACIÓN ANELÁSTICA DE ONDAS INTERNAS YSUPERFICIALES

3.7.1 Atenuación de ondas internas

• Los cuatro factores de calidad anteriores se hallan relacionados:

1 1

Q Qβ µ

= y 1 4

3

11

4

3

12 2

Q Q QKα µ

β

α

β

α=

+ −

si Q α y Q β >1

• En sismología � Procesos puramente compresivos o de dilatación �� Que no hay disipación de energía � QK = ∞

1 4

3

12

Q Qα β

β

α=

si β =0.25 y α = S3 β, �Q α = 2.25 Qβ.

3.7 ATENUACIÓN ANELÁSTICA DE ONDAS INTERNAS YSUPERFICIALES

3.7.1 Atenuación de ondas internas

• Atenuación de la amplitud de una onda monocromática P enel interior de la Tierra:

A As

QA eo o

t= −

= −exp *ω

α α

ω

2

A: Amplitud pto observ.Ao: Amplitud foco.s: Distancia recorrida alo largo del rayo.

• Para un medio homogéneo t* = t / (2 Q α), donde t=s/α es el tiempo de viaje de la onda P.

• Se puede hacer lo mismo para la onda S usando β y Qβ

3.7 ATENUACIÓN ANELÁSTICA DE ONDAS INTERNAS YSUPERFICIALES

3.7.1 Atenuación de ondas internas

Tierra esférica con simetría radialy η(r) = r / v(r), � Q = Q(r)

tr dr

rQ r r pr

r

p

o

*( )

( )[ ( ) ] /=−∫

η

η

2

2 2 1 2

Si Q es el valor medio de Q(r) y t es el tiempo de viaje � t* = t / 2Q

• En la Tierra y para distancias epicentrales entre 30 y 90º, t* es prácticamente cte: 1s para ondas P y 5 s para ondas S

Mayor atenuación

3.7 ATENUACIÓN ANELÁSTICA DE ONDAS INTERNAS YSUPERFICIALES

3.7.1 Atenuación de ondas internas

• Se desconoce la amplitud en el foco� Método de las dosestaciones (observaciones a lo largo de caminos de onda similares)

ln( )

( )ln ( )

A

AC x

2

1

ω

ωγ ω

= − ∆

γ(ω) es la atenuación total de la amplitud con la distanciahorizontal y C depende de la dispersión geométrica

γ(ω) = ω ∆ x/(2 ) con α QyαQ valores medios

• Obsérvese la diferencia en la atenuación debida a dispersióngeométrica y atenuación anelástica.

3.7 ATENUACIÓN ANELÁSTICA DE ONDAS INTERNAS YSUPERFICIALES

3.7.2 Atenuación de ondas superficiales

• Atenuación anelástica de ondas sup. con distancia y tiempose expresa por los coeficientes γe y γt

u x A x ix

cte( ) exp≈ + −

γ ω

u t A t ix

ctt( ) exp≈ + −

γ ω

γω

γω

e

e

t

tcQy

Q= =

2 2

• Para ondas dispersadas, si ω o es la frecuencia instantánea, � para valores dados de x y t, el tiempo que las ondas tardan en viajar

a través del medio es t = x /U. Entonces la atenuación en t y x es:

At

QA

x

UQ

o

t

o

e

exp exp−

= −

ω ω

2 2

1 1

Q

U

c Qt e

=se deduce que:

3.7 ATENUACIÓN ANELÁSTICA DE ONDAS INTERNAS YSUPERFICIALES

3.7.2 Atenuación de ondas superficiales

• Si el semiespacio es homogéneo, las ondas Rayleigh no se dispersan � 1 1

11

Qm

Qm

QR

= + −α β

( )

mb b

b b b a a bcon a

cy b

c=

− −

− − − − −=

=

( )( )

( )( ) / [ ( )( )]

2 1

2 1 1 2 3

2 2

α β

con

y c es la velocidad de las ondas Rayleigh.

• En un medio estratificado o uno con v=v(r) � QR y QL

dependen de Q α, Q β, α(r) y β(r) y como r = r (ω ) �QR(ω) y QL (ω).

3.7 ATENUACIÓN ANELÁSTICA DE ONDAS INTERNAS YSUPERFICIALES

3.7.2 Atenuación de ondas superficiales

• Usando el método de las dos estaciones:

ln( )

( )ln ( )

A

A

sen

senx

2

1

2

1

1

2

ω

ωγ ω

=

∆∆

∆: distancias angulares desde el epicentro a las estaciones.∆ x: distancia entre las estaciones.γ(ω): atenuación anelástica de las ondas superficiales a lo largo dela distancia entre las dos estaciones para cada frecuencia.

• Puedo obtener valores de Q a partir de:

γω

e

ecQ=

2

3.7 ATENUACIÓN ANELÁSTICA DE ONDAS INTERNAS YSUPERFICIALES

3.8 LA ATENUACIÓN DE LAS ONDAS CODA

Ondas Coda: Ondas observadas al final de un sismograma(Jeffreys, 1929).

Ondas de terremotos próximos que llegan tras las ondas Lg y con Amplitudes exponencialmente decrecientes con t (Aki, 1969).

3.8 LA ATENUACIÓN DE LAS ONDAS CODA

• La atenuación se produce por dos mecanismos diferentes:

1. Anelasticidad:Fricción interna (atenuación intrínseca o anelástica)

2. Scattering de ondas (obstáculos, heterogeneidades).La energía se distribuye en el espacio y no llega al pto

de observación

• La atenuación total está dada por el factor Q de coda o Qc

1 1 1

Q Q Qc i s

= +

Qi :atenuación intrínseca ≅ Qβ, las coda son transversales, principalmente.Qs :atenuación por scattering

1

Q

gv

S

v y ω velocidad y frecuencia, g = ∆I / (I L ) coef. de dispersión (energía de las ondas I y fracción (∆ I)que se pierde al cruzar una capa de espesor L con heterog.

3.8 LA ATENUACIÓN DE LAS ONDAS CODA

• Muchos métodos para explicar atenuación de codaDifusión pura (Qc = Qi)Scattering simple y múltiple con interacción compleja de ondasen obstáculos y heterogeneidades

• La atenuación de las ondas coda permite determinar:Anelasticidad (Qi)Heterogeneidad (Qs)

A t At

Qo

c

( , ) expωω

= −

2Q Qc o

o

n

( )ωω

ω=

con

0.2 < n < 0.4 para altos valores de Qo

n ≅ 1 para valores bajos de Qo

Qo : valor deQ a ωo

3.8.1 LA ATENUACIÓN EN LA TIERRA

• Determinación de la distribución de Q en el interior de la Tierra.

• Inversión simultánea de atenuación y velocidades.

• Se usan amplitudes de ondas internas, P, S, PcP, ScS, superficiales, Rayleigh, Love y oscilaciones libres de la Tierra.

• Modelo SL8 (Anderson y Hart, 1978): Distribución de QLitosfera: 0 – 80 km con valores de 200 < Qβ < 500Manto Superior: 80 – 250 km con valores Qβ ≅ 110Manto Inferior: 500 – 2880 km con valores 150 < Qβ < 500Núcleo Externo: Qβ ≅ 0Núcleo Interno: 400 < Qβ < 800QK = ∞ en el manto y QK = Qµ en el núcleo interno.

3.8.1 LA ATENUACIÓN EN LA TIERRA

• Debida principalmente a disipación de energía en movimientos de cizalla

Modelo SL8

Corteza: Q ≅ 160Bajo la corteza (50-100km): Q ≅ 500Astenosfera (100-200 km): Q ≅ 125

• Qc relacionado con las condicionesde la corteza superior.• En las capas superficiales hayfuertes variaciones de Qc (120-600)• Alto Qc corteza homogénea (estable)• Bajo Qc corteza heterogénea (inestable)

Qc Sismicidad

3.9. PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

• Los materiales de la Tierra no son isótropos.

• La desviación de isotropía es pequeña pero implica efectosen la propagación de las ondas sísmica.

Cuerpo Elástico Isótropo:τij = Cijkl ekl

Cijkl = λδij δkl + µ (δik δjl + δil δjk)

con:C1111 = C2222 = C3333 = λ+ 2 µC1122 = C1133 = C2233 = λC1212 = C1313 = C2323 = µ

Y la energía relativa a la deformación es:W = ½ λ (e11 + e22 + e33)2 + µ eij eij

CUERPO NO ISÓTROPO:

• El tensor de elasticidad tiene 21 componentes idptes.

•El número se reduce si hay alguna simetría:9 para simetría ortorrómbica.5 para simetría hexagonal.3 para simetría cúbica.

La simetría hexagonal se usa frecuentemente en sismología.Tiene un eje principal y se denomina simetría transversal.

C1111 = C2222 = AC3333 = C

C3311 = C3322 = FC2323 = C1313 = L

C1212 = NC1122 = C2211 = A - 2N

3.9. PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

CUERPO NO ISÓTROPO:

• La energía relativa a esta deformación está dada por:

W = ½ A (e211 + e2

22 ) +½ C e233 + F (e11 + e22)e33+

+(A-2N)e11 e22 + ½ L (e213 + e2

31 ) + N e212

Casos en los que podemos usar esta anisotropía en la Tierra:

.- Medios finamente estratificados con prop. elásticas alternandoentre capa y capa (eje principal perpendicular a las capas).

.- Material con fracturas alineadas en una dirección particular(eje principal)

3.9. PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

3.9.1 Ondas Internas

Eje principal en la dirección x3 y onda monocromática plana propagándose en x3 y x1

u A senx

ct

u B senx

ct

i i

i i

= −

= −

ω

ω

3

1

Considerando la propagación en x3 se puede ver que aparecendos velocidades diferentes. Una con componente A3

correspondiente a una onda P con velocidad α = (C/ρ)½ y otracon componentes A1 y A2 correspondiente a una onda S convelocidad β = (L/ ρ)½

3.9. PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

3.9.1 Ondas Internas

u A senx

t C

u A A senx

t L

i

P

i

S

= −

=

= −

=

( , , ) ; ( / )

( , , ) ; ( / )

/

/

0 0

0

33 1 2

1 23 1 2

ωα

α ρ

ωβ

β ρ

Propagación similar al medio isótropo

Considerando la propagación en x1 se puede ver que aparecentres velocidades diferentes. Una con componente B1

corresponde a una onda P con velocidad α = (A/ ρ)½ . B2 y B3 sonperpendiculares a la dirección de propagación y corresponden a Ondas S diferentes, una en dirección x2 con velocidad β1 = (N/ ρ)½ yotra en dirección x3 y velocidad β2 = (L/ ρ)½

3.9. PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

3.9.1 Ondas Internas

u B senx

t A

u B senx

t N

u B senx

t L

i

P

i

S

i

S

= −

=

= −

=

= −

=

( , , ) ; ( / )

( , , ) ; ( / )

( , , ) ; ( / )

/

/

/

11 1 2

12

1

11

1 2

23

1

22

1 2

0 0

0 0

0 0

ωα

α ρ

ωβ

β ρ

ωβ

β ρ

• Medio anisótropo con simetría hexagonal � Ondas P se propagancon diferentes velocidades a lo largo del eje principal de simetría (x3)y a lo largo de una dirección perpendicular a él (x1).

• En el primer caso (x3), hay un solo tipo de onda S y en el segundo (x1)hay dos. S1 corresponde a SH y S2 corresponde a SV propagándose ados velocidades diferentes (división de la onda S).

3.9. PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

3.9.1 Ondas Internas

Propagación de ondas P y S

En la Tierra la divisiónde la onda S se da paramedios con un fino apilamiento de capas conrigideces altas y bajasalternativas

En general tenemos tres tipos de onda propagándose:onda cuasi-P, cuasi-SH y cuasi-SV cuyas velocidades cambiancon la simetría.

Anisotropía: Cambios en vel. P y división de onda S

3.9. PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

3.9.2 Ondas Superficiales• La anisotropía hace que muchas veces no puedan separarselas ondas superficiales en Ondas Rayleigh y Love.

• Hay un acoplamiento de componentes que forma una onda superficial dispersada de tipo general

.- Discrepancia entre velocidades de fase de ondas Rayleighy Love frente al medio isótropo.

.- Discrepancia en las velocidades de fase encontradas paratrayectorias a lo largo de diferentes azimutes en la misma región.- Salida del plano de polarización de la onda Rayleigh de la orientación vertical.

Efectos de la anisotropía

3.9. PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

3.9.2 Ondas Superficiales

• La mayor longitud de onda de las ondas superficiales hace queel tipo de anisotropía que las afecta este motivada por heterogeneidades orientadas en direcciones preferentes.

• En este caso, para una propagación a lo largo de la dirección del eje de simetría, las ondas Rayleigh se propagan a mayor velocidad y las ondas Love a menor velocidad que en el caso de isotropía.

• Para una trayectoria perpendicular, el efecto es opuesto.

3.9. PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

Anisotropía en la Tierra

• Se han observado fundamentalmente dos tipos de anisotropía:.- Transversal: dirección vertical y debida a estratificaciones o

alineamientos horizontales de naturaleza mineralógica oestructural

Provoca división de la onda S, retrasos en SV y SH, y veloc.de fase diferentes para las ondas Rayleigh y Love

.- Azimutal: Debida a alineamientos preferentes de cristales,grietas o heterogeneidades a lo largo de un azimut dado.

Provoca cambios en las velocidades de propagación de lasondas a lo largo de la trayectoria para un azimut dado en comparación con aquellas perpendiculares a ellas.

3.9. PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

Anisotropía en la Tierra

• Parte superficial de la corteza: Anisotropía debida a estratificaciónde sedimentos

• Parte inferior de la corteza: Igual por estructura laminada.• En la corteza también se observa anisotropía por grietas ya que

las grietas se orientan en la dirección de compresión y perpend.a los esfuerzos tensionales

• Litosfera oceánica subcortical, flujo de material desde los márgenesoceánicos que produce una orientación de cristales (anis. azimutal).

• Astenosfera: Fuerte anisotropía debida a flujo de material(simetría por eje principal vertical � mayor velocidad SH que SVy anisotropía azimutal a lo largo de las líneas de flujo que aumenta la velocidad de las ondas sísmicas)

3.9. PROPAGACIÓN DE ONDAS SÍSMICAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

3.9 PROPAGACIÓN DE ONDAS EN MEDIOS ANISOTROPOS

Anisotropía en la Tierra

• La anisotropía a profundidades inferiores a 400 km no es apreciable y el manto inferior se puede considerar como isótropo.

• Algunos autores consideran la zona de transición entre el manto y el núcleo (CMB) como anisótropa (pocos datos).

• El material de núcleo interno se considera fuertemente anisótropo con simetría hexagonal y eje principal en la dirección del eje de rotación de la Tierra (alineación decristales de hierro)

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