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Título: Inversion of Rayleigh and Love wave dispersion curves : new constraints on the shear-wave velocity and radial anisotropy structure of the South American lithosphere
Outros títulos: Inversão de curvas de dispersão de ondas Rayleigh e Love : novos vínculos sobre a estrutura de velocidade de onda de cisalhamento e de anisotropia radial da litosfera Sul-americana
Autor(es): Nascimento, André Vinícius de Sousa
Orientador(es): Marotta, Giuliano Sant'Anna
Coorientador(es): Chaves, Carlos Alberto Moreno
França, George Sand Leão Araújo de
Assunto: Ondas de superfície
Crátons
América do Sul
Aprendizado de máquina
Python
Anisotropia radial
Terremotos
Ruído sísmico
Litosfera
Data de publicação: 7-Out-2026
Referência: NASCIMENTO, André Vinícius de Sousa. Inversion of Rayleigh and Love wave dispersion curves: new constraints on the shear-wave velocity and radial anisotropy structure of the South American lithosphere. 2025. 167 f., il. Tese (Doutorado em Geociências Aplicadas e Geodinâmica) — Universidade de Brasília, Brasília, 2025.
Resumo: Os avanços científicos apresentados nesta tese são resultado de esforços para medir e inverter dados de dispersão de ondas de superfície para imagear a estrutura sísmica da litosfera sob a América do Sul. Nossas descobertas são apresentadas em três estudos distintos. O primeiro deles apresenta um modelo de velocidade de ondas de cisalhamento obtido pela inversão de 26.984 curvas de velocidade de grupo de ondas Rayleigh do modo fundamental, com períodos entre 9 e 180 s. A interpretação desse modelo é focada na estrutura cratônica abaixo da América do Sul. Para o cráton Amazônico, o corte de velocidade em 150 km de profundidade apresenta uma correlação geral com idades geocronológicas de províncias, exceto na província Maroni-Itacaiúnas, onde é levantada a hipótese que os eventos intraplaca tectono-termais K’Mudku do Mesoproterozoico e/ou o magmatismo volumoso da Província Magmática do Atlântico Central (após a ruptura da Pangeia) são candidatos para explicar a diminuição de velocidade e consequentemente a quebra na correlação entre velocidades e idades. O modelo também é consistente com um paleocontinente São Francisco que engloba tanto o atual cráton do São Francisco quanto partes dos cinturões Brasília e Araçuaí. Alguns autores sugerem que essa extensão é válida também para a província da Borborema; entretanto, as baixas velocidades mostradas pelo modelo para profundidades maiores que 70 km sugerem afinamento litosférico, algo que também é corroborado por outras evidências geofísicas e geológicas. Logo, uma possível raiz cratônica do paleocontinente São Francisco sob a província da Borborema provavelmente foi erodida. Finalmente, nosso modelo também mostra uma estrutura de alta velocidade sísmica na região do cráton Río de la Plata, consistente com estudos magnetotelúricos. Como medidas manuais de curvas de dispersão demandam muito e consomem bastante tempo, uma ferramenta para obter automaticamente mais medidas de dispersão para melhorar os modelos é fundamental. Com isso em mente, nós desenvolvemos e apresentamos a ferramenta DisperPy no nosso segundo estudo, uma biblioteca escrita em Python e baseada em algoritmos de aprendizado de máquina desenvolvida para extrair curvas de dispersão de velocidade de grupo de terremotos automaticamente. O arcabouço de análise do DisperPy visa resolver dois problemas principais: (1) avaliar a qualidade da forma de onda e determinar se é possível extrair a sua respectiva curva de dispersão e (2) medir a curva de dispersão de velocidade de grupo de formas de onda com boa qualidade. Para lidar com o primeiro problema, o DisperPy usa uma rede neural convolucional baseada na arquitetura ResNet-34. Para o segundo problema, o DisperPy depende de uma combinação de diferentes algoritmos de aprendizagem de máquina não supervisionada. Um experimento de tomografia de ondas de superfície é realizado nos Estados Unidos contíguos para testar o DisperPy, resultando em um total de 194.325 curvas de dispersão de velocidade de grupo extraídas a partir de formas de onda de banda larga da componente vertical de sismogramas. Consistente com estudos prévios, os mapas mostram uma dicotomia de velocidade proeminente, com baixas velocidades na parte oeste tectonicamente ativa dos EUA e velocidades altas na parte estável central e leste dos EUA. No terceiro estudo, voltamos a atenção novamente para a América do Sul e exploramos uma importante, embora negligenciada, propriedade da litosfera: a anisotropia. Estudos de anisotropia radial são complementares aos estudos de velocidade sísmica isotrópica, e podem fornecer informações adicionais acerca de deformações atuais e passadas, além de fluxo. Usando o DisperPy, construímos um conjunto de dados de 255.292 e 75.843 curvas de dispersão de velocidade de grupo de ondas Rayleigh e Love, respectivamente, tanto de terremotos como de correlações cruzadas de ruído sísmico entre pares de sensores. O uso de curvas de ruído sísmico nos fornece vínculos mais fortes sobre a estrutura mais rasa. Invertemos esse conjunto de dados para construir de forma independente modelos de velocidade de onda cisalhante polarizados vertical e horizontalmente, e a diferença entre eles nos fornece a anisotropia radial. Nosso modelo revela uma crosta muito anisotrópica (e especialmente a crosta superior rasa) e um manto superior mais homogêneo, caracterizado principalmente por anisotropia radial positiva. Sugerimos que uma grande parte da anisotropia radial rasa possa estar relacionada à orientação preferencial causada pelo alinhamento de material heterogêneo relacionado às Províncias Magmáticas do Paraná e do Atlântico Central.
Abstract: The scientific advances reported in the present thesis are the result of efforts to measure and invert surface wave dispersion data to image the seismic structure of the lithosphere beneath South America. Our findings are presented in three separate studies. In the first one, we derive a shear-wave velocity model by inverting 26,984 fundamental mode Rayleigh wave group velocity dispersion curves, at periods of 9-180 s. The interpretation of this model focuses on cratonic structure beneath South America. For the Amazonian craton, we find a general correlation between seismic velocity at 150 km depth and geochronological province ages, except at the Maroni-Itacaiúnas province, where we hypothesize that Mesoproterozoic K’Mudku intraplate tectono-thermal events and/or voluminous magmatism of the Central Atlantic Magmatic Province (following the breakup of Pangea) are candidates for decreasing the velocity and thus disrupting the velocity/age correlation. Our model is also consistent with a São Francisco paleocontinent encompassing the current São Francisco craton and parts of the Brasília and Araçuaí belts. Some authors argue whether this extension is also valid for parts of the Borborema province; the slow velocities mapped by our model beneath it from 70 km depth downward are, however, indicative of lithospheric thinning, which is also supported by other geophysical and geological evidence. Thus, we argue that a possible cratonic root of the São Francisco paleocontinent beneath the Borborema province has likely been eroded away. Finally, we also image a fast shear-wave velocity structure in the region of the Río de la Plata craton, consistent with magnetotelluric studies. As manual measurement of dispersion curves is a very demanding and time consuming procedure, we would like an automated tool to carry out more dispersion measurements to improve our models. Bearing this in mind, we develop and present DisperPy in our second study, an open-source Python library based on machine learning algorithms developed to automatically extract group velocity dispersion curves from earthquake data. The analysis framework of DisperPy aims to solve two primary tasks: (1) to assess waveform quality and determine if dispersion extraction is feasible, and (2) to measure group velocity dispersion from good quality waveforms. To address the first task, DisperPy uses a convolutional neural network based on the ResNet-34 archi- tecture. For the second task, DisperPy relies on a combination of different unsupervised machine learning algorithms. We carry out a surface wave tomography experiment across the contiguous United States to further test DisperPy, resulting in a total of 194,325 group velocity dispersion curves extracted from broadband vertical component waveforms. Consistent with previous studies, our maps reveal a prominent velocity dichotomy, with low velocities in the tectonically active western US and high velocities in the stable central and eastern US. In our third study, we turn our attention back to South America and explore an important and yet overlooked property of the lithosphere: anisotropy. Radial anisotropy studies are complementary to isotropic seismic velocity studies, and can provide additional insights into past and present deformation and flow. Using DisperPy, we build a data set consisting of 255,292 Rayleigh and 75,843 Love wave group velocity dispersion curves from both earthquakes and cross-correlations of ambient noise between pairs of sensors. The usage of ambient noise curves allows us to better constrain shallower structure. We invert this data set to construct independent vertically and horizontally polarized shear-wave velocity models, and the difference between them gives us access to radial anisotropy. Our model reveals a very anisotropic crust (and especially shallow upper crust) and a more homogeneous upper mantle, mostly characterized by positive radial anisotropy. We suggest that a large component of the shallow radial anisotropy might be related to shape preferred orientation caused by alignment of heterogeneous material related to the Paraná and Central Atlantic Magmatic Provinces.
Unidade Acadêmica: Instituto de Geociências (IG)
Informações adicionais: Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Geociências Aplicadas e Geodinâmica, 2025.
Programa de pós-graduação: Programa de Pós-Graduação em Geociências Aplicadas e Geodinâmica
Licença: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.unb.br, www.ibict.br, www.ndltd.org sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra supracitada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Agência financiadora: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Aparece nas coleções:Teses, dissertações e produtos pós-doutorado

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