Imagem de deformação: revolucionando nossa visão dos mistérios subterrâneos da Terra

Uma nova técnica computacional desenvolvida permite o uso de tecnologias de mapeamento de superfície como GPS para analisar estruturas geológicas subterrâneas.

Este método, denominado imagem de deformação, oferece insights sobre a rigidez da crosta e do manto da Terra, aumentando nossa compreensão de processos geológicos como terremotos. A técnica já forneceu uma visão detalhada de áreas do subsolo durante o terremoto de Tohoku em 2011 e tem potencial para aplicações futuras generalizadas com dados de satélite.

Nova técnica de imagem geológica

A tecnologia de mapeamento de superfície, como GPS, radar e escaneamento a laser, tem sido usada há muito tempo para medir características na superfície da Terra. Agora, uma nova técnica computacional desenvolvida na Universidade do Texas em Austin está permitindo que cientistas usem essas tecnologias para olhar dentro do planeta.

Uma estação de GPS no topo das montanhas de Sierra Nevada. Pesquisadores da Universidade do Texas em Austin usaram redes de GPS para obter imagens do interior do planeta. Crédito: UNAVCO/National Science Foundation

Vantagens da Imagem de Deformação

A nova técnica, descrita pelos pesquisadores como “imagem de deformação”, fornece resultados comparáveis ​​à imagem sísmica, mas oferece informações diretas sobre a rigidez da crosta e do manto do planeta. Essa propriedade é essencial para entender como terremotos e outros processos geológicos de larga escala funcionam, disse Simone Puel, que desenvolveu o método para um projeto de pesquisa no Instituto de Geofísica da Universidade do Texas enquanto cursava a pós-graduação na Escola de Geociências da UT Jackson.

“Propriedades materiais como rigidez são críticas para entender os diferentes processos que ocorrem em uma zona de subducção ou na ciência de terremotos em geral”, disse Puel. “Quando combinadas com outras técnicas como sísmica, eletromagnética ou gravitacional, deve ser possível realmente produzir um modelo mecânico muito mais abrangente de um terremoto de uma forma que nunca foi feita antes.”

Um gráfico mostrando a rigidez da crosta terrestre abaixo do Japão. A imagem revela o limite onde a placa continental do Japão (grande mancha vermelha escura) colide com a placa oceânica mais rígida (mancha azul escura). As manchas vermelhas escuras menores no centro da imagem são provavelmente um sistema de magma alimentando os vulcões do Japão (triângulos vermelhos). A imagem foi criada usando dados coletados com uma nova técnica de imagem de deformação desenvolvida por pesquisadores da UT Austin. Crédito: Simone Puel

Aplicação e Metodologia Inovadoras

Puel, que agora é um pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Tecnologia da Califórnia, publicou a teoria por trás de seu método no início deste ano. Um estudo recente publicado em junho em Avanços da Ciência mostra isso em ação. Ele usou dados de GPS registrados durante o terremoto de Tohoku em 2011 no Japão para obter imagens do subsolo até cerca de 100 quilômetros abaixo da terra.

A imagem revelou as placas tectônicas e o sistema vulcânico abaixo da porção japonesa do Anel de Fogo do Pacífico, incluindo uma área de baixa rigidez que se acredita ser um reservatório profundo de magma que alimenta o sistema — a primeira vez que tal reservatório foi detectado usando apenas informações de superfície.

O método se baseia no fato de que a crosta terrestre é uma miscelânea de material rochoso com diferentes propriedades elásticas. Algumas partes são mais flexíveis, e outras são mais rígidas. Isso faz com que a crosta se contraia e se expanda de forma desigual. Durante um terremoto, por exemplo, a Terra vibra de uma forma que reflete do que ela é feita, deixando a superfície deformada de maneiras reveladoras.

Para transformar essa deformação irregular em uma imagem do subsolo, os pesquisadores construíram um modelo de computador que trata a Terra como se fosse um material elástico simplificado, enquanto permite que sua força elástica varie em três dimensões. O modelo então calculou a rigidez do subsolo com base em quanto os sensores de GPS se moveram em relação um ao outro durante o terremoto. O resultado é uma imagem 3D do interior da Terra com base em mudanças na superfície.

Há algumas ressalvas. Apesar do modelo gerar uma rede de 12,5 milhões de pontos de dados, a imagem não é tão nítida quanto a tomografia sísmica, a maneira mais comum de obter imagens do interior da Terra. No entanto, ela mede diretamente a rigidez, uma medida importante para construir modelos mais sofisticados da Terra.

Aplicações e implicações futuras

Outra vantagem é que o novo método pode usar medições feitas por satélites. Estas incluem NASAA próxima nave espacial NISAR, uma missão conjunta com a Organização de Pesquisa Espacial da Índia que mapeará o globo inteiro em altíssima resolução a cada 12 dias.

Usando a nova técnica, o NISAR pode oferecer insights importantes sobre algumas das regiões geologicamente mais perigosas do mundo, disse o coautor do estudo Thorsten Becker, professor da Jackson School. Ao mapear continuamente a superfície da Terra, o satélite permitirá que os cientistas rastreiem mudanças estruturais em falhas de terremotos à medida que progridem em seu ciclo de terremotos.

O coautor Omar Ghattas, professor do Departamento de Engenharia Mecânica da UT Walker e do Instituto de Engenharia Computacional e Ciências da UT Oden, disse que o novo método pode ser um passo importante para construir gêmeos digitais da Terra. Esses modelos de computador complexos se aprimoram perpetuamente ao identificar onde fazer novas observações e, então, assimilar os novos dados.

“À medida que os modelos melhoram, à medida que os dados se tornam mais ricos e informativos, talvez possamos chegar ao ponto em que podemos começar a dizer algo sobre a previsibilidade dos terremotos”, disse ele.

Referência: “Variações de rigidez do arco vulcânico iluminadas pela deformação cossísmica do Tohoku-oki M9 de 2011” por Simone Puel, Thorsten W. Becker, Umberto Villa, Omar Ghattas e Dunyu Liu, 5 de junho de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adl4264

A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA. Outros coautores incluem Dunyu Liu, um geocientista computacional da UTIG, e Umberto Villa, um cientista pesquisador do Oden Institute.