Distribuição óptima de redes de estações sísmicas

Introdução - O avanço da sismologia tem sido um processo alternado entre a caracterização das propriedades da fonte sísmica, o aperfeiçoamento dos modelos que descrevem a estrutura da terra e a melhoria das técnicas de recepção, registo e análise do sinal sísmico. Um tema fundamental e comum, como ponto de partida, a muitas áreas da sismologia é o da determinação da localização dos sismos naturais. Actividades como o estudo das propriedades das estruturas geológicas, o cálculo de soluções de planos de falha para mecanismo focal, a determinação de falhas activas, a avaliação do risco sísmico, seriam impossíveis sem um delineamento rigoroso das posições das fontes sísmicas. Actualmente, a localização de hipocentros é processada por meio de algoritmos físico-matemáticos de inversão não linear cuja base de informação, para além do modelo de velocidades, são os tempos de chegada das fases P e S a um conjunto de estações sísmicas formando uma rede em operação contínua. O rigor das soluções obtidas por esses algoritmos depende basicamente de três factores: leitura das fases nos sismogramas (instrumentação); descrição do percurso do raio sísmico (modelo de velocidades); e distribuição geográfica e número de estações usadas na localização (rede sísmica). Se o primeiro factor depende claramente da capacidade técnica para registar conjuntamente o sinal sísmico e o tempo de chegada, aspecto que nas últimas duas décadas tem vindo a ser solucionado com a introdução sistemática da tecnologia digital (que permite resoluções da ordem dos 10-2s), o segundo factor ainda depende da capacidade de realização de campanhas de sismologia experimental cujos dados só começaram a ser melhor interpretados com a utilização dos modernos e poderosos meios de cálculo automático. Em relação ao terceiro factor, distribuição da rede sísmica, apesar dos avanços noutras áreas da sismologia, continua a pautar-se fundamentalmente por critérios empíricos. O objectivo geral deste trabalho é estudar o problema da planificação de redes de estações sísmicas no contexto das teorias de optimização e, utilizando essa via, desenvolver um algoritmo de cálculo automático que permita determinar a posição que deverão ocupar cada uma das N estações que constituem a rede. As redes assim desenhadas deverão conduzir a localizações precisas (do epicentro e hipocentro) principalmente em zonas da região sísmica onde há maior actividade. Para isso é indispensável possuir-se, pelo menos, algum conhecimento sobre a actividade sísmica daquelas regiões. Mais concretamente, o algoritmo foi desenvolvido segundo uma generalização do critério de optimização-D de Box e Lucas (1959) apresentada por Kijko (1977) e adaptado à contextualização das redes sísmicas locais indicadas para ambientes de micro-sismicidade. Estas redes começaram a ser instaladas um pouco por todo o mundo partir dos anos 60 com o objectivo de alargar os estudos sismológicos ao nível da micro-sismicidade. São redes densas, constituídas por estações muito sensíveis, que se estendem geralmente em regiões limitadas em áreas com menos de 100 x 100 Km2 . A vantagem da sua utilização está na grande quantidade de dados obtidos, não detectados por redes mais largas. Como estão perto das fontes sísmicas, como são sensíveis a pequenas magnitudes e, como os sismos de baixa magnitude são os mais frequentes (distribuição de Gutemberg-R,ichter), quando instaladas em regiões com alguma sismicidade geram grande quantidade de dados que poderão ser utilizados para qualquer fim que requeira conhecimento do sinal sísmico. Um dos propósitos deste trabalho é também a aplicação do algoritmo para o estudo do desenho de uma rede sísmica para uma zona de Portugal Continental, região de Évora, sobre a qual existe informação da sismicidade instrumental, reveladora de actividade sísmica considerável. Os modelos de velocidade utilizados foram obtidos na sequência das várias campanhas de refracção sísmica realizadas a partir da década de 70. Quando, na fase de planificação de uma rede, se pondera a escolha das posições onde instalar cada estação, é inevitável o confronto com restrições de três tipos: fontes de ruído, barreiras físicas que dificultam a acessibilidade às estações e a geometria relativa entre os possíveis epicentros e a rede. Em relação às duas primeiras, as decisões a tomar são evidentes: não instalar estações nem junto a fontes de ruído nem em locais inacessíveis. Em relação à terceira, a experiência tem mostrado que um epicentro pode ser sempre localizado em boas condições, desde que seja detectado pelo menos por três estações que se distribuam uniformemente em torno dele. Para se conseguirem boas estimativas do hipocentro, para além da cobertura azimutal, é ainda necessário haver uma quarta estação instalada a uma distância do epicentro menor que a profundidade focal. Se a rede fosse destinada à localização de um único evento, ou se a densidade de probabilidade de ocorrência de sismos se distribuísse uniformemente por toda a região sísmica, seria fácil desenhar redes utilizando os critérios acima apresentados – critérios empíricos. Todavia, o problema geralmente não se apresenta de forma tão simplista. É-se confrontado com situações em que nem a sismicidade é uniforme nem se concentra num ponto. Nesses casos pretende-se que as redes conduzam a localizações precisas, especialmente nas sub-regiões em que a sismicidade é maior. Esta exigência reúne em si um conjunto tão extenso de variáveis que não é fácil satisfazê-la através dos critérios empíricos. Isto não significa que através desses critérios não se possam conseguir desenhos satisfatórios