Submitted by Cássio da Cruz Nogueira (cassionogueirakk@gmail.com) on 2017-08-31T16:35:28Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_InversaoVelocidadesOtimizacao.pdf: 16170706 bytes, checksum: 1d10f311dfa0d1972ce89dfbef3c1907 (MD5) / Approved for entry into archive by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2017-09-11T15:52:36Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_InversaoVelocidadesOtimizacao.pdf: 16170706 bytes, checksum: 1d10f311dfa0d1972ce89dfbef3c1907 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-11T15:52:36Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_InversaoVelocidadesOtimizacao.pdf: 16170706 bytes, checksum: 1d10f311dfa0d1972ce89dfbef3c1907 (MD5) Previous issue date: 2016-08-25 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A literatura geofísica recente tem mostrado que a construção de um modelo inicial mais realístico possível é a forma mais apropriada de se reduzir complicações do problema mal posto da inversão da forma da onda completa, e de fornecer as condições necessárias de convergência da função objetivo em direção ao mínimo global. Modelos otimizados são úteis como estimativas iniciais para métodos mais sofisticados de inversão e migração. Desenvolvo um método de inversão de velocidade da onda P usando dados sísmicos pré-empilhados para grandes afastamentos e baseado em medidas de coerência. A estratégia de inversão proposta é totalmente automática, baseada no cálculo do semblance e regida pela aproximação de tempo de trânsito paraxial, o chamado método da Superfície de Reflexão Comum com Afastamento Finito. Ela é realizada em dois passos, a princípio, usando raios imagens e o conhecimento de um modelo de velocidades conhecido a priori, determino as interfaces refletoras em profundidade a partir de seção migrada em tempo. A seguir, o modelo em profundidade gerado é usado como entrada na parametrização do modelo de velocidades, o qual é feito camada por camada. A estratégia de inversão é baseada na análise dos semblances calculados em cada ponto médio comum pelo método da Superfície de Reflexão Comum com Afastamento Finito. Para iniciar a inversão no segundo passo, a aproximação paraxial é feita pelo traçamento de raios no modelo de velocidades em profundidade obtido no primeiro passo. Usando a média aritmética dos semblances calculados em todos os pontos médios comuns como função objetivo, camada após camada, o algoritmo de otimização global Very Fast Simulated Annealing é aplicado para obter a convergência da função objetivo em direção ao máximo global. Ao aplicar a estratégia de inversão em dados sintéticos e reais, mostro a robustez do algoritmo de inversão proposto, produzindo modelos de velocidades da onda P otimizados a partir de dados pré-empilhados. / The recent geophysical literature has shown the building of an accurate initial model is the more appropriate way to reduce the ill-posedness of the Full Waveform Inversion, providing the necessary convergence of the misfit function toward the global minimum. Optimized models are useful as initial guess for more sophisticated velocity inversion and migration methods. I developed an automatic P-wave velocity inversion methodology using pre-stack two-dimensional seismic data. The proposed inversion strategy is fully automatic, based on the semblance measurements and guided by the paraxial traveltime approximation, so-called Finite-Offset Common-Reflection-Surface. It is performed in two steps, at first using image rays and an a priori known initial velocity model we determine the reflector interfaces in depth from time migrated section. The generated depth macro-model is used as input at the second step, where the parametrization of the velocity model is made layer by layer. Each layer is separated from each other by smoothed interfaces. The inversion strategy is based on the scan of semblance measurements in each common-midpoint gather guided by the Finite-Offset Common-Reflection-Surface traveltime paraxial approximations. For beginning the inversion in the second step, the finite-offset common-midpoint central rays is built by ray tracing from the velocity macro-model obtained in the first step. By using the arithmetic mean of total semblance calculated from the whole common-midpoint gathers as objective function, layer after layer, a global optimization method called Very Fast Simulated Annealing algorithm is applied in order to obtain the convergence of the objective function toward the global maximum. By applying to synthetic and real data, I showed the robustness of the inversion algorithm for yielding an optimized P-wave velocity macro-model from pre-stack seismic data.

Nós usamos tomografia sísmica de tempo de percurso para estudar o manto superior sob as regiões Sudeste e Centro-Oeste do Brasil. Este método baseia-se na inversão de resíduos relativos de tempo para as ondas P e S (VanDecar, 1991), que foram obtidos para mais de 80 estações em uma área de 20 x 20 graus. Mais de 11000 e 8000 resíduos de tempo foram obtidos para as ondas P (P direta e PKPdf) e S (S direta, ScS, SKS e SKKS), respectivamente, utilizando correlação cruzada de forma de ondas para até 12 estações operando simultaneamente. Para avaliar a robustez dos resultados com respeito aos dados, nós utilizamos o método estatístico de re-amostragem Jackknife, o qual inerentemente leva em conta a altamente variável cobertura dos raios e os erros das medidas, e pode fornecer limites de confiança para as anomalias. Inversões regionais foram realizadas para estudar a influência da parametrização nas anomalias sísmicas. Nossos resultados mostraram boa correlação das anomalias sísmicas com as principais estruturas tectônicas e revelaram novas anomalias que ainda não haviam sido observadas nos trabalhos anteriores. Anomalias de alta velocidade na porção oeste do Cráton do São Francisco apóiam a hipótese de que este cráton foi parte de uma placa Neoproterozóica maior. Anomalias de baixa velocidade sob a Província Tocantins (principalmente nas faixas móveis entre os Crátons Amazônico e do São Francisco) foram interpretadas como causadas por afinamento litosférico, consistente com a boa correlação entre a sismicidade intraplaca e as anomalias de baixa velocidade nesta região (Assumpção et al., 2004b). A melhora na resolução da anomalia de alta velocidade sob a Bacia do Paraná (~200 km) permitiu uma discussão sobre a geometria do núcleo cratônico desta Bacia. A subducção da Placa de Nazca foi observada como uma anomalia de alta velocidade sob a Bacia do Paraná (profundidades entre 700 e 1200 km). Nestas profundidades, uma grande anomalia de baixa velocidade aparece próxima da Placa de Nazca. Testes sintéticos mostraram que esta anomalia é um artefato da inversão gerado pela presença da Placa de Nazca. / We used travel time seismic tomography to study the upper mantle beneath SE and Central Brazil. This method is based on the inversion of P- and S-wave relative travel time residuals (VanDecar, 1991) obtained from more than 80 stations in an area of 20 x 20 degrees. More than 11000 P and PKP residuals, and more than 8000 S, ScS, SKS, and SKKS residuals were obtained from waveform cross-correlations for up to 12 simultaneous stations. To evaluate the robustness of the tomographic results with respect to the data, we use the Jackknife re-sampling method, which inherently take into account the highly variable ray coverage and measurement errors, and can provide confidence limits for the anomalies. Regional inversions were carried out to study influence of the parameterization on the seismic anomalies. Our results show correlations of seismic anomalies with the main tectonic structures and reveal new anomalies not yet observed in previous works. High velocity anomalies in the western portion of the São Francisco Craton support the hypothesis that this craton was part of a major Neoproterozoic plate. Low velocity anomalies beneath the Tocantins Province (mainly fold belts between the Amazon and São Francisco cratons) are interpreted as due to lithospheric thinning, consistent with a good correlation between intraplate seismicity and low velocity anomalies in this region (Assumpção et al., 2004b). The resolution improvement of the high velocity anomalies beneath the Parana Basin (at ~200 km) allows a discussion about the geometry of the cratonic nucleous of this Basin. The slab of the Nazca Plate is observed as a high velocity anomaly beneath the Parana basin (at 700-1200 km depth). At these depths, large low velocity anomaly appears next to the slab. Synthetic tests show that these anomalies are an artifact of the inversion generated by the presence of the slab.

Nós usamos tomografia sísmica de tempo de percurso para estudar o manto superior sob as regiões Sudeste e Centro-Oeste do Brasil. Este método baseia-se na inversão de resíduos relativos de tempo para as ondas P e S (VanDecar, 1991), que foram obtidos para mais de 80 estações em uma área de 20 x 20 graus. Mais de 11000 e 8000 resíduos de tempo foram obtidos para as ondas P (P direta e PKPdf) e S (S direta, ScS, SKS e SKKS), respectivamente, utilizando correlação cruzada de forma de ondas para até 12 estações operando simultaneamente. Para avaliar a robustez dos resultados com respeito aos dados, nós utilizamos o método estatístico de re-amostragem Jackknife, o qual inerentemente leva em conta a altamente variável cobertura dos raios e os erros das medidas, e pode fornecer limites de confiança para as anomalias. Inversões regionais foram realizadas para estudar a influência da parametrização nas anomalias sísmicas. Nossos resultados mostraram boa correlação das anomalias sísmicas com as principais estruturas tectônicas e revelaram novas anomalias que ainda não haviam sido observadas nos trabalhos anteriores. Anomalias de alta velocidade na porção oeste do Cráton do São Francisco apóiam a hipótese de que este cráton foi parte de uma placa Neoproterozóica maior. Anomalias de baixa velocidade sob a Província Tocantins (principalmente nas faixas móveis entre os Crátons Amazônico e do São Francisco) foram interpretadas como causadas por afinamento litosférico, consistente com a boa correlação entre a sismicidade intraplaca e as anomalias de baixa velocidade nesta região (Assumpção et al., 2004b). A melhora na resolução da anomalia de alta velocidade sob a Bacia do Paraná (~200 km) permitiu uma discussão sobre a geometria do núcleo cratônico desta Bacia. A subducção da Placa de Nazca foi observada como uma anomalia de alta velocidade sob a Bacia do Paraná (profundidades entre 700 e 1200 km). Nestas profundidades, uma grande anomalia de baixa velocidade aparece próxima da Placa de Nazca. Testes sintéticos mostraram que esta anomalia é um artefato da inversão gerado pela presença da Placa de Nazca. / We used travel time seismic tomography to study the upper mantle beneath SE and Central Brazil. This method is based on the inversion of P- and S-wave relative travel time residuals (VanDecar, 1991) obtained from more than 80 stations in an area of 20 x 20 degrees. More than 11000 P and PKP residuals, and more than 8000 S, ScS, SKS, and SKKS residuals were obtained from waveform cross-correlations for up to 12 simultaneous stations. To evaluate the robustness of the tomographic results with respect to the data, we use the Jackknife re-sampling method, which inherently take into account the highly variable ray coverage and measurement errors, and can provide confidence limits for the anomalies. Regional inversions were carried out to study influence of the parameterization on the seismic anomalies. Our results show correlations of seismic anomalies with the main tectonic structures and reveal new anomalies not yet observed in previous works. High velocity anomalies in the western portion of the São Francisco Craton support the hypothesis that this craton was part of a major Neoproterozoic plate. Low velocity anomalies beneath the Tocantins Province (mainly fold belts between the Amazon and São Francisco cratons) are interpreted as due to lithospheric thinning, consistent with a good correlation between intraplate seismicity and low velocity anomalies in this region (Assumpção et al., 2004b). The resolution improvement of the high velocity anomalies beneath the Parana Basin (at ~200 km) allows a discussion about the geometry of the cratonic nucleous of this Basin. The slab of the Nazca Plate is observed as a high velocity anomaly beneath the Parana basin (at 700-1200 km depth). At these depths, large low velocity anomaly appears next to the slab. Synthetic tests show that these anomalies are an artifact of the inversion generated by the presence of the slab.

Variações dos tempos de percurso de fases P e PKP foram usados para tomografia sísmica do manto superior sob o sudeste e centro-oeste do Brasil. Os principais objetivos foram: Melhorar a resolução obtida pelos estudos anteriores (VanDecar et al,. 1995; Escalante, 2002; Schimmel et al., 2003, feitos de 1992 a 2001) com a inclusão de novos dados e estações, mapear as áreas que não tinham sido cobertas pelas estações anteriores, tentar mostrar a consistência da base de dados, principalmente relacionada às novas estações e verificar a robustez das anomalias encontradas. Foi estudada a influência das estações localizadas nas regiões anômalas através de inversões secundárias (retirando estações). Nesta base foram incluídos registros recentes do ano 2002 e também em registros de 2000 e 2001 para eventos utilizados nos trabalhos anteriores. Os resultados confirmaram as estruturas observadas nos trabalhos anteriores e também revelaram novas regiões anômalas, particularmente no sul do estado de Mato Grosso. Das anomalias observadas nos trabalhos anteriores, confirmamos em nossos resultados o Cráton do São Francisco como uma anomalia de alta velocidade, com suas raízes chegando a 250 km de profundidade, a anomalia de baixa velocidade interpretada como resto fóssil da pluma de Tristan da Cunha VanDecar et al. (1995), a boa correlação das anomalias rasas de baixa velocidade com as intrusões alcalinas do Cretáceo Superior Schimmel et al., (2003), a anomalia de baixa velocidade inferida por Escalante (2002) na região de Iporá em Goiás (possível região do impacto inicial da pluma de Trindade), uma anomalia de alta velocidade sob a região da Bacia do Paraná (profundidades rasas) interpretada inicialmente por Schimmel et al. (2003) como possível núcleo cratônico da Bacia do Paraná e também, nesta mesma região (maiores profundidades), uma anomalia de alta velocidade interpretada como a litosfera subduzida da Placa de Nazca (Schimmel et al., 2003 e Escalante, 2002). A nova base permitiu a expansão da área de estudo e o imageamento de anomalias de baixa velocidade na província ígnea de Poxoréu em Mato Grosso, as quais são consistentes com o afinamento litosferico proposto no modelo de Thompson et al. (1998). / Variations of P and PKP travel times were used for seismic tomography of the upper mantle beneath southeast and central Brazil. Our principal objectives were: To improve the resolution obtained by the previous studies (carried out by VanDecar et al., 1995; Escalante, 2002; Schimmel et al., 2003 between 1992 and 2001) with inclusion of new data and stations, to map areas not covered by previous stations, to show the consistency of the database, mainly of the related to the new stations and to verify the robustness of the detected anomalies. The influence of the stations located in the anomalous areas was studied through secondary inversions (removing stations). The new data set includes recent records of 2002 and also new records from 2000 and 2001 for events used in the previous works. Our results confirm the structures observed in the previous works and also revealed new anomalous regions, particularly in the south of the Mato Grosso state. We confirmed the anomalies observed in the previous works: The São Francisco cráton has as a high-velocity anomaly, with roots down to 250 km depth, the low velocity anomaly interpreted as a fossil remnant of the Tristão da Cunha plume (VanDecar et al. 1995), the good correlation of the shallow low velocity anomalies with the alkaline intrusions of the Late-Cretaceous (Schimmel et al. 2003), the low velocity anomaly inferred by Escalante (2002) in the Iporá igneous province in Goiás (possible area of the initial impact of the plume of Trindade), a high-velocity anomaly under the Paraná Basin (shallow depths) interpreted initially by Schimmel et al. (2003) as possible cratonic nucleus of the Paraná Basin and also, in this same area (larger depths), a high-velocity anomaly interpreted as the slab of the Nazca Plate (Schimmel et al., 2003 and Escalante, 2002). The new data set allowed the expansion of the study area and the imaging of low velocity anomalies in the igneous province of Poxoréu in Mato Grosso, which are consistent with the model of litospheric thinning proposed by Thompson et al. (1998).

Variações dos tempos de percurso de fases P e PKP foram usados para tomografia sísmica do manto superior sob o sudeste e centro-oeste do Brasil. Os principais objetivos foram: Melhorar a resolução obtida pelos estudos anteriores (VanDecar et al,. 1995; Escalante, 2002; Schimmel et al., 2003, feitos de 1992 a 2001) com a inclusão de novos dados e estações, mapear as áreas que não tinham sido cobertas pelas estações anteriores, tentar mostrar a consistência da base de dados, principalmente relacionada às novas estações e verificar a robustez das anomalias encontradas. Foi estudada a influência das estações localizadas nas regiões anômalas através de inversões secundárias (retirando estações). Nesta base foram incluídos registros recentes do ano 2002 e também em registros de 2000 e 2001 para eventos utilizados nos trabalhos anteriores. Os resultados confirmaram as estruturas observadas nos trabalhos anteriores e também revelaram novas regiões anômalas, particularmente no sul do estado de Mato Grosso. Das anomalias observadas nos trabalhos anteriores, confirmamos em nossos resultados o Cráton do São Francisco como uma anomalia de alta velocidade, com suas raízes chegando a 250 km de profundidade, a anomalia de baixa velocidade interpretada como resto fóssil da pluma de Tristan da Cunha VanDecar et al. (1995), a boa correlação das anomalias rasas de baixa velocidade com as intrusões alcalinas do Cretáceo Superior Schimmel et al., (2003), a anomalia de baixa velocidade inferida por Escalante (2002) na região de Iporá em Goiás (possível região do impacto inicial da pluma de Trindade), uma anomalia de alta velocidade sob a região da Bacia do Paraná (profundidades rasas) interpretada inicialmente por Schimmel et al. (2003) como possível núcleo cratônico da Bacia do Paraná e também, nesta mesma região (maiores profundidades), uma anomalia de alta velocidade interpretada como a litosfera subduzida da Placa de Nazca (Schimmel et al., 2003 e Escalante, 2002). A nova base permitiu a expansão da área de estudo e o imageamento de anomalias de baixa velocidade na província ígnea de Poxoréu em Mato Grosso, as quais são consistentes com o afinamento litosferico proposto no modelo de Thompson et al. (1998). / Variations of P and PKP travel times were used for seismic tomography of the upper mantle beneath southeast and central Brazil. Our principal objectives were: To improve the resolution obtained by the previous studies (carried out by VanDecar et al., 1995; Escalante, 2002; Schimmel et al., 2003 between 1992 and 2001) with inclusion of new data and stations, to map areas not covered by previous stations, to show the consistency of the database, mainly of the related to the new stations and to verify the robustness of the detected anomalies. The influence of the stations located in the anomalous areas was studied through secondary inversions (removing stations). The new data set includes recent records of 2002 and also new records from 2000 and 2001 for events used in the previous works. Our results confirm the structures observed in the previous works and also revealed new anomalous regions, particularly in the south of the Mato Grosso state. We confirmed the anomalies observed in the previous works: The São Francisco cráton has as a high-velocity anomaly, with roots down to 250 km depth, the low velocity anomaly interpreted as a fossil remnant of the Tristão da Cunha plume (VanDecar et al. 1995), the good correlation of the shallow low velocity anomalies with the alkaline intrusions of the Late-Cretaceous (Schimmel et al. 2003), the low velocity anomaly inferred by Escalante (2002) in the Iporá igneous province in Goiás (possible area of the initial impact of the plume of Trindade), a high-velocity anomaly under the Paraná Basin (shallow depths) interpreted initially by Schimmel et al. (2003) as possible cratonic nucleus of the Paraná Basin and also, in this same area (larger depths), a high-velocity anomaly interpreted as the slab of the Nazca Plate (Schimmel et al., 2003 and Escalante, 2002). The new data set allowed the expansion of the study area and the imaging of low velocity anomalies in the igneous province of Poxoréu in Mato Grosso, which are consistent with the model of litospheric thinning proposed by Thompson et al. (1998).