Geologia Ambiental

   Elementos de apoio preparados por J. Alveirinho Dias

Abr 00    

SISMOS
Ondas Sísmicas
   

Quando ocorre um sismo, parte da energia propaga-se através do meio sob forma de ondas volúmicas, e a parte restante da energia desloca-se ao longo da superfície sob a forma de ondas superficiais.

  • Ondas volúmicas

Tal como qualquer outro tipo de ondas que se propague através de um espaço tri-dimensional e cuja fonte possa ser considerada como uma fonte pontual, a amplitude das ondas sísmicas decresce com inverso da distância à fonte.

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Para além disso, a superfície definida como aquela em que todos os pontos se encontram no mesmo estado de vibração (i.e. estão em fase) designa-se por frente de onda. Para pequenas distâncias à fonte, a frente de onda tem forma esférica. Contudo, com o aumento da distância à fonte, a frente de onda torna-se progressivamente mais plana, de tal modo que, para grandes distâncias, se pode fazer a aproximação de que a dita frente de onda é uma onda plana. Por analogia ao caso da óptica, a direcção perpendicular à frente de onda designa-se por raio sísmico.

As ondas sísmicas volúmicas (quer as compressivas, quer as de corte) têm, na origem, vasta gama de frequências. Todavia, devido à atenuação durante a propagação, as mais pronunciadas têm frequências entre 0,5 e 20 Hertz.

    • Ondas P (Primárias)

As ondas P são do tipo compressivo. Uma onda a propagar-se ao longo de uma mola constitui uma boa analogia para este tipo de ondas sísmicas.

As ondas P são as mais rápidas das ondas sísmicas, podendo propagar-se tanto em meios sólidos como líquidos. A velocidade de propagação em granitos, por exemplo, é de cerca de 5,5km/s. Em meios líquidos a velocidade de propagação reduz-se bastante. Por exemplo, na água, a velocidade das ondas P é de apenas cerca de 1,5km/s.

    • Ondas S (Secundárias)

Nas ondas S o movimento de vibração dá-se no plano definido pela frente de onda e, como tal, perpendicularmente à direcção de propagação, pelo que são ondas do tipo transversal (ou de corte). Uma boa analogia para este tipo de ondas é a corda de uma guitarra que é posta a vibrar. A passagem da onda transversal obriga a que os planos verticais do meio se movam "para cima e para baixo" e que, por isso, os elementos adjacentes do meio sofram variações de forma, que alternam entre a de um rectângulo e a de um losango.


onda - S

As ondas S só se propagam em meios sólidos. A sua velocidade é menor do que a das ondas P. Nos granitos, por exemplo, é de cerca de 3km/s.

  • Ondas superficiais

Uma perturbação exercida na superfície livre de um meio propaga-se, a partir da fonte, sob a forma de ondas sísmicas superficiais. Existem duas categorias de ondas superficiais, as ondas R (de Rayleigh) e as ondas L (de Love), que se distinguem entre si pelo tipo de movimento que as partículas descrevem na frente de onda.

As ondas superficiais deslocam-se a menor velocidade do que as ondas volúmicas. Em geral, as ondas L têm maior velocidade do que as ondas R.

As ondas sísmicas superficiais têm uma gama alargada de frequências, mas inferiores às das ondas volúmicas. Normalmente, as frequências das ondas superficiais são inferiores a 1 Hertz.

    • Ondas R (de Rayleigh)

O movimento das partículas na frente de onda de uma onda de Rayleigh está polarizado no plano vertical e pode ser visualizado como uma combinação de vibrações do tipo P e S. O movimento das partículas individuais descreve uma elipse retrógada alinhada no plano vertical.

Tal como nas ondas do mar, o deslocamento das partículas não está confinado apenas à superfície livre do meio, sendo as partículas abaixo desta também afectadas pela passagem da onda. Num semi-espaço homogéneo, a amplitude do movimento das partículas decresce exponencialmente com o aumento da profundidade. Ondas com comprimento de onda l têm uma profundidade de penetração característica de 0.4 l.


Teoricamente, a velocidade das ondas de Rayleigh é igual a 0,9194 da velocidade das ondas S, verificando-se na realidade, quando ocorre um sismo, que esta relação está correcta.

    • Ondas L (de Love)

O movimento das partículas, nas ondas L (de Love), processa-se apenas no plano horizontal


Complexidade das Ondas Sísmicas

Como os vários tipos de ondas que se produzem quando ocorre um sismo têm velocidades e frequências diferentes, em áreas afastadas da região epicentral é possível observar que as ondas estão organizadas em grupos. Todavia, próximo da área de geração, não há tempo suficiente para esta segregação em trens de ondas distintas, pelo que a movimentação das partículas induzida simultaneamente por diferentes tipos de ondas pode ser extremamente complexa (provocando grandes destruições).

Por outro lado, ao propagar-se em diferentes tipos de rochas e à superfície, atravessando zonas de descontinuidade estrutural, as ondas são sujeitas, muitas vezes, a fenómenos de reflexão e de refracção, o que pode conduzir a amplificação das ondas e, consequentemente, aumento do seu potencial de destruição. A situação complica-se ainda mais porque a propagação das ondas é afectada pela atitude do plano de rotura, o que pode conduzir a concentração de energia em certas direcções.

Por outro lado, a complexidade do estudo das ondas sísmicas é ainda acentuada pelo facto do tipo e condições do solo, bem como a topografia, poderem provocar amplificação ou redução das ondas sísmicas em locais específicos.

Frequência das Ondas Sísmicas e Frequência de Vibração Natural dos Edifícios

As ondas sísmicas volúmicas (quer as compressivas, quer as de corte) têm, na origem, vasta gama de frequências. Todavia, devido à atenuação durante a propagação, as mais pronunciadas têm frequências entre 0,5 e 20 Hertz. As ondas superficiais têm, geralmente, frequências menores do que as ondas volúmicas, tipicamente inferiores a 1 Hertz.

Os edifícios têm frequências naturais de vibração específicas. As frequências naturais de vibração dos edifícios de menor altura são mais elevadas do que as dos prédios mais altos. Se a frequência das ondas sísmicas é análoga à frequência natural de vibração de certos edifícios, estes podem entrar em ressonância e ser gravemente danificados ou destruídos.

No entanto, as ondas com frequências elevadas sofrem atenuação mais rápida com o aumento de distância à zona epicentral do que as ondas com frequências mais baixas. Por essa razão, a distâncias relativamente grandes do epicentro (da ordem de 100km), os edifícios altos podem ser bastante mais danificados do que os baixos. As construções baixas são mais sensíveis às vibrações sísmicas quando se localizam próximo do local onde o sismo foi gerado.