Development of a new parallel code for 3-D joint refraction and reflection travel-time tomography of wide-angle seismic data

Meléndez i Catalán, Adrià

2015-A
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Resumen

Esta tesis está dedicada a la tomografía sísmica de tiempos de trayecto. En concreto, he implementado una nueva herramienta de modelización para la tomografía en 3D(1) de tiempos de trayecto de refracciones y reflexiones de datos de sísmica de gran ángulo (TOMO3D). La razón detrás de este objetivo central es la evidencia de que la información basada en datos sísmicos y modelos 2-D no permite capturar y reproducir la complejidad estructural de muchos cuerpos de interés geológico, y en nuestro caso particular la de la zona sismogénica en márgenes de subducción [e.g. Wei et al., 2012]. En efecto, las comparaciones entre modelos 2-D de propiedades elásticas y modelos de atributos sísmicos, que típicamente presentan una gran variabilidad 3-D, aun siendo valiosas, a menudo son sesgadas y/o incompletas. El razonamiento científico para dicha afirmación, que justifica la parte central de mi trabajo de tesis, se basa en el análisis de modelos 2-D obtenidos en el margen convergente de Nicaragua, una área sísmicamente activa en la que en 1992 tuvo lugar un ejemplo paradigmático de terremoto asociado a un tsunami anómalo(2) [Sallarès et al., 2013]. En esta aplicación modelé dos perfiles perpendiculares de sísmica de gran ángulo para la caracterización de la placa cabalgante y la falla de interplaca. Para ello apliqué TOMO2D [Korenaga et al., 2000], un código de vanguardia para la tomografía conjunta de refracciones y reflexiones en 2D que ha sido probado en la modelización de numerosos experimentos sísmicos. Los resultados de la inversión son dos modelos 2-D de velocidad a lo largo de ambos perfiles, junto con la geometría 1-D del límite interplaca (Fig. 1).

En combinación con otros datos geofísicos, principalmente datos de perfiles coincidentes de sísmica de reflexión multicanal y gravimétricos, estos modelos proporcionan nueva información sobre la naturaleza y estructura del margen, y en particular amplían el conocimiento sobre la generación y propagación del mencionado terremoto y su comportamiento tsunamigénico. En última instancia, este estudio pone de manifiesto las limitaciones anteriormente mencionadas de la modelización 2-D en la investigación de estructuras y fenómenos geológicos 3-D, apuntando así la necesidad de herramientas de prospección y modelización en 3D. Después de esta primera aplicación y con la idea de incrementar la cantidad de datos usados en tomografía de tiempos de trayecto, me centré en un fenómeno a priori paradójico relacionado con las fases múltiples de la capa de agua que, bajo determinadas circunstancias, se observan en los registros de sísmica de gran ángulo [Meléndez et al., 2014]. El interés de este estudio radica en el hecho de que dicho fenómeno puede proporcionar información adicional a los modelos de tomografía de tiempos de trayecto. En primer lugar, propongo y corroboro la hipótesis que explica la paradoja aparente (Fig. 2), y luego derivo las condiciones geológicas más favorables para que el fenómeno ocurra.

Seguidamente, la posibilidad de modelizar esta especie de fases múltiples es introducida en TOMO3D. En lo que se refiere al desarrollo e implementación de este código, que constituye la pieza central de mi trabajo, se basa en TOMO2D, del cual hereda los métodos numéricos para la solución de los problemas directo e inverso. Los archivos de código han sido reescritos, redefiniendo e introduciendo las variables y funciones necesarias para abordar la inversión de datos 3-D. Las pruebas realizadas con la versión secuencial del código enfatizan la necesidad de paralelización por motivos prácticos (Fig. 3).

En efecto, el creciente tamaño de los conjuntos de datos junto con la modelización de la dimensión espacial adicional resultan en inversiones computacionalmente exigentes. Por ello, paralelicé la parte del código encargada del problema directo, que toma hasta el 90% del tiempo de computación, con una combinación de extensiones multiprocesamiento e interfaz de paso de mensajes(3). A continuación, la versión paralelizada de TOMO3D es aplicada a un caso sintético complejo que simula una zona de subducción en un margen convergente océano–continente (Fig. 4) [Meléndez et al., aceptado (actualizado)].

Esta primera aplicación 3-D sirve para evaluar la corrección de la programación del código, y también para una descripción paso a paso del procedimiento de modelización, con especial atención a la estrategia de capa a capa usada para modelizar sucesivamente varios reflectores. Los resultados demuestran la capacidad del código y de la estrategia de inversión escogida para recuperar con precisión la distribución de velocidad y la geometría de los dos reflectores. Cabe destacar que, si el muestreo acimutal es suficientemente denso, los resultados de la inversión pueden ser satisfactorios incluso en áreas donde la cobertura de rayos es práctica o totalmente debida a fases reflejadas. Finalmente, como la mejor prueba posible, TOMO3D es aplicado a un conjunto 3-D de datos de sísmica de gran ángulo adquiridos en el margen del Pacífico de Ecuador y Colombia para extraer un modelo 3-D de velocidad de las placas superior e inferior, que es comparado con unos resultados previos obtenidos con un código 3-D de tomografía de tiempos de trayecto de refracciones extensamente probado y usado (FAST) (Fig. 5) [García-Cano et al., 2014].

La comparación indica que TOMO3D es más preciso que FAST pero al mismo tiempo es computacionalmente más exigente. Sin embargo, la paralelización de TOMO3D permite el uso de instalaciones de computación de alto rendimiento, lo que no es el caso de FAST o de la mayoría de códigos existentes.

Referencias

García-Cano, L.C., Galve, A., Charvis, P. & Marcaillou, B. (2014). Three-dimensional velocity structure of the outer fore arc of the Colombia-Ecuador subduction zone and implications for the 1958 megathrust earthquake rupture zone, J. Geophys. Res., 199, doi:10.1002/2012JB009978.

Korenaga, J., Holbrook, W.S., Kent, G.M., Kelemen, P.B., Detrick, R.S., Larsen, H.-C., Hopper, J.R. & Dahl-Jensen, T. (2000). Crustal structure of the southeast Greenland margin from joint refraction and reflection seismic tomography, J. Geophys. Res., 105, 21591–21614.

Meléndez, A., Sallarès, V., Ranero, C.R. & Kormann, J. (2014). Origin of water layer multiple phases with anomalously high amplitude in near-seafloor wide-angle seismic recordings, Geophys. J. Int., 196, 243–252, doi:10.1093/gji/ggt391.

Meléndez, A., Korenaga, J., Sallarès, V., Miniussi, A. & Ranero, C.R. (in revision). TOMO3D: 3-D joint refraction and reflection travel-time tomography parallel code for active-source seismic data – Synthetic test, submitted and revised for Geophys. J. Int.

Sallarès, V., Meléndez, A., Prada, M., Ranero, C.R., McIntosh, K. & Grevemeyer, I. (2013). Overriding plate structure of the Nicaragua convergent margin: Relationship to the seismogenic zone of the 1992 tsunami earthquake, Geochem. Geophys. Geosyst., 14, doi:10.1002/ggge.20214.

Wei, S., Graves, R., Helmberger, D., Avouac, J.-P. & Jiang, J. (2012)). Sources of shaking and flooding during the Tohoku-Oki earthquake: A mixture of rupture styles, Earth Planet. Sci. Lett., 333,91–100.

Notas del traductor: (1) en inglés se usa 3D para referirse a three dimensions (tres dimensiones) mientras que 3-D se refiere a three-dimensional (tridimensional), y de igual forma para una o dos dimensiones. En la traducción se ha respetado esta distinción. (2) En inglés se habla de tsunami earthquakes (terremotos tsunami) para referirse a terremotos que generan un tsunami anómalo dada su magnitud moderada para distinguirlos de los tsunamigenic earthquakes (terremotos tsunamigénicos) que se refiere al resto de terremotos que generan tsunamis. (3) El uso de las traducciones de multiprocessing (multiprocesamiento) y message-passing interface (interfaz de paso de mensajes) no es común por eso se ha preferido especificar aquí sus nombres en inglés.

Abstract

This dissertation is devoted to travel-time seismic tomography. In particular, I have implemented a new modelling tool for 3-D joint refraction and reflection travel-time tomography of wide-angle seismic data (TOMO3D). The reason behind this central objective is the evidence that the information based on 2-D seismic data and models does not allow to capture and reproduce the structural complexity of many 3-D geological targets, and in particular that of the seismogenic zone in subduction margins [e.g. Wei et al., 2012]. Indeed, comparisons between 2-D models of elastic properties and models of earthquake attributes, which typically display large 3-D variability, although valuable, are often biased and/or incomplete. The scientific rationale for this statement, which justifies the central part of my thesis work, is based on the analysis of 2-D models obtained in the convergent margin of Nicaragua, a seismically active area where a textbook example of tsunami earthquake took place in 1992 [Sallarès et al., 2013]. In this application I modelled two perpendicular wide-angle seismic profiles for the characterisation of the overriding plate and the interplate fault. To do this, I applied TOMO2D [Korenaga et al., 2000], a state-of-the-art joint refraction and reflection 2-D travel-time tomography code that has been verified in the modelling of numerous seismic experiments. The inversion outcomes are two 2-D velocity models along both profiles, together with the 1-D geometry of the interplate boundary (Fig. 1).

Figure 1. (a) P-wave velocity model of the overriding plate and geometry of the interplate boundary reflector along trench-perpendicular wide-angle seismic profile. The model was obtained by joint refraction and reflection travel-time tomography using TOMO2D. Interplate and upper-plate Moho reflectors are represented by thick black lines. Yellow circles mark the positions of the OBHs and land stations. Isovelocity contours in the sediments are not shown for clarity. (b) Same as (a) but for the trench-parallel wide-angle seismic profile. Basement top and interplate reflectors are represented by thick black lines. Red triangles indicate the intersection of both profiles.

In combination with other geophysical data measurements, namely coincident multichannel seismic profiles and gravity data, these models provide new constraints on the nature and structure of the margin, and in particular add new insights on the nucleation and propagation of the said earthquake and its tsunamigenic behaviour. Ultimately, this case study evidences the aforementioned limitations of 2-D modelling in the investigation of 3-D geological structures and phenomenons, thus calling for the need of 3-D prospecting and modelling tools. Following from this first application and with the idea of increasing the amount of data used in travel-time tomography, I focused on an a priori paradoxical phenomenon related to water-layer multiple phases, that under certain circumstances, is observed on wide-angle record sections [Meléndez et al., 2014]. The interest of this study lies in the fact that this phenomenon can provide additional constraints on travel-time tomography models. First, I propose and corroborate the hypothesis explaining the apparent paradox (Fig. 2), and then derive the most favourable geological conditions for the phenomenon to occur.

Figure 2. Modelling scheme for our synthetic test. The ray path is divided into three significant segments using different colours. Normal thickness and double thickness indicate one-way and two-way ray-path segments. (red box) Modelling scheme for the first part of the test in which we calculate peak amplitude ratios (ro). Arrows indicate the directions of the ray-path segments associated with the different waves, and are numbered in chronological order. The phases named in red, primary and MSRI (Multiple – Seafloor Reflection Interference), are those that can actually be observed in record sections. (black box) Modelling scheme for the second part of the test in which we calculate the increase in ray-path length (ΔL) values. Source and sensor locations are marked with a star and a circle. L is the ray-path length from source to receiver, H is the water-layer thickness at the receiver location, and D is the receiver–seafloor distance. The blue segment has length L and corresponds to the primary phase ray path. The green segment has length 2•(H-D) and together with the blue one they form the multiple phase ray path (L+2H-2D). The purple segment has length 2D and with the other two segments they correspond to the ray path for the sea-floor reflection of the multiple (L+2H). All three segments include a dashed portion to signify that L, H, and D are variable parameters in our synthetic test.

Subsequently, the possibility to model this multiple-like phases is introduced in TOMO3D. Regarding the development and implementation of this code, which constitutes the core of my work, it is founded on TOMO2D, from which it inherits the numerical methods for solving the forward and inverse problems. Source files have been rewritten, redefining and introducing the necessary variables and functions to handle 3-D data inversion. The tests made with the sequential version of the code emphasise the need of parallelisation for practicality reasons (Fig. 3).

Figure 3. Forward problem parallelisation scheme. The number of sources (n) is compared to the number of available processors (k). If k≥n all sources are processed simultaneously. When that is not the case, the k processors start by taking care of the first k sources. When processor i has solved the graph problem for its current source i, it moves on to bend the rays of the corresponding mi receivers equidistributing them among its ji cores. Immediately after this task is completed, a new unsolved source k+1 is assigned to processor i and so on so forth. Finally, the n partial kernels are added to calculate the total kernel.

Indeed, the increasing size of data sets along with the modelling of the additional spatial dimension results in computationally demanding inversions. Hence, I parallelised the forward modelling part of the code, which takes up to 90% of the computing time, with a combination of multiprocessing and message-passing interface extensions. Subsequently, the parallel version of TOMO3D is applied to a complex synthetic case simulating a subduction zone at an ocean–convergent margin (Fig. 4) [Meléndez et al., in revision].

Figure 4. 2-D slices of the target velocity model at (a) x=1.5 km, (b) y=1.5 km, and (c) z=750 mbsf with the corresponding 1-D geometries of both target reflectors (grey lines).

This first 3-D application serves to evaluate the correctness of the code’s programming, and as step-by-step description of the modelling procedure, with particular attention on the layer-stripping strategy used to successively model several reflectors. The outcomes demonstrate the ability of the code and the chosen inversion strategy to accurately recover the velocity distribution and the geometry of the two reflectors. It is worth noting that, if azimuthal sampling is sufficiently dense, the inversion results can be satisfactory even in areas where ray coverage is mostly or only provided by reflected phases. Finally, as the best test possible, TOMO3D is applied to a real 3-D wide-angle seismic data set acquired at the Pacific margin of Ecuador and Colombia to extract a 3-D velocity model of the overriding and incoming plates, which is then compared to previous results obtained with an extensively tested and used 3-D refraction travel-time tomography code (FAST) (Fig. 5) [García-Cano et al., 2014].

(a)

(b)

Figure 5. Vertical cuts at y=140 km for (a) TOMO3D and (b) FAST models. The small black arrow marks the position of the trench, whereas the big grey arrow indicates the inner limit of the low vertical velocity gradient outer wedge. The thick black line marks the rupture area of 1958 earthquake, while the dashed red line outlines the top of the low-velocity zone.

The comparison indicates that TOMO3D is more accurate than FAST but at the same time it is computationally more demanding. However, the parallelisation of TOMO3D allows using high-performance computing facilities, which is not the case of FAST or most of the existing codes.

References

Índice

Índice de Ecuaciones, Figuras y Tablas …………………………………………………………………….. i

Resum ……………………………………………………………………………………………………………………………. v

Resumen ……………………………………………………………………………………………………………………… vii

Motivación …………………………………………………………………………………………………………………… ix

Líneas generales ………………………………………………………………………………………………………….. xi

Capítulo 1: Introducción ……………………………………………………………………………………………. 1

1.1. Modelización geofísica y métodos de prospección …………………………………………………………… 2

1.2. Tomografía de tiempos de trayecto ………………………………………………………………………………… 8

1.3. Objetivos específicos ………………………………………………………………………………………………….. 14

Capítulo 2: Aplicación de TOMO2D al estudio del margen convergente de Nicaragua ……………………………………………………………………………………………………………………. 17

2.1. Contexto tectónico: margen de Nicaragua …………………………………………………………………….. 19

2.2. Fundamentos geológicos: zona sismogénica y terremotos tsunami …………………………………… 21

2.3. Conjunto de datos de sísmica de gran ángulo ………………………………………………………………… 21

2.4. Estrategia de modelización ………………………………………………………………………………………….. 27

2.4.1. Tomografía de tiempos de trayecto y capa a capa ……………………………………………………. 27

2.4.2. Validación del modelo: ajuste de datos, cobertura de rayos y análisis de incertidumbre .. 30

2.5. Resultados ………………………………………………………………………………………………………………… 34

2.5.1. Imágenes de sísmica multicanal del margen convergente y el límite de placas ……………. 34

2.5.2. Estructura de sísmica de gran ángulo a lo largo del perfil perpendicular a la fosa (NIC-20) ……………………………………………………………………………………………………………………… 37

2.5.3. Estructura de sísmica de gran ángulo a lo largo del perfil paralelo a la fosa (NIC-125) ……………………………………………………………………………………………………………………. 39

2.6. Discusión ………………………………………………………………………………………………………………….. 40

2.6.1. La naturaleza del basamento de la placa cabalgante …………………………………………………. 40

2.6.2. La cuenca de antepaís de Sandino y la cuña del manto de la placa superior ………………… 43

2.6.3. Información de datos gravimétricos sobre la anisotropía sísmica causada por la fracturación y sobre la naturaleza de la cuña del manto …………………………………………………….. 44

2.6.4. Información de sísmica multicanal sobre la estructura tectónica y el sistema hidrogeológico …………………………………………………………………………………………………………….. 47

2.6.5. El límite profundo de la zona sismogénica de la interplaca ………………………………………. 49

2.6.6. El límite somero de la zona sismogénica de la interplaca y el carácter tsunamigénico del terremoto de 1992 ………………………………………………………………………………………………………… 51

2.6.7. Sobre la necesidad de la modelización 3-D(1) ………………………………………………………….. 53

Capítulo 3: Interferencia Múltiple – Reflexión en el Fondo Marino (MSRI(2)) .. 55

3.1. Múltiples de la capa de agua en datos de sísmica de gran ángulo ……………………………………… 58

3.2. Hipótesis: interferencia constructiva …………………………………………………………………………….. 58

3.3. Modelización sintética ………………………………………………………………………………………………… 61

3.3.1. Midiendo la interferencia ……………………………………………………………………………………… 61

3.3.2. Decaimiento de la amplitud ………………………………………………………………………………….. 65

3.3.3. Nivel de ruido ambiente ………………………………………………………………………………………. 67

3.4. Resultados …………………………………………………………………………………………………………………. 70

3.5. Discusión ………………………………………………………………………………………………………………….. 72

Capítulo 4: TOMO3D ……………………………………………………………………………………………….. 75

4.1. Parametrización del modelo ………………………………………………………………………………………… 76

4.1.1. Velocidad de ondas P …………………………………………………………………………………………… 77

4.1.2. Profundidad del reflector ……………………………………………………………………………………… 79

4.2. Problema directo ………………………………………………………………………………………………………… 80

4.2.1. Método de grafo ………………………………………………………………………………………………….. 80

4.2.2. Método de curvado ……………………………………………………………………………………………… 85

4.2.3. Rayos sísmicos: refracciones, reflexiones y MSRI ………………………………………………….. 90

4.2.4. Pruebas de precisión: tiempos de trayecto y trayectorias de rayo ………………………………. 91

4.3. Inversión de residuos tiempos de trayecto …………………………………………………………………….. 93

4.3.1. Ecuación lineal del problema directo ……………………………………………………………………… 94

4.3.2. Condiciones de regularización ………………………………………………………………………………. 95

4.3.3. Sistema de mínimos cuadrados ……………………………………………………………………………… 98

4.4. Paralelización ………………………………………………………………………………………………………….. 101

Capítulo 5: Pruebas de inversión de datos sintéticos y reales con TOMO3D …. 105

5.1. Prueba sintética de inversión 3-D ……………………………………………………………………………….. 106

5.1.1. Parametrización de velocidad y profundidad y modelo objetivo ……………………………… 106

5.1.2. Configuración de adquisición y conjunto de datos …………………………………………………. 108

5.1.3. Estrategia de capa a capa y resultados de la prueba ………………………………………………… 110

5.1.4. Rendimiento de la paralelización …………………………………………………………………………. 118

5.1.5. Discusión ………………………………………………………………………………………………………….. 119

5.2. Inversión de datos reales 3-D: campaña Esmeraldas ……………………………………………………… 120

5.2.1. Contexto tectónico y resultados previos ……………………………………………………………….. 121

5.2.2. Resultados preliminares con TOMO3D y comparación ………………………………………….. 124

5.2.3. Discusión …………………………………………………………………………………………………………. 129

Capítulo 6: Conclusiones ………………………………………………………………………………………… 133

6.1. Sumario …………………………………………………………………………………………………………………… 134

6.1.1. TOMO2D, el margen convergente de Nicaragua y el terremoto tsunami(3) de 1992 ……. 134

6.1.2. MSRI ……………………………………………………………………………………………………………….. 135

6.1.3. TOMO3D: desarrollo y prueba sintética de inversión …………………………………………….. 136

6.1.4. TOMO3D y el margen convergente de Ecuador y Colombia …………………………………… 136

6.2. Perspectivas …………………………………………………………………………………………………………….. 137

Referencias ………………………………………………………………………………………………………………… 141

Apéndice A: Manual de usuario …………………………………………………………………………….. 159

A.1. Reseña ……………………………………………………………………………………………………………………. 160

A.2. Instalación ………………………………………………………………………………………………………………. 160

A.3. Formatos de archivo ………………………………………………………………………………………………… 160

A.3.1. Archivo de la red de velocidad (malla escalonada) ……………………………………………….. 160

A.3.2. Archivo del reflector …………………………………………………………………………………………. 162

A.3.3. Archivo de datos de tiempo de trayecto ……………………………………………………………….. 163

A.3.4. Archivo de longitudes de correlación (velocidad y profundidad) ……………………………. 164

A.3.5. Archivo de amortiguación variable ……………………………………………………………………… 166

A.4. Descripción de comandos …………………………………………………………………………………………. 168

A.4.1. Manipulación de archivos de red velocidad ………………………………………………………….. 168

A.4.2. Cálculo directo de tiempos de trayecto ………………………………………………………………… 169

A.4.3. Inversión de tiempos de trayecto ………………………………………………………………………… 170

Conclusiones

6.CONCLUSIONES

En lo que sigue, en primer lugar se resumen los puntos claves de los resultados de esta tesis. A continuación, el desarrollo futuro en relación con este resumen es descrito a modo de perspectivas para el trabajo aquí presentado.

6.1.Sumario

En este trabajo he implementado y aplicado satisfactoriamente TOMO3D, una nueva herramienta sísmica 3-D(1) para la modelización de la creciente cantidad de datos de sísmica de gran ángulo en 3D. TOMO3D se basa en TOMO2D y realiza tomografía 3-D de tiempos de trayecto conjunta de refracciones y reflexiones en paralelo para obtener modelos de la distribución 3-D de velocidad y de la geometría 2-D de las discontinuidades geológicas. Como tema de interés en nuestro grupo de investigación, TOMO3D ha sido probado satisfactoriamente en su aplicación al estudio de la zona de subducción en márgenes convergentes. Los resultados son favorables y deberían ser útiles para el estudio de la actividad sísmica y tsunamigénica asociada a este contexto geológico en el que los megaterremotos tienen lugar. A continuación se resumen los principales logros de este trabajo de tesis:

6.1.1.TOMO2D, el margen convergente de Nicaragua y el terremoto tsunami(2) de 1992

La aplicación de TOMO2D al estudio del margen de Nicaragua mostrado en el capítulo 2 es un ejemplo clásico de una modelización robusta con tomografía 2-D de tiempos de trayecto. Las fases sísmicas en los registros de dos perfiles de gran ángulo fueron interpretadas y correlacionadas detenidamente, con especial atención en la identificación de fases reflejadas asociadas a interfaces. Los datos de refracción y reflexión fueron reproducidos con éxito por los modelos finales de velocidad y profundidad que muestran un buen acuerdo en la intersección de los perfiles tanto en velocidad como en profundidad del reflector interplaca. La incertidumbre para estos modelos fue cuantificada mediante un análisis de tipo Monte Carlo que muestra que el campo de velocidad y la localización del límite interplaca son recuperados correctamente a lo largo de la mayor parte de los perfiles. Seguidamente estos modelos fueron interpretados con el fin de caracterizar la estructura del margen en combinación con datos de sísmica multicanal. Un desajuste entre los reflectores interplaca de gran ángulo y multicanal reveló una anisotropía de velocidad entre las propagaciones cuasi vertical y cuasi horizontal. Esta anisotropía fue atribuida a la presencia de una zona de baja velocidad causada por la hidrofracturación de la placa cabalgante debida al agua que escapa del canal de subducción a causa de la sobrepresión. Un monte submarino subducido fue observado en ambos tipos de datos sísmicos coincidiendo con una área de alta liberación de momento sísmico, lo cual está en acuerdo con la sugerencia de que dichos cuerpos geológicos pueden crear asperezas sísmicas. El incremento del esfuerzo normal en el límite interplaca puede haber contribuido a la propagación de energía sísmica a profundidades someras y en consecuencia a la subsiguiente excitación de un tsunami que caracteriza el evento sísmico de Nicaragua en 1992 como un terremoto tsunami. Además, se usaron relaciones empíricas para derivar la densidad y la fracturación a partir de la distribución de velocidad del perfil perpendicular a la fosa. El modelo de fracturación sirvió como indicador de la disgregación de la roca del margen, lo cual indica que la rigidez de la placa superior es un factor clave para explicar las características de ruptura (i.e. velocidad de propagación de la ruptura, deslizamiento cosísmico, etc.) de este, y probablemente otros, megaterremotos. Adicionalmente, el gran deslizamiento que resulta de la baja rigidez es clave para explicar su carácter tsunamigénico. La distribución de densidad fue usada para la modelización de datos gravimétricos, que confirmaron la presencia de una cuña del manto somera y de baja velocidad en la placa continental y junto a la distribución de eventos sísmicos a lo largo y ancho del margen, contribuyeron a la determinación aproximada del límite profundo de la zona sismogénica.

A través de este caso, pude aprender los fundamentos de la interpretación de fases sísmicas y de la modelización de tomografía de tiempos de trayecto, y en concreto del uso de TOMO2D y sus especificidades metodológicas y técnicas. Además, las limitaciones de los experimentos 2-D y la necesidad de la modelización con tomografía 3-D de tiempos de trayecto resultan evidentes en vistas de la naturaleza intrínsecamente 3-D de los eventos sísmicos.

6.1.2.MSRI(3)

En tomografía de tiempos de trayecto, normalmente mucha de la información en los registros de sísmica de gran ángulo no es utilizada. Como primer intento de incrementar el uso de los datos, en el capítulo 3 me centré en los múltiples de la capa de agua. La observación de una especie de múltiples de la capa de agua a distancias fuente–receptor más largas que sus correspondientes fases primarias, un fenómeno recurrente en los registros de sísmica de gran ángulo, es descrita en el capítulo 3 como la interferencia constructiva entre el múltiples de la capa de agua y su reflexión en el fondo marino (MSRI por sus siglas en inglés). Tal como se explica en la subsección 4.2.3., la posibilidad de invertir fases MSRI fue incluida en TOMO3D con el fin de hacer posible la selección y el uso de estos datos tal como aparecen en los registros sísmicos, sin tener que convertir llegadas MSRI al tiempo de trayecto esperado para las fases primarias correspondientes o tener que usar las fases MSRI como guía aproximada para la extrapolación de las primeras llegadas. Siempre que dicho fenómeno ocurre, incluir la información de MSRI en la inversión aumenta la cobertura de rayos y potencialmente extiende el modelo en profundidad.

6.1.3.TOMO3D: desarrollo y prueba sintética de inversión

TOMO3D, descrito en el capítulo 4, es un código 3-D funcional para la tomografía de tiempos de trayecto, basado en la versión 2-D previa TOMO2D, que supera las limitaciones de la modelización 2-D. La inversión conjunta de datos de refracción y reflexión puede recuperar satisfactoriamente tanto la estructura de velocidad como la profundidad del reflector en casos sintéticos complejos. La estrategia híbrida de trazado de rayos que combina los métodos de grafos y de curvado proporciona la precisión adecuada en tiempo de trayecto y trayectoria de rayo como prueba la comparación con soluciones analíticas y sismogramas sintéticos. La paralelización del problema directo es crucial para la funcionalidad del programa dado que más del 90% del tiempo de ejecución normalmente transcurre en esta parte del código, y adapta el código para poder aprovechar las instalaciones de supercomputadores asegurando así que las inversiones 3-D se pueden realizar en un período de tiempo razonable a pesar del aumento del número de parámetros y datos. La aceleración lograda en el caso sintético es mayor que la aceleración ideal calculada teóricamente por un factor ~3, lo que muestra que el proceso de paralelización también ayudó a la optimización del código.

Como se ilustra en la sección 5.1, TOMO3D recupera con éxito la estructura 3-D de velocidad y la geometría de dos reflectores en un caso sintético complejo que aproxima un contexto de subducción. La estrategia de capa a capa es propuesta para la extensión secuencial de los modelos en profundidad capa por capa, lo cual plantea problemas inversos más simples. En combinación con nuestro esquema de inversión conjunta de refracciones y reflexiones, esta estrategia permite la inclusión de contrastes agudos en los modelos típicamente más suaves producidos por la tomografía de tiempos de trayecto de refracciones clásica. Además, se reduce el impacto negativo de la ambigüedad velocidad–profundidad, aunque ésta puede seguir presente, y en experimentos con datos reales debería ser estimada [Korenaga, 2011].

6.1.4.TOMO3D y el margen convergente de Ecuador y Colombia

Los resultados de la primera aplicación con datos reales de TOMO3D al margen convergente de Ecuador y Colombia demuestran que el código es una herramienta válida para estudios de escala cortical. Como en TOMO2D, su versión 3-D proporciona información significativa para la investigación de los márgenes convergentes océano-continente, en este caso en forma de la distribución 3-D de velocidad de las placas cabalgante y subduciente. Los márgenes convergentes son un contexto geológico relevante ya que la subducción de placa oceánica genera la mayor parte de la actividad sísmica y volcánica de la Tierra, en particular en el Anillo de Fuego del Pacífico. El modelo 3-D de velocidad resultante es comparable al obtenido con FAST, otro código actual para la tomografía 3-D de tiempos de trayecto, ya que sus respectivos campos de velocidad muestran las mismas características, por lo que ambos apoyan una interpretación geológica común. El ajuste de los datos conseguido con TOMO3D es significativamente mejor que el del modelo de García-Cano et al. [2014], y se obtiene con tan sólo 5 iteraciones en contraste con las 20 iteraciones de FAST. Sin embargo, en lo que se refiere a tiempo de computación, TOMO3D es más lento que FAST. Aun así, usando una parametrización más fina del modelo con FAST podría haber mejorado el ajuste de los datos a expensas de un incremento en el tiempo de computación, mientras que TOMO3D puede aprovechar las instalaciones de computación de alto rendimiento gracias a su paralelización.

6.2.Perspectivas

La aplicación al margen de Nicaragua presentada en el capítulo 2 muestra el potencial de la tomografía sísmica y, al mismo tiempo, ejemplifica las limitaciones de los experimentos 2-D, y evidencia la necesidad de campañas 3-D. El perfil paralelo a la fosa muestra que a pesar de que esta dirección es más homogénea que su perpendicular, existen cambios laterales observables en la distribución de velocidad y en la geometría de la interfaz. Una modelización 3-D de velocidad y profundidad también facilitaría la medición, por ejemplo, de las dimensiones del monte submarino subducido o la extensión de la zona de baja velocidad. Además, en la delimitación de la zona sismogénica, la distribución 3-D de los eventos sísmicos tuvo que ser proyectada sobre el plano 2-D definido por el perfil de gran ángulo perpendicular a la fosa. Estos eventos, y especialmente los mayores y más peligrosos, principalmente se generan a lo largo del límite interplaca, que es una superficie 2-D la geometría de la cual sólo puede ser recuperada con un código de tomografía 3-D de tiempos de trayecto. El acoplamiento de la interplaca, la distribución de momento sísmico y de deslizamiento cosísmico son también fundamentalmente 3-D y se distribuyen de forma bastante heterogénea por el margen, igual que la velocidad de propagación de la ruptura. Este es el caso para prácticamente cualquier terremoto, incluyendo los más grandes, los tsunamigénicos y los más destructivos (Fig. 6.1). Todos estos parámetros dependen de la distribución de las propiedades elásticas (e.g. rigidez) en un volumen alrededor del límite interplaca, que puede ser modelizado con la resolución apropiada a partir de datos de sísmica activa 3-D.

Figura 6.1. Deslizamiento cosísmico (líneas negras) y distribución de acoplamiento para el mismo evento [Wei et al., 2012].

Para abordar adecuadamente estos problemas propondría la realización de campañas sísmicas 3-D en áreas de interés como aquellas con alto riesgo sísmico, en las que el conocimiento previo es importante. Algunos ejemplos podrían ser la región de Tohoku en Japón, probablemente la zona de subducción con la información geofísica, sismológica y de tsunamis más extensa y detallada; Cascadia en el margen oeste de los EE.UU., donde hay uno de las más destacadas brechas sísmicas y una larga historia de terremotos y tsunamis destructivos; o Costa Rica en América Central, que ha sido estudiada en detalle en el marco del proyecto US Margins y que será una de las ubicaciones de perforación profunda dentro del programa i-ODP que intentará alcanzar la zona sismogénica de la interplaca. Además, todos estos estudios sin duda se beneficiarían de la combinación con datos de sísmica pasiva tal como explico más adelante.

Desde un punto de vista técnico, TOMO3D en este momento está siendo adaptado para poder tratar también con experimentos 2-D, igual que TOMO2D pero con la ventaja de la paralelización. La realización de análisis de incertidumbre, por ejemplo, es una tarea que requiere mucho tiempo, en 2D y mucho más en 3D, y que puede beneficiarse claramente de la paralelización y optimización. Además, el fin último es implementar inversiones estadísticas como se describe en Korenaga & Sager [2012], que se plantean como análisis de incertidumbre iterativos de los cuales el modelo final es obtenido como la media de todos los modelos con un ajuste aceptable, con una distribución de errores de los parámetros dada por la desviación estándar.

El método de trazado de rayos puede ser adaptado para incorporar fases distintas de la primarias y su MSRI con un esquema generalizado para encontrar trayectorias de rayos transmitidas, reflejadas y convertidas varias veces [Bai et al., 2009]. Otro desarrollo metodológico sería la posibilidad de incluir datos de sísmica de reflexión cuasi vertical, que requeriría permitir que los nodos origen de los grafos estuvieran localizados en la capa de agua [e.g. Wang & Braile, 1996], y aumentaría el control de las partes más someras de los modelos. El esquema generalizado de trazado de rayos sería útil para aprovechar los datos cuasi verticales al máximo. Tal como se evidencia en la aplicación al conjunto de datos de Nicaragua, si el código tiene que usar datos cuasi verticales y de gran ángulo al mismo tiempo, será necesario incorporar la anisotropía de velocidad [e.g. Chapman & Pratt, 1992; Pratt & Chapman, 1992; Dunn et al., 2005; Zhou & Greenhalgh, 2005]. Además, el esquema de tomografía también puede ser adaptado a la modelización de otras propiedades físicas como la atenuación [e.g. Evans & Zucca, 1988; Myers et al., 1998].

Como se ha afirmado anteriormente, uno de los mayores objetivos sería combinar la inversión de datos de sísmica activa y pasiva. Esto permitiría no sólo definir la distribución de velocidad y la geometría del reflector, sino también la localización del hipocentro de terremotos locales, lo cual contribuiría notablemente a la investigación de las relaciones existentes entre las características estructurales y la generación de terremotos. Los datos de terremotos añadirían información sobre el modelo de velocidad, particularmente en las áreas más profundas gracias a la localización privilegiada de las fuentes sísmicas naturales. En el estado actual, los datos de sísmica pasiva pueden usarse directamente en TOMO3D si la localización hipocentral es conocida, pero para aprovechar al máximo la combinación con datos activos habría que integrar un esquema de relocalización en el código. Por ejemplo, Rawlinson & Urvoy [2006] invierten simultáneamente la localización de terremotos, la velocidad y la profundidad, mientras que Wagner et al. [2007] alternan la inversión de velocidad con la relocalización de las fuentes naturales.

La estrategia de capa a capa podría ser mejorada con un cierto grado de automatización, pero siempre permitiendo el control del usuario después de cada paso. Adicionalmente, podríamos ofrecer la opción de incluir en cada paso algunos o todos los reflectores previos y las correspondientes llegadas, si eso contribuyera a una mejor recuperación del modelo. En este sentido, una amortiguación específica de nodo para los modelos de profundidad podría ser implementada, del mismo modo que ahora está disponible para el modelo de velocidad. También podríamos añadir un archivo de salida DWS(4) para los modelos de profundidad. Además, generar un archivo con el DWS promedio sobre el número de iteraciones, en lugar de o aparte del DWS de la última iteración, representaría la no-linealidad que se expresa como la necesidad de una solución iterativa para el problema inverso linealizado. Otras posibles mejoras técnicas de TOMO3D pueden ser la paralelización del problema inverso [Lee et al., 2013] o la implementación de una GUI(5).

Finalmente, recordar que la primera aplicación con datos reales no está completada, sólo se han obtenido resultados preliminares utilizando primeras llegadas. En primer lugar, el modelo debe ser extendido incluyendo el resto de tiempos de trayecto de refracciones disponibles. En este sentido, la inversión usando diferentes subconjuntos de datos se podría realizar con el fin de ilustrar la robustez de los resultados en las distintas partes del modelo. Seguidamente, los registros sísmicos serán inspeccionados para identificar y seleccionar fases reflejadas asociadas al límite interplaca o a la discontinuidad del Moho, aunque según García-Cano et al. [2014] éstas últimas no han sido observadas. El techo del basamento también podría producir reflexiones observables que buscaremos en los registros. Si se detectan dos o más interfaces reflectantes, la inversión seguirá la estrategia de capa a capa. Mejoras metodológicas en la selección de las fases podría ser útil en este caso y en general, por ejemplo la selección automática o semiautomática de refracciones y reflexiones, o herramientas de visualización para datos 3-D como The Kingdom Suite or Opendtect. El nuevo conjunto de datos incluyendo las llegadas refractadas y reflejadas, será invertido partiendo de dos modelos de velocidad iniciales: el mismo modelo utilizado aquí y el modelo final obtenido a partir sólo de las refracciones. Esto servirá como evaluación básica de la dependencia en el modelo de velocidad inicial. Por lo que respecta a los modelos de profundidad iniciales, serán construidos siguiendo aproximadamente contornos de isovelocidad específicos típicamente asociados a cada interfaz reflectante. La ambigüedad velocidad–profundidad será explorada modificando el parámetro de peso del núcleo de profundidad w(6) y comprobando las variaciones en los modelos de velocidad y profundidad finales. La estimación de la incertidumbre de los parámetros se realizará como en Sallarès et al. [2013], pero como se mencionó anteriormente esto probablemente requerirá más optimización del código y el uso de instalaciones de computación de alto rendimiento que estén disponibles, como por ejemplo a través del programa de acceso al supercomputador Mare Nostrum del Centro de Supercomputación de Barcelona.

Notas del traductor: (1) en inglés se usa 3D para referirse a three dimensions (tres dimensiones) mientras que 3-D se refiere a three-dimensional (tridimensional), y de igual forma para una o dos dimensiones. En la traducción se ha respetado esta distinción. (2) En inglés se habla de tsunami earthquakes (terremotos tsunami) para referirse a terremotos que generan un tsunami anómalo dada su magnitud moderada para distinguirlos de los tsunamigenic earthquakes (terremotos tsunamigénicos) que se refiere al resto de terremotos que generan tsunamis. (3) Siglas de Multiple–Seafloor Reflection Interference. (4) Siglas de Derivative Weight Sum (suma de pesos de derivada) descrita en el capítulo 2. (5) Siglas de Graphic User Interface (interfaz gráfica de usuario). (6) En inglés depth-kernel weight parameter descrito en el capítulo 4.