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Estructura de velocidad sísmica

Estructura de velocidades de la Tierra. La línea roja representa la velocidad de las ondas P, la línea azul la velocidad de las ondas S y la línea verde la densidad. (Datos obte...

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Estructura de velocidades de la Tierra. La línea roja representa la velocidad de las ondas P, la línea azul la velocidad de las ondas S y la línea verde la densidad. (Datos obtenidos de la biblioteca RockHound de Python).

La estructura de velocidad sísmica es la distribución y variación de las velocidades de las ondas sísmicas en el subsuelo de la Tierra y otros cuerpos planetarios . Refleja propiedades del subsuelo como la composición del material, la densidad, la porosidad y la temperatura. [ 1 ] Los geofísicos se basan en el análisis e interpretación de la estructura de velocidad para desarrollar modelos refinados de la geología del subsuelo, que son esenciales para la exploración de recursos, la sismología de terremotos y el avance de nuestra comprensión del desarrollo geológico de la Tierra. [ 2 ]

Historia

La comprensión de la estructura de velocidad sísmica de la Tierra ha evolucionado significativamente desde el advenimiento de la sismología moderna . La invención del sismograma en el siglo XIX impulsó el estudio sistemático de la estructura de velocidad sísmica al permitir el registro y análisis de las ondas sísmicas. [ 3 ]

siglo XX

Distribución de las estaciones de la Red Sismográfica Global. El mapa se generó con Python usando Cartopy; los datos se obtuvieron del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS). [ 4 ]

El campo de la sismología logró avances significativos en el siglo XX. En 1909, Andrija Mohorovičić identificó un límite significativo dentro de la Tierra conocido como la discontinuidad de Mohorovičić , que delimita la transición entre la corteza y el manto terrestres con un notable aumento en las velocidades de las ondas sísmicas. [ 5 ] Este trabajo fue ampliado por Beno Gutenberg , quien identificó el límite en la capa núcleo-manto a principios y mediados del siglo XX. [ 6 ] La introducción en la década de 1960 de la Red Mundial Estandarizada de Sismógrafos mejoró drásticamente la recopilación y comprensión de los datos sísmicos, contribuyendo a una mayor aceptación de la teoría de la tectónica de placas al ilustrar variaciones en las velocidades sísmicas. [ 7 ] [ 8 ] [ 1 ]

Más tarde, la tomografía sísmica , una técnica utilizada para crear imágenes detalladas del interior de la Tierra mediante el análisis de ondas sísmicas, fue impulsada por las contribuciones de Keiiti Aki y Adam Dziewonski en las décadas de 1970 y 1980, lo que permitió una comprensión más profunda de la estructura de velocidad de la Tierra. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Su trabajo sentó las bases para el Modelo Preliminar de Referencia de la Tierra en 1981, un paso significativo hacia la modelización de las velocidades internas de la Tierra. [ 1 ] [ 12 ] El establecimiento de la Red Sísmica Global en 1984 por las Instituciones de Investigación Incorporadas para la Sismología mejoró aún más las capacidades de monitoreo sísmico, continuando el legado de la WWSSN. [ 13 ]

siglo XXI

El avance en la tomografía sísmica y la expansión de la Red Sísmica Global, junto con una mayor capacidad de cálculo, han permitido una modelización más precisa de la estructura de velocidad interna de la Tierra. [ 14 ] [ 15 ] Los avances recientes se centran en las características de velocidad del núcleo interno [ 16 ] y en la aplicación de métodos como la tomografía de ruido ambiental para mejorar la obtención de imágenes. [ 17 ]

Principio de la estructura de velocidad sísmica

El estudio de la estructura de velocidad sísmica, utilizando los principios de propagación de ondas sísmicas, ofrece información crucial sobre la estructura interna, la composición material y los estados físicos de la Tierra. [ 1 ] Las variaciones en la velocidad de las ondas, influenciadas por las diferencias en la densidad y el estado del material (sólido, líquido o gas), alteran las trayectorias de las ondas a través de la refracción y la reflexión, como lo describe la Ley de Snell . [ 18 ] [ 19 ] Las ondas P, que pueden moverse a través de todos los estados de la materia y proporcionan datos sobre un rango de profundidades, cambian de velocidad en función de las propiedades del material, como el tipo, la densidad y la temperatura. [ 3 ] [ 1 ] Las ondas S, en cambio, están restringidas a los sólidos y revelan información sobre la rigidez y la composición interna de la Tierra, incluido el descubrimiento del estado líquido del núcleo externo, ya que no pueden atravesarlo. [ 3 ] El estudio de los tiempos de viaje y las reflexiones de estas ondas ofrece una visión reconstructiva de la estructura de velocidad en capas de la Tierra. [ 20 ]

Estructura de velocidad promedio de los cuerpos planetarios

Estructura de velocidad de la Tierra

La estructura interna de la Tierra. [ 3 ]

Las ondas sísmicas atraviesan las capas de la Tierra a velocidades que difieren según las propiedades únicas de cada capa, y sus velocidades están determinadas por la temperatura , la composición y la presión respectivas . [ 1 ] La estructura de la Tierra presenta discontinuidades sísmicas distintivas donde estas velocidades cambian abruptamente, lo que indica cambios en la composición mineral o el estado físico . [ 30 ]

Corteza

Dentro de la corteza terrestre , las velocidades sísmicas aumentan con la profundidad, principalmente debido al incremento de la presión, que hace que los materiales sean más densos. [ 31 ] La relación entre la profundidad de la corteza y la presión es directa; a medida que la roca suprayacente ejerce peso, compacta las capas subyacentes, reduce la porosidad de la roca , aumenta la densidad y puede alterar las estructuras cristalinas, acelerando así las ondas sísmicas. [ 32 ]

La composición de la corteza varía, lo que afecta a las velocidades sísmicas. La corteza superior suele contener rocas sedimentarias con velocidades más bajas (2,0–5,5  km/s), mientras que la corteza inferior está formada por rocas basálticas y gabroicas más densas , lo que da lugar a velocidades más altas. [ 33 ]

Aunque el gradiente geotérmico , que se refiere al aumento de temperatura con la profundidad en el interior de la Tierra, puede disminuir las velocidades sísmicas, este efecto suele verse contrarrestado por el impacto de aumento de velocidad de la presión incrementada. [ 34 ]

Estructura de velocidad unidimensional de la Tierra; el área gris indica la zona de transición. El cambio de velocidad en el límite núcleo-manto representa cambios en el estado físico, de sólido a fluido. En el límite del núcleo interno, el núcleo cambia de fluido a sólido, como se refleja en el aumento de la velocidad. [ 3 ]

manto superior

  • Velocidad media de la onda P: 7,5–8,5  km/s [ 12 ]
  • Velocidad media de las ondas S: 4,5–5,0  km/s [ 12 ]

La velocidad sísmica en el manto superior aumenta principalmente debido al incremento de la presión, de forma similar a la corteza, pero con un efecto más pronunciado sobre la velocidad. [ 3 ] Además, los cambios de fase mineral inducidos por la presión, donde los minerales reorganizan sus estructuras, en el manto superior contribuyen a esta aceleración. [ 35 ] Por ejemplo, el olivino se transforma en sus polimorfos más densos , wadsleyita y ringwoodita , a profundidades de aproximadamente 410 y 660 km (250 y 410 mi) respectivamente, lo que resulta en una estructura más compacta que facilita una propagación más rápida de las ondas sísmicas en la zona de transición . [ 35 ]  

manto inferior

  • Velocidad media de la onda P: 10–13  km/s [ 12 ]
  • Velocidad media de las ondas S: 5,5–7,0  km/s [ 12 ]

En el manto inferior , el aumento de la velocidad sísmica se debe al incremento de la presión, que es mayor aquí que en las capas superiores, lo que resulta en una roca más densa y una propagación más rápida de las ondas sísmicas. [ 36 ] Aunque los efectos térmicos pueden disminuir la velocidad sísmica al ablandar la roca, el factor predominante en el manto inferior sigue siendo el aumento de la presión. [ 34 ] [ 37 ]

Núcleo externo

  • Velocidad media de la onda P: 8,0–10  km/s [ 12 ]
  • Ondas S: No se propagan ya que el núcleo externo es líquido.

En el núcleo externo , la velocidad sísmica disminuye significativamente debido a su estado líquido, lo que dificulta la propagación de las ondas sísmicas a pesar de la alta presión. Esta marcada disminución se observa en el límite núcleo-manto , también conocido como región D '' o discontinuidad de Gutenberg . [ 12 ]

Además, la reducción de la velocidad sísmica en el núcleo externo sugiere la presencia de elementos más ligeros como oxígeno , silicio , azufre e hidrógeno , que disminuyen la densidad del núcleo externo. [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

Ilustración del núcleo interno propuesto. [ 42 ] [ 43 ] La propagación de ondas sísmicas en la línea roja (a lo largo del eje de rotación) es más rápida que en la línea azul (a lo largo del eje ecuatorial).

núcleo interno

  • Velocidad media de la onda P: ~11  km/s [ 12 ]
  • Velocidad media de las ondas S: ~3,5  km/s [ 12 ]

La composición sólida y de alta densidad del núcleo interno , predominantemente hierro y níquel , resulta en una mayor velocidad sísmica en comparación con el núcleo externo líquido. [ 44 ] Si bien los elementos ligeros también presentes en el núcleo interno modulan esta velocidad, su impacto es relativamente limitado. [ 45 ]

Anisotropía del núcleo interno

El núcleo interno es anisotrópico , lo que provoca que las ondas sísmicas varíen en velocidad según su dirección de propagación. Las ondas P, en particular, se mueven más rápidamente a lo largo del eje de rotación del núcleo interno que a través del plano ecuatorial . [ 42 ] Esto sugiere que la rotación de la Tierra afecta la alineación de los cristales de hierro durante la solidificación del núcleo. [ 46 ]

También hay evidencia que sugiere una zona de transición distinta ("núcleo interno"), con una hipotética zona de transición de unos 250 a 400 km (160 a 250 mi) por debajo del límite del núcleo interno . Esto se infiere de anomalías en los tiempos de viaje de la onda P que viaja a través del núcleo interno. [ 42 ] [ 43 ] Esta zona de transición, quizás de 100 a 200 km (62 a 124 mi) de espesor, puede proporcionar información sobre la alineación de los cristales de hierro, la distribución de elementos ligeros o la historia de acreción de la Tierra . [ 42 ] [ 43 ]    

El estudio del núcleo interno plantea desafíos significativos para sismólogos y geofísicos, dado que representa menos del 1 % del volumen de la Tierra y es difícil de penetrar para las ondas sísmicas. [ 16 ] [ 43 ] Además, la detección de ondas S es difícil debido a la mínima conversión de ondas de compresión a ondas de cizallamiento en el límite y la atenuación sustancial dentro del núcleo interno, lo que deja la velocidad de las ondas S incierta y constituye un área para futuras investigaciones. [ 3 ] [ 16 ]

Variación lateral de la estructura de velocidad

La variación lateral en la velocidad sísmica es un cambio horizontal en las velocidades de las ondas sísmicas a través de la corteza terrestre debido a diferencias en las estructuras geológicas, como los tipos de roca, la temperatura y la presencia de fluidos, que afectan la velocidad de propagación de las ondas sísmicas. [ 47 ] Esta variación ayuda a delimitar las placas tectónicas y las características geológicas, y es clave para la exploración de recursos y la comprensión del flujo de calor interno de la Tierra. [ 48 ]

Discontinuidad

Las discontinuidades son zonas o superficies dentro de la Tierra que provocan cambios abruptos en la velocidad sísmica, revelando la composición y delimitando los límites entre las capas de la Tierra. [ 3 ]

Las siguientes son discontinuidades clave dentro de la Tierra:

  • Discontinuidad de Mohorovičić : el límite entre la corteza y el manto, ubicado aproximadamente entre 30 y 50 km (19 y 31 millas) por debajo de la corteza continental y entre 5 y 10 km (3,1 y 6,2 millas) por debajo de la corteza oceánica. [ 5 ]    
  • Discontinuidad de 410 km (250 mi) : una transición de fase donde la olivina se convierte en wadsleyita . [ 35 ]  
  • Discontinuidad de 520 km (320 mi) : una transición de fase donde la wadsleyita se convierte en ringwoodita . [ 30 ]  
  • Discontinuidad de 660 km (410 mi) : una transición de fase donde se transforma la ringwoodita en bridgmanita y ferropericlasa . [ 35 ]  
  • Discontinuidad de Gutenberg : el límite núcleo-manto , a aproximadamente 2890 km (1800 millas) de profundidad. [ 12 ]  
  • Discontinuidad de Lehmann : marca el límite del núcleo interno, a una profundidad aproximada de 5150 km (3200 millas) . [ 42 ]  

Estructura de velocidad de la Luna

Ubicación del sismómetro lunar. [ 49 ] Se colocaron un total de cinco PSE en la Luna, mientras que el PSE del Apolo 11 dejó de funcionar poco después de su despliegue.

El conocimiento de la velocidad sísmica de la Luna proviene principalmente de los registros sísmicos obtenidos por las estaciones del Experimento Sísmico Pasivo (PSE) de las misiones Apolo . [ 50 ] Entre 1969 y 1972, se desplegaron cinco estaciones PSE en la superficie lunar, cuatro de las cuales estuvieron operativas hasta 1977. [ 50 ] Estas cuatro estaciones crearon una red en la cara visible de la Luna , configurada como un triángulo equilátero con dos estaciones en un vértice. [ 51 ] Esta red registró más de 13 000 eventos sísmicos, y los datos recopilados siguen siendo objeto de estudio continuo. [ 50 ] [ 51 ] El análisis ha revelado cuatro mecanismos de sismos lunares : superficiales, profundos, térmicos y los causados ​​por impactos de meteoroides . [ 52 ]

Corteza

  • Velocidad media de la onda P: 5,1–6,8  km/s [ 21 ]
  • Velocidad media de las ondas S: 2,96–3,9  km/s [ 21 ]

La velocidad sísmica en la Luna varía dentro de su  corteza de aproximadamente 60 km de espesor, presentando una baja velocidad sísmica en la superficie. [ 53 ] Las lecturas de velocidad aumentan de 100  m/s cerca de la superficie a 4  km/s a una profundidad de 5  km y se elevan a 6  km/s a 25  km de profundidad. [ 54 ] [ 55 ] A 25  km de profundidad, se presenta una discontinuidad, en la cual la velocidad sísmica aumenta abruptamente a 7  km/s. [ 55 ] Esta velocidad luego se estabiliza, reflejando la composición consistente y las condiciones de presión hidrostática a mayores profundidades. [ 55 ]

Las velocidades sísmicas dentro de la corteza lunar, de aproximadamente 60  km de espesor, presentan un mínimo inicial de 100  m/s en la superficie, [ 53 ] que aumenta a 4  km/s a 5  km de profundidad, y luego a 6  km/s a 25  km de profundidad, donde las velocidades aumentan bruscamente a 7  km/s y se estabilizan, revelando una composición y condiciones de presión consistentes en las capas más profundas. [ 54 ] [ 55 ]

Las velocidades superficiales son bajas debido a la naturaleza suelta y porosa del regolito . [ 54 ] A mayor profundidad, la compactación aumenta las velocidades, y la región más allá de los 25  km de profundidad se caracteriza por capas densas y selladas de anortosita y gabro , lo que sugiere una corteza con presión hidrostática . [ 55 ] El gradiente geotérmico de la Luna reduce mínimamente las velocidades en 0,1-0,2  km/s. [ 55 ]

Estructura de velocidad unidimensional de la Luna. [ 56 ] Los cambios en la velocidad representan cambios en el estado físico o la composición lunar. La línea roja representa la velocidad de las ondas S, mientras que la línea azul representa la velocidad de las ondas P.

Manto

  • Velocidad media de la onda P: 7,7  km/s [ 21 ]
  • Velocidad media de la onda S: 4,5  km/s [ 21 ]

La investigación sobre la estructura sísmica del manto lunar se ve obstaculizada por la escasez de datos. El análisis de las formas de onda de los sismos lunares sugiere que las velocidades de las ondas sísmicas en el manto superior (que oscilan entre 60 y 400 km (37 y 249 mi) de profundidad) presentan un ligero gradiente negativo, con velocidades de ondas S que disminuyen a tasas entre -6×10⁻⁴ y -13×10⁻⁴ km /s por kilómetro. [ 21 ] También se ha postulado una disminución en las velocidades de las ondas P. [ 57 ] Los datos delimitan una zona de transición entre 400 y 480 km (250 y 300 mi) de profundidad, donde se produce un decremento notable en las velocidades de las ondas P y S. [ 21 ]    

La incertidumbre aumenta al explorar el manto inferior, que se extiende desde los 480 hasta los 1100 km (300 a 680 millas) bajo la superficie lunar. Algunos estudios detectan una disminución constante en la transmisión de ondas S, lo que sugiere fenómenos de absorción o dispersión, [ 21 ] mientras que otros hallazgos indican que las velocidades de las ondas P y S podrían, de hecho, aumentar. [ 57 ] [ 58 ]  

Se cree que el aumento de temperatura con la profundidad es la principal influencia detrás de la disminución observada en las velocidades dentro del manto superior, lo que sugiere un manto fuertemente regulado por gradientes térmicos en lugar de cambios composicionales. [ 21 ] La zona de transición delimitada implica una división entre los mantos superior e inferior químicamente distintos, posiblemente explicada por un aumento en la concentración de hierro debido a las altas presiones y condiciones térmicas en profundidad. [ 21 ]

Más profundamente en el manto inferior, el debate sobre las características sísmicas continúa, con teorías de fusión parcial alrededor de los 1000 km (620 mi) de profundidad para justificar la atenuación de las velocidades de las ondas S. [ 21 ] [ 57 ] Este estado fundido puede causar una segregación de materiales, lo que resulta en una concentración de olivino rico en magnesio en las regiones inferiores y potencialmente afecta las velocidades sísmicas. [ 57 ]  

Centro

Sección transversal esquemática de la Luna. El material líquido y parcialmente fundido podría ser asférico.

Comprender las velocidades sísmicas dentro del núcleo de la Luna presenta desafíos debido a la limitada cantidad de datos disponibles. [ 26 ]

Núcleo externo:

  • Velocidad media de la onda P: 4  km/s [ 26 ] [ 27 ]
  • Ondas S: No se propagan ya que el núcleo externo es líquido [ 28 ] [ 27 ]

núcleo interno:

  • Velocidad media de la onda P: 4,4  km/s [ 27 ]
  • Velocidad media de la onda S: 2,4  km/s [ 27 ]

La marcada disminución de la velocidad de las ondas P en el límite entre el manto y el núcleo sugiere un núcleo externo líquido, con una transición de 7,7  km/s en el manto a 4  km/s en el núcleo externo. [ 59 ] La incapacidad de las ondas S para atravesar esta zona confirma aún más su naturaleza fluida con sulfato de hierro fundido . [ 60 ]

Un aumento en las velocidades sísmicas al alcanzar el núcleo interno sugiere una transición a una fase sólida. [ 27 ] La presencia de aleaciones sólidas de hierro-níquel , potencialmente aleadas con elementos más ligeros, se deduce de este aumento. [ 27 ]

Los modelos geofísicos actuales postulan un núcleo lunar relativamente pequeño, con el núcleo externo líquido representando entre el 1 y el 3 % de la masa total de la Luna y el núcleo completo constituyendo entre el 15 y el 25 % de la masa lunar. [ 56 ] [ 59 ] Si bien algunos modelos lunares sugieren la posibilidad de un núcleo, su existencia y características no son requeridas inequívocamente por los datos observados. [ 21 ]

Variación lateral de la estructura de velocidad sísmica

La velocidad de la corteza también varía lateralmente, sobre todo en las cuencas de impacto , donde las colisiones de meteoroides han compactado el sustrato, lo que da lugar a velocidades más altas debido a la reducción de la porosidad.

Las variaciones laterales en la estructura de velocidad sísmica de la Luna están marcadas por diferencias en las propiedades físicas de la corteza, especialmente dentro de las cuencas de impacto. [ 61 ] Los aumentos de velocidad en estas regiones se atribuyen a impactos de meteoroides, que han compactado el sustrato lunar, aumentando así su densidad y reduciendo la porosidad. [ 61 ] Este fenómeno se ha estudiado utilizando datos sísmicos de misiones lunares, que muestran que la estructura de la corteza lunar varía significativamente con la ubicación, reflejando su compleja historia de impactos y procesos internos. [ 57 ]

Estructura de velocidades de Marte

La estructura de velocidad unidimensional de Marte. [ 22 ] Los cambios en la velocidad representan cambios en el estado físico o la composición marciana.

La investigación sobre la velocidad sísmica de Marte se ha basado principalmente en modelos y en los datos recopilados por la misión InSight , que aterrizó en el planeta en 2018. Para el 30 de septiembre de 2019, InSight había detectado 174 eventos sísmicos. [ 62 ] Antes de InSight, el módulo de aterrizaje Viking 2 intentó recopilar datos sísmicos en la década de 1970, pero solo capturó un número limitado de eventos locales, que no proporcionaron conclusiones definitivas. [ 63 ]

Corteza

  • Velocidad media de la onda P: 3,5–5  km/s [ 22 ]
  • Velocidad media de las ondas S: 2–3  km/s [ 23 ] [ 22 ]

La corteza de Marte, con un espesor que varía entre 10 y 50 km (6,2 a 31,1 millas) , presenta una velocidad sísmica creciente a medida que aumenta la profundidad, atribuible al aumento de la presión. [ 64 ] La corteza superior se caracteriza por una baja densidad y una alta porosidad , lo que conlleva una velocidad sísmica reducida. [ 23 ] Se han observado dos discontinuidades clave: una dentro de la corteza a una profundidad de 5 a 10 km (3,1 a 6,2 millas) , [ 65 ] y otra que probablemente sea el límite corteza-manto, que se produce a una profundidad de 30 a 50 km (19 a 31 millas) . [ 22 ]      

Manto

manto superior:

  • Velocidad media de la onda P: 8  km/s [ 22 ] [ 24 ]
  • Velocidad media de las ondas S: 4,5  km/s [ 22 ] [ 24 ]

manto inferior:

  • Onda P: 5,5  km/s [ 25 ]
  • Ondas S: No aplicable (líquido) [ 25 ]
Una ilustración de la estructura interna de Marte. [ 29 ] Se hipotetiza que el núcleo es líquido. [ 29 ]

El manto marciano, compuesto de rocas ricas en hierro, facilita la transmisión de ondas sísmicas a altas velocidades. [ 64 ] Las investigaciones indican una variación en las velocidades sísmicas entre profundidades de 400 y 600 km (250 y 370 mi) , donde las velocidades de las ondas S disminuyen mientras que las velocidades de las ondas P permanecen constantes o aumentan ligeramente. [ 22 ] Esta región se conoce como la Zona de Baja Velocidad (ZBD) en el manto superior marciano y puede ser causada por una capa estática que recubre un manto convectivo. [ 29 ] La reducción de la velocidad en la ZBD probablemente se deba a altas temperaturas y presiones moderadas. [ 22 ]  

Las investigaciones sobre el manto marciano también han identificado dos discontinuidades a profundidades de aproximadamente 1100 y 1400 km (680 y 870 millas) . Estas discontinuidades sugieren transiciones de fase de olivino a wadsleyita y de wadsleyita a ringwoodita , análogas a los cambios de fase del manto terrestre a profundidades de 410 y 660 km (250 y 410 millas) . [ 29 ] Sin embargo, la composición del manto de Marte difiere de la de la Tierra, ya que no tiene un manto inferior predominantemente de bridgmanita . [ 24 ]    

Un estudio reciente sugirió la presencia de una capa fundida del manto inferior en Marte, lo que podría afectar significativamente la interpretación de los datos sísmicos y nuestra comprensión de la historia térmica del planeta. [ 25 ]

Centro

  • Velocidad media de la onda P: 5  km/s [ 29 ]
  • Ondas S: No se propagan ya que el núcleo externo es líquido [ 29 ].

La evidencia científica sugiere que Marte tiene un núcleo líquido sustancial, inferido a partir de patrones de transmisión de ondas S que indican que estas ondas no atraviesan líquidos. [ 24 ] Es probable que el núcleo esté compuesto de hierro y níquel con una proporción significativa de elementos más ligeros, inferido a partir de su densidad menor a la esperada. [ 24 ]

La presencia de un núcleo interno sólido en Marte, comparable al de la Tierra, es actualmente objeto de debate científico. Aún no existe evidencia definitiva que confirme la naturaleza del núcleo interno, por lo que su existencia y características siguen siendo temas de investigación. [ 66 ]

Variación lateral de la estructura de velocidad

Los datos de la misión InSight han revelado variaciones laterales en la estructura de velocidad sísmica de Marte, lo que indica un subsuelo con capas complejas. Los experimentos sísmicos de InSight sugieren que estas variaciones reflejan diferencias en el espesor y la composición de la corteza, posiblemente causadas por procesos volcánicos y tectónicos únicos de Marte. Dichas variaciones también proporcionan evidencia de la presencia de una capa líquida sobre el núcleo, lo que sugiere una compleja interacción de factores térmicos y composicionales que afectan la evolución del planeta. [ 62 ] Un análisis más profundo de los datos de los sismos marcianos podría esclarecer la relación entre estas variaciones laterales y la dinámica convectiva del manto marciano. [ 67 ] [ 65 ]

Estructura de velocidad de Encélado

La investigación sobre la composición subsuperficial de Encélado ha proporcionado perfiles de velocidad teóricos en previsión de futuras misiones exploratorias. [ 68 ] Si bien el interior de Encélado es poco conocido, los científicos coinciden en una estructura general que consiste en una capa exterior de hielo, un océano subsuperficial y un núcleo rocoso. [ 69 ] [ 70 ] En un estudio reciente, se propusieron tres modelos —núcleo único, [ 71 ] hielo grueso, [ 72 ] y núcleo estratificado [ 73 ] — para delinear las características internas de Encélado. [ 68 ]

Según estos modelos, se espera que las velocidades sísmicas disminuyan desde la capa de hielo hasta el océano, lo que refleja las transiciones de hielo poroso y fracturado a un estado más fluido. [ 74 ] Por el contrario, se predice que las velocidades aumentarán dentro del núcleo sólido de silicato, lo que ilustra el marcado contraste entre las diversas capas de la luna. [ 68 ]

Plan futuro

Hasta ahora, la exploración sísmica de cuerpos celestes se ha limitado a la Luna y Marte. Sin embargo, las futuras misiones espaciales extenderán los estudios sísmicos a otros cuerpos del Sistema Solar .

La propuesta misión de aterrizaje en Europa , cuyo lanzamiento está previsto para una ventana entre 2025 y 2030, investigará la actividad sísmica de Europa , la luna de Júpiter . [ 75 ] Esta misión planea desplegar el sismómetro para investigar la estructura del hielo y el océano (SIIOS) , un instrumento diseñado por la Universidad de Arizona para soportar el entorno hostil, frío y radiactivo de Europa. [ 76 ] [ 77 ] El objetivo de SIIOS es proporcionar información sobre la corteza helada y el océano subterráneo de Europa.

En conjunto con su programa Artemis a la Luna, la NASA también ha financiado iniciativas bajo el programa Desarrollo y Avance de Instrumentación Lunar (DALI) . [ 78 ] Entre estas, destaca el proyecto Sismómetro para una Red Lunar (SLN) . El SLN tiene como objetivo facilitar la creación de una red de sismómetros lunares mediante la integración de sismómetros en futuros módulos de aterrizaje o vehículos exploradores lunares . [ 79 ] Esta iniciativa forma parte del esfuerzo más amplio de la NASA para prepararse para la exploración continua de la geología de la Luna.

Métodos

El estudio de la estructura de velocidad sísmica se realiza típicamente mediante la observación de datos sísmicos junto con la modelización inversa , que consiste en ajustar un modelo basado en datos observados para inferir las propiedades del interior de la Tierra. A continuación, se presentan algunos métodos utilizados para estudiar la estructura de velocidad sísmica:

Aplicaciones de la estructura de velocidad

Las aplicaciones de la estructura de velocidad sísmica abarcan una variedad de campos donde comprender el subsuelo terrestre es crucial:

Limitación/Incertidumbre

  • Velocidad de las ondas S del núcleo interno de la Tierra.

Investigar el núcleo interno de la Tierra mediante ondas sísmicas presenta desafíos significativos. [ 1 ] [ 16 ] La observación directa de las ondas sísmicas que atraviesan el núcleo interno es difícil debido a la débil conversión de la señal en los límites del núcleo y la alta atenuación dentro del mismo. [ 1 ] [ 16 ] Técnicas recientes como la correlación de la coda tardía de terremotos , que utiliza la parte final de un sismograma , proporcionan estimaciones de la velocidad de las ondas de corte del núcleo interno, pero no están exentas de dificultades. [ 16 ]

  • Suposiciones isotrópicas

Los estudios de velocidad sísmica suelen asumir isotropía , considerando que el subsuelo terrestre posee propiedades uniformes en todas las direcciones. Esta simplificación es práctica para el análisis, pero puede no ser precisa. [ 10 ] [ 46 ] El núcleo interno y el manto, por ejemplo, probablemente presenten propiedades anisotrópicas , o dependientes de la dirección, lo que puede afectar la precisión de las interpretaciones sísmicas. [ 100 ]

  • Consideraciones dimensionales

Los modelos sísmicos suelen ser unidimensionales , considerando los cambios en las propiedades de la Tierra con la profundidad pero descuidando las variaciones laterales. [ 101 ] Si bien este método facilita los cálculos, no tiene en cuenta la compleja estructura tridimensional del planeta , lo que podría llevar a una comprensión errónea de las características del subsuelo. [ 14 ]

  • No unicidad del modelado inverso

Las estructuras de velocidad sísmica se infieren mediante modelado inverso , ajustando modelos teóricos a los datos observados. Sin embargo, diferentes modelos a menudo pueden explicar los mismos datos, lo que lleva a soluciones no únicas. [ 102 ] Este problema se agrava cuando los problemas inversos están mal condicionados, donde pequeñas variaciones en los datos pueden sugerir estructuras subsuperficiales drásticamente diferentes. [ 103 ]

  • Limitaciones de los datos para los estudios sísmicos de la Luna y Marte.

A diferencia de la Tierra, los conjuntos de datos sísmicos de la Luna y Marte son escasos. [ 13 ] Las misiones Apolo desplegaron un puñado de sismómetros en la Luna, y los datos sísmicos de Marte se limitan a los hallazgos de la misión InSight . [ 56 ] [ 104 ] Esta escasez restringe la resolución de los modelos de velocidad para estos cuerpos celestes e introduce una mayor incertidumbre en la interpretación de sus estructuras internas.

Véase también

Referencias

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