Terremotos podem ser destrutivos para cidades distantes construídas sobre bacias – agora sabemos por quê
Earthquakes can be destructive for distant cities built on top of basins – now we know why
Flat basins are favoured places to build cities. But seismic waves can get trapped in these basins, putting cities at risk from distant earthquakes.
Bacias planas são locais favorecidos para construir cidades. Mas as ondas sísmicas podem ficar presas nessas bacias, colocando as cidades em risco de terremotos distantes.
Sedimentary basins – depressions in Earth’s crust caused by tectonic activity – tend to be flat and are favoured places to build cities. But during earthquakes, they can become natural resonance chambers.
Bacias sedimentares – depressões na crosta terrestre causadas por atividade tectônica – tendem a ser planas e são locais favoráveis para construir cidades. Mas durante terremotos, elas podem se tornar câmaras de ressonância naturais.
Just like sound waves echoing around an empty hall, this means seismic waves can get trapped in these basins and bounce from side to side to create “seismic echoes”.
Assim como ondas sonoras que ecoam em um salão vazio, isso significa que as ondas sísmicas podem ficar presas nessas bacias e ricochetear de lado a lado para criar “ecos sísmicos”.
Depending on the shape and depth of the basin, these echoes can become amplified and be highly destructive.
Dependendo do formato e da profundidade da bacia, esses ecos podem ser amplificados e serem altamente destrutivos.
New Zealand’s capital city Wellington is built on a sedimentary basin and is an example of this phenomenon.
A capital da Nova Zelândia, Wellington, foi construída sobre uma bacia sedimentar e é um exemplo desse fenômeno.
In the 2016 magnitude 7.8 Kaikōura earthquake, Wellington’s central business district experienced shaking that exceeded design predictions. Even though the quake was located 80 kilometres from the city, it caused severe damage to infrastructure, with many multi-storey buildings damaged or destroyed.
No terremoto de magnitude 7,8 em Kaikōura, em 2016, o centro financeiro de Wellington sofreu tremores que excederam as previsões de projeto. Embora o tremor tenha ocorrido a 80 quilômetros da cidade, ele causou danos graves à infraestrutura, com muitos edifícios de vários andares danificados ou destruídos.
Archival records also show that during the 1942 magnitude 7.3 Wairarapa quake, which was located about 80 kilometres north of Wellington, some 10,000 chimneys were destroyed in the city.
Registros de arquivo também mostram que durante o terremoto de magnitude 7,3 em Wairarapa, em 1942, localizado a cerca de 80 quilômetros ao norte de Wellington, cerca de 10.000 chaminés foram destruídas na cidade.
Our new research provides an updated model for the central Wellington basin.
Nossa nova pesquisa fornece um modelo atualizado para a bacia central de Wellington.
We found it is almost twice as deep (about 500 metres) than previously thought and that its shape is significantly different from the previous model. These differences go some way toward explaining why the shaking was stronger than expected.
Descobrimos que ela é quase o dobro da profundidade (cerca de 500 metros) do que se pensava anteriormente e que seu formato é significativamente diferente do modelo anterior. Essas diferenças ajudam a explicar por que os tremores foram mais fortes do que o esperado.
The deadliest example from history
O exemplo mais fatal da história
Historically, the most devastating example of seismic echoes, or trapped waves, was the 1985 Mexico City earthquake, which killed 8,000 people and destroyed high-rise buildings.
Historicamente, o exemplo mais devastador de ecos sísmicos, ou ondas aprisionadas, foi o terremoto de Cidade do México em 1985, que matou 8.000 pessoas e destruiu arranha-céus.
The quake’s epicentre was 350 kilometres west of the city, but when waves of moderate amplitude arrived in the city, they became trapped in the low-wave-speed sediments of the basin on which it is built and became amplified.
O epicentro do tremor estava a 350 quilômetros a oeste da cidade, mas quando as ondas de amplitude moderada chegaram à cidade, elas ficaram aprisionadas nos sedimentos de baixa velocidade de onda da bacia onde ela está construída e foram amplificadas.
As the waves bounced from side to side, they created a standing wave, similar to water waves in a bath.
À medida que as ondas saltavam de lado a lado, elas criaram uma onda estacionária, semelhante às ondas na água de um banho.
As a result, the city experienced specific narrow zones of extreme destruction, underscoring the risk from even very distant earthquakes for cities built on sedimentary basins.
Como resultado, a cidade sofreu zonas estreitas específicas de destruição extrema, sublinhando o risco até mesmo de terremotos muito distantes para cidades construídas em bacias sedimentares.
Seismic echo chambers
Câmaras de eco sísmicas
Seismic waves become trapped and amplified for two main reasons.
As ondas sísmicas ficam presas e amplificadas por dois motivos principais.
First, as the waves move from a fast wave-speed medium (solid basement rocks) to the low wave-speed of sedimentary rocks, the amplitude of the waves will increase to compensate for the drop in wave speed.
Primeiro, à medida que as ondas se movem de um meio de alta velocidade de onda (rochas basais sólidas) para a baixa velocidade das rochas sedimentares, a amplitude das ondas aumentará para compensar a queda na velocidade da onda.
This is similar to a tsunami wave that travels across the deep ocean with a small amplitude but high speed, and then, as it comes closer to shore in shallow water, slows down but dramatically increases in amplitude.
Isso é semelhante a uma onda de tsunami que viaja pelo oceano profundo com pequena amplitude, mas alta velocidade, e então, à medida que se aproxima da costa em águas rasas, desacelera, mas aumenta dramaticamente em amplitude.
This interchange between wave amplitude and speed is to do with the energy of the waves, which must remain constant.
Essa troca entre a amplitude e a velocidade das ondas tem relação com a energia das ondas, que deve permanecer constante.
The second reason for the amplification of seismic waves in a basin is resonance – when the wavelengths of the incoming seismic waves are similar to either the vertical and horizontal dimensions of the basin.
O segundo motivo para a amplificação das ondas sísmicas em uma bacia é a ressonância – quando os comprimentos de onda das ondas sísmicas incidentes são semelhantes às dimensões verticais e horizontais da bacia.
If the basin has steep sides, an edge effect is also generated where strong amplification can occur close to the edge of the basin due to a buildup of different wave types.
Se a bacia tiver lados íngremes, também é gerado um efeito de borda onde pode ocorrer forte amplificação perto da borda da bacia devido ao acúmulo de diferentes tipos de ondas.
Perhaps the most surprising of our findings is the shape of the basin under Wellington. Its effective western edge is not the Wellington Fault, as previously assumed.
Talvez o achado mais surpreendente seja o formato da bacia sob Wellington. Sua borda ocidental efetiva não é a Falha de Wellington, como se havia assumido anteriormente.
Instead, the edge cuts across the basin at a high angle to the Wellington fault and follows the line of two previously identified, low-activity faults – the Terrace and Lambton faults.
Em vez disso, a borda corta a bacia em um ângulo elevado em relação à falha de Wellington e segue a linha de duas falhas previamente identificadas e de baixa atividade – as falhas Terrace e Lambton.
These differences between the new and old basin models have significant impacts on the predicted shaking Wellington might expect. In particular, there will be an effect linked to the newly described edge, and the predicted amplification will be higher for a deeper basin.
Essas diferenças entre os modelos de bacia novos e antigos têm impactos significativos no tremor que Wellington pode esperar. Em particular, haverá um efeito ligado à borda recém-descrita, e a amplificação prevista será maior para uma bacia mais profunda.
We used a 3D model of the basin in a computer simulation for the shaking at frequencies of 0.7 Hertz (the dominant shaking frequency recorded during past quakes) . We found that the amplifications of horizontal ground motion could be 2.5-3 times the background level adjacent to the western edge of the basin.
Usamos um modelo 3D da bacia em uma simulação computacional para o tremor em frequências de 0,7 Hertz (a frequência dominante de tremor registrada durante terremotos passados) . Descobrimos que as amplificações do movimento horizontal do solo poderiam ser de 2,5 a 3 vezes o nível de fundo adjacente à borda ocidental da bacia.
When we compared this predicted pattern of amplified shaking to where the actual damaged buildings were located during the Kaikōura earthquake, we observed some correlation with the western edge of the basin.
Quando comparamos este padrão previsto de tremor amplificado com o local onde os edifícios danificados foram realmente localizados durante o terremoto de Kaikōura, observamos alguma correlação com a borda ocidental da bacia.
However, we need to be cautious when making this comparison as this pattern could be linked to other factors, such as the distribution of reclaimed land and clustering of inadequately designed buildings.
No entanto, precisamos ter cuidado ao fazer essa comparação, pois este padrão pode estar ligado a outros fatores, como a distribuição de terras recuperadas e o agrupamento de edifícios mal projetados.
Our study nevertheless highlights two key points.
Nosso estudo, no entanto, destaca dois pontos principais.
First, simple geophysical methods can now be used in urban areas to map out the depth and shape of basins that cities are built on. From these models, we can then generate computer simulations to predict the location of amplified shaking.
Primeiro, métodos geofísicos simples podem agora ser usados em áreas urbanas para mapear a profundidade e o formato das bacias sobre as quais as cidades são construídas. A partir desses modelos, podemos gerar simulações computacionais para prever o local do tremor amplificado.
This will lead to more granular zoning for what parts of cities may be more vulnerable.
Isso levará a uma zoneamento mais granular sobre quais partes das cidades podem ser mais vulneráveis.
The second key point is higher awareness of the risk to cities built on sedimentary basins from not only local, but also distant earthquakes.
O segundo ponto principal é o maior conhecimento do risco para as cidades construídas em bacias sedimentares não apenas de terremotos locais, mas também distantes.
Timothy Stern has received funding from the NZ Earthquake Commission (EQC) for the initial gravity survey; QuakeCore for some of the seismic work; and from an internal Victoria University grant for student stipend support.
Timothy Stern recebeu financiamento da Comissão de Terremotos da Nova Zelândia (EQC) para o levantamento gravimétrico inicial; da QuakeCore para parte do trabalho sísmico; e de uma bolsa interna da Universidade Victoria para apoio de estipêndio estudantil.
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