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Subsurface Elastic Heterogeneity Across the Palolo Fault Revealed by HVSR-Derived Shear-Wave Velocity Models

Este estudo utiliza modelos de velocidade de onda cisalhante derivados de HVSR para revelar a heterogeneidade elástica do subsolo e padrões de deformação ocultos relacionados a falhas através da Falha de Palolo em Sulawesi Central, Indonésia, integrando dados de vibração ambiente com inversão por Algoritmo de Vizinhança e interpolação de Krigagem.

Autores originais: Zalsa Nabila HR, Valensya Arruan Silomba, Nurul Maghfirah, Samida Danda, Andri Moh. Wahyu Laode, Muhammad Altin Massinai, Muh. Farid Wajedy, Sofian Sofian

Publicado 2026-09-07

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CC BY 4.0

Autores originais: Zalsa Nabila HR, Valensya Arruan Silomba, Nurul Maghfirah, Samida Danda, Andri Moh. Wahyu Laode, Muhammad Altin Massinai, Muh. Farid Wajedy, Sofian Sofian

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

O solo sob nossos pés raramente é uniforme. Em muitos lugares, especialmente onde as placas tectônicas se chocam, a terra é fraturada, desgastada e preenchida com fendas ocultas que alteram a forma como as ondas sísmicas viajam. Essas variações na rigidez e na densidade dos materiais subterrâneos são conhecidas como heterogeneidade elástica. Quando ocorre um terremoto, essas diferenças ocultas podem amplificar o tremor, fazendo com que o solo se mova de forma mais violenta em alguns pontos do que em outros, mesmo em curtas distâncias. Compreender onde essas zonas suaves e instáveis se encontram é crucial para avaliar o risco, mas elas são frequentemente invisíveis da superfície, enterradas sob o solo, vegetação ou rochas jovens. Para vê-las, os cientistas ouvem o zumbido constante e de baixo nível da Terra — as vibrações ambientes causadas pelo vento, pelas ondas do oceano e pelo tráfego distante. Ao analisar como essas vibrações ricocheteiam e ressoam dentro do solo, os pesquisadores podem mapear as camadas ocultas de rocha e solo sem cavar um único buraco.

Na área geotérmica de Bora, em Celebes Central, Indonésia, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Hasanuddin e da Agência Meteorológica, Climatológica e Geofísica estabeleceu o objetivo de mapear a arquitetura invisível da Falha de Palolo. Esta falha é uma rachadura ativa na crosta terrestre onde a terra está se afastando lentamente, um processo que cria zonas complexas de rocha quebrada e enfraquecida. Embora o traço superficial da falha seja visível, o que reside abaixo dela permanece um mistério. A equipe queria saber se a falha havia criado bolsões distintos de material macio e fraturado que poderiam se comportar de forma diferente durante um terremoto em comparação com a rocha sólida circundante. Para descobrir, eles colocaram vinte e cinco instrumentos sensíveis ao longo de duas linhas que cruzavam a zona da falha. Esses dispositivos registraram as vibrações naturais da terra por uma hora em cada local, capturando os sinais sutis que revelam a rigidez do solo abaixo.

Os pesquisadores processaram esses registros para identificar a frequência específica na qual o solo em cada ponto oscila naturalmente, tal como um balanço possui um ritmo natural. Eles descobriram que esse ritmo variava significativamente de uma estação para outra. Em algumas áreas, o solo oscilava lentamente, com uma frequência dominante tão baixa quanto 0,57 hertz, sugerindo camadas espessas de sedimentos macios. Em outros pontos, o solo vibrava muito mais rápido, até 7,54 hertz, indicando camadas mais finas ou rochas mais duras próximas à superfície. Ao combinar essas medições com uma técnica matemática que reverte os dados para construir um modelo do subsolo, a equipe construiu um quadro detalhado da velocidade da onda cisalhante, que é uma medida de quão rápido as ondas de tremor viajam através do material. Ondas mais rápidas significam rocha mais dura e sólida, enquanto ondas mais lentas apontam para solo mais macio, quebrado ou desgastado.

Os modelos resultantes revelaram um subsolo que é muito mais complexo do que uma simples pilha de camadas planas. Os pesquisadores identificaram uma zona distinta de ondas de movimento lento, onde a velocidade era inferior a 500 metros por segundo, indicando solo pouco consolidado e solto perto da superfície. Mais abaixo, encontraram camadas intermediárias movendo-se entre 500 e 1.500 metros por segundo, provavelmente representando sedimentos compactados ou rocha intemperizada. Abaixo disso, o solo tornou-se rígido novamente, com velocidades superiores a 1.500 metros por segundo, marcando a transição para a rocha matriz sólida. No entanto, a descoberta mais impressionante não foi apenas a presença dessas camadas, mas como elas mudavam de forma e espessura em curtas distâncias. Ao longo de uma das linhas de levantamento, a equipe observou um espessamento significativo dos sedimentos macios e de movimento lento entre estações específicas, criando um bolsão profundo de material fraco. Na outra linha, um bolsão semelhante, porém menor, de solo macio e espessado apareceu perto do centro.

Essas variações na espessura e na rigidez das camadas subterrâneas sugerem que a falha não apenas moveu o solo para cima e para baixo, mas também fraturou e enfraqueceu corredores específicos dentro da rocha. A equipe observou mudanças abruptas onde as camadas de rocha pareciam se deslocar ou quebrar, e encontrou canais verticais de material de movimento lento que persistiam profundamente no subsolo. Essas características sugerem que a deformação causada pela falha não está confinada a uma única linha limpa, mas está distribuída por uma zona de dano mais ampla e complexa. Embora seja possível que esses padrões sejam causados simplesmente por diferenças no tipo de rocha ou pelo intemperismo natural, a localização e a forma dessas anomalias alinham-se de perto com a trajetória conhecida da falha, sugerindo que são um resultado direto das forças tectônicas em ação.

O estudo conclui que a Falha de Palolo é um sistema estruturalmente complexo onde o solo foi quebrado e enfraquecido em áreas específicas e localizadas. Os pesquisadores descobriram que a zona da falha não é uma rachadura única e simples, mas uma coleção de múltiplos domínios distintos, cada um com suas próprias propriedades mecânicas. Algumas áreas estão fortemente fraturadas e preenchidas com material macio, enquanto áreas adjacentes permanecem relativamente sólidas. Essa descoberta é significativa porque implica que o risco de fortes tremores de terra não é uniforme em toda a zona da falha; em vez disso, ele está concentrado nesses bolsões ocultos de fraqueza. O trabalho demonstra que ouvir o zumbido natural da Terra pode revelar esses detalhes estruturais ocultos, oferecendo uma visão mais clara de como as falhas ativas deformam a paisagem e onde o solo pode estar mais vulnerável a futuros eventos sísmicos.

Resumo Técnico: Heterogeneidade Elástica Subsuperficial através da Falha de Palolo Revelada por Modelos de Velocidade de Onda Cisalhante Derivados de HVSR

Problema
Zonas de falha são sistemas mecanicamente complexos onde a deformação tectônica, o fraturamento, o intemperismo e a circulação de fluidos criam heterogeneidade lateral e vertical significativa nas propriedades elásticas do subsolo. Embora essas variações influenciem fortemente a propagação de ondas sísmicas e a resposta do solo, a caracterização da arquitetura interna de falhas ativas — particularmente onde a evidência superficial é obscurecida por sedimentos jovens ou alteração hidrotermal — permanece um desafio. Estudos anteriores utilizando o método da Razão Espectral Horizontal-para-Vertical (HVSR) concentraram-se amplamente na estimativa de frequências de ressonância fundamental e amplificação de sítio para avaliação de risco sísmico. No entanto, existe uma lacuna na compreensão de como os padrões espacialmente variáveis de velocidade de onda cisalhante ( $V_s$ ) derivados da inversão de HVSR podem distinguir entre variações litológicas e deformação relacionada à falha. Especificamente, o grau em que as descontinuidades de velocidade e as anomalias localizadas de baixa velocidade refletem complexidade estrutural oculta ou o desenvolvimento de falhas subsidiárias em ambientes tectônicos ativos como a Falha de Palolo, em Celebes Central, não está suficientemente restringido.

Metodologia
Este estudo investiga a heterogeneidade do subsolo através da Falha de Palolo na área geotérmica de Bora, integrando medições de vibração ambiente com análise de HVSR e inversão de $V_s$ .

Aquisição de Dados: Dados de vibração ambiente foram coletados em 25 estações distribuídas ao longo de duas linhas de levantamento (Linha A e Linha B) que atravessam a tendência estrutural inferida da falha. As medições foram registradas por 60 minutos utilizando sismômetros de três componentes (NS, EW, UD) a uma taxa de amostragem de 100 Hz.
Análise de HVSR: Os dados de microtremores foram processados para gerar curvas de HVSR. A análise determinou a frequência dominante ( $f_0$ ), a amplitude de pico ( $A_0$ ) e o índice de vulnerabilidade sísmica ( $K_g$ ).
Inversão: Perfis unidimensionais de $V_s$ foram derivados pela inversão das curvas de HVSR usando o Algoritmo de Vizinhança (NA) dentro do software Geopsy. O subsolo foi parametrizado como um modelo de 24 camadas sobreposto a um meio contínuo (half-space), com restrições na espessura das camadas, $V_s$ , velocidade de onda compressional ( $V_p$ ) e densidade. Modelos com valores de erro (misfit) <1 foram selecionados como soluções representativas.
Modelagem 2D: Os modelos de velocidade 1D baseados em estações foram integrados usando Krigagem Ordinária para construir seções bidimensionais contínuas de $V_s$ ao longo de ambas as linhas de levantamento. Esta abordagem visualizou as distribuições laterais e verticais das propriedades elásticas para identificar descontinuidades estruturais.

Resultados Principais

Parâmetros de HVSR: O estudo revelou uma marcada variabilidade espacial na resposta dinâmica do subsolo. As frequências dominantes variaram de 0,57–7,54 Hz ao longo da Linha A e de 0,55–2,62 Hz ao longo da Linha B. Uma anomalia distinta foi observada em torno das estações SP_A11–SP_A15 na Linha A e SP_B04–SP_B06 na Linha B, caracterizada por baixo $f_0$ e valores elevados de $K_g$ , indicando zonas de alta vulnerabilidade sísmica e potenciais contrastes de impedância.
Qualidade da Inversão: Os erros de inversão variaram de 0,03 a 0,08, indicando uma concordância estreita entre as respostas de HVSR observadas e teóricas. As curvas teóricas reproduziram com sucesso os principais picos de ressonância e as formas espectrais.
Arquitetura de Velocidade: Os modelos derivados identificaram três regimes primários de velocidade: materiais de baixa velocidade próximos à superfície (<500 m/s), velocidades intermediárias (500–1500 m/s) e rocha matriz de alta velocidade mais profunda (>1500 m/s).
- Linha A: Mostrou heterogeneidade lateral pronunciada com uma zona de baixa velocidade espessada entre SP_A11 e SP_A15, sugerindo acumulação sedimentar mais profunda e uma transição brusca entre unidades de baixa e alta velocidade.
- Linha B: Exibiu uma estrutura mais uniforme, mas com o espessamento localizado de material de baixa velocidade próximo a SP_B04–SP_B06.
Interpretação Estrutural: As seções 2D revelaram mudanças laterais abruptas na geometria das camadas e corredores de baixa velocidade verticalmente persistentes. Diversas fronteiras de velocidade foram deslocadas sobre curtas distâncias laterais, criando geometrias de subsolo descontínuas inconsistentes com uma deposição sedimentar simples.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a arquitetura de $V_s$ derivada de HVSR fornece restrições úteis sobre a heterogeneidade estrutural oculta e padrões de deformação ao longo de falhas ativas, estendendo-se além das avaliações convencionais de resposta de sítio.

Arquitetura da Falha: Os resultados sugerem que a deformação dentro do segmento investigado da Falha de Palolo não é acomodada por um único plano de falha contínuo, mas é distribuída através de múltiplos domínios estruturalmente distintos, incluindo núcleos de falha, ramificações (splays) e zonas de dano.
Detecção de Estruturas Ocultas: As descontinuidades de velocidade e as anomalias localizadas de baixa velocidade identificadas podem indicar deformação relacionada à falha e o desenvolvimento de falhas subsidiárias que não são prontamente reconhecidas pelas observações geológicas de superfície.
Valor Metodológico: O estudo demonstra que a integração de medições de vibração ambiente com modelagem de velocidade 2D é uma abordagem eficaz para caracterizar a heterogeneidade elástica do subsolo em regiões tectonicamente ativas onde a observação geológica direta é limitada.

Limitações
Os autores notam modestamente que a arquitetura do subsolo é uma aproximação bidimensional simplificada de um sistema potencialmente tridimensional. Além disso, as descontinuidades estruturais inferidas baseiam-se primariamente em evidências geofísicas e ainda não foram validadas independentemente por dados de sondagem, levantamentos sísmicos ativos ou investigações de trincheira. Recomenda-se que trabalhos futuros integrem estes modelos com conjuntos de dados complementares para maior resolução.

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