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An empirical vertical-to-horizontal (V/H) spectral ratio model for shallow-crustal and upper-mantle earthquakes: insights from the S-net seafloor stations in the Japan Trench region

Este estudo apresenta um modelo empírico de razão espectral vertical-para-horizontal (V/H) para movimentos de solo em alto mar na região da Fossa do Japão, derivado de estações no fundo do mar da S-net, o qual revela que as razões V/H em alto mar são significativamente menores do que os valores em terra devido à atenuação da camada de água e são fortemente influenciadas por fatores como distância de ruptura, condições de soterramento e classe de sítio.

Autores originais: Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

Publicado 2026-09-30

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CC BY 4.0

Autores originais: Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

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

Quando um terremoto ocorre, o solo não apenas sacode de um lado para o outro; ele também dá solavancos para cima e para baixo. Engenheiros que projetam edifícios, pontes e plataformas marítimas devem levar em conta esse movimento vertical, pois ele pode ser tão destrutivo quanto o tremor horizontal. Para entender o quão forte pode ser essa força ascendente, os cientistas observam a razão entre o tremor vertical e o horizontal. Em terra, essa relação é bem compreendida, mas o oceano apresenta uma história diferente. A água não é um solo sólido; é uma camada fluida que se situa entre a crosta terrestre e os sensores colocados no leito marinho. Essa camada altera a forma como as ondas sísmicas viajam, frequentemente amortecendo os solavancos verticais de maneiras que os modelos terrestres não conseguem prever. Durante décadas, engenheiros que projetam estruturas offshore tiveram que confiar em regras práticas baseadas em terra, uma prática que pode ser ou excessivamente conservadora ou perigosamente imprecisa.

Uma equipe de pesquisadores partiu para substituir esses palpites por dados concretos, focando na vasta rede de sensores conhecida como S-net, que reveste o fundo da Fossa do Japão. Esta região é um ponto crítico para terremotos poderosos, onde a crosta oceânica mergulha sob a placa continental. Os pesquisadores reuniram milhares de gravações dessas estações no fundo do mar, capturando o tremor tanto de abalos crustais rasos quanto de eventos mais profundos no manto superior. Eles organizaram cuidadosamente esses dados, separando sensores que estavam enterrados em valas cavadas no lebedo marinho daqueles situados diretamente no fundo do oceano, e categorizaram o próprio leito marinho com base em como ele vibra. Ao analisar a relação entre o movimento de cima para baixo e o de lado a lado através deste enorme conjunto de dados, eles visaram construir um novo modelo preciso, especificamente para o ambiente oceânico.

Os resultados revelaram uma diferença clara e significativa entre o oceano e a terra. O tremor vertical medido no leito marinho foi consistentemente muito mais fraco do que o observado em terra, particularmente para os solavancos rápidos e de alta frequência que ocorrem no primeiro décimo de segundo de um terremoto. A camada de água atua como um filtro, absorvendo grande parte dessa energia vertical antes que ela chegue aos sensores. De fato, o tremor vertical no mar era frequentemente apenas metade da força do tremor vertical registrado em terra para o mesmo terremoto. Essa descoberta sugere que o uso de modelos baseados em terra para projetos offshore pode levar a uma superestimativa das forças verticais, resultando potencialmente em estruturas desnecessariamente caras ou excessivamente pesadas.

Além de confirmar que o oceano amortece o movimento vertical, o estudo descobriu como vários fatores alteram essa relação. Os pesquisadores descobriram que a distância do terremoto importa; à medida que as ondas sísmicas viajam mais longe pelo fundo do oceano, a razão entre o tremor vertical e o horizontal tende a aumentar. A profundidade do terremoto também desempenha um papel, com terremotos mais profundos mostrando um padrão diferente de tremor vertical em comparação aos mais rasos. Talvez o mais importante, o estudo destacou que a condição da própria estação no leito marinho altera as medições. Sensores enterrados no leito marinho registraram padrões de tremor vertical diferentes em comparação com aqueles situados sobre o sedimento, especialmente durante os solavancos iniciais e rápidos. A equipe também desenvolveu uma maneira de classificar os locais no leito marinho com base em suas frequências naturais de vibração, permitindo previsões mais precisas de como diferentes tipos de fundos oceânicos responderão a um terremoto.

Quando os pesquisadores compararam seu novo modelo específico para o oceano com os modelos existentes usados para a terra, as diferenças foram gritantes. Os modelos baseados em terra previram um tremor vertical muito maior do que o que os sensores oceânicos realmente registraram. Isso confirma que a física do ambiente oceânico não pode ser ignorada. O novo modelo oferece uma ferramenta personalizada para engenheiros e cientistas, ofereando uma imagem realista de como o leito marinho se move durante um terremoto. Ao compreender que a camada de água reduz significamente o solavanco vertical, e ao levar em conta as condições específicas do leito marinho e a distância do abalo, este trabalho oferece uma base mais confiável para projetar estruturas offshore seguras e eficientes em uma das regiões mais sísmicas do mundo.

Resumo Técnico: Um Modelo Empírico de Razão Espectral Vertical-para-Horizontal (V/H) para Terremotos de Crosta Rasa e Manto Superior na Região da Fossa de Japan

Problema
Embora as redes de observação sísmica em alto-mar tenham se expandido globalmente, permanece uma necessidade premente de provisões de projeto sísmico específicas para o ambiente offshore. Discrepâncias significativas existem entre os movimentos do solo em terra firme (onshore) e em alto-mar (offshore), particularmente no que diz respeito à amplitude do componente vertical e à razão espectral vertical-para-horizontal (V/H). Estudos anteriores indicam que os movimentos do solo verticais em alto-mar são sistematicamente atenuados em relação aos movimentos em terra, especialmente na faixa de períodos curtos, devido ao efeito supressivo da coluna de água. No entanto, os modelos de previsão de V/H existentes derivam predominantemente de registros de movimentos fortes em terra. A aplicabilidade desses modelos terrestres ao ambiente offshore é questionável, e as influências específicas da fonte, do caminho e das condições do sítio sobre as razões V/H em alto-mar — particularmente utilizando dados da extensa rede S-net (Rede de Observação de Fundo Marinho para Terremotos e Tsunamis) ao longo da Fossa de Japan — ainda não foram suficientemente investigadas.

Metodologia
Este estudo desenvolve um modelo empíco de razão espectral V/H para terremotos de crosta rasa e manto superior na região da Fossa de Japan, utilizando 9.892 registros de movimentos do solo de 150 estações de fundo oceânico da S-net. A metodologia envolveu as seguintes etapas:

Processamento e Seleção de Dados: Os registros foram triados para excluir sensores com ângulos de rotação > 0,1°, aqueles com erros de forma de onda ou baixa relação sinal-ruído (SNR < 3) na faixa de 0,1–20 Hz. Apenas eventos com $M_w \ge 4,0$ e pelo menos três registros de três componentes de alta qualidade foram retidos.
Classificação do Sítio: Devido à indisponibilidade de dados convencionais de $V_{S30}$ para estações de fundo oceânico, o estudo utilizou um esquema de classificação de sítio (SC1–SC4) baseado na frequência predominante ( $T_n$ ) identificada via o método da Razão Espectral Horizontal-para-Vertical (HVSR). As estações foram adicionalmente categorizadas pelo estado de soterramento (soterradas em trincheiras com profundidade < 1500 m vs. não soterradas no fundo do mar com profundidade > 1500 m).
Formulação do Modelo: Um modelo empírico foi construído usando uma abordagem de regressão de efeitos aleatórios. A forma funcional inclui:
- Termo de Fonte: Incorpora a magnitude de momento ( $M_w$ ), a profundidade focal ( $h$ ) e o mecanismo de falha (normal, reversa, de dano lateral/strike-slip). Um termo de magnitude linear foi selecionado com base na análise de regressão.
- Termo de Caminho: Caracteriza o espalhamento geométrico usando a distância de ruptura ( $R_{rup}$ ). O estudo investigou um termo de interação magnitude-distância, mas o excluiu do modelo final devido à inconsistência da significância estatística entre os períodos e para manter a parcimônia do modelo.
- Termo de Sítio: Três formulações foram testadas usando o Critério de Informação de Akaike (AIC). A formulação ótima utilizou indicadores de classe de sítio ( $SC_i$ ) e indicadores de condição de soterramento ( $S_b, S_u$ ) multiplicados pelo logaritmo natural da frequência fundamental do sítio.
Validação: O desempenho do modelo foi avaliado através de análises de resíduos entre eventos ( $\tau$ ) e dentro do mesmo evento ( $\sigma$ ). O modelo também foi comparado com modelos de V/H estabelecidos em terra (Bommer et al., 2011; Pezeshk et al., 2022; Tan e Hu, 2021).

Principais Contribuições e Resultados
O estudo gera um modelo de previsão de V/H regionalizado e várias descobertas fundamentais sobre as características dos movimentos do solo em alto-mar:

Discrepância Offshore vs. Onshore: As razões espectrais V/H em alto-mar são geralmente significativamente menores do que as razões em terra, particularmente na faixa de períodos curtos. Os valores de V/H em alto-mar variam tipicamente de 0,15 a 0,50, aproximadamente metade dos valores em terra. Isso apoia a hipótese de que a camada de água atenua os componentes verticais de alta frequência.
Efeitos de Magnitude e Profundidade Focal: O efeito da magnitude de momento exibe uma clara dependência de período. A profundidade focal mostra um efeito de atenuação principalmente nos intervalos de período intermediário e longo ( $T > 0,12$ s), onde as razões V/H diminuem conforme a profundidade aumenta.
Distância de Ruptura e Efeitos de Caminho: As razões V/H em alto-mar tendem a aumentar com o aumento da distância de ruptura. Essa dependência da distância torna-se mais pronunciada em períodos mais longos ( $T > 1,0$ s).
Condições de Soterramento: As condições de soterramento das estações exercem uma influência significativa. Para períodos $T < 0,7$ s, estações soterradas geralmente exibem razões V/H mais altas do que estações não soterradas. Inversamente, para $T > 1,0$ s, as razões V/H diminuem progressivamente de classe de sítio SC1 para SC4, independentemente da condição de soterramento.
Mecanismo de Falha: Eventos de falha normal geralmente produzem razões V/H mais altas em comparação com eventos de falha reversa e de dano lateral (strike-slip).
Desempenho do Modelo: O modelo proposto demonstra baixos desvios padrão dentro do evento e totais. A análise de resíduos confirma que o modelo é imparcial em relação à magnitude, profundidade focal, distância de ruptura e aos parâmetros de classificação de sítio utilizados.

Significância
O artigo afirma que o modelo empírico proposto fornece uma referência necessária para a avaliação de perigos sísmicos em alto-mar e para o projeto sísmico de estruturas offshore, abordando especificamente o componente vertical do movimento do solo. O estudo demonstra que os modelos de previsão de V/H em terra superestimam sistematicamente a proporção do movimento do solo vertical em ambientes offshore, particularmente para medidas de alta frequência como o PGA. Consequentemente, os autores concluem que os modelos terrestres não podem ser aplicados diretamente ao ambiente offshore sem modificação. O modelo desenvolvido, fundamentado no extenso conjunto de dados da S-net, oferece uma base mais precisa para prever as razões espectrais V/H em alto-mar ao considerar explicitamente os efeitos únicos de fonte, caminho e sítio da região da Fossa de Japan.

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