O uso dos dados da missão GOCE para a caracterização e a investigação das implicações na estrutura.. por Everton Pereira Bomfim - Versão HTML

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O Uso dos Dados da Missão GOCE para a

Caracterização e a Investigação das Implicações na

Estrutura de Densidade das Bacias Sedimentares do

Amazonas e Solimões, Brasil

The use of the GOCE mission data for characterizations

and implications on the density structure of the

Sedimentary Basins of Amazon and Solimões, Brazil

by

Everton Bomfim, M.Sc.

Thesis

Presented to the Double Diploma between Universidade de São Paulo

(USP) in São Paulo, Brazil and Università degli Studi di Trieste

(UNITS) in Trieste, Italy, in partial fulfillment of the requirements for

the degree Doctor of Philosophy Degree in Geosciences

Major Subject: Gravity Field

University of Sao Paulo

University of Trieste

São Paulo, SP, Brazil

Trieste, TS, Italy

October, 2012

O Uso dos Dados da Missão GOCE para Caracterização

e a Investigação das Implicações na Estrutura de

Densidade das Bacias Sedimentares do Amazonas e do

Solimões, Brasil

The use of the GOCE mission data for characterizations

and implications on the density structure of the

Sedimentary Basins of Amazon and Solimões, Brazil

by

Everton Bomfim, M.Sc.

Thesis

Major Subject: Gravity Field

University de Sao Paulo

University of Trieste

São Paulo, SP, Brazil

Trieste, TS, Italy

Corrected Version. Original version is available on the IAG/USP Library.

Versão Corrigida. O original encontra-se disponível na Unidade.

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Approved by the

Examining Committee:

______________________________________________

Prof. Dr. Eder Molina, Thesis Adviser (USP, Brazil) and Chair of Defense

______________________________________________

Prof. Dr. Carla Braitenberg, Thesis Adviser (UNITS, Italy)

______________________________________________

Prof. Dr. De Min Angelo, Member (UNITS, Italy)

______________________________________________

Prof. Dr. Valéria Barbosa, (ON, Brazil)

______________________________________________

Prof. Dr. Wladimir Shukowsky, (USP, Brazil)

SÃO PAULO, SP ‒ BRAZIL

DICEMBER 2012

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© Copyright 2012

by

Everton Bomfim

All Rights Reserved

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RESUMO

O Uso dos Dados da Missão GOCE para Caracterização e Implicações

na Estrutura de Densidade das Bacias Sedimentares do Amazonas e do

Solimões, Brasil

Everton Bomfim, Ph.D

Universidade de São Paulo e Università Degli Studi di Trieste, São Paulo, 2012

Orientadores: Eder Molina (USP)

Carla Braitenberg (UNITS)

A maneira mais direta de detectar as anomalias da densidade é pelo estudo do

potencial gravitacional e de suas derivadas. A disponibilidade global e a boa resolução

dos dados do satélite GOCE, aliadas à disponibilidade de dados de gravimetria terrestre,

são ideais para a comparação e classificação das bacias de larga escala, como as bacias

sedimentares do Solimões e do Amazonas dentro do Craton amazônico. Foram

processados um conjunto de dados, produtos GOCE EGG_TRF_2 Level 2, ao longo das

trajetórias do satélite para remover o ruído (shift/drift) nos gradientes da gravidade a

partir da técnica crossover (XO).

Calculamos a redução das massas topográfica a fim de obter os componentes do

gradiente da gravidade e anomalia da gravidade usando modelagem direta com prismas

esféricos a partir do modelo de elevação digital, ETOPO1. Desta maneira, a comparação

dos dados somente do satélite GOCE com as reduções das massas topográficas referentes

aos componentes do gradiente da gravidade permitiram estimar quantidades invariantes

que trouxeram uma melhoria na interpretação dos dados do tensor de gravidade. Além

disso, comparamos dados terrestres do campo de gravidade com dados do campo de

v

gravidade dos modelos geopotenciais EGM2008 e GOCE, uma vez que os dados

terrestres podem ser afetados por erros em longos comprimentos de onda devido a erros

de nivelamento, diferentes referenciais de altitudes, e aos problemas em interligar

diferentes campanhas de medidas da gravidade.

Portanto, estimamos uma melhora e uma nova representação dos mapas das

anomalias de gravidade e do tensor gradiente da gravidade nas áreas inacessíveis do

Craton Amazônico. As observações forneceram novas entradas para determinar campos

regionais a partir dados brutos pre-processados (gradiente de gravidade EGG_TRF_2

L2), bem como a partir de um modelo geopotencial mais recente até grau e ordem 250

dos harmonicos esféricos derivados de dados somente do satélite GOCE para a

representação do campo de gravidade como geóide, anomalias da gravidade e os

componentes tensor da gravidade, os quais foram quantidades importantes para

interpretação, modelagem e estudo dessas estruturas.

Finalmente, obtivemos um modelo isostático considerando a estrutura de

densidade litosférica estudada através de uma modelagem direta 3D da distribuição de

densidade por prismas esféricos usando a geometria do embasamento e descontinuidade

do Moho. Além do que, constatamos através da modelagem direta das soleiras de

diabásios dentro dos sedimentos mostramos que somente as soleiras dentro da Bacia do

Amazonas não são as únicas responsáveis pela anomalia de gravidade positiva que

coincide aproximadamente com as espessuras máximas dos sedimentos da Bacia. Talvez,

isso possa ser também um resultado de movimentos relativos do Escudo das Guianas

situado ao norte da Bacia, e o Escudo Brasileiro situado ao sul. Embora isso seja apenas

uma evidência adicional preliminar, não podemos confirmá-las a partir das estimativas do

campo da gravidade. Portanto, é necessário outros tipos de dados geofísicos, como por

exemplo, evidências mais claras advindas do paleomagnetismo.

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RIASSUNTO

L'utilizzo dei dati della missione GOCE per caratterizzare ed

determinare la Struttura di Densità dei Bacini Sedimentari di Amazon e

Solimões in Brasile

Everton Bomfim, Ph.D

L’Università di Sao Paulo e L’Università Degli Studi di Trieste, São Paulo, 2012

Supervisori: Eder Molina (USP)

Carla Braitenberg (UNITS)

Il modo più diretto per rilevare le variazioni di densità è lo studio del campo

potenziale di gravità e delle sue derivate. La disponibilità globale e buona risoluzione dei

dati della missione satellitare GOCE, unitamente alla disponibilità dei dati gravimetrici

terrestri sono l'ideale per intraprendere la comparazione e classificazione dei due grandi

bacini sedimentari Amazon e Solimões nell’area del cratone amazzonico. Il set di dati

GOCE ottenuti dalle tracce satellitari sono stati elaborati dal prodotti GOCE

EGG_TRF_2 Level 2 generati con la correzione necessaria per rimuovere il rumore

GOCE (spostamento/deriva) e così, noi abbiamo anche processato (da rimuovere la

tendenza lineare) per recuperare i singoli componenti del tensore gradiente di gravità

usando la tecnica crossover (XO).

Sono state calcolate le riduzioni delle masse topografiche al fine di rilevare i

componenti del tensore gradiente e le anomalie di gravità (componente verticale) usando

la modellazione dai tesseroidi col Modello di Elevazione digitale, ETOPO1. Di

conseguenza, la comparazione dei dati satellitari GOCE con le riduzione delle masse

topografiche per i componenti gradienti ha permesso di stimare le quantità invariate per

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un miglioramento dell’interpretazione dei dati dei tensori di gravità. Inoltre, abbiamo

comparato il campo di gravità dei dati terresti con modellazione gravimetrica del modello

EGM2008 e del modello gravimetrico fornito da GOCE, in quanto i campi terrestri

potrebbero essere colpiti da errori nelle lunghezze d’onda grandi, dovuto a errori di

livellamento, dei diversi sistemi di riferimento impiegati nelle campagne dei diversi paese

e quindi la difficoltà nel collegamento ed omogeneatà dei dati delle diverse campagne di

misurazione.

Tuttavia, è stato riscontrato un miglioramento, e le nuove rappresentazioni nelle

mappe sulle anomalie di gravità (Bouguer e free-air) e i componenti dei tensori gradienti

di gravità principalmente in aree inaccessibili, come ad esempio il cratone amazzonico.

Le osservazioni GOCE forniscono nuovi indizi per determinare i campi regionali dai dati

grezzi (gradienti di gravità EGG_TRF_2 L2 ). Inoltre, è stato usato il più recente modello

gravimetrico globale disponibile fino al grado e all’ordine 250, sviluppato dalle

armoniche sferiche, derived solo dai dati del satellite GOCE per rappresentare il campo di

gravità con le anomalie gravimetriche. Anche, sono stati presi in considerazione il geoide

e le componenti del tensore gradiente, che sono quantità importanti per la modellazione e

lo studio di queste strutture.

Infine, abbiamo ottenuto il modello isostatico considerando la struttura di densità

della litosfera, studiata attraverso una modellazione 3D diretta della distribuzione di

densità, usando la geometria del basamento e la discontinuità Moho, conosciuti come

vincolo iniziale. Inoltre, abbiamo trovato attraverso la modellazione diretta con davanzali

e sedimenti ha dimostrato che le soglie diabase non sono le sole responsabili per le

anomalie gravimetriche positive che tagliano il Bacino Amazzonico, grosso modo

coincidente con lo spessore massimo delle rocce sedimentarie o con il solco del bacino.

Ciò potrebbe essere il risultato dei movimenti dello scudo della Guiana, situato a nord del

Bacino Amazzonico, e lo scudo brasiliano, situato a sud. Sebbene questa sia solo una

prova preliminare, ciò non può essere confermato solo dai dati di gravità. Infatti, sono

necessari altri tipi di dati geofisici, ad esempio, evidenze più chiare ottenute dal

paleomagnetismo.

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ABSTRACT

The use of the GOCE Mission Data for Characterizations of and

Implications on the Density Structure of the Sedimentary Basins of

Amazon and Solimões

Everton Bomfim, Ph.D

The University of Sao Paulo and the University of Trieste, São Paulo, 2012

Supervisors: Eder Molina (USP)

Carla Braitenberg (UNITS)

The most direct way to detect density anomalies is the study of the gravity

potential field and its derivatives. The global availability and good resolution of the

GOCE mission coupled with the availability of terrestrial gravity data are ideal for the

scope of intercomparison and classification of the two large-scale Amazon and Solimoes

sedimentary basins into area of the Amazon Craton. The GOCE data set obtained in

satellite tracks were processed from EGG_TRF_2 Level 2 Products generated with the

correction needed to remove the noise (shift/drift), and so, to recover the individual

components of the gravity gradient tensor using the crossover (XO) points technique.

We calculated the topographic masses reductions in order to obtain the gravity

gradient components and gravity anomaly (vertical component) using forward modelling

from tesseroids from Digital Elevation Model, ETOPO1. Thus, the comparison of the

only-satellite GOCE data with the reductions of the topographic masses for the gradient

components allowed to estimate invariants quantities for bring an improvement in the

interpretation of the gravity tensor data. Furthermore, we compared the terrestrial data

gravity field with EGM2008 and GOCE-deduced gravity field because the terrestrial

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fields may be affected by errors at long wavelengths due to errors in leveling, different

height references, and problems in connecting different measurement campaigns.

However, we have estimated an improvement and new representations of the

gravity anomalies maps and gravity gradient tensor components primary in inaccessible

areas of the Amazon Craton. GOCE observations provide new inputs to determine the

regional fields from the preprocessed raw data (EGG_TRF_2 L2 gravity gradients), as

well from the most recent global geopotential model available up to degree and order 250

developed in spherical harmonics derived only-satellite GOCE data for representing of

geoid and others gravity field as gravity anomaly and gravity gradient tensor components,

which are important quantities for modelling and studying these structures.

Finally, we obtained the isostatic model considering the lithospheric density

structure studied through a 3D direct modelling of density distribution using the geometry

of basement and Moho discontinuity, assumed to be known as initial constraint. In

addition, we found through direct modeling sills and sediment has shown that the diabase

sills are not the only ones responsible for positive gravity anomaly map that transects the

Amazon Basin, roughly coincident with the maximum thickness of sedimentary rocks or

the trough of the basin. Maybe, this could be the result of the relative movements of the

Guiana Shield, situated at the north of the Amazon basin, and the Brazilian Shield,

situated at the south. Although this is only a preliminary additional evidence, we cannot

confirm it only from the data of gravity. It is necessary others types of geophysical data,

for example, more clear evidences obtained from paleomagnetism.

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DECLARATION

I certify that, to the best of my knowledge, my thesis does not infringe upon

anyone’s copyright nor violate any proprietary rights and that any ideas, techniques,

quotations, or any other material from the work of other people included in my thesis,

published or otherwise, are fully acknowledged in accordance with the standard

referencing practices. Furthermore, to the extent that I have included copyrighted

material that surpasses the bounds of fair dealing within the meaning of the Brazil

Copyright Act, I certify that I have obtained a written permission from the copyright

owner(s) to include such material(s) in my thesis and have included copies of such

copyright clearances to my Annex and appendix.

I declare that this thesis is the result of work I have carried out since the

commencement of my research. It is being submitted a true copy, including any final

revisions, as approved by my thesis committee and the Graduate Studies Office for the

degree of Doctor of Philosophy in international academic cooperation for the co-

supervision of PhD students and double diploma between the University of São Paulo in

São Paulo, Brazil, and the University of Trieste in Trieste, Italy. It has not been submitted

before to any degree or examination to any other University or institution.

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“Science does not rest upon solid bedrock. The bold structure of its theories rises,

as it were, above a swamp. It is like a building erected on piles. The piles are driven

down from above into the swamp, but not down to any natural or 'given' base; and when

we cease our attempts to drive our piles into a deeper layer, it is not because we have

reached firm ground. We simply stop when we are satisfied that they are firm enough to

carry the structure, at least for the time being. (1959)”

Karl Raimund Popper

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