Coda wave attenuation in the Parecis Basin, Amazon Craton, Brazil: sensitivity to basement depth

Abstract

Small local earthquakes from two aftershock sequences in Porto dos Gaúchos, Amazon craton—Brazil, were used to estimate the coda wave attenuation in the frequency band of 1 to 24 Hz. The time-domain coda-decay method of a single backscattering model is employed to estimate frequency dependence of the quality factor (Qc) of coda waves modeled using Qc = Q0 f η, where Q0 is the coda quality factor at frequency of 1 Hz and η is the frequency parameter.We also used the independent frequency model approach (Morozov, Geophys J Int, 175:239–252, 2008), based in the temporal attenuation coefficient, χ( f ) instead of Q( f ), given by the equation χ( f )=γ + π f Qe, for the calculation of the geometrical attenuation (γ ) and effective attenuation (Q−1e ). Qc values have been computed at central frequencies (and band) of 1.5 (1–2), 3.0 (2–4), 6.0 (4–8), 9.0 (6–12), 12 (8–16), and 18 (12–24) Hz for five different datasets selected according to the geotectonic environment as well as the ability to sample shallow or deeper structures, particularly the sediments of the Parecis basin and the crystalline basement of the Amazon craton. For the Parecis basin Qc = (98 ± 12) f (1.14±0.08), for the surrounding shield Qc = (167 ± 46) f (1.03±0.04), and for the whole region of Porto dos Gaúchos Qc = (99 ± 19) f (1.17±0.02). Using the independent frequency model, we found: for the cratonic zone, γ = 0.014 s−1, Q−1 e = 0.0001, ν ≈ 1.12; for the basin zone with sediments of ∼500 m, γ = 0.031 s−1, Q−1 e = 0.0003, ν ≈ 1.27; and for the Parecis basin with sediments of ∼1,000 m, γ = 0.047 s−1, Q−1 e = 0.0005, ν ≈ 1.42. Analysis of the attenuation factor (Qc) for different values of the geometrical spreading parameter (ν) indicated that an increase of ν generally causes an increase in Qc, both in the basin as well as in the craton. But the differences in the attenuation between different geological environments are maintained for different models of geometrical spreading. It was shown that the energy of coda waves is attenuated more strongly in the sediments, Qc = (78 ± 23) f (1.17±0.14) (in the deepest part of the basin), than in the basement, Qc = (167 ± 46) f (1.03±0.04) (in the craton). Thus, the coda wave analysis can contribute to studies of geological structures in the upper crust, as the average coda quality factor is dependent on the thickness of sedimentary layer.

Se utilizaron pequeños terremotos locales de dos secuencias de réplicas en Porto dos Gaúchos, cratón amazónico—Brasil, para estimar la atenuación de la onda coda en la banda de frecuencia de 1 a 24 Hz. El método de decaimiento de coda en el dominio del tiempo de un modelo de retrodispersión único se emplea para estimar la dependencia de la frecuencia del factor de calidad (Q c) de las ondas de coda modeladas usando Qc=Q0fη, donde Q 0 es el factor de calidad de coda a una frecuencia de 1 Hz y η es el parámetro de frecuencia. También utilizamos el enfoque del modelo de frecuencia independiente (Morozov, Geophys J Int, 175:239–252, 2008), basado en el coeficiente de atenuación temporal, χ(f) en lugar de Q(f), dado por la ecuación χ(f) =γ+πfQe, para el cálculo de la atenuación geométrica (γ) y atenuación efectiva (Q−1e). Los valores de Qc se han calculado en frecuencias centrales (y banda) de 1,5 (1–2), 3,0 (2–4), 6,0 (4–8), 9,0 (6–12), 12 (8–16) y 18 (12–24) Hz para cinco conjuntos de datos diferentes seleccionados según el entorno geotectónico, así como la capacidad de muestrear estructuras poco profundas o más profundas, en particular los sedimentos de la cuenca de Parecis y el basamento cristalino del cratón del Amazonas. Para la cuenca de Parecis Qc=(98±12)f(1,14±0,08), para el escudo circundante Qc=(167±46)f(1,03±0,04), y para toda la región de Porto dos Gaúchos Qc=(99± 19)f(1,17±0,02). Usando el modelo de frecuencia independiente, encontramos: para la zona cratónica, γ = 0.014 s − 1, Q−1e=0.0001, ν ≈ 1.12; para la zona de la cuenca con sedimentos de ~500 m, γ = 0.031 s − 1, Q−1e=0.0003, ν ≈ 1.27; y para la cuenca de Parecis con sedimentos de ~1,000 m, γ = 0.047 s − 1, Q−1e=0.0005, ν ≈ 1.42. El análisis del factor de atenuación (Qc) para diferentes valores del parámetro de dispersión geométrica (ν) indicó que un aumento de ν generalmente provoca un aumento de Qc, tanto en la cuenca como en el cratón. Pero las diferencias en la atenuación entre diferentes ambientes geológicos se mantienen para diferentes modelos de expansión geométrica. Se demostró que la energía de las ondas coda se atenúa más fuertemente en los sedimentos, Qc=(78±23)f(1.17±0.14) (en la parte más profunda de la cuenca), que en el basamento, Qc=(167± 46)f(1.03±0.04) (en el cratón). Por lo tanto, el análisis de ondas de coda puede contribuir a los estudios de estructuras geológicas en la corteza superior, ya que el factor de calidad promedio de coda depende del espesor de la capa sedimentaria.