Carlos Alberto Moreno Chaves.

In the past two decades, ab initio simulations of materials under extreme pressures and temperatureshave made remarkable strides, enabling the prediction of physical properties of complex mineralassemblages and melts under conditions akin to those in Earth's interior (~6,500 K and 3.6 Mbar).These simulations have become crucial for complementing and extending experimental data acrossa range of temperatures, pressures, and compositions, essential for exploring the Earth's deepinterior. With these advancements, it is now possible to develop a predictive theory of the Earth'smaterial properties. This proposal aims to address a fundamental geophysical question that has beendebated for over 60 years: What is the composition of the bulk silicate Earth (BSE), including itsrocky mantle and crust? For this, we will give a special focus on the least understood region of themantlethe lower mantle. Understanding the composition of the BSE will not only provideinsights into the Earth's core composition and properties, which are vital for understanding thegeomagnetic field's generation, but also illuminate the early Earth's evolution from a magma ocean,created by the Moon-forming Great Impact, into a differentiated, layered planet. To tackle thisquestion, we will first develop new mutifrequency compressional- and shear-wave globaltomography models for the Earth's whole mantle. This will involve integrating body-wavetraveltimes, surface-wave overtone phase-velocity measurements, normal-mode splitting functioncoefficients, and Stoneley mode splitting function measurements with an adaptive parameterizationtechnique. This approach will provide higher resolution in areas with dense measurement coverage,resulting in high-resolution images and a more comprehensive utilization of seismic data. This willenable us to map both P- and S-wave velocity distributions over a broader period range than istypically possible with full-waveform inversion. Subsequently, we will translate these new seismictomography images into 3D mineralogical and thermal models. For this, our project will includethe development of: a) a comprehensive database of properties, including seismic wave speeds ofsingle phases and phase assemblages in equilibrium, and b) statistical tools to convert observedseismic wave speeds into mineralogical-thermal models. These resources and methods will be madepublicly available and compatible with popular codes for thermochemical equilibrium andgeodynamic simulations. This project will pioneer a crucial intersection of geophysics andgeochemistry, fostering convergence research between Materials Science and Earth Sciences bydeveloping innovative data and software tools that will enable the translation of newmultifrequency tomographic images into detailed thermal and mineralogical models. Through thisapproach, we seek to provide a more comprehensive understanding of the mantle's structure andcomposition, helping to resolve key uncertainties that have persisted for decades.

The mantle transition zone, located between depths of 410 km and 660 km, is characterized by phase changes in the mineral olivine, the most abundant in the mantle. It plays a key role in the convection mechanism, whether in layers or involving the entire mantle. Therefore, understanding the structure of the transition zone can provide important constraints on the predominant convection style in the Earth's mantle, which remains an open problem in geodynamics. PP-waves and their precursors, P410P and P660P, are used to determine variations in the topography of the 410 km and 660 km discontinuities. However, the P660P phase is not observed globally, despite predictions by mineral physics, and several hypotheses have been proposed for its non-detection without a consensus being reached. As the nature of the 660 km mantle discontinuity remains elusive, understanding the difficulty in detecting the P660P phase may lead to a better insight of the 660 km discontinuity and its role in mantle dynamics. We hypothesize that inaccuracies in calculating PP-waves travel times in a heterogeneous mantle hinder precise P660P phase alignment during waveform stacking, challenging its global detection. Thus, in this research project, we will focus on analyzing how the effect of large-scale heterogeneities of the P-wave in the mantle affects the travel time and amplitude of PP-waves and their precursors. Inaccurate travel time calculations for the moveout correction procedure may cause the cancellation of misaligned phases in the stacking process of seismograms, preventing the precursor signal from rising above the noise level and masking the detection of the precursor associated with the 660 km discontinuity. For this purpose, we will use a large set of synthetic seismograms obtained by the spectral element method with the PREM model and with five P-wave seismic tomography models for 50 events uniformly distributed throughout the globe and recorded by 18,397 virtual seismic stations. From stacked seismograms, we will estimate travel times using ray theory and finite-frequency theory for the five seismic tomography models. With this, we will be able to map global variations in the travel times of PP-P410P and PP-P660P and analyze how theoretical simplifications affect the travel time predictions of the PP and its precursors, impacting the alignment of discontinuity phases and consequently the accurate estimation of the discontinuities' topographies at the mantle transition zone. Additionally, we will estimate amplitude ratios of P410P/PP and P660P/PP for the stacked synthetic seismograms to determine how lateral variations in amplitude ratio may be associated with compositional anomalies in the mantle. To verify the resolvability of lateral variations in the topography of mantle discontinuities using PP precursors, the spectral element mesh of SPECFEM3D_GLOBE will be distorted to analyze how harmonic variations in the topography of the 410 km and 660 km discontinuities, with different wavelengths and amplitudes, are recovered. While this research has a seismological focus, the outcomes will be relevant for researchers across a wide spectrum of disciplines involved in the study of global-scale mantle structure and processes. For decades, geodynamicists, mineral physicists, and geochemists have been trying to understand the role of mineral phase changes and compositional variations in mass transport throughout the mantle.

As the Earth's interior behaves elastically, the propagation of seismic waves is determined by the elastic constants of the component material. Comparing the elastic properties of potentially relevant minerals with seismic observations allows us to relate these observations to geological processes and the thermal and chemical state of our planet. Thus, this research seeks to employ ab initio modeling techniques to advance our understanding of seismic velocities in aggregates and melts, with a specific focus on interpreting a new upper-mantle seismic tomography model beneath South America, which is being derived through the FAPESP Regular Project 2022/04357-0. By integrating seismic tomography velocity-attenuation models with high-pressure mineral physics principles, we aim to elucidate the complex interplay between temperature, composition, and geodynamic processes within the Earth's upper mantle, particularly for the upper mantle underneath South America.

Over the past two decades, ab initio materials simulations at extreme pressures and temperatures have significantly advanced, allowing for the prediction of the physical properties of complex mineral assemblages and melts under conditions and chemistries anticipated in Earth's interior, i.e., ~6,500 K and 3.6 Mbar. These simulations have become crucial in complementing and extending experimental data across a continuum of temperatures, pressures, and compositions essential to exploring the unknown aspects of Earth's deep interior. Developing a general predictive theory of the Earth is now possible based on its material properties. This proposal brings together a mineral physicist, a seismologist, a geodynamicist, and an applied mathematician with complementary expertise capable of advancing this vision. We will address a fundamental geophysics question debated for over 60 years: What is the composition of the bulk silicate Earth (BSE), encompassing its rocky mantle and crust? We will focus on the mantle region with the least understood composition: the lower mantle. Understanding the BSE composition will shed light on the Earth's core composition and properties, which is vital to understanding the generation of the geomagnetic field. It will also elucidate how the early Earth evolved from a magma oceanproduced by the Moon-forming Great Impactinto a differentiated, layered planet.To address this question, we will translate seismic tomographic images of the lower mantle into mineralogical and thermal models and test interpretations dynamically to reproduce surface observations and provide feedback. We will address lower mantle regions with dissimilar seismological properties and expected distinct chemical compositions, e.g., the ancient Farallon subducting plate, two large low-velocity provinces rising from the core-mantle-boundary (CMB) almost in opposite directions, the D region right above the CMB, and the ambient lower mantle in between such features. We will develop a) a database of properties, including seismic wave speeds of single phases and phase assemblages in equilibrium, and b) statistics and machine learning tools to convert observed seismic wave speeds into mineralogical-thermal models. These data and methods will be publicly available and interoperable with popular codes for thermochemical equilibrium, e.g., PerpleX, and geodynamic simulations, e.g., ASPECT. While generating the database, we will implement workflows automating ab initio computations of materials properties of broad interest in Materials Science and produce pedagogical materials in seismology.This research will also impact materials theory and simulations. Mantle phases are iron-bearing oxides, a class of materials that has challenged physicists for over 60 years. These phases at high pressures and temperatures reveal exquisite phenomena such as spin transitions, which are strictly quantum phenomena that shed light on electronic correlations. Equally challenging is the theory of solid solutions applied to minerals - complex, multi-component, correlated, natural materials. The magnitude of the problem and the integrative aspect of this project invite community contributions to foster a more collective effort. We have identified an emerging international consortium of data contributors and users. We will bring two senior undergraduates from Tuskegee University for summer internships with the team. Using novel mathematical methods, we will prepare five postdoctoral researchers/research scientists for careers in this emerging integrative research. We will have a workshop bringing researchers with opposite views on the BSE composition to summarize their arguments. Locally, this project will help develop a novel and essential activity in geophysics and geochemistry, creating conditions for convergence research connecting Materials Science and Earth

O projeto Rede RSBR-Mar: Expansão da Rede Sismográfica Brasileira para o Mar tem como objetivo principal monitorar continuamente a sismicidade e gerar subsídios para analisar a ameaça e o risco sísmico na região offshore do Sudeste - onde se constata a maior sismicidade de toda costa brasileira, a partir da instalação de sismômetros banda larga de fundo oceânico (OBS - Ocean Bottom Seismometers), estações sismográficas em ilhas marítimas e sismógrafos flutuantes (hidrofones acoplados a flutuadores lagrangianos, que se movem de acordo com as correntes oceânicas). Além de monitorar a sismicidade regional, os dados possibilitarão estudar a estrutura da crosta e do manto litosférico da região, fornecendo parâmetros importantes para embasar futuros modelos geodinâmicos da evolução da margem passiva brasileira. A sismologia marinha, sub-área da geofísica, é uma fronteira científica no Brasil. Devido à falta de dados sismológicos, pouco se conhece sobre a sismicidade da região oceânica brasileira.

O entendimento da dinâmica formadora de bacias sedimentares ao longo de margens continentais e sua evolução tectono-sedimentar é fundamental para a análise de risco exploratório na indústria do petróleo. Devido a complexidade dos diferentes processos geológicos envolvidos neste estudo, uma forma natural de explorar a evolução geodinâmica dessas margens é através de modelos numéricos. O presente projeto objetiva utilizar códigos numéricos termo-mecânicos que reproduzem o comportamento reológico da crosta e manto terrestre no tempo geológico para simular a formação e evolução de margens divergentes, como as margens brasileiras e respectivas margens conjugadas africanas. Nessas simulações, pretende-se levar em consideração diferentes eventos tectônicos em um mesmo cenário, avaliando-se o papel de estruturas litosféricas herdadas. O presente código numérico, desenvolvido no Departamento de Geofísica do IAG/USP, também considera a interação tectono-sedimentar, permitindo avaliar a estrutura térmica e reológica durante o aporte sedimentar nas bacias sedimentares. Os resultados numéricos serão confrontados com vínculos geológicos e geofísicos, como dados termocronológicos, dados de poços, sísmica, sismologia e métodos potenciais. Com este projeto, pretende-se contribuir para o entendimento da evolução geológica de fronteiras exploratórias, como as porções distais da margem hiperestirada da bacia de Santos, fornecendo informações sobre o padrão de estiramento litosférico, fluxo térmico e taxa de subsidência das bacias sedimentares ao longo do tempo geológico, aspectos fundamentais na avaliação do potencial petrolífero em bacias sedimentares.

Integrating different geophysical datasets is essential to obtain improved models of the Earth?s interior heterogeneities, as it helps to restrict the solution space of the properties investigated by each method. Although new models of physical properties in South America have been derived, they still lack resolution, making it difficult to clearly distinguish all geological features and estimate compositional and thermal variations in order to link them with past geodynamic processes responsible for the current tectonic setting of this region. These models are no longer just important for pure research since it has been shown they have, for example, important socioeconomic and environmental applications, such as targeting potential giant metal reserves of base metals, which are essential for the replacement of fossil energy by the so-called clean energy for sustainable development purposes. Thus, in this project, we will use a combination of methodologies to obtain new constraints on the 3D shear wave velocity, attenuation, density, and anisotropic structures of the crust and mantle beneath South America. High-resolution S-wave velocity, attenuation, anisotropy, and density models will be derived from the sequential inversion of phase velocity and amplitude dispersion curves of Rayleigh and Love waves and geoid anomalies. A joint posterior probability density function will be used to express the likelihood of the solution to our problem. We will develop a machine-learning-based algorithm to measure Rayleigh and Love waves amplitude and phase velocity dispersion curves from seismograms recorded by all stations available in South America and model them with Fréchet kernels so that finite-frequency effects are considered. The residual geoid anomalies to be inverted will be obtained by removing the known lithospheric component effects, which mask the signal of density perturbations in the mantle, and modeled using tesseroids to take into account the Earth?s sphericity. We will provide additional constraints to our surface-wave anisotropy model by integrating receiver function studies for analysis of P-wave phases converted to S-wave, and analysis of seismograms for determination of anisotropic parameters associated with the shear wave splitting of WKS waves, with the use of the traversal component minimization method. The isotropic high-resolution S-wave velocity will be used to derive a new lithosphere thickness model for the whole continent. Based on the improved 3D density structure of the lithosphere obtained in this project, we will numerically calculate the stress field in the crust and lithospheric mantle considering variable rheology in accordance with the different lithological layers in the continental lithosphere and adjacent oceanic plates. Geodetic observations using GNSS time series will be performed and combined with azimuthal seismic anisotropy and numerical simulation of the stress field to provide insight into the balance of forces driving deformation across South America.

O projeto possibilita a operação de uma rede regional de detecção de terremotos nas regiões do Quadrilátero Ferrífero e na Província Mineral de Carajás. As estações transmitem os dados em tempo real para o IAG/USP onde são arquivados e processados. Ainda, o projeto prevê a elaboração de estudos da crosta e manto para apoiar a localização de sismos

A sismicidade na região Sul e Sudeste da plataforma continental brasileira conta com registros de importantes sismos históricos e mesmo recentes de magnitudes que variam de 2,0 mL até 6,1 mb . Dentre os sismos importantes, podemos destacar o sismo de Vitória/ES de 1955 (6,1 mb), o sismo de Ubatuba/SP de 1967 (4,1 mb), e, mais recentemente, o sismo de São Vicente/SP, ocorrido no ano de 2008, com magnitude 5,2 mb, sentido até 200 km de distância. Ao mesmo tempo, essa região conta hoje com importante atividade de exploração de hidrocarbonetos que vem sendo desenvolvida por diversas empresas da industria de óleo e gás, com foco nas bacias de Campos e Santos, o que exige um monitoramento constante de qualquer atividade anormal que possa de alguma forma impactar as infraestruturas instaladas no assoalho ocêanico e mesmo comprometer a operação e o meio ambiente. O uso de sensores hidroacústicos tem demonstrado capacidade de detecção de registros de sismos regionais e mesmo telessísmicos, em diferentes contextos. O seu uso atrelado a equipamento submersível de navegação autônoma (gliders) oceânicos tem sido desenvolvido em diferentes instituições ao redor do mundo e pode se confirmar como uma alternativa de custo mais atraente para o monitoramento da plataforma frente ao uso de OBS (Ocean Bottom Seismometer) ou redes permanentes no oceano. No Brasil, um estudo recente mostrou a viabilidade na utilização de registro de hidrofones para melhorar a localização do sismo de São Vicente, por exemplo. Dessa forma, neste projeto piloto, temos como objetivo avaliar se o experimento para o monitoramento da paisagem acústica utilizando gliders pode agregar informação útil ao monitoramento sísmico offshore na bacia de Santos. A plataforma consiste na RSBR-MAR, ou a extensão da Rede Sismográfica Brasileira (RSBR) para o Mar. O projeto está dividido em duas etapas: (1) Reanálise dos dados hidroacústicos já existentes, e (2) Desenvolvimento de procedimentos, estudos teóricos e adaptação de ferramentas para o contexto de estudo.

A presente proposta é desenvolvida a partir de um projeto recentemente submetido à FAPESP - Processo 2019/2367-5, cooperação FAPESP-FAPESQ chamada de 2019. Desde sua versão inicial, a proposta foi motivada pela necessidade de se avaliar de forma não-destrutiva a qualidade de blocos de rocha utilizados na produção de rocha ornamental, em especial para unidades destinadas à exportação. Foi então composta uma equipe multidisciplinar com pesquisadores do Brasil (USP, UFCG) e Portugal (Universidade do Minho) e estabelecido contato com setores produtivos na área de mineração. A proposta foi, em geral, bem qualificada, mas não contemplada na chamada da cooperação FAPESP-FAPESQ. A proposta aqui apresentada mantém os objetivos centrais da proposta inicial, porém redimensionando-a em termos de recursos e atividades. Na presente versão, exclui-se a parte de desenvolvimento instrumental, que seria inviável a um projeto de 24 meses, valendo-se, no entanto, de recursos disponíveis no IAG/USP (sistema de GPR-Ground Penetrating Radar) e solicitando instrumentação complementar para testes não-destrutivos utilizando sistemas ultrassônicos. Também redimensionada foi a parte de testes de campo, concentrando a parte experimental em um bloco de teste disponível no CEPETRO-UNICAMP, acessível ao projeto. A presente versão do projeto enriquece a parte metodológica de tratamento e inversão dos dados, incluindo testes de imageamento com georadar e análise de dados utilizando técnica FWI- Full Waveform Inversion. A técnica FWI será avaliada com ondas elásticas e eletromagnéticas com pares transmissor-receptor colocados em lados opostos do bloco ou situados em uma mesma face do bloco. A introdução de técnicas FWI na avaliação e imageamento de blocos incorpora uma técnica já matura na parte de inversão de dados geofísicos, mas ainda inexplorada como técnica de avaliação não-destrutiva. A abordagem metodológica utilizando métodos de inversão ainda pouco utilizados a problemas de avaliação não-destrutiva de blocos qualifica a presente proposta em termos de originalidade, com potencial de inovação tecnológica de interesse ao setor produtivo.

Com vistas a contribuir para a consolidação do entendimento dos processos tectônicos e geodinâmicos na América do Sul, com ênfase no território brasileiro, este projeto busca desenvolver os métodos de inversão de dados de anomalias gravimétricas e do geoide para modelagem da espessura da crosta, da litosfera e da distribuição de densidade na crosta inferior e manto superior. Dentre os objetivos específicos estão: a estimativa da distribuição de densidade na crosta e manto superior, cujas profundidades serão definidas em função das estruturas anômalas encontradas; a investigação sobre a distribuição de massas anômalas considerando o ponto de vista térmico e composicional; e a realização da análise dos resultados considerando o contexto tectônico e geodinâmico da região

Descrição: Grupo de Pesquisa: Geodinâmica da Província Mineral de Carajás - Responsável: Noevaldo Araújo Teixeira (SGB) Vertente: Sísmica Passiva (Sismologia) - Responsáveis: Marcelo Peres Rocha (UnB) e Marcelo Sousa de Assumpção (USP) Coordenação: Roberto Perez Xavier (ADIMB) Este projeto pretende identificar áreas de condutos de fluidos mineralizados e enriquecidos com metais, zonas de ressurgência do manto e associações de metassomatismo cálcio-alcalino, além da definição de estruturas crustais importantes para o controle estrutural de depósitos minerais. A Província Mineral de Carajás (CMP) tem sido explorada nos últimos 50 anos, produzindo cerca de 164 Mt @ 65 Fe e 71 Mt @ 0,66 Cu anualmente. Nesse período, foram investidos, em média, US $ 10 milhões por ano na exploração mineral. Embora o CMP desempenhe um papel fundamental no cenário mineral mundial, seu arcabouço geológico ainda é pouco restrito, com apenas 40 de sua área mapeada na escala 1: 100.000. Os mapas detalhados da região foram feitos apenas por empresas de mineração e são limitados a afloramentos esparsos e furos de sondagem exploratórios projetados. Quase todos os trabalhos publicados no CMP têm foco dentro dos depósitos, trazendo informações valiosas sobre idades e processos genéticos, mas com pouca correlação regional entre eles. O cenário geotectônico de CMP é quase definido por inferências petrológicas feitas principalmente em amostras de testemunhos de sondagem hidrotermicamente alteradas, adicionando algum viés aos modelos tectônicos evolutivos. Assim, a falta de modelos sólidos em relação às condições metamórficas, ambiente tectônico e produção de magma revela o CMP como uma província mineral importante com baixo grau de conhecimento geológico básico. A geofísica proposta neste projeto (MT, sísmica passiva, magnetometria, gravimetria e sísmica de reflexão), será utilizada em escala regional, visando contribuir para a compreensão do contexto geotectônico de mineralização e compreensão sob o ponto de vista dos sistemas minerais. O entendimento da química mineral detalhada e da evolução isotópica das fases sulfetadas em ambientes mineralizados, bem como em níveis estratigráficos específicos, permitirá um estabelecimento robusto da metalogenia regional, fornecendo informações essenciais sobre a gênese e a relação espacial de diferentes sistemas minerais. Para o desenvolvimento dos trabalhos de sísmica passiva, associadas às estações já existentes de redes permanente (RSBR e OBSIS/UnB) e temporárias (RSVL), foram instaladas 30 estações sismográficas de banda larga na região da PMC, com o objetivo de ampliar a resolução das feições crustais e do manto, visando contribuir para a compreensão do contexto geotectônico das mineralizações e o entendimento sob o paradigma de sistemas minerais

Seismic tomography is one of the most powerful seismological techniques to unravel the Earth's deep structure. For local and regional tomography studies, a classical approach to image the Earth?s velocity structure is to use a teleseismic tomography methodology known as ACH (Aki, Christofferson, and Husebye) method, named after the authors of the seminal papers by Aki et al. (1977). The fundamental hypothesis of the ACH method is that the time residuals generated outside the volume of study are approximately constant across the seismic array. Thus, only the final parts of up going ray segments within the target volume are modeled in three dimensions while the Earth outside the target volume is just any standard 1-D Earth model. Owing to the computational limitation in the 70s and 80s, the fundamental hypothesis that underlies the ACH method took a long time to be verified. Based on ray-theoretical calculations, Masson and Trampert (1997) and Zhao et al. (2013) concluded that the travel time residuals due to mantle heterogeneity outside the target volume are not negligible. However, due to the limitation of ray theory, this result may be inconclusive. Thus, it is crucial to quantify the influence of the mantle velocity structure outside the volume of study on the relative travel time residuals and understand how it propagates to the teleseismic tomography images of the ACH method taking into account full finite-frequency effects. To accurately investigate how the theoretical assumptions of the ACH method influence the estimated velocity structure of a target volume, I propose to carry out synthetic waveform analysis based on the Spectral Element Method (SEM). Using the SPECFEM3D GLOBE package by Komatitsch and Tromp (2002). I will analyze seismic waveforms with periods T > 5 s propagating through a 3D whole-mantle global seismic tomography model. Travel time anomalies for P-wave and S-wave phases will be measured by cross-correlation and will be used to understand how the effect of mantle heterogeneities outside the target volume influence the relative travel time residuals and the recovered velocity structure from tomography experiments.

Esse trabalho visa utilizar o método de tomografia para melhorar conhecimento da estrutura crustal da região Sudeste Brasileira e , dessa forma, prover um modelo tomográfico para a região que poderá servir como base para um modelo de velocidade 3D para a região. Manutenção e expansão da rede Rede do Sul e do Sudeste (RSIS).

Visa aprimorar modelos geofísicos da crosta e do manto superior que contribuam para o melhor entendimento sobre a origem e evolução das bacias do Paraná e Chaco-Paraná, do Cambriano ao Cenozóico, e ao mesmo tempo testar e implementar novos algoritmos aplicativos de metodologias geofísicas para investigações da litosfera sob bacias sedimentares intracratônicas. O conhecimento do arcabouço geológico sob estas bacias é muito pobre porque grande parte da litosfera só é acessível por métodos de investigações indiretas geofísicas, principalmente se forem compostas por métodos múltiplos. Através deste trabalho, o refinamento de novos dados do tensor do gradiente de gravidade, a serem adquiridos pela missão GOCE (Global Steady-State Ocean Circulation Explorer) da ESA (European Space Agency), serão integrados a dados gravimétricos terrestres já adquiridos pelo IBGE, IAG-USP, UNESP, PETROBRAS e aos dos campos gravimétricos e do geóide, derivados de missões por satélite tais como GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) e modelos globais do geopotencial como o EGM2008.