4.13.5.1 Dvojité seismické zóny

Fokální mechanismy naznačují, že většina seismických dvojitých zón odpovídá kompresi směrem dolů v horní zóně a napětí směrem dolů v dolní zóně. To je v souladu s modelem napětí vznikajících v důsledku rozpínání desky při jejím narovnávání pod nadložní litosférou a tento model poskytl konvenční vysvětlení napětí způsobujících dvojité zóny (např. Isacks a Barazangi, 1977; Kawakatsu, 1986). Seismicita dvojitých zón však pokračuje i poté, co se deska narovná. Možná by mohlo jít o drobné prohnutí. Navíc dvojité zóny pod Aljaškou (Abers, 1992) a Novým Zélandem (Robinson, 1986) mají obě vrstvy v sestupné tenzi, zatímco u zón pod Mexikem (Pardo a Suarez, 1995) a severním Chile (Comte a Suárez, 1994) je horní zóna v sestupné tenzi a spodní zóna se jeví v sestupné kompresi. V severovýchodním Japonsku Igarashi et al. (2001) zjistili třetí seismickou rovinu 5 až 10 km nad sestupnou kompresní horní rovinou; zdá se, že třetí a nejvyšší rovina leží na horním povrchu sestupné desky a těsně pod ním. Skládá se z meziplošných nízkoúhlových tahových zemětřesení v blízkosti horního povrchu klesající desky v hloubce 30 až 60 km a přechází k vnitroplošným normálním zlomovým (down-dip tahovým) mechanismům v horní kůře v hloubce 60 až 110 km (Igarashi et al., 2001; Kita et al., 2006). Podobná tříplošná zóna se může vyskytovat na Kamčatce, kde Gorbatov et al. (1994) nalezli několik událostí analogických down-dip tensionálním událostem v nejsvrchnější (třetí) ploše. Kolem povrchu desky tedy musí existovat extenzní napětí, které nelze vysvětlit pouze velkoplošným rozvolněním desky. Vysvětlení mohou poskytnout napěťové heterogenity způsobené petrologickým zvrstvením desky, tj. extenzní napěťový stav nejsvrchnější (třetí) roviny by mohl být spojen se vznikem eklogitů, zatímco napěťový stav ostatních rovin může být z velké části způsoben neohýbáním (Kita et al., 2006; Wang, 2002). Kita et al. (2010) provedli inverzi ohniskových mechanismů desek v severovýchodním Japonsku pro orientaci napětí, aby odhadli polohu neutrální roviny mezi sestupnými kompresními a sestupnými extenzními vrstvami. Získali mělčí neutrální rovinu pod povrchem desky na Hokkaidó než na Tohoku a naznačují, že menší, méně vyvinutý metastabilní olivínový klín pod Hokkaidó poskytuje menší vztlak, který působí proti všeobecné down-dip extenzi ve středních hloubkách působené tahem desky. Kao a Chen (1994) navrhli, že komprese zodpovědná za spodní rovinu kamčatské dvojité zóny se do středních hloubek přenáší z báze svrchního pláště.

U mnoha dvojitých zón je zřejmé, že spodní seismická zóna musí ležet hluboko v subdukující plášťové litosféře, což vyvolává otázku, jak se původně suchá oceánská plášťová litosféra může hydratovat. Peacock (2001) navrhl, že normální zlomy spojené s ohybem na vnějším vzestupu a příkopu umožňují infiltraci vody v hloubce desítek kilometrů do oceánské litosféry. Důkazy o všudypřítomném normálním zlomu souvisejícím s ohybem, který proniká nejméně 20 km hluboko do desky, jsou patrné na místech podél Středoamerického příkopu (Ranero et al., 2003). V blízkosti příkopu odhalují reflexní data přibližně 1,5 zlomu na kilometr s posunem 100-1000 m. Odhad množství vody v desce subdukující ve Středoamerickém příkopu naznačuje, že serpentinizovaná plášťová část desky může obsahovat stejné množství chemicky vázané vody jako kůra desky (Ranero et al., 2003). Kromě toho jsou vzory orientace takových zlomů podobné vzorům středně hluboké seismicity v subdukčních zónách Střední Ameriky a Chile (Ranero et al., 2005), což naznačuje, že středně hluboká seismicita se vyskytuje na již existujících zlomech.

Hacker et al. (2003) porovnávali morfologii středně hluboké seismicity pro čtyři subdukční zóny (Cascadia, Nankai, Costa Rica a Tohoku) s polohami a obsahem vody v hydratovaných minerálech, předpovězených na základě stáří desky a termální struktury. Hloubka a geometrie seismicity jsou v souladu s předpovězeným rozložením několika hydroxidů. V nejchladnější zóně Tohoku obklopují chladné jádro desky dvojité roviny seismicity: zóny se k sobě přibližují, téměř kopírují izotermy, ale ve skutečnosti je protínají pod malým úhlem (viz také Kita et al., 2006). Antigoritový serpentinit, jedna z nejstabilnějších hydratovaných fází, je hlavní složkou chladnějších desek ve středních hloubkách a předpokládá se, že postupně dehydratuje až do hloubky přibližně 200 km. Yamasaki a Seno (2003) získali podobný výsledek analýzou dvojitých seismických zón v šesti subdukčních zónách. Tyto studie poskytují silné důkazy pro dehydratační křehkost jako mechanismus pro zemětřesení ve středních hloubkách až možná do 250 km (Hacker et al., 2003 a Yamasaki a Seno, 2003). Zdá se, že dvojité seismické zóny se snáze detekují v chladnějších deskách, pravděpodobně proto, že obě vrstvy jsou od sebe vzdálenější.

Dvojité seismické zóny byly pozorovány také v hloubce pod 300 km. Wiens et al (1993) přemístili hypocentra s příchody P, pP a PKP a vyřešili hlubokou dvojitou seismickou zónu v Tonze od 350 do 460 km, přičemž obě vrstvy od sebe dělí asi 30 km. Stav napětí pro dvojitou zónu Tonga je zhruba opačný než stav typický pro střední hloubky. Iidaka a Furukawa (1994) zjistili v subdukční zóně Izu Bonin pomocí S-P konvertovaných fází na horní hranici desky dvě roviny vzdálené od sebe asi 25 km. Dvojitá zóna se rozprostírá v hloubce přibližně 300 až 450 km, tj. pod minimem seismicity, které se v desce Izu Bonin vyskytuje v anomálně mělkém rozmezí 200-300 km. Horní vrstva leží 15-20 km pod horním povrchem desky. Dvojitá zóna se vyskytuje ve stejné oblasti, v níž Iidaka a Suetsugu (1992) odvodili seismicky pomalé jádro desky z cestovních časů (viz diskuse v Green a Houston, 1995). Oba tyto případy byly interpretovány jako důkaz transformačního zlomu na horním a dolním okraji metastabilního olivínového klínu (Iidaka a Furukawa, 1994; Wiens et al., 1993). Srovnání modelovaných napětí způsobených metastabilním klínem s charakteristikami hluboké dvojité zóny v Tonze naznačilo, že spodní seismická zóna se může nacházet hluboko pod hypotetickým metastabilním klínem, což by znamenalo působení dvou mechanismů porušení (Guest et al., 2004).

.