4.13.5.5.1 Dobbelte seismiske zoner

Fokalmekanismer viser, at størstedelen af de seismiske dobbeltzoner er i overensstemmelse med nedadgående kompression i den øvre zone og nedadgående spænding i den nedre zone. Dette er i overensstemmelse med en model for spændinger, der frembringes af en afbøjning af pladen, når den retter sig ud under den overliggende litosfære, og denne model har givet den konventionelle forklaring på de spændinger, der forårsager dobbeltzoner (f.eks. Isacks og Barazangi, 1977; Kawakatsu, 1986). Men dobbeltzone-seismiciteten fortsætter længe efter, at pladen har rettet sig ud. Måske kan der være tale om en mindre nedsynkning. Desuden har dobbeltzonerne under Alaska (Abers, 1992) og New Zealand (Robinson, 1986) begge lag i nedadgående spænding, mens for dem under Mexico (Pardo og Suarez, 1995) og det nordlige Chile (Comte og Suárez, 1994) er den øverste zone i nedadgående spænding, og den nederste zone synes at være i nedadgående kompression. I det nordøstlige Japan har Igarashi et al. (2001) påvist et tredje seismisk plan 5 til 10 km over det øverste plan med kompression nedadtil; det tredje og øverste plan synes at ligge ved og lige under den øverste overflade af den nedadgående plade. Det består af interplade lavvinklede trykjordskælv nær den øverste overflade af den nedadgående plade fra 30 til 60 km dybde, der overgår til intraplade normale forkastningsmekanismer (nedadgående spændingsmekanismer) i den øvre skorpe fra 60 til 110 km dybde (Igarashi et al., 2001; Kita et al., 2006). En lignende zone med tre planer kan være til stede i Kamtjatka, hvor Gorbatov et al. (1994) fandt en håndfuld hændelser, der svarer til de nedadgående spændingshændelser i det øverste (tredje) plan. Der må således være ekstensionelle spændinger omkring pladeoverfladen, som ikke kan forklares alene ved en storskala pladeafbøjning. Spændingsheterogeniteter som følge af petrologisk lagdeling af pladen kan give en forklaring, dvs. at den ekstensive spændingstilstand i det øverste (tredje) plan kan være forbundet med dannelsen af eklogitter, mens spændingstilstanden i de andre planer i vid udstrækning kan være forårsaget af afbøjning (Kita et al., 2006; Wang, 2002). Kita et al. (2010) inverterede pladefokuseringsmekanismer i det nordøstlige Japan for spændingsorienteringer for at estimere placeringen af det neutrale plan mellem nedadgående komprimerende og nedadgående udvidelseslag. De opnåede et lavere neutralt plan under pladeoverfladen i Hokkaido end i Tohoku og foreslår, at en mindre, mindre udviklet metastabil olivinkile under Hokkaido giver mindre opdrift til at modvirke den generelle nedadgående udvidelse i mellemdybder, der udøves af pladens træk. Kao og Chen (1994) foreslog, at den kompression, der er ansvarlig for det nederste plan i Kamchatka-dobbeltzonen, overføres til mellemliggende dybder fra basen af den øvre kappe.

For mange dobbeltzoner er det klart, at den nederste seismiske zone må ligge dybt inde i den subducerende kappelitosfære, hvilket rejser spørgsmålet om, hvordan oprindeligt tør oceanisk kappelitosfære kan blive hydreret. Peacock (2001) foreslog, at normale forkastninger i forbindelse med bøjning ved den ydre hævning og grøft tillader infiltration af vand i titusindvis af kilometer ned i den oceaniske lithosfære. Der er beviser for gennemgribende bøjningsrelaterede normale forkastninger, der trænger mindst 20 km dybt ned i pladen, på steder langs den mellemamerikanske rende (Ranero et al., 2003). I nærheden af renden afslører refleksionsdata ca. 1,5 forkastninger pr. kilometer med forskydninger på 100-1000 m. Et skøn over mængden af vand i den plade, der subducerer ved Mellemamerika-renden, tyder på, at den serpentiniserede kappe-del af pladen kan indeholde lige så meget kemisk bundet vand som pladens skorpedel-del (Ranero et al., 2003). Desuden svarer orienteringsmønstrene for sådanne forkastninger til mønstrene for mellemdybe seismicitet i Mellemamerika- og Chile-subduktionszonerne (Ranero et al., 2005), hvilket tyder på, at mellemliggende seismicitet forekommer på allerede eksisterende forkastninger.

Hacker et al. (2003) sammenlignede morfologien af mellemdyb seismicitet for fire subduktionszoner (Cascadia, Nankai, Costa Rica og Tohoku) med placeringerne og vandindholdet af vandholdige mineraler, forudsagt på baggrund af pladens alder og termiske struktur. Dybden og geometrien af seismiciteten er i overensstemmelse med den forudsagte fordeling af flere vandholdige faser. I den koldeste zone, Tohoku, omgiver dobbelte planer af seismicitet den kolde kerne af pladen: zonerne nærmer sig hinanden og følger næsten isotermerne, men skærer faktisk over dem i en lav vinkel (se også Kita et al., 2006). Antigorit serpentinit, en af de mest stabile vandholdige faser, er den vigtigste komponent i koldere plader i mellemliggende dybder og menes at dehydrere gradvist ned til ca. 200 km. Yamasaki og Seno (2003) opnåede et lignende resultat ved at analysere dobbelte seismiske zoner i seks subduktionszoner. Disse undersøgelser giver stærke beviser for dehydreringsforsprødning som mekanisme for jordskælv i mellemliggende områder ned til måske 250 km (Hacker et al., 2003 og Yamasaki og Seno, 2003). Dobbelte seismiske zoner synes lettere at påvise i køligere plader, sandsynligvis fordi de to lag er længere fra hinanden.

Dobbelte seismiske zoner er også blevet observeret under 300 km dybde. Wiens et al. (1993) flyttede hypocenter med P-, pP- og PKP-ankomster og opløste en dyb dobbelt seismisk zone i Tonga fra 350 til 460 km med ca. 30 km adskillelse mellem de to lag. Spændingstilstanden for den dobbelte zone i Tonga er omtrent modsat den tilstand, der er typisk for mellemliggende dybder. Iidaka og Furukawa (1994) påviste to planer med ca. 25 km mellemrum i Izu Bonin subduktionszonen ved hjælp af S-P konverterede faser ved pladens øvre grænse. Den dobbelte zone strækker sig fra ca. 300 til 450 km dybde, dvs. under seismicitetsminimum, som i Izu Bonin-pladen forekommer i det ualmindeligt lave område på 200-300 km. Det øverste lag ligger 15-20 km under pladens øverste overflade. Den dobbelte zone forekommer i det samme område, hvor Iidaka og Suetsugu (1992) ud fra rejsetider udledte en seismisk langsom kerne af pladen (se diskussion i Green og Houston, 1995). Begge disse tilfælde blev fortolket som beviser for transformationelle forkastninger på de øvre og nedre kanter af en metastabil olivin-kile (Iidaka og Furukawa, 1994; Wiens et al., 1993). En sammenligning af de modellerede spændinger som følge af en metastabil kile med karakteristikaene for den dybe dobbelte zone i Tonga antydede, at den nederste seismiske zone kan ligge et godt stykke under en formodet metastabil kile, hvilket ville indebære, at der er to brudmekanismer (Guest et al., 2004).