4.13.5.1 Doppelte seismische Zonen

Fokale Mechanismen deuten darauf hin, dass die Mehrzahl der seismischen Doppelzonen mit einer abwärtsgerichteten Kompression in der oberen Zone und einer abwärtsgerichteten Spannung in der unteren Zone übereinstimmen. Dies stimmt mit einem Modell überein, bei dem die Spannungen durch die Aufrichtung der Platte unter der überlagernden Lithosphäre erzeugt werden. Dieses Modell ist die konventionelle Erklärung für die Spannungen, die Doppelzonen verursachen (z. B. Isacks und Barazangi, 1977; Kawakatsu, 1986). Die Doppelzonenseismizität setzt sich jedoch auch fort, nachdem sich die Platte aufgerichtet hat. Möglicherweise handelt es sich um eine geringfügige Durchbiegung. Außerdem befinden sich bei den Doppelzonen unter Alaska (Abers, 1992) und Neuseeland (Robinson, 1986) beide Schichten in abwärts gerichteter Spannung, während bei den Zonen unter Mexiko (Pardo und Suarez, 1995) und Nordchile (Comte und Suárez, 1994) die obere Zone in abwärts gerichteter Spannung und die untere Zone in abwärts gerichteter Kompression liegt. Im Nordosten Japans entdeckten Igarashi et al. (2001) eine dritte seismische Ebene 5 bis 10 km oberhalb der oberen, abwärtsgerichteten Kompressionsebene; die dritte und oberste Ebene scheint an und knapp unterhalb der Oberfläche der absteigenden Platte zu liegen. Die dritte und oberste Ebene scheint an und direkt unter der Oberfläche der absteigenden Platte zu liegen. Sie besteht aus inter- und interdiskalen Schubbeben in der Nähe der Oberfläche der absteigenden Platte in einer Tiefe von 30 bis 60 km und geht in der oberen Kruste in einer Tiefe von 60 bis 110 km in intradiskale Normalverwerfungsmechanismen (abwärtsgerichtete Zugspannungen) über (Igarashi et al., 2001; Kita et al., 2006). Eine ähnliche Drei-Ebenen-Zone könnte in Kamtschatka vorhanden sein, wo Gorbatov et al. (1994) eine Handvoll Ereignisse analog zu den abwärtsgerichteten Zugereignissen in der obersten (dritten) Ebene fanden. Es muss also Dehnungsspannungen um die Plattenoberfläche herum geben, die nicht allein durch eine großräumige Plattenentbiegung erklärt werden können. Spannungsheterogenitäten aufgrund der petrologischen Schichtung der Platte könnten eine Erklärung liefern, d. h. der Dehnungsspannungszustand der obersten (dritten) Ebene könnte mit der Bildung von Eklogiten zusammenhängen, während der Spannungszustand der anderen Ebenen größtenteils durch die Entbiegung verursacht werden könnte (Kita et al., 2006; Wang, 2002). Kita et al. (2010) invertierten Plattenfokusmechanismen im Nordosten Japans für Spannungsorientierungen, um die Lage der neutralen Ebene zwischen neigungsabwärts gerichteten Kompressions- und neigungsabwärts gerichteten Extensionsschichten zu bestimmen. Sie ermittelten eine flachere neutrale Ebene unterhalb der Plattenoberfläche in Hokkaido als in Tohoku und vermuten, dass ein kleinerer, weniger entwickelter metastabiler Olivin-Keil unter Hokkaido weniger Auftrieb bietet, um der allgemeinen abwärts gerichteten Ausdehnung in mittleren Tiefen entgegenzuwirken, die durch den Plattenzug ausgeübt wird. Kao und Chen (1994) schlugen vor, dass die Kompression, die für die untere Ebene der Kamtschatka-Doppelzone verantwortlich ist, von der Basis des oberen Mantels in mittlere Tiefen übertragen wird.

Für viele Doppelzonen ist es klar, dass die untere seismische Zone tief in der subduzierenden Mantellithosphäre liegen muss, was die Frage aufwirft, wie ursprünglich trockene ozeanische Mantellithosphäre hydratisiert werden kann. Peacock (2001) schlug vor, dass normale Verwerfungen, die mit der Biegung an der äußeren Erhebung und dem Graben verbunden sind, das Eindringen von Wasser über Dutzende von Kilometern in die ozeanische Lithosphäre ermöglichen. An Standorten entlang des Mittelamerikagrabens (Ranero et al., 2003) gibt es Beweise für eine durchdringende, mit der Biegung verbundene normale Verwerfung, die mindestens 20 km tief in die Platte eindringt. In der Nähe des Grabens zeigen Reflexionsdaten etwa 1,5 Verwerfungen pro Kilometer mit Versätzen von 100-1000 m. Eine Schätzung der Wassermenge in der am Mittelamerikagraben subduzierenden Platte deutet darauf hin, dass der serpentinisierte Mantelteil der Platte ebenso viel chemisch gebundenes Wasser enthalten könnte wie der Krustenanteil der Platte (Ranero et al., 2003). Darüber hinaus ähneln die Orientierungsmuster solcher Verwerfungen denen der Seismizität in mittlerer Tiefe in den Subduktionszonen von Mittelamerika und Chile (Ranero et al.,

Hacker et al. (2003) verglichen die Morphologie der Seismizität in mittlerer Tiefe für vier Subduktionszonen (Cascadia, Nankai, Costa Rica und Tohoku) mit der Lage und dem Wassergehalt von wasserhaltigen Mineralien, die auf der Grundlage des Plattenalters und der thermischen Struktur vorhergesagt wurden. Die Tiefe und die Geometrie der Seismizität stimmen mit der vorhergesagten Verteilung verschiedener wasserhaltiger Phasen überein. In der kältesten Zone, Tohoku, umgeben doppelte Seismizitätsebenen den kalten Kern der Platte: Die Zonen nähern sich einander an, folgen fast den Isothermen, schneiden sie aber in einem flachen Winkel (siehe auch Kita et al., 2006). Antigorit-Serpentinit, eine der stabilsten wasserhaltigen Phasen, ist die Hauptkomponente in kühleren Platten in mittleren Tiefen und wird vermutlich bis zu einer Tiefe von etwa 200 km allmählich dehydrieren. Yamasaki und Seno (2003) kamen zu einem ähnlichen Ergebnis bei der Analyse doppelter seismischer Zonen in sechs Subduktionszonen. Diese Studien liefern eindeutige Beweise für die Dehydratationsversprödung als Mechanismus für Erdbeben in einer Tiefe von vielleicht 250 km (Hacker et al., 2003 und Yamasaki und Seno, 2003). Doppelt seismische Zonen scheinen in kühleren Platten leichter zu erkennen zu sein, wahrscheinlich weil die beiden Schichten weiter voneinander entfernt sind.

Doppelt seismische Zonen wurden auch unterhalb von 300 km Tiefe beobachtet. Wiens et al. (1993) verlegten Hypozentren mit P-, pP- und PKP-Ankünften und lösten eine tiefe doppelseismische Zone in Tonga von 350 bis 460 km auf, wobei die beiden Schichten etwa 30 km voneinander getrennt waren. Der Spannungszustand in der Tonga-Doppelzone ist ungefähr entgegengesetzt zu dem Zustand, der in mittleren Tiefen typisch ist. Iidaka und Furukawa (1994) entdeckten zwei etwa 25 km voneinander entfernte Ebenen in der Izu-Bonin-Subduktionszone unter Verwendung von S-P-umgewandelten Phasen an der oberen Grenze der Platte. Die Doppelzone erstreckt sich von etwa 300 bis 450 km Tiefe, d.h. unterhalb des Seismizitätsminimums, das bei der Izu-Bonin-Platte im anomal flachen Bereich von 200-300 km liegt. Die obere Schicht liegt 15-20 km unter der Oberfläche der Platte. Die Doppelzone tritt in derselben Region auf, in der Iidaka und Suetsugu (1992) aus den Laufzeiten auf einen seismisch langsamen Kern der Platte schlossen (siehe Diskussion in Green und Houston, 1995). Beide Fälle wurden als Hinweise auf Transformationsverwerfungen am oberen und unteren Rand eines metastabilen Olivin-Keils interpretiert (Iidaka und Furukawa, 1994; Wiens et al., 1993). Ein Vergleich der modellierten Spannungen aufgrund eines metastabilen Keils mit den Merkmalen der tiefen Doppelzone in Tonga deutet darauf hin, dass die untere seismische Zone weit unterhalb eines angenommenen metastabilen Keils liegen könnte, was das Wirken von zwei Bruchmechanismen implizieren würde (Guest et al., 2004).