4.13.5.1 Kaksoisseismiset vyöhykkeet

Fokaaliset mekanismit osoittavat, että suurin osa seismisistä kaksoisvyöhykkeistä on sopusoinnussa ylemmän vyöhykkeen alaspäin suuntautuvan puristuksen ja alemman vyöhykkeen alaspäin suuntautuvan jännityksen kanssa. Tämä on sopusoinnussa sen mallin kanssa, jossa jännitykset syntyvät laatan taipumatta jäämisestä sen suoristuessa ylimenevän litosfäärin alapuolella, ja tämä malli on tarjonnut perinteisen selityksen kaksoisvyöhykkeitä aiheuttaville jännityksille (esim. Isacks ja Barazangi, 1977; Kawakatsu, 1986). Kaksoisvyöhykkeiden seismisyys jatkuu kuitenkin vielä kauan sen jälkeen, kun laatta on suoristunut. Ehkä siihen voi liittyä vähäistä notkistumista. Lisäksi Alaskan (Abers, 1992) ja Uuden-Seelannin (Robinson, 1986) alla olevissa kaksoisvyöhykkeissä molemmat kerrokset ovat alaspäin suuntautuvassa jännityksessä, kun taas Meksikon (Pardo ja Suarez, 1995) ja Pohjois-Chilen (Comte ja Suárez, 1994) alla olevissa vyöhykkeissä ylempi vyöhyke on alaspäin suuntautuvassa jännityksessä ja alempi vyöhyke näyttää olevan alaspäin suuntautuvassa puristuksessa. Japanin koillisosassa Igarashi et al. (2001) havaitsivat kolmannen seismisen tason 5-10 kilometriä alaspäin puristuvan ylemmän tason yläpuolella; kolmas ja ylin taso näyttää sijaitsevan laskevan laatan yläpinnalla ja juuri sen alapuolella. Se koostuu laattojen välisistä matalan kulman työntövoiman maanjäristyksistä lähellä laskevan laatan yläpintaa 30-60 km:n syvyydessä, jotka siirtyvät laattojen sisäisiin normaalimurtumamekanismeihin (alaspäin suuntautuviin jännittäviin murtumiin) ylemmän maankuoren sisällä 60-110 km:n syvyydessä (Igarashi et al., 2001; Kita et al., 2006). Samankaltainen kolmen tason vyöhyke saattaa esiintyä Kamtšatkassa, jossa Gorbatov et al. (1994) havaitsivat kourallisen tapahtumia, jotka ovat analogisia alaspäin suuntautuvien jännitystapahtumien kanssa ylimmässä (kolmannessa) tasossa. Näin ollen laatan pinnan ympärillä on oltava laajenemisjännityksiä, joita ei voida selittää pelkästään laattojen laajamittaisella taipumattomuudella. Laatan petrologisesta kerrostuneisuudesta johtuva jännitysheterogeenisuus voi tarjota selityksen, eli ylimmän (kolmannen) tason ekstensiojännitystila voi liittyä eklogiittien muodostumiseen, kun taas muiden tasojen jännitystila voi johtua suurelta osin taivuttamattomuudesta (Kita et al., 2006; Wang, 2002). Kita et al. (2010) käänsivät Koillis-Japanin laattojen polttomekanismeja jännityssuuntien osalta arvioidakseen neutraalin tason sijainnin alaspäin painuvien puristus- ja alaspäin ulottuvien paisumiskerrosten välillä. He saivat tulokseksi matalamman neutraalitason laatan pinnan alapuolella Hokkaidossa kuin Tohokussa ja ehdottavat, että Hokkaidon alla oleva pienempi, vähemmän kehittynyt metastabiili oliviinikiila tarjoaa vähemmän nostovoimaa vastapainoksi laatan vetovoiman aiheuttamalle yleiselle alaspäin suuntautuvalle laajenemiselle keskisyvyyksillä. Kao ja Chen (1994) ehdottivat, että Kamtshatkan kaksoisvyöhykkeen alemman tason aiheuttama puristus välittyy ylemmän vaipan pohjasta välisyvyyksiin.

Monien kaksoisvyöhykkeiden osalta on selvää, että alemman seismisen vyöhykkeen täytyy sijaita syvällä subduktoituvan vaipan litosfäärin sisällä, mikä herättää kysymyksen siitä, miten alunperin kuivasta valtameren vaipan litosfääristä voi tulla hydratoitunut. Peacock (2001) ehdotti, että ulomman nousun ja juoksuhautojen taivutukseen liittyvä normaali murtuma mahdollistaa veden tunkeutumisen kymmenien kilometrien päähän valtameren litosfääriin. Keski-Amerikan juoksuhautaa pitkin sijaitsevissa paikoissa on havaittu todisteita laaja-alaisesta taivutukseen liittyvästä normaalimurtumasta, joka tunkeutuu vähintään 20 km syvälle laattoihin (Ranero et al., 2003). Lähellä juoksuhautaa heijastustiedot paljastavat noin 1,5 vikaa kilometriä kohden, ja vääntymät ovat 100-1000 metriä. Arvio veden määrästä Keski-Amerikan juoksuhautaan uppoavassa laatassa viittaa siihen, että laatan serpentiinisoituneessa vaippa-osassa voi olla kemiallisesti sidottua vettä yhtä paljon kuin laatan kuoriosassa (Ranero et al., 2003). Lisäksi tällaisten ruhjeiden suuntautumismallit ovat samankaltaisia kuin Keski-Amerikan ja Chilen subduktiovyöhykkeillä esiintyvässä keskisyvyydessä tapahtuvassa seismisyydessä (Ranero et al., 2005), mikä viittaa siihen, että keskisyvyyden seismisyys tapahtuu jo olemassa olevilla vyöhykkeillä.

Hacker et al. (2003) vertasivat keskisyvyyden seismisyyden morfologiaa neljällä subduktiovyöhykkeellä (Cascadia, Nankai, Costa Rica ja Tohoku) laattojen iän ja termisen rakenteen perusteella ennustettuihin vesipitoisten mineraalien sijainteihin ja vesipitoisuuksiin. Seismisyyden syvyys ja geometria ovat yhdenmukaisia useiden vesipitoisten faasien ennustetun jakautumisen kanssa. Kylmimmässä vyöhykkeessä, Tohokussa, laattojen kylmää ydintä ympäröi kaksi seismisyystasoa: vyöhykkeet lähestyvät toisiaan lähes isotermien suuntaisesti, mutta itse asiassa leikkaavat ne matalassa kulmassa (ks. myös Kita et al., 2006). Antigoriittinen serpentiniitti, yksi stabiileimmista hydroksisista faaseista, on pääkomponentti viileämmissä laatoissa keskisyvyyksillä, ja sen uskotaan dehydratoituvan asteittain noin 200 kilometrin syvyyteen asti. Yamasaki ja Seno (2003) saivat samanlaisen tuloksen analysoidessaan kaksoisseismisiä vyöhykkeitä kuudella subduktiovyöhykkeellä. Nämä tutkimukset antavat vahvaa näyttöä siitä, että dehydraation haurastuminen on mekanismi, joka aiheuttaa välivaiheen maanjäristyksiä ehkä 250 km:n syvyyteen asti (Hacker et al., 2003 ja Yamasaki ja Seno, 2003). Kaksoisseismiset vyöhykkeet näyttävät olevan helpommin havaittavissa viileämmissä laatoissa, luultavasti siksi, että kaksi kerrosta ovat kauempana toisistaan.

Kaksoisseismisiä vyöhykkeitä on havaittu myös alle 300 km syvyydessä. Wiens et al. (1993) sijoittivat hypokeskukset uudelleen P-, pP- ja PKP-saapumisten avulla ja selvittivät syvän kaksoisseismisen vyöhykkeen Tongassa 350-460 km:n syvyydessä, jossa kaksi kerrosta oli noin 30 km:n päässä toisistaan. Tongan kaksoisvyöhykkeen jännitystila on suunnilleen päinvastainen kuin keskisyvyyksillä tyypillinen tila. Iidaka ja Furukawa (1994) havaitsivat kaksi noin 25 km:n päässä toisistaan olevaa tasoa Izu Boninin subduktiovyöhykkeellä käyttäen S-P-muunnettuja vaiheita laatan ylärajalla. Kaksoisvyöhyke ulottuu noin 300-450 km:n syvyydelle, eli seismisyyden minimin alapuolelle, joka Izu Boninin laatassa esiintyy anomaalisen matalalla 200-300 km:n alueella. Ylempi kerros sijaitsee 15-20 km laatan yläpinnan alapuolella. Kaksoisvyöhyke esiintyy samalla alueella, jolla Iidaka ja Suetsugu (1992) päättelivät matka-aikojen perusteella laatan seismisesti hitaasta ytimestä (ks. keskustelu artikkelissa Green ja Houston, 1995). Molemmat näistä tapauksista tulkittiin todisteeksi muuntumishäiriöistä metastabiilin oliviinikiilan ylä- ja alareunoilla (Iidaka ja Furukawa, 1994; Wiens et al., 1993). Vertailu metastabiilin kiilan aiheuttamien mallinnettujen jännitysten ja Tongan syvän kaksoisvyöhykkeen ominaisuuksien välillä viittasi siihen, että alempi seisminen vyöhyke saattaa sijaita reilusti oletetun metastabiilin kiilan alapuolella, mikä merkitsisi kahden murtumismekanismin toimintaa (Guest et al., 2004).