4.13.5.1 Kettős szeizmikus zónák

A lokális mechanizmusok azt mutatják, hogy a szeizmikus kettős zónák többsége összhangban van a felső zónában lefelé irányuló kompresszióval és az alsó zónában lefelé irányuló feszültséggel. Ez összhangban van azzal a modellel, amely szerint a feszültségek a lemez elhajlásából keletkeznek, amikor az kiegyenesedik a túlnyúló litoszféra alatt, és ez a modell adta a kettős zónákat okozó feszültségek hagyományos magyarázatát (pl. Isacks és Barazangi, 1977; Kawakatsu, 1986). A kettős zónás szeizmicitás azonban jóval a lemez kiegyenesedése után is folytatódik. Talán kisebb megereszkedésről lehet szó. Továbbá az Alaszka (Abers, 1992) és Új-Zéland (Robinson, 1986) alatti kettős zónák esetében mindkét réteg lefelé irányuló feszültségben van, míg a Mexikó (Pardo és Suarez, 1995) és Észak-Chile (Comte és Suárez, 1994) alattiak esetében a felső zóna lefelé irányuló feszültségben, az alsó zóna pedig lefelé irányuló összenyomásban van. Japán északkeleti részén Igarashi et al. (2001) egy harmadik szeizmikus síkot észlelt 5-10 km-rel a lefelé irányuló kompressziós felső sík felett; úgy tűnik, hogy a harmadik és legfelső sík a süllyedő lemez felső felszínén és közvetlenül alatta helyezkedik el. A süllyedő lemez felső felszíne közelében 30 és 60 km mélység között lemezközi kis szögű tolóföldrengésekből áll, amelyek 60 és 110 km mélység között átmennek lemezen belüli normál törési (lefelé irányuló feszítő) mechanizmusokba a felső kéregben (Igarashi et al., 2001; Kita et al., 2006). Hasonló háromsíkú zóna lehet jelen Kamcsatkán, ahol Gorbatov et al. (1994) a legfelső (harmadik) síkban a lefelé irányuló feszültségi eseményekkel analóg maroknyi eseményt talált. A lemezfelszín körül tehát olyan extenziós feszültségeknek kell lennie, amelyek nem magyarázhatók pusztán a nagyméretű lemezelhajlással. A lemez petrológiai rétegződéséből adódó feszültségheterogenitások magyarázatot adhatnak, vagyis a legfelső (harmadik) sík extenziós feszültségállapota az eklogitok kialakulásához kapcsolódhat, míg a többi sík feszültségállapotát nagyrészt a lemezelhajlás okozhatja (Kita et al., 2006; Wang, 2002). Kita és munkatársai (2010) Japán északkeleti részén invertálták a lemezek fókuszmechanizmusait a feszültségorientációkra vonatkozóan, hogy megbecsüljék a semleges sík helyét a lefelé irányuló kompressziós és a lefelé irányuló extenziós rétegek között. Hokkaidón sekélyebb semleges síkot kaptak a palafelszín alatt, mint Tohokuban, és azt sugallják, hogy a Hokkaido alatti kisebb, kevésbé fejlett metastabil olivin ék kevesebb felhajtóerőt biztosít a palahúzás által a köztes mélységekben kifejtett általános lefelé irányuló extenzió ellensúlyozására. Kao és Chen (1994) azt javasolta, hogy a kamcsatkai kettős zóna alsó síkjáért felelős összenyomódást a felső köpeny aljáról közvetítik a köztes mélységekbe.

Sok kettős zóna esetében egyértelmű, hogy az alsó szeizmikus zónának mélyen a szubdukáló köpeny litoszférájában kell lennie, ami felveti a kérdést, hogy az eredetileg száraz óceáni köpeny litoszféra hogyan válhat hidratálttá. Peacock (2001) felvetette, hogy a külső emelkedésnél és az ároknál a hajlítással járó normál törések lehetővé teszik a víz több tíz kilométeres beszivárgását az óceáni litoszférába. A közép-amerikai árok mentén található helyeken bizonyítékot találtak a lehajlással összefüggő, legalább 20 km mélyen a lemezbe behatoló normális törésekre (Ranero et al., 2003). Az árok közelében a reflexiós adatok kilométerenként kb. 1,5 törést mutatnak, 100-1000 m-es eltolódásokkal. A Közép-Amerika-ároknál süllyedő lemezben lévő víz mennyiségének becslése szerint a lemez szerpentinizált köpeny része ugyanannyi kémiailag kötött vizet tartalmazhat, mint a lemez kéregrésze (Ranero et al., 2003). Továbbá az ilyen törések orientációs mintázatai hasonlóak a közép-amerikai és chilei szubdukciós zónák középmélységi szeizmicitásához (Ranero et al., 2005), ami arra utal, hogy a köztes mélységű szeizmicitás már meglévő töréseken jelentkezik.

Hacker et al. (2003) négy szubdukciós zóna (Cascadia, Nankai, Costa Rica és Tohoku) köztes mélységű szeizmicitásának morfológiáját hasonlította össze a lemez kora és termikus szerkezete alapján megjósolt hidroásványok elhelyezkedésével és víztartalmával. A szeizmicitás mélysége és geometriája összhangban van több vizes fázis előre jelzett eloszlásával. A leghidegebb zónában, Tohokuban a szeizmicitás kettős síkja veszi körül a lemez hideg magját: a zónák közelednek egymáshoz, szinte követik az izotermákat, de valójában sekély szögben átvágnak rajtuk (lásd még Kita et al., 2006). Az antigorit szerpentinit, az egyik legstabilabb hidrofázis, a köztes mélységekben lévő hűvösebb palák fő összetevője, és feltételezhetően fokozatosan dehidratálódik körülbelül 200 km mélységig. Yamasaki és Seno (2003) hasonló eredményre jutott hat szubdukciós zóna kettős szeizmikus zónáit elemezve. Ezek a tanulmányok erős bizonyítékot szolgáltatnak a dehidratációs ridegségre, mint a köztes földrengések mechanizmusára talán 250 km mélységig (Hacker et al., 2003 és Yamasaki és Seno, 2003). Úgy tűnik, hogy a kettős szeizmikus zónákat könnyebb észlelni a hűvösebb lemezekben, valószínűleg azért, mert a két réteg távolabb van egymástól.

Kettős szeizmikus zónákat figyeltek meg 300 km mélység alatt is. Wiens et al. (1993) hipocentrumokat helyezett át P, pP és PKP érkezésekkel, és feloldott egy mély kettős szeizmikus zónát Tongában 350 és 460 km között, ahol a két réteget körülbelül 30 km választja el egymástól. A tongai kettős zóna feszültségállapota nagyjából ellentétes a köztes mélységekben jellemző állapottal. Iidaka és Furukawa (1994) az Izu Bonin szubdukciós zónában két, egymástól kb. 25 km távolságra lévő síkot detektáltak S-P átalakított fázisok segítségével a lemez felső határán. A kettős zóna körülbelül 300 és 450 km mélység között húzódik, vagyis a szeizmicitási minimum alatt, amely az Izu Bonin palában az anomálisan sekély 200-300 km-es tartományban fordul elő. A felső réteg 15-20 km-rel a lemez felső felszíne alatt helyezkedik el. A kettős zóna ugyanabban a régióban fordul elő, ahol Iidaka és Suetsugu (1992) az utazási időkből a födém szeizmikusan lassú magjára következtetett (lásd a tárgyalást Green és Houston, 1995-ben). Mindkét esetet egy metastabil olivin ék felső és alsó peremének transzformációs törésére utaló bizonyítékként értelmezték (Iidaka és Furukawa, 1994; Wiens et al., 1993). A metastabil ékből eredő modellezett feszültségek összehasonlítása a tongai mély kettős zóna jellemzőivel azt sugallta, hogy az alsó szeizmikus zóna jóval a feltételezett metastabil ék alatt helyezkedhet el, ami két törési mechanizmus működését feltételezné (Guest et al., 2004).