4.13.5.1 Double Seismic Zones

Focale mechanismen geven aan dat de meerderheid van de seismische dubbele zones consistent is met down-dip compressie in de bovenste zone en down-dip spanning in de onderste zone. Dit is in overeenstemming met een model van spanningen die worden veroorzaakt door het buigen van de plaat als deze zich recht trekt onder de overheersende lithosfeer, en dit model heeft de conventionele verklaring geleverd voor de spanningen die dubbele zones veroorzaken (b.v. Isacks en Barazangi, 1977; Kawakatsu, 1986). Maar de seismiciteit in de dubbele zones duurt voort lang nadat de plaat recht is geworden. Misschien is er sprake van een kleine verzakking. Bovendien hebben de dubbele zones onder Alaska (Abers, 1992) en Nieuw-Zeeland (Robinson, 1986) beide lagen in neerwaartse spanning, terwijl voor die onder Mexico (Pardo en Suarez, 1995) en Noord-Chili (Comte en Suárez, 1994) de bovenste zone in neerwaartse spanning is en de onderste zone in neerwaartse compressie lijkt te zijn. In het noordoosten van Japan hebben Igarashi et al. (2001) een derde seismisch vlak gedetecteerd, 5 tot 10 km boven het neerwaartse compressievlak van de bovenste zone; het derde en bovenste vlak lijkt te liggen op en net onder het bovenvlak van de dalende plaat. Het bestaat uit interplaatse lage-hoek stuwingsaardbevingen nabij het bovenoppervlak van de dalende plaat van 30 tot 60 km diepte, overgaand in intraplaatse normale breukmechanismen (neerwaartse spanningsmechanismen) binnen de bovenkorst van 60 tot 110 km diepte (Igarashi et al., 2001; Kita et al., 2006). Een soortgelijke zone met drie vlakken kan aanwezig zijn in Kamchatka, waar Gorbatov et al. (1994) een handvol gebeurtenissen hebben gevonden die analoog zijn aan de spanningsgebeurtenissen in het bovenste (derde) vlak. Er moeten dus extensie-spanningen zijn rond het plaatoppervlak, die niet verklaard kunnen worden door grootschalige plaatuitbuiging alleen. Spanningsheterogeniteiten als gevolg van petrologische gelaagdheid van de plaat kunnen een verklaring bieden, dat wil zeggen, de extensiespanningstoestand van het bovenste (derde) vlak zou geassocieerd kunnen zijn met de vorming van eclogieten, terwijl de spanningstoestand van de andere vlakken grotendeels veroorzaakt zou kunnen zijn door unbending (Kita et al., 2006; Wang, 2002). Kita et al. (2010) inverted slab focal mechanisms in noordoost Japan for stress orientations to estimate the location of the neutral plane between down-dip compressional and down-dip extensional layers. Zij verkregen een ondieper neutraal vlak onder het plaatoppervlak in Hokkaido dan in Tohoku en suggereren dat een kleinere, minder ontwikkelde metastabiele olivijnwig onder Hokkaido minder drijfvermogen levert om de algemene neerwaartse extensie op middellange dieptes, uitgeoefend door de trekkracht van de plaat, tegen te gaan. Kao en Chen (1994) stelden voor dat de compressie die verantwoordelijk is voor het onderste vlak van de Kamchatka dubbele zone wordt doorgegeven naar intermediaire diepten vanuit de basis van de bovenmantel.

Voor veel dubbele zones is het duidelijk dat de onderste seismische zone diep in de subducterende mantel-lithosfeer moet liggen, wat de vraag oproept hoe oorspronkelijk droge oceanische mantel-lithosfeer gehydrateerd kan worden. Peacock (2001) suggereerde dat normale breuklijnen die samenhangen met de buiging van de buitenste helling en de geul, infiltratie van water tientallen kilometers in de oceanische lithosfeer mogelijk maken. Op plaatsen langs de Midden-Amerikaanse geul zijn bewijzen gevonden voor alomtegenwoordige, met buiging samenhangende normale breuklijnen die ten minste 20 km diep in de plaat doordringen (Ranero et al., 2003). In de buurt van de geul laten reflectiegegevens ongeveer 1,5 breuklijnen per kilometer zien met offsets van 100-1000 m. Een schatting van de hoeveelheid water in de plaat die onderduikt bij de Midden-Amerika geul suggereert dat het geserpentiniseerde mantelgedeelte van de plaat evenveel chemisch gebonden water zou kunnen bevatten als het korstgedeelte van de plaat (Ranero et al., 2003). Bovendien zijn de oriëntatiepatronen van dergelijke breuken vergelijkbaar met die van de middelzware seismiciteit in de subductiezones van Midden-Amerika en Chili (Ranero et al, Hacker et al. (2003) vergeleken de morfologie van de middelhoge seismiciteit voor vier subductiezones (Cascadia, Nankai, Costa Rica, en Tohoku) met de locaties en het watergehalte van hydromineralen, voorspeld op basis van de leeftijd van de plaat en de thermische structuur. De diepte en de geometrie van de seismiciteit komen overeen met de voorspelde verdeling van verschillende waterhoudende fasen. In de koudste zone, Tohoku, omringen dubbele seismische vlakken de koude kern van de plaat: de zones naderen elkaar, volgen bijna de isothermen, maar doorsnijden deze in feite onder een ondiepe hoek (zie ook Kita et al., 2006). Antigoriet serpentiniet, een van de meest stabiele hydraterende fasen, is de belangrijkste component in koelere platen op middellange dieptes en wordt verondersteld geleidelijk te dehydrateren tot ongeveer 200 km. Yamasaki en Seno (2003) verkregen een soortgelijk resultaat door het analyseren van dubbele seismische zones in zes subductiezones. Deze studies leveren sterke aanwijzingen voor dehydratieverbrossing als het mechanisme voor tussentijdse aardbevingen tot misschien 250 km (Hacker et al., 2003 en Yamasaki en Seno, 2003). Dubbele seismische zones lijken gemakkelijker te detecteren in koelere platen, waarschijnlijk omdat de twee lagen verder uit elkaar liggen.

Dubbele seismische zones zijn ook waargenomen beneden 300 km diepte. Wiens et al. (1993) hebben hypocentra met P, pP, en PKP aankomsten verplaatst en hebben een diepe dubbele seismische zone in Tonga opgelost van 350 tot 460 km, met ongeveer 30 km tussen de twee lagen. De spanningstoestand voor de dubbele Tonga-zone is ruwweg tegengesteld aan de toestand die typisch is op middellange diepten. Iidaka en Furukawa (1994) hebben in de subductiezone van Izu Bonin met behulp van S-P omgezette fasen aan de bovengrens van de plaat twee vlakken ontdekt die ongeveer 25 km uit elkaar liggen. De dubbele zone strekt zich uit van ongeveer 300 tot 450 km diepte, dat wil zeggen onder het seismiciteitsminimum, dat in de Izu Bonin-plaat voorkomt in het anomalisch ondiepe gebied van 200-300 km. De bovenste laag ligt 15-20 km onder het bovenoppervlak van de plaat. De dubbele zone komt voor in hetzelfde gebied waar Iidaka en Suetsugu (1992) uit reistijden een seismisch langzame kern van de plaat afleidden (zie bespreking in Green en Houston, 1995). Beide gevallen werden geïnterpreteerd als bewijs voor transformationele breukvorming aan de boven- en onderrand van een metastabiele olivijnwig (Iidaka en Furukawa, 1994; Wiens et al., 1993). Een vergelijking van de gemodelleerde spanningen als gevolg van een metastabiele wig met de karakteristieken van de diepe dubbele zone in Tonga suggereerde dat de onderste seismische zone zich ver onder een veronderstelde metastabiele wig zou kunnen bevinden, hetgeen de werking van twee breukmechanismen zou impliceren (Guest et al., 2004).