4.13.5.1 Podwójne strefy sejsmiczne

Mechanizmy ogniskowe wskazują, że większość sejsmicznych podwójnych stref jest zgodna z kompresją w dół w górnej strefie i napięciem w dół w dolnej strefie. Jest to zgodne z modelem naprężeń wytwarzanych przez wyginającą się płytę pod nadrzędną litosferą i model ten dostarczył konwencjonalnego wyjaśnienia naprężeń powodujących powstawanie podwójnych stref (np. Isacks i Barazangi, 1977; Kawakatsu, 1986). Jednak sejsmiczność w podwójnych strefach utrzymuje się długo po tym, jak płyta się wyprostowała. Być może w grę może wchodzić niewielkie ugięcie. Co więcej, podwójne strefy pod Alaską (Abers, 1992) i Nową Zelandią (Robinson, 1986) mają obie warstwy w napięciu w dół, podczas gdy w przypadku stref pod Meksykiem (Pardo i Suarez, 1995) i północnym Chile (Comte i Suárez, 1994), górna strefa jest w napięciu w dół, a dolna wydaje się być w kompresji w dół. W północno-wschodniej Japonii, Igarashi et al. (2001) wykryli trzecią płaszczyznę sejsmiczną 5 do 10 km powyżej górnej płaszczyzny kompresji w dół; trzecia i najwyższa płaszczyzna wydaje się leżeć na i tuż pod górną powierzchnią schodzącej płyty. Składa się ona z międzypłytowych nisko-kątowych trzęsień ziemi w pobliżu górnej powierzchni zstępującej płyty na głębokości od 30 do 60 km, przechodzących w wewnątrzpłytowe normalne mechanizmy uskokowe (rozciągające w dół) w górnej skorupie na głębokości od 60 do 110 km (Igarashi i in., 2001; Kita i in., 2006). Podobna trójpłaszczyznowa strefa może występować na Kamczatce, gdzie Gorbatov et al. (1994) znaleźli kilka zdarzeń analogicznych do zdarzeń napięciowych w dół w najwyższej (trzeciej) płaszczyźnie. Tak więc, wokół powierzchni płyty muszą istnieć naprężenia rozciągające, których nie można wyjaśnić jedynie przez wielkoskalowe ugięcie płyty. Wyjaśnienia może dostarczyć niejednorodność naprężeń wynikająca z petrologicznego uwarstwienia płyty, to znaczy, że rozciągający stan naprężeń w najwyższej (trzeciej) płaszczyźnie może być związany z formowaniem się eklogitów, podczas gdy stan naprężeń w pozostałych płaszczyznach może być w dużej mierze spowodowany niewyginaniem się płyty (Kita et al., 2006; Wang, 2002). Kita et al. (2010) dokonali inwersji mechanizmów ognisk płytowych w północno-wschodniej Japonii dla orientacji naprężeń w celu oszacowania położenia płaszczyzny neutralnej pomiędzy warstwami ściskającymi w dół i rozciągającymi w dół. Uzyskali oni płytszą płaszczyznę neutralną poniżej powierzchni płyty w Hokkaido niż w Tohoku i sugerują, że mniejszy, słabiej rozwinięty metastabilny klin oliwinowy pod Hokkaido zapewnia mniejszą siłę wyporu, aby przeciwdziałać ogólnej ekspansji w dół na średnich głębokościach, wywieranej przez ciągnięcie płyty. Kao i Chen (1994) zaproponowali, że kompresja odpowiedzialna za dolną płaszczyznę podwójnej strefy na Kamczatce jest przenoszona na pośrednie głębokości z podstawy górnego płaszcza.

W przypadku wielu podwójnych stref jest jasne, że dolna strefa sejsmiczna musi leżeć głęboko w subdukującej litosferze płaszcza, co rodzi pytanie, w jaki sposób pierwotnie sucha oceaniczna litosfera płaszcza może stać się uwodniona. Peacock (2001) zasugerował, że normalne uskoki związane z ugięciami w zewnętrznym wypiętrzeniu i rowie umożliwiają infiltrację wody na dziesiątki kilometrów w głąb litosfery oceanicznej. Dowody na wszechobecne uskoki normalne związane ze zginaniem, które wnikają na głębokość co najmniej 20 km w głąb płyty, są widoczne w miejscach wzdłuż Rowu Środkowoamerykańskiego (Ranero i in., 2003). W pobliżu rowu dane refleksyjne ujawniają około 1,5 uskoku na kilometr z przesunięciami 100-1000 m. Szacunkowa ocena ilości wody w płycie subdukującej w Rowie Środkowoamerykańskim sugeruje, że zserpentynizowana część płaszcza płyty może zawierać tyle samo chemicznie związanej wody, co część skorupowa płyty (Ranero i in., 2003). Co więcej, wzory orientacji takich uskoków są podobne do wzorów sejsmiczności pośredniej głębokości w strefach subdukcji Ameryki Środkowej i Chile (Ranero i in., 2005), co sugeruje, że sejsmiczność pośrednia występuje na wcześniej istniejących uskokach.

Hacker et al. (2003) porównali morfologię sejsmiczności pośredniej głębokości dla czterech stref subdukcji (Cascadia, Nankai, Costa Rica i Tohoku) z lokalizacjami i zawartością wody w minerałach wodonośnych, przewidywanymi na podstawie wieku płyty i struktury termicznej. Głębokość i geometria sejsmiczności są zgodne z przewidywanym rozkładem kilku faz wodorowych. W najzimniejszej strefie, Tohoku, podwójne płaszczyzny sejsmiczności otaczają zimne jądro płyty: strefy zbliżają się do siebie, prawie podążając za izotermami, ale w rzeczywistości przecinają je pod płytkim kątem (patrz również Kita et al., 2006). Serpentynit antygorytowy, jedna z najbardziej stabilnych faz wodorowych, jest głównym składnikiem chłodniejszych płyt na średnich głębokościach i uważa się, że ulega stopniowej dehydratacji do około 200 km. Yamasaki i Seno (2003) uzyskali podobny wynik analizując podwójne strefy sejsmiczne w sześciu strefach subdukcji. Badania te dostarczają mocnych dowodów na kruchość dehydratacyjną jako mechanizm pośrednich trzęsień ziemi do około 250 km (Hacker i in., 2003 oraz Yamasaki i Seno, 2003). Podwójne strefy sejsmiczne wydają się łatwiejsze do wykrycia w chłodniejszych płytach, prawdopodobnie dlatego, że dwie warstwy są od siebie bardziej oddalone.

Podwójne strefy sejsmiczne zostały również zaobserwowane poniżej 300 km głębokości. Wiens et al. (1993) przemieścili hipocentra z przybyszami P, pP i PKP i rozwiązali głęboką podwójną strefę sejsmiczną w Tonga od 350 do 460 km, z około 30 km oddzielającymi dwie warstwy. Stan naprężenia w podwójnej strefie Tonga jest w przybliżeniu przeciwny do stanu typowego dla głębokości pośrednich. Iidaka i Furukawa (1994) wykryli dwie płaszczyzny oddalone od siebie o około 25 km w strefie subdukcji Izu Bonin wykorzystując fazy przekształcone S-P na górnej granicy płyty. Podwójna strefa rozciąga się od około 300 do 450 km głębokości, to jest poniżej minimum sejsmiczności, które w płycie Izu Bonin występuje w anomalnie płytkim przedziale 200-300 km. Górna warstwa leży 15-20 km poniżej górnej powierzchni płyty. Podwójna strefa występuje w tym samym regionie, w którym Iidaka i Suetsugu (1992) wnioskowali o sejsmicznie wolnym jądrze płyty na podstawie czasów podróży (patrz dyskusja w Green i Houston, 1995). Oba te przypadki zostały zinterpretowane jako dowód na uskok transformacyjny na górnych i dolnych krawędziach metastabilnego klina oliwinowego (Iidaka i Furukawa, 1994; Wiens et al., 1993). Porównanie modelowanych naprężeń związanych z klinem metastabilnym z charakterystyką głębokiej strefy podwójnej w Tonga sugeruje, że dolna strefa sejsmiczna może znajdować się znacznie poniżej hipotetycznego klina metastabilnego, co implikowałoby działanie dwóch mechanizmów pękania (Guest i in., 2004).

.