4.13.5.1 Zone seismice duble

Mecanismele focale indică faptul că majoritatea zonelor duble seismice sunt în concordanță cu compresia descendentă în zona superioară și tensiunea descendentă în zona inferioară. Acest lucru este în concordanță cu un model de tensiuni produse de neîndoirea plăcii pe măsură ce aceasta se îndreaptă sub litosfera care se suprapune, iar acest model a furnizat explicația convențională a tensiunilor care cauzează zonele duble (de exemplu, Isacks și Barazangi, 1977; Kawakatsu, 1986). Dar seismicitatea zonelor duble continuă mult după ce placa s-a îndreptat. Poate că ar putea fi implicată o curbură minoră. În plus, zonele duble de sub Alaska (Abers, 1992) și Noua Zeelandă (Robinson, 1986) au ambele straturi în tensiune descendentă, în timp ce pentru cele de sub Mexic (Pardo și Suarez, 1995) și nordul Chile (Comte și Suárez, 1994), zona superioară este în tensiune descendentă, iar zona inferioară apare în compresie descendentă. În nord-estul Japoniei, Igarashi et al. (2001) au detectat un al treilea plan seismic la 5 până la 10 km deasupra planului superior de compresie descendentă; cel de-al treilea și cel mai înalt plan pare să se afle la și chiar sub suprafața superioară a plăcii descendente. Acesta constă în cutremure de împingere cu unghiuri joase între plăci, în apropierea suprafeței superioare a plăcii descendente, de la 30 până la 60 km adâncime, trecând la mecanisme de faliere normală intraplacă (tensională down-dip) în interiorul scoarței superioare de la 60 până la 110 km adâncime (Igarashi et al., 2001; Kita et al., 2006). O zonă similară cu trei planuri poate fi prezentă în Kamchatka, unde Gorbatov et al. (1994) au descoperit o mână de evenimente analoge evenimentelor tensionale down-dip în cel mai înalt (al treilea) plan. Prin urmare, trebuie să existe tensiuni de extensie în jurul suprafeței plăcii, care nu pot fi explicate doar prin dezgolirea plăcii pe scară largă. Eterogenitățile de tensiuni datorate stratificării petrologice a plăcii pot oferi o explicație, adică starea de tensiune extensională din planul cel mai superior (al treilea) ar putea fi asociată cu formarea ecloziților, în timp ce starea de tensiune din celelalte planuri poate fi cauzată în mare parte de neîndoire (Kita et al., 2006; Wang, 2002). Kita et al. (2010) au inversat mecanismele focale ale plăcilor din nord-estul Japoniei pentru orientarea tensiunilor, pentru a estima locația planului neutru dintre straturile de compresiune descendentă și cele de extensiune descendentă. Aceștia au obținut un plan neutru mai puțin adânc sub suprafața plăcii în Hokkaido decât în Tohoku și sugerează că o cuantă de olivină metastabilă mai mică și mai puțin dezvoltată sub Hokkaido oferă mai puțină flotabilitate pentru a contracara extensia generală în jos în jos la adâncimi intermediare exercitată de tragerea plăcii. Kao și Chen (1994) au propus că compresia responsabilă pentru planul inferior al zonei duble din Kamchatka este transmisă la adâncimi intermediare de la baza mantalei superioare.

Pentru multe zone duble, este clar că zona seismică inferioară trebuie să se afle la adâncimi mari în litosfera mantalei în subducție, ceea ce ridică problema modului în care litosfera mantalei oceanice, inițial uscată, poate deveni hidratată. Peacock (2001) a sugerat că falia normală asociată cu îndoirea la ridicarea exterioară și la șanț permite infiltrarea apei pe zeci de kilometri în litosfera oceanică. Dovezi ale unei falii normale omniprezente legate de încovoiere, care pătrunde la cel puțin 20 km adâncime în placă, sunt observate în situri de-a lungul șanțului Americii Centrale (Ranero et al., 2003). În apropierea șanțului, datele de reflexie relevă aproximativ 1,5 falii pe kilometru, cu decalaje de 100-1000 m. O estimare a cantității de apă din placa în subducție la nivelul șanțului Americii Centrale sugerează că porțiunea de mantaua serpentinizată a plăcii ar putea conține la fel de multă apă legată chimic ca și porțiunea de crustă a plăcii (Ranero et al., 2003). În plus, modelele de orientare ale acestor falii sunt similare cu cele ale seismicității de adâncime intermediară din zonele de subducție din America Mijlocie și Chile (Ranero et al., 2005), sugerând că seismicitatea intermediară se produce pe falii preexistente.

Hacker et al. (2003) au comparat morfologia seismicității de adâncime intermediară pentru patru zone de subducție (Cascadia, Nankai, Costa Rica și Tohoku) cu locațiile și conținutul de apă al mineralelor hidrice, prezise pe baza vârstei plăcii și a structurii termice. Adâncimea și geometria seismicității sunt în concordanță cu distribuția prezisă a mai multor faze hidrice. În cea mai rece zonă, Tohoku, planurile duble de seismicitate înconjoară nucleul rece al plăcii: zonele se apropie una de cealaltă, urmând aproape izotermele, dar tăindu-le de fapt la un unghi puțin adânc (a se vedea și Kita et al., 2006). Serpentinitul antigorit, una dintre cele mai stabile faze hidrice, este componenta principală în plăcile mai reci de la adâncimi intermediare și se crede că se deshidratează progresiv până la aproximativ 200 km. Yamasaki și Seno (2003) au obținut un rezultat similar analizând zonele seismice duble din șase zone de subducție. Aceste studii oferă dovezi puternice pentru fragilizarea prin deshidratare ca mecanism pentru cutremurele intermediare până la probabil 250 km (Hacker et al., 2003 și Yamasaki și Seno, 2003). Zonele seismice duble par mai ușor de detectat în plăcile mai reci, probabil pentru că cele două straturi sunt mai îndepărtate.

Zonele seismice duble au fost observate, de asemenea, sub 300 km adâncime. Wiens et al. (1993) au relocalizat hipocentrele cu sosiri P, pP și PKP și au rezolvat o zonă seismică dublă de adâncime în Tonga de la 350 la 460 km, cu aproximativ 30 km care separă cele două straturi. Starea de tensiune pentru zona dublă din Tonga este aproximativ opusă stării tipice la adâncimi intermediare. Iidaka și Furukawa (1994) au detectat două planuri la o distanță de aproximativ 25 km una de alta în zona de subducție Izu Bonin, folosind faze convertite S-P la limita superioară a plăcii. Zona dublă se întinde de la aproximativ 300 până la 450 km adâncime, adică sub minimul de seismicitate, care în placa Izu Bonin apare în intervalul de adâncime anomal de 200-300 km. Stratul superior se află la 15-20 km sub suprafața superioară a plăcii. Zona dublă apare în aceeași regiune în care Iidaka și Suetsugu (1992) au dedus un nucleu al plăcii lent din punct de vedere seismic pe baza timpilor de deplasare (a se vedea discuția din Green și Houston, 1995). Ambele cazuri au fost interpretate ca dovezi ale unei falii transformaționale pe marginile superioare și inferioare ale unei pene metastabile de olivină (Iidaka și Furukawa, 1994; Wiens et al., 1993). O comparație a tensiunilor modelate datorate unei pene metastabile cu caracteristicile zonei duble profunde din Tonga a sugerat că zona seismică inferioară poate să locuiască mult sub o ipoteză de pene metastabile, ceea ce ar implica funcționarea a două mecanisme de rupere (Guest et al., 2004).

.