4.13.5.5.1 Dubbla seismiska zoner

Fokala mekanismer visar att majoriteten av de seismiska dubbelzonerna är förenliga med kompression nedåt i den övre zonen och spänning nedåt i den nedre zonen. Detta stämmer överens med en modell för spänningar som produceras av att plattan inte böjer sig när den rätar ut sig under den överliggande litosfären, och denna modell har utgjort den konventionella förklaringen till de spänningar som orsakar dubbelzoner (t.ex. Isacks och Barazangi, 1977; Kawakatsu, 1986). Men dubbelzonsseismiciteten fortsätter långt efter det att plattan har rätats ut. Kanske kan det röra sig om en mindre nedhängning. Dessutom har dubbelzonerna under Alaska (Abers, 1992) och Nya Zeeland (Robinson, 1986) båda skikten i spänning nedåt, medan för zonerna under Mexiko (Pardo och Suarez, 1995) och norra Chile (Comte och Suárez, 1994) är den övre zonen i spänning nedåt och den nedre zonen verkar vara i kompression nedåt. I nordöstra Japan upptäckte Igarashi et al. (2001) ett tredje seismiskt plan 5 till 10 km ovanför det övre planet med kompression i nedåtgående riktning; det tredje och översta planet tycks ligga vid och strax under den övre ytan av den nedåtgående plattan. Det består av jordbävningar mellan plattorna med lågt vinklade tryckbävningar nära den övre ytan av den nedåtgående plattan från 30 till 60 km djup, som övergår till normala förkastningsmekanismer inom plattan (nedåtriktade spänningsmekanismer) i den övre jordskorpan från 60 till 110 km djup (Igarashi m.fl., 2001; Kita m.fl., 2006). En liknande zon med tre plan kan finnas i Kamtjatka, där Gorbatov et al. (1994) hittade en handfull händelser som är analoga med de nedåtriktade spänningshändelserna i det översta (tredje) planet. Det måste alltså finnas extensionsspänningar runt plattans yta, som inte kan förklaras enbart av storskalig plattavvikelse. Spänningsheterogeniteter på grund av petrologisk skiktning av plattan kan ge en förklaring, det vill säga, det extensiva spänningstillståndet i det översta (tredje) planet kan vara förknippat med bildandet av eklogiter, medan spänningstillståndet i de andra planen till stor del kan orsakas av avböjning (Kita et al., 2006; Wang, 2002). Kita et al. (2010) inverterade plattfokusmekanismer i nordöstra Japan för spänningsriktningar för att uppskatta placeringen av det neutrala planet mellan komprimerande lager nedåt i djupet och extensiva lager nedåt i djupet i djupet. De fick fram ett grundare neutralt plan under plattans yta i Hokkaido än i Tohoku och föreslår att en mindre, mindre utvecklad metastabil olivinkil under Hokkaido ger mindre flytkraft för att motverka den allmänna nedåtriktade utvidgningen på mellandjup som utövas av plattans dragning. Kao och Chen (1994) föreslog att den kompression som är ansvarig för det nedre planet i dubbelzonen i Kamtjatka överförs till mellandjup från basen av den övre manteln.

För många dubbelzoner står det klart att den nedre seismiska zonen måste ligga djupt inne i den subducerande mantellitosfären, vilket väcker frågan om hur den ursprungligen torra oceaniska mantellitosfären kan bli hydratiserad. Peacock (2001) föreslog att normala förkastningar i samband med böjning vid den yttre upphöjningen och diket möjliggör infiltration av vatten tiotals kilometer in i den oceaniska litosfären. Bevis för utbredd böjningsrelaterad normalförskjutning som tränger minst 20 km djupt in i plattan finns på platser längs Mellanamerikagraven (Ranero et al., 2003). Nära diket avslöjar reflektionsdata cirka 1,5 förkastningar per kilometer med förskjutningar på 100-1000 m. En uppskattning av vattenmängden i plattan som subducerar vid Mellanamerikas diket tyder på att den serpentiniserade manteldelen av plattan kan innehålla lika mycket kemiskt bundet vatten som plattans skorpedel (Ranero et al., 2003). Dessutom liknar orienteringsmönstren för sådana förskjutningar de för seismicitet på mellandjup i subduktionszonerna i Mellanamerika och Chile (Ranero et al, 2005), vilket tyder på att den intermediära seismiciteten uppstår på redan existerande förkastningar.

Hacker et al. (2003) jämförde morfologin hos den intermediärt djupa seismiciteten för fyra subduktionszoner (Cascadia, Nankai, Costa Rica och Tohoku) med lokaliseringarna och vatteninnehållet i vattenhaltiga mineraler, som förutspåddes baserat på plattans ålder och termiska struktur. Seismikens djup och geometri stämmer överens med den förutspådda fördelningen av flera vattenhaltiga faser. I den kallaste zonen, Tohoku, omger dubbla plan av seismicitet plattans kalla kärna: zonerna närmar sig varandra och följer nästan isotermerna, men skär i själva verket tvärs över dem i en ytlig vinkel (se även Kita et al., 2006). Antigorit serpentinit, en av de mest stabila vattenhaltiga faserna, är huvudkomponenten i kallare plattor på mellandjup och tros dehydratisera successivt ner till cirka 200 km. Yamasaki och Seno (2003) fick ett liknande resultat genom att analysera dubbla seismiska zoner i sex subduktionszoner. Dessa studier ger starka bevis för att uttorkningsförsprödning är mekanismen för intermediära jordbävningar ner till kanske 250 km (Hacker et al., 2003 och Yamasaki och Seno, 2003). Dubbla seismiska zoner verkar lättare att upptäcka i kallare plattor, troligen på grund av att de två lagren ligger längre ifrån varandra.

Dubbla seismiska zoner har också observerats under 300 km djup. Wiens et al. (1993) omlokaliserade hypocentrar med P-, pP- och PKP-ankomster och löste upp en djup dubbel seismisk zon i Tonga från 350 till 460 km, med cirka 30 km mellan de två lagren. Spänningstillståndet för den dubbla zonen i Tonga är ungefär motsatt till det tillstånd som är typiskt för mellandjup. Iidaka och Furukawa (1994) upptäckte två plan med cirka 25 km mellanrum i subduktionszonen Izu Bonin med hjälp av S-P-omvandlade faser vid plattans övre gräns. Den dubbla zonen sträcker sig från cirka 300 till 450 km djup, det vill säga under seismicitetsminimum, som i Izu Bonin-plattan inträffar i det onormalt grunda området 200-300 km. Det övre skiktet ligger 15-20 km under plattans övre yta. Den dubbla zonen uppträder i samma region som Iidaka och Suetsugu (1992) härledde en seismiskt långsam kärna i plattan från restider (se diskussion i Green och Houston, 1995). Båda dessa fall tolkades som bevis för omvandlingsförkastningar på de övre och nedre kanterna av en metastabil olivinkil (Iidaka och Furukawa, 1994; Wiens et al., 1993). En jämförelse av de modellerade spänningarna på grund av en metastabil kil med egenskaperna hos den djupa dubbla zonen i Tonga tydde på att den nedre seismiska zonen kan befinna sig långt under en hypotes om en metastabil kil, vilket skulle innebära att två brottsmekanismer fungerar (Guest et al., 2004).