4.13.5.1 Zonas sísmicas dobles
En varias zonas de subducción, la sismicidad de profundidad intermedia se produce en dos capas de hasta 40 km de distancia, separadas verticalmente por una región asísmica (Figura 14). Estas zonas sísmicas dobles se han detectado hasta ahora a profundidades intermedias en lugares locales de Japón, Tonga, Kamchatka, Alaska, Chile, Nueva Bretaña, Nueva Zelanda, México y Cascadia (por ejemplo, Abers, 1992; Cassidy y Waldhauser, 2003; Comte y Suárez, 1994; Gorbatov et al., 1994; Hasegawa et al., 1994; Kawakatsu, 1986; Pardo y Suárez, 1995; Rietbrock y Waldhauser, 2004; Robinson, 1986). En las zonas dobles mejor resueltas del noreste de Japón (Hasegawa et al., 1994) y de Kamchatka (Gorbatov et al., 1994; Kao y Chen, 1994), la zona inferior es sísmicamente activa entre 30 y 180 km de profundidad, por debajo de la cual se fusiona con la zona superior. El análisis sistemático de un catálogo de sismicidad global reveló evidencias de distribuciones bimodales de sismicidad en relación con la superficie de la losa, consistentes con zonas sísmicas dobles en 30 segmentos de 16 zonas de subducción (Brudzinski et al., 2007). La separación oscila entre 8 y 30 km con una tendencia a aumentar con la edad de la losa; este resultado es coherente con la deshidratación del basalto y la antigorita que permite la fragilidad por deshidratación en las zonas superior e inferior, respectivamente (Brudzinski et al., 2007).
Figura 14. Secciones transversales que representan las relaciones entre la estructura térmica, la petrología prevista y la localización de los terremotos en la zona de subducción de Tohoku (Japón). (a) Estructura térmica mostrada con isotermas sólidas cada 200°. Los círculos desplazados muestran los estados de tensión inferidos a partir de Igarashi et al. (2001). (b) Comparación de la petrología predicha por la estructura térmica con las localizaciones hipocéntricas. La zona inferior de una zona sísmica doble bien desarrollada sigue las localizaciones predichas de las regiones de serpentinita.
Adaptado de Hacker BR, Peacock SM, Abers GA, y Holloway SD (2003) Subduction factory 2. ¿Están los terremotos de profundidad intermedia en las losas en subducción relacionados con las reacciones de deshidratación metamórfica? Journal of Geophysical Research 108: 24627-24637. http://dx.doi.org/10.1029/2001JB001129.
Los mecanismos focales indican que la mayoría de las zonas dobles sísmicas son consistentes con la compresión hacia abajo en la zona superior y la tensión hacia abajo en la zona inferior. Esto es consistente con un modelo de tensiones producidas por la flexión de la losa a medida que se endereza por debajo de la litosfera que la sobrepasa, y este modelo ha proporcionado la explicación convencional de las tensiones que causan las zonas dobles (por ejemplo, Isacks y Barazangi, 1977; Kawakatsu, 1986). Pero la sismicidad de la zona doble continúa mucho después de que la losa se haya enderezado. Tal vez podría tratarse de un pequeño hundimiento. Además, las zonas dobles situadas bajo Alaska (Abers, 1992) y Nueva Zelanda (Robinson, 1986) tienen ambas capas en tensión descendente, mientras que en las situadas bajo México (Pardo y Suárez, 1995) y el norte de Chile (Comte y Suárez, 1994), la zona superior está en tensión descendente y la inferior aparece en compresión descendente. En el noreste de Japón, Igarashi et al. (2001) detectaron un tercer plano sísmico entre 5 y 10 km por encima del plano superior en compresión descendente; el tercer y más alto plano parece encontrarse en la superficie superior de la losa descendente y justo debajo de ella. Consiste en terremotos de empuje de bajo ángulo interplaca cerca de la superficie superior de la losa descendente de 30 a 60 km de profundidad, pasando a mecanismos de falla normal intraplaca (tensional descendente) dentro de la corteza superior de 60 a 110 km de profundidad (Igarashi et al., 2001; Kita et al., 2006). Una zona similar de tres planos puede estar presente en Kamchatka, donde Gorbatov et al. (1994) encontraron un puñado de eventos análogos a los eventos tensionales descendentes en el plano superior (tercero). Por lo tanto, debe haber tensiones extensionales alrededor de la superficie de la losa, que no pueden ser explicadas únicamente por la flexión de la placa a gran escala. Las heterogeneidades de tensiones debidas a la estratificación petrológica de la losa pueden proporcionar una explicación, es decir, el estado de tensiones extensionales del plano superior (tercero) podría estar asociado a la formación de eclogitas, mientras que el estado de tensiones de los otros planos puede estar causado en gran medida por la no flexión (Kita et al., 2006; Wang, 2002). Kita et al. (2010) invirtieron los mecanismos focales de las losas en el noreste de Japón para las orientaciones de los esfuerzos, con el fin de estimar la ubicación del plano neutro entre las capas compresionales y extensionales descendentes. Obtuvieron un plano neutro menos profundo por debajo de la superficie de la losa en Hokkaido que en Tohoku y sugieren que una cuña de olivino metaestable más pequeña y menos desarrollada bajo Hokkaido proporciona menos flotabilidad para contrarrestar la extensión general hacia abajo en profundidades intermedias ejercida por la tracción de la losa. Kao y Chen (1994) propusieron que la compresión responsable del plano inferior de la zona doble de Kamchatka se transmite a profundidades intermedias desde la base del manto superior.
En el caso de muchas zonas dobles, está claro que la zona sísmica inferior debe encontrarse en las profundidades de la litosfera del manto en subducción, lo que plantea la cuestión de cómo puede hidratarse la litosfera del manto oceánico originalmente seca. Peacock (2001) sugirió que las fallas normales asociadas a la flexión en la elevación exterior y la fosa permiten la infiltración de agua a decenas de kilómetros en la litosfera oceánica. La evidencia de una falla normal generalizada relacionada con la flexión que penetra al menos 20 km de profundidad en la placa se observa en lugares a lo largo de la fosa de América Central (Ranero et al., 2003). Cerca de la fosa, los datos de reflexión revelan alrededor de 1,5 fallas por kilómetro con desplazamientos de 100-1000 m. Una estimación de la cantidad de agua en la losa que subduce en la fosa de América Central sugiere que la parte del manto serpentinizado de la losa puede contener tanta agua ligada químicamente como la parte de la corteza de la losa (Ranero et al., 2003). Además, los patrones de orientación de dichas fallas son similares a los de la sismicidad de profundidad intermedia en las zonas de subducción de América Central y Chile (Ranero et al., 2005), lo que sugiere que la sismicidad intermedia se produce en fallas preexistentes.
Hacker et al. (2003) compararon la morfología de la sismicidad de profundidad intermedia para cuatro zonas de subducción (Cascadia, Nankai, Costa Rica y Tohoku) con las ubicaciones y el contenido de agua de los minerales hidroeléctricos, predichos en base a la edad de la losa y la estructura térmica. La profundidad y la geometría de la sismicidad son coherentes con la distribución prevista de varias fases hidrosas. En la zona más fría, Tohoku, los planos dobles de sismicidad rodean el núcleo frío de la losa: las zonas se aproximan entre sí, casi siguiendo las isotermas, pero en realidad las atraviesan en un ángulo poco profundo (véase también Kita et al., 2006). La serpentinita antigorita, una de las fases hídricas más estables, es el componente principal en las losas más frías a profundidades intermedias y se cree que se deshidrata progresivamente hasta unos 200 km. Yamasaki y Seno (2003) obtuvieron un resultado similar analizando zonas sísmicas dobles en seis zonas de subducción. Estos estudios proporcionan pruebas sólidas de que la fragilidad por deshidratación es el mecanismo de los terremotos intermedios hasta quizás 250 km (Hacker et al., 2003 y Yamasaki y Seno, 2003). Las zonas sísmicas dobles parecen ser más fáciles de detectar en losas más frías, probablemente porque las dos capas están más separadas.
También se han observado zonas sísmicas dobles por debajo de los 300 km de profundidad. Wiens et al. (1993) reubicaron los hipocentros con llegadas P, pP y PKP y resolvieron una zona sísmica doble profunda en Tonga de 350 a 460 km, con unos 30 km de separación entre las dos capas. El estado de tensión de la zona doble de Tonga es aproximadamente opuesto al estado típico de las profundidades intermedias. Iidaka y Furukawa (1994) detectaron dos planos separados por unos 25 km en la zona de subducción de Izu Bonin utilizando fases de conversión S-P en el límite superior de la losa. La zona doble se extiende desde unos 300 a 450 km de profundidad, es decir, por debajo del mínimo de sismicidad, que en la losa de Izu Bonin se produce en el rango anómalo de 200-300 km de profundidad. La capa superior se encuentra a 15-20 km por debajo de la superficie superior de la losa. La zona doble se produce en la misma región en la que Iidaka y Suetsugu (1992) dedujeron un núcleo sísmicamente lento de la losa a partir de los tiempos de recorrido (véase la discusión en Green y Houston, 1995). Ambos casos fueron interpretados como evidencia de una falla de transformación en los bordes superior e inferior de una cuña de olivino metaestable (Iidaka y Furukawa, 1994; Wiens et al., 1993). Una comparación de las tensiones modeladas debido a una cuña metaestable con las características de la zona doble profunda en Tonga sugirió que la zona sísmica inferior puede residir muy por debajo de una hipotética cuña metaestable, lo que implicaría el funcionamiento de dos mecanismos de ruptura (Guest et al., 2004).