Deformation microstructures of chlorite peridotite: Implications for seismic anisotropy and intermediate-depth earthquakes

Abstract

To understand seismic anisotropy and mechanism of intermediate-depth earthquakes observed in subduction zones, microstructures of naturally and experimentally deformed chlorite peridotite were studied. As the first step, chlorite peridotite from Almklovdalen, southwest Norway was analyzed. Olivine showed previously reported lattice preferred orientation (LPO) types and chlorite showed two different LPO types, named as type-1 and type-2. The type-1 chlorite LPO is characterized by the [001] axes aligned subnormal to the foliation, and the type-2 chlorite LPO is characterized by a girdle distribution of the [001] axes subnormal to the lineation. Chlorite had much stronger LPOs than olivine, and affected much more on seismic anisotropy in subduction zones. The polarization direction of the fast S-wave rotated 90° depending on the dip angle (θ) in subducting slab. Low angle (θ ≤ 45°) subducting slab can contribute to trench-normal seismic anisotropy, and high angle (θ > 50°) subducting slab can contribute to trench-parallel seismic anisotropy. As the second step, high pressure-temperature (P-T) deformation experiments were conducted to find out the mechanism for causing the two different LPOs of chlorite. Under high P-T conditions (P = 0.5–2.5 GPa, T = 540–720 °C, γ = 1.7–6.3), simple shear deformation experiments of chlorite peridotite produced two different types of chlorite LPO. The type-1 chlorite LPO developed under low shear strain (γ ≤ 3.1±0.3), producing trench-parallel seismic anisotropy. The type-2 chlorite LPO developed under high shear strain (γ ≥ 5.1±1.5), producing trench-normal seismic anisotropy. As the final step, dehydration embrittlement of chlorite was studied to understand the mechanism of intermediate-depth (50–300 km) earthquakes in subduction zones. Deformation experiments of chlorite peridotite were conducted under high P-T conditions (P = 0.5–2.5 GPa, T = 500–750 °C). Partial dehydration of chlorite was observed under high pressure conditions (1.5 ≤ P ≤ 2.5 GPa), with fault microstructures and Ca-amphibole which was dehydration product. Because the phase of chlorite peridotite is predicted stable over double seismic zone of subducting slabs, this result shows chlorite can be the mineral which triggers intermediate-depth earthquakes in double seismic zone.

섭입대에서 관찰되는 중발지진과 지진파 이방성을 이해하기 위해 녹니석 페리도타이트의 변형미구조에 대한 자연암석과 변형실험에 대한 연구를 수행하였다. 첫번째 단계로서 노르웨이 Almklovdalen지역 녹니석 페리도타이트의 변형미구조를 연구한 결과 과거 보고되었던 감람석의 A, B, C, E타입 격자선호방향과 더불어 녹니석의 두가지 다른 격자선호방향을 발견해 타입 1, 타입 2로 명명했다. 녹니석의 타입 1 격자선호방향은 [001]축이 엽리에 아수직한 방향으로 배열되어 있으며, 타입 2 격자선호방향은 [001]축이 선구조에 수직한 방향을 둘러싸는 모양으로 분포하고 있다. 녹니석의 격자선호방향은 감람석보다 더 강하게 형성되어 섭입대의 지진파 이방성에 큰 영향을 미쳤다. 특히 빠른 S파의 편파방향이 슬랩의 섭입각에 따라 90도까지 회전하는 것으로 나타났다. 45도 이하의 작은 섭입각에서는 해구에 수직한 지진파 이방성이 형성되었으며 50도를 넘는 큰 섭입각에서는 해구에 평행한 지진파 이방성이 형성되었다. 두번째 단계로서 녹니석의 두가지 격자선호방향이 형성되는 조건을 밝혀내기 위한 고온 고압 암석변형실험이 수행되었다. 0.5~2.5GPa, 540~720℃의 온도 압력 조건 하에서 녹니석 페리도타이트의 단순전단 변형실험으로 녹니석의 두가지 다른 격자선호방향이 생성되었다. 녹니석의 타입 1 격자선호방향은 3.1±0.3 이하의 작은 전단변형 조건에서 형성되어 해구에 평행한 지진파 이방성 편파방향을 만들어냈으며, 녹니석의 타입 2 격자선호방향은 5.1±1.5 이상의 큰 전단변형 조건에서 형성되어 해구에 수직한 지진파 이방성 편파방향을 만들어냈다. 마지막 단계로서 중발지진(50~300km) 발생을 설명하기 위한 녹니석의 탈수약화작용을 연구하였다. 0.5~2.5GPa, 500~750℃의 온도 압력 조건 하에서 녹니석 페리도타이트 암석변형실험이 수행되었다. 1.5~2.5GPa의 고압조건 하에서 녹니석의 부분탈수반응이 관찰되었다. 탈수반응의 결과 Ca각섬석이 생성되었고 그에 따라 단층 구조가 형성되었다. 섭입대에서 녹니석 페리도타이트상은 이중 지진성 지역(double seismic zone)을 포함한 영역에서 안정하게 존재할 것으로 생각되기 때문에, 이 실험 결과로서 녹니석이 이중 지진성 지역의 중발지진을 설명하는데 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.