Three-dimensional deep electrical resistivity structure beneath the Kii Peninsula, southwestern Japan: fluids and their contribution to seismic activities

Technische Samenvatting: Driedimensionale diepe elektrische resistiviteitsstructuur onder het Kii-schiereiland, zuidwest-Japan

Probleemstelling
Het Kii-schiereiland, gelegen in de voorboogregio van de Nankai-subductiezone, vertoont diverse seismische activiteiten, waaronder diepe laagfrequente aardbevingen (DLFEs), slab-grensaardbevingen en seismische zwermen. Deze fenomenen worden breed toegeschreven aan vloeistoffen die gedehydrateerd zijn uit de subducerende Filipijnse Zee-plaat (PHS). De relatie tussen de distributie van subsurface vloeistoffen en seismiciteit blijft echter onduidelijk vanwege tegenstrijdige eerdere geofysische modellen. Specifiek hebben eerdere studies die gebruikmaakten van Magnetotellurische (MT) methoden tegenstrijdige resultaten opgeleverd met betrekking tot de elektrische resistiviteit van DLFE-bronzones: sommige rapporteerden lage-resistiviteitszones (Yamaguchi et al., 2009), terwijl andere hoge-resistiviteitszones identificeerden (Kinoshita et al., 2017). Bovendien vertrouwden eerdere onderzoeken zwaar op 2-D-analyse, wat onvoldoende kan zijn gezien de complexe 3-D bathymetrie en kustlijn van het Kii-schiereiland. Deze studie beoogt deze inconsistenties op te lossen door een 3-D diepe elektrische resistiviteitsstructuur te schatten om het vloeistofvoorzieningssysteem en de bijdrage ervan aan seismische activiteiten te verduidelijken.

Methodologie
De auteurs gebruikten de Network-MT methode, die commerciële metalen telefoonlijnen gebruikt om spanningsverschillen over lange baselines (10–30 km) te meten. Deze aanpak biedt een hoge signaal-ruisverhouding, brede periodebereiken (tot 50.000 s) en een verminderde gevoeligheid voor ondiepe galvanische distorties in vergelijking met conventionele MT-metingen.

• Data-acquisitie: Geoelektrische potentiaalverschillen werden geregistreerd bij 54 centrale stations over het Kii-schiereiland van maart 2002 tot maart 2004. Magnetische veldgegevens werden verkregen van een lokale locatie (SNK) en twee afgelegen observatoria (Kakioka en Kanoya).
• Dataverwerking: Responsfuncties werden in drie stappen geschat: het berekenen van Network-MT responsen relatief aan een afgelegen magnetische station (KNY), het bepalen van inter-station magnetische transferfuncties, en het afleiden van de uiteindelijke responsfuncties relatief aan het lokale magnetische station (SNK).
• Inversie: Een 3-D inversie werd uitgevoerd met behulp van de FEMTIC-code. De modelruimte besloeg 5000 km × 5000 km met een centraal doelgebied van 114 km × 104 km. De roosterresolutie varieerde van 2 × 2 km in het centrum tot 900 km op diepte.
• Constraints: Om de onzekerheid van de resistiviteit van de subducerende slab aan te pakken, testten de auteurs meerdere constraints: een niet-vaste slab, een "Kinoshita" constraint (vaste hoge resistiviteit), een "1-layer" constraint (vaste 30 km dikke resistente laag) en een "4-layer" constraint. Sensitiviteitstests en F-tests werden uitgevoerd om de noodzaak van geïdentificeerde resistiviteitsanomalieën te valideren.

Belangrijkste Resultaten
De studie produceerde een geprefereerd 3-D resistiviteitsmodel dat duidelijke structurele kenmerken onthulde:

1. Hoge-Resistiviteitszones (R1): Twee significante hoge-resistiviteitszones (500–20.000 Ωm), aangeduid als R1N en R1S, werden geïdentificeerd in het oostelijke Kii-schiereiland. Deze zones vormen een enkele resistente body die zich uitstrekt tot dieptes van 30–40 km.
   • Interpretatie: Deze zones correleren ruimtelijk met hoge seismische snelheidzones en grote positieve zwaartekrachtanomalieën. De auteurs interpreteren deze als de diepe extensies van de Kumano en Ohmine Plutons, bestaande uit zure gesteenten.
   • Geometrie: De plutons strekken zich naar beneden uit in een omgekeerde piramidevorm, maar hun contact met de bovenkant van de subducerende PHS-slab is ruimtelijk beperkt en komt slechts in specifieke gebieden voor (bijv. dwarsdoorsneden A-A' en C-C') in plaats van breed zoals eerder geëxtrapoleerd.
2. Lage-Resistiviteitszones (C1 en C2):
   • C1: Gelokaliseerde conductieve patches (10–100 Ωm) aan de voorboogzijde van de resistente body.
   • C2: Een breed verspreide conductieve zone (1–100 Ωm) aan de terugboogzijde.
   • Interpretatie: Deze zones worden geïnterpreteerd als vloeistofpaden. De ruimtelijke distributie van C1 komt overeen met hoge-temperatuur warmwaterbronnen en hoge $^3$He/$^4$He-ratio's, wat suggereert dat dit opstijgpaden zijn voor uit de slab gedehydrateerde vloeistoffen.
3. Correlatie met Seismiciteit:
   • DLFEs: De meeste DLFEs treden op aan de onderkant van de hoge-resistiviteitszones (3otom 30–40 km diepte), specifiek waar de plutons de bovenkant van de PHS-slab bereiken. DLFEs zijn schaars op plaatsen waar de plutons deze dieptes niet bereiken.
   • Microaardbevingen: Hypocentra zijn geconcentreerd rond de conductieve marges die de resistente plutons omringen.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert dat de lokale lithologische kenmerken van de bovenplaat, specifelijk de aanwezigheid van ondoorlatende plutonische lichamen, het diepe vloeistoftransport reguleert en de seismische activiteit beïnvloedt.

• Mechanisme van Vloeistofaccumulatie: De hoge-resistiviteit (lage permeabiliteit) Kumano en Ohmine Plutons fungeren als een ondoorlatbare barrière, die de opwaartse migratie van vloeistoffen die gedehydrateerd zijn uit de PHS-slab belemmert. Deze blokkade leidt tot de accumulatie van uit de slab gedehydrateerde vloeistoffen onder de plutons, wat resulteert in een verhoogde porievloeistofdruk.
• Generatie van DLFEs: De studie ondersteunt de hypothese dat DLFEs worden gegenereerd in zones met een hoge porievloeistofdruk die gevormd worden op de interface tussen de ondoorlatende bovenplaat (plutons) en de subducerende slab.
• Vloeistofpaden: Vloeistoffen die niet onder de plutons accumuleren, migreren langs de marges van de resistente lichamen via de omringende lage-resistiviteitszones (C1/C2). Deze "top-down controle" door geërfde plutonische structuren verklaart de ruimtelijke distributie van zowel diepe seismiciteit als oppervlakkige warmwaterbronnen.
• Methodologische Resolutie: Het verschil tussen deze studie en eerdere 2-D modellen (Yamaguchi et al., 2009) wordt toegeschreven aan de beperkingen van 2-D benaderingen in regio's met complexe 3-D bathymetrie. De 3-D Network-MT analyse biedt een nauwkeurigere representatie van de subsurface structuur.

De auteurs concluderen dat de ruimtelijke omvang van de Kumano en Ohmine Plutons relatief aan de subducerende slab een kritieke factor is bij het bepalen waar DLFEs voorkomen, waarbij zij de rol van de bovenplaat-lithologie bij het moduleren van subductiezone-seismiciteit benadrukken.