Seismogenic zone structure beneath the Nicoya Peninsula, Costa Rica, from three-dimensional local earthquake P- and S-wave tomography

Abstract

The subduction plate interface along the Nicoya Peninsula, Costa Rica, generates damaging large (Mw > 7.5) earthquakes. We present hypocenters and 3-D seismic velocity models (VP and VP/VS) calculated using simultaneous inversion of P- and S-wave arrival time data recorded from small magnitude, local earthquakes to elucidate seismogenic zone structure. In this region, interseismic cycle microseismicity does not uniquely define the potential rupture extent of large earthquakes. Plate interface microseismicity extends from 12 to 26 and from 17 to 28 km below sea level beneath the southern and northern Nicoya Peninsula, respectively. Microseismicity offset across the plate suture of East Pacific Rise-derived and Cocos-Nazca Spreading Center derived oceanic lithosphere is ∼5 km, revising earlier estimates suggesting ∼10 km of offset. Interplate seismicity begins downdip of increased locking along the plate interface imaged using GPS and a region of low VP along the plate interface. The downdip edge of plate interface microseismicity occurs updip of the oceanic slab and continental Moho intersection, possibly due to the onset of ductile behaviour. Slow forearc mantle wedge Pwave velocities suggest 20–30 per cent serpentinization across the Nicoya Peninsula region while calculated VP/VS values suggest 0–10 per cent serpentinization. Interpretation of VP/VS resolution at depth is complicated however due to ray path distribution.We posit that the forearc mantle wedge is regionally serpentinized but may still be able to sustain rupture during the largest seismogenic zone earthquakes.La interfaz de placas de subducción a lo largo de la Península de Nicoya, Costa Rica, genera grandes terremotos dañinos (Mw > 7,5). Presentamos hipocentros y modelos tridimensionales de velocidad sísmica (VP y VP/VS) calculados utilizando la inversión simultánea de datos de tiempos de llegada de ondas P y S registrados en terremotos locales de pequeña magnitud para dilucidar la estructura de la zona sismogénica. En esta región, la microsismicidad del ciclo intersísmico no define únicamente el alcance potencial de ruptura de los grandes terremotos. La microsismicidad de la interfaz de placas se extiende de 12 a 26 y de 17 a 28 km bajo el nivel del mar debajo del sur y norte de la península de Nicoya, respectivamente. El desplazamiento de la microsismicidad a través de la sutura de la placa de la litosfera oceánica derivada del East Pacific Rise y del Cocos-Nazca Spreading Center es de ~5 km, lo que revisa estimaciones anteriores que sugieren ~10 km de desplazamiento. La sismicidad entre placas comienza echado abajo del aumento del bloqueo a lo largo de la interfaz de la placa fotografiada con GPS y una región de baja VP a lo largo de la interfaz de la placa. El borde echado hacia abajo de la microsismicidad de la interfaz de la placa ocurre echado hacia arriba de la losa oceánica y la intersección del Moho continental, posiblemente debido al inicio del comportamiento dúctil. Las velocidades lentas de la onda P de la cuña del manto del antearco sugieren una serpentinización del 20 al 30 por ciento en toda la región de la península de Nicoya, mientras que los valores calculados de VP/VS sugieren una serpentinización del 0 al 10 por ciento. Sin embargo, la interpretación de la resolución VP/VS en profundidad es complicada debido a la distribución de la trayectoria de los rayos. Postulamos que la cuña del manto del antearco está serpentinizada regionalmente, pero aún puede sostener la ruptura durante los terremotos más grandes de la zona sismogénica.