Seismic tomography and earthquake locations in the Nicaraguan and Costa Rican upper mantle

Abstract

The Central American subduction zone exhibits large variations in geochemistry, downgoing plate roughness and dip, and volcano locations over a short distance along the arc. Results from joint inversions for Vp, Vp/Vs, and hypocenters from the Tomography Under Costa Rica and Nicaragua (TUCAN) experiment give insight into its geometry and structure. In both Costa Rica and Nicaragua, the intermediate-depth seismic zone is a single layer no more than 10 to 20 km thick. Tomographic images show that throughout Nicaragua and Costa Rica the slowest mantle P wave velocities appear below and behind the volcanic front, indicating likely zones of highest temperature extending 80 to 120 km depth. A sheet of high Vp/Vs, thought to be caused by melt, is imaged directly beneath the Nicaraguan volcanoes, whereas a weaker, broader anomaly is imaged beneath the Costa Rican volcanoes, potentially indicating a greater extent of melting beneath Nicaragua. Within the downgoing plate, anomalously low velocities occur at least 20–30 km below Wadati-Benioff zone seismicity, to depths of 140 km beneath Nicaragua and to 60 km depth beneath Costa Rica. They indicate 10–20% serpentinized upper mantle of the downgoing plate beneath Nicaragua, similar to that inferred from refraction seaward of the trench, but continuing to subarc depths. This unusually hydrated lithosphere may introduce more water into the Nicaraguan mantle, initiating increased amount of melting and fluid flux to the arc.

La zona de subducción centroamericana presenta grandes variaciones en geoquímica, rugosidad y buzamiento de las placas descendentes, y ubicación de volcanes a lo largo de una corta distancia a lo largo del arco. Los resultados de las inversiones conjuntas de Vp, Vp/Vs e hipocentros del experimento Tomografía Bajo Costa Rica y Nicaragua (TUCAN) brindan información sobre su geometría y estructura. Tanto en Costa Rica como en Nicaragua, la zona sísmica de profundidad intermedia es una sola capa de no más de 10 a 20 km de espesor. Las imágenes tomográficas muestran que, en Nicaragua y Costa Rica, las velocidades más lentas de las ondas P del manto aparecen por debajo y detrás del frente volcánico, lo que indica probables zonas de mayor temperatura que se extienden entre 80 y 120 km de profundidad. Una lámina de alta Vp/Vs, que se cree causada por el derretimiento, se visualiza directamente debajo de los volcanes nicaragüenses, mientras que una anomalía más débil y amplia se visualiza debajo de los volcanes costarricenses, lo que podría indicar una mayor extensión del derretimiento debajo de Nicaragua. Dentro de la placa descendente, se observan velocidades anormalmente bajas al menos 20-30 km por debajo de la sismicidad de la zona de Wadati-Benioff, hasta profundidades de 140 km por debajo de Nicaragua y hasta 60 km por debajo de Costa Rica. Estas indican una serpentinización del manto superior de la placa descendente bajo Nicaragua, similar a la inferida por la refracción hacia el mar desde la fosa, pero que continúa hasta profundidades subarco. Esta litosfera inusualmente hidratada podría introducir más agua en el manto nicaragüense, lo que iniciaría un mayor grado de fusión y flujo de fluidos hacia el arco.