The geometry of the Wadati-Benioff zone under southern Central America and its tectonic significance: results from a high-resolution local seismographic network

Abstract

We present here a detailed geometry of the Wadati—Benioff zone under Costa Rica, obtained from seismicity recorded by a dense local seismographic network jointly operated by the Costa Rica Volcanological and Seismological Observatory, National University, and the Charles F. Richter Seismological Laboratory, University of California, Santa Cruz. Underneath the Nicaragua—Costa Rica border the Wadati—Benioff zone smoothly contorts (from steep to shallow dip angles, NW to SE), but does not show evidence of a brittle tear, as postulated by others. However, further to the SE, NE of Puerto Caldera, Costa Rica, the Wadati—Benioff zone does show a segmentation (the Quesada Sharp Contortion) at intermediate depths (h > 70 km). NWof this sharp contortion the deepest portion of the seismically active slab dips at about 800 and reaches maximum depths ranging from 200 km, near the Nicaragua—Costa Rica border, to 135 km under Ciudad Quesada. To the SE the deeper portion of the Wadati—Benioff zone dips at about 60°and the seismicity does not extend below depths ranging from 125 km, behind the volcanic arc, to 50 km, east of Quepos. In southern Costa Rica, east of 83°55’W, we find no evidence of the Wadati—Benioff zone deeper than 50 km. The obtained geometry and other known tectonic features related to the subduction of the Cocos plate under the Caribbean plate along the southern terminus of the Middle America Trench (Nicaragua and Costa Rica) correlate well with along-trench variations in age of the subducted Cocos plate. Some of these tectonic features are: (1) the shallowing of Middle America Trench bathymetry from NW to SE; (2) variations in the energy release within the subducted slab; (3) differences in coupling between Cocos and Caribbean plates; (4) the termination of the Central America Volcanic Chain in central Costa Rica; (5) distinct stress field variations on the overriding Caribbean plate. The subduction of the Cocos Ridge under southern Costa Rica is partially responsible for some of these features (shallowing of the Middle America Trench in southern Costa Rica) and for the high uplift rates of the outer arc. However, as the presence of the Panama Fracture Zone limits the subducted extension of the Cocos Ridge to less than 100 km from the trench, we propose that the overall geometry of the Wadati—Benioff zone is controlled by abrupt along-trench changes in the age of the subducted Cocos plate.Presentamos aquí una geometría detallada de la zona Wadati-Benioff bajo Costa Rica, obtenida de la sismicidad registrada por una densa red sismográfica local operada conjuntamente por el Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica, Universidad Nacional, y el Laboratorio Sismológico Charles F. Richter, Universidad de California, Santa Cruz. Debajo de la frontera entre Nicaragua y Costa Rica, la zona de Wadati-Benioff se contorsiona suavemente (desde ángulos de buzamiento pronunciados a poco profundos, de NW a SE), pero no muestra evidencia de un desgarro quebradizo, como postulan otros. Sin embargo, más al SE, NE de Puerto Caldera, Costa Rica, la zona Wadati-Benioff sí muestra una segmentación (la Contorsión Aguda de Quesada) a profundidades intermedias (h > 70 km). Al NO de esta contorsión aguda, la porción más profunda de la losa sísmicamente activa se hunde a unos 80° y alcanza profundidades máximas que van desde 200 km, cerca de la frontera entre Nicaragua y Costa Rica, hasta 135 km debajo de Ciudad Quesada. Hacia el SE, la parte más profunda de la zona Wadati-Benioff se hunde a unos 60° y la sismicidad no se extiende por debajo de profundidades que van desde los 125 km, detrás del arco volcánico, hasta los 50 km, al este de Quepos. En el sur de Costa Rica, al este de 83°55′W, no encontramos evidencia de la zona Wadati-Benioff a más de 50 km de profundidad. La geometría obtenida y otras características tectónicas conocidas relacionadas con la subducción de la placa de Cocos debajo de la placa del Caribe a lo largo del extremo sur de la Fosa Mesoamericana (Nicaragua y Costa Rica) se correlacionan bien con las variaciones a lo largo de la trinchera en la edad de la placa de Cocos subducida. Algunas de estas características tectónicas son: (1) la somerización de la batimetría de la Fosa Mesoamericana de NW a SE; (2) variaciones en la liberación de energía dentro de la losa subducida; (3) diferencias en el acoplamiento entre las placas Cocos y Caribe; (4) la terminación de la Cadena Volcánica Centroamericana en el centro de Costa Rica; (5) distintas variaciones del campo de tensiones en la placa predominante del Caribe. La subducción de la Dorsal de Cocos bajo el sur de Costa Rica es parcialmente responsable de algunas de estas características (la somerización de la Fosa Mesoamericana en el sur de Costa Rica) y de las altas tasas de levantamiento del arco exterior. Sin embargo, como la presencia de la zona de fractura de Panamá limita la extensión subducida de la dorsal Cocos a menos de 100 km de la fosa, proponemos que la geometría general de la zona Wadati-Benioff está controlada por cambios abruptos de edad a lo largo de la trinchera. de la placa de Cocos subducida.