Correlation between the age of the subducting Cocos plate and the geometry of the Wadati-Benioff zone under Nicaragua and Costa Rica

Abstract

High-resolution seismicity data from Costa Rica and southern Nicaragua have been used to image the geometry of the Wadati-Benioff zone under southern Central America. The data include 9,514 events with computed horizontal and vertical errors smaller than 4 and 5 km respectively. We found that under the Nicaragua-Costa Rica border the Wadati-Benioff zone contorts (from steep to shallow dip angles, northwest to southeast) but does not show evidence of a brittle tear, as postulated by others. Further to the southeast—northeast from Puerto Caldera—the Wadati-Benioff zone does, however, show a tear (the Quesada Sharp Contortion) at intermediate depths (h > 70 km). Overall the dip angle of the Wadati-Benioff zone decreases from 84° under Nicaragua to 60° under central Costa Rica. The maximum depth of intraplate Wadati-Benioff zone earthquakes also decreases from northwest (-200 km under Nicaragua) to southeast (-125 km under central Costa Rica). In southern Costa Rica, east of 83°55'W, we find no evidence of the Wadati-Benioff zone below 50 km. This geometry of the Wadati-Benioff zone and other tectonic features related to the subduction of the Cocos plate beneath the Caribbean plate have been integrated into a model that correlates them with along-trench variations in age of the subducted Cocos plate. These tectonic features are (1) the shallowing of the Middle America Trench bathymetry from northwest to southeast, (2) differences in coupling between Cocos and Caribbean plates, (3) the termination of the Central America Volcanic Chain in central Costa Rica, and (4) 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, since 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.

Los datos de sismicidad de alta resolución de Costa Rica y el sur de Nicaragua se han utilizado para obtener imágenes de la geometría de la zona Wadati-Benioff bajo el sur de Centroamérica Los datos incluyen 9.514 eventos con errores horizontales y verticales calculados menores de 4 y 5 km respectivamente. Encontramos que bajo la frontera entre Nicaragua y Costa Rica la zona Wadati-Benioff de Wadati-Benioff (desde ángulos de buzamiento pronunciados hasta poco profundos, de noroeste a sureste), pero no de la zona Wadati-Benioff, pero no muestra evidencia de un desgarro frágil, como han postulado otros. Más hacia el sureste- al noreste de Puerto Caldera, la zona Wadati-Benioff muestra, sin embargo, un desgarro (la Contorno Agudo de Quesada) a profundidades intermedias (h > 70 km). En general el ángulo de buzamiento de la zona Wadati-Benioff disminuye de 84° bajo Nicaragua a 60° bajo el centro de Costa Rica. La profundidad máxima de la zona Wadati-Benioff intraplaca de la zona Wadati-Benioff también disminuye desde el noroeste (-200 km bajo Nicaragua) hasta el sureste (-125 km bajo el centro de Costa Rica). En el sur de Costa Rica, al este de 83°55'W, no encontramos evidencia de la zona Wadati-Benioff por debajo de los 50 km. Esta geometría de la zona Wadati-Benioff y otros rasgos tectónicos relacionados con la subducción de la placa de Cocos bajo la placa del Caribe han sido integrados en un modelo que los correlaciona con las variaciones de edad a lo largo de la fosa de la placa de Cocos subductada. Estos rasgos tectónicos son (1) el descenso de la batimetría de la Fosa de América Central desde el noroeste hasta el sureste, (2) las diferencias de acoplamiento entre las placas de Cocos y del Caribe, (3) la terminación de la Cadena Volcánica de América Central en el centro de Costa Rica, y (4) las distintas variaciones del campo de tensiones en la placa del Caribe. La subducción de la Dorsal de Cocos bajo el sur de Costa Rica es parcialmente responsable de algunos de estos rasgos (el hundimiento de la Fosa de América Central en el sur de Costa Rica) y de las altas tasas de elevación del arco exterior. Sin embargo, dado que la presencia de la Zona de Fractura de Panamá limita la extensión subducida de la Dorsal de Cocos a menos de 100 km de la fosa, proponemos que la geometría general de la zona Wadati-Benioff está controlada por cambios abruptos a lo largo de la fosa en la edad de la placa de Cocos subducida.