Subduction-zone structure and magmatic processes beneath Costa Rica constrained by local earthquake tomography and petrological modelling

Abstract

A high-quality data set of 3790 earthquakes were simultaneously inverted for hypocentre locations and 3-D P-wave velocities in Costa Rica. Tests with synthetic data and resolution estimates derived from the resolution matrix indicate that the velocity model is well constrained in central Costa Rica to a depth of 70 km; northwestern and southeastern Costa Rica are less well resolved owing to a lack of seismic stations and seismicity. Maximum H2O content and seismic wave speeds of mid-ocean ridge basalt and harzburgite were calculated for metamorphic phase transformations relevant to subduction. Both the 3-D P-wave velocity structure and petrological modelling indicate the existence of low-velocity hydrous oceanic crust in the subducting Cocos Plate beneath central Costa Rica. Intermediate-depth seismicity correlates well with the predicted locations of hydrous metamorphic rocks, suggesting that dehydration plays a key role in generating intermediate-depth earthquakes beneath Costa Rica. Wadati– Benioff zone seismicity beneath central Costa Rica shows a remarkable decrease in maximum depth toward southeastern Costa Rica. The presence of asthenosphere beneath southeastern Costa Rica, which entered through a proposed slab window, may explain the shallowing of seismicity due to increased temperatures and associated shallowing of dehydration of the slab. Tomographic images further constrain the existence of deeply subducted seamounts beneath central Costa Rica. Large, low P-wave velocity areas within the lower crust are imaged beneath the southeasternmost volcanoes in central Costa Rica. These low velocities may represent anomalously hot material or even melt associated with active volcanism in central Costa Rica. Tomographic images and petrological modelling indicate the existence of a shallow, possibly hydrated mantle wedge beneath central Costa Rica.

Un conjunto de datos de alta calidad de 3790 terremotos se invirtió simultáneamente para determinar la ubicación de los hipocentros y las velocidades de las ondas P tridimensionales en Costa Rica. Las pruebas con datos sintéticos y las estimaciones de resolución derivadas de la matriz de resolución indican que el modelo de velocidad está bien restringido en el centro de Costa Rica hasta una profundidad de 70 km; el noroeste y sureste de Costa Rica presentan una resolución menor debido a la falta de estaciones sísmicas y sismicidad. Se calcularon el contenido máximo de H₂O y las velocidades de las ondas sísmicas del basalto y la harzburgita de las dorsales oceánicas para las transformaciones de fase metamórficas relevantes para la subducción. Tanto la estructura de velocidad de las ondas P tridimensionales como el modelado petrológico indican la existencia de una corteza oceánica hidratada de baja velocidad en la placa de Cocos en subducción, bajo el centro de Costa Rica. La sismicidad de profundidad intermedia se correlaciona bien con las ubicaciones previstas de rocas metamórficas hidratadas, lo que sugiere que la deshidratación desempeña un papel clave en la generación de terremotos de profundidad intermedia bajo Costa Rica. La sismicidad de la zona Wadati-Benioff bajo el centro de Costa Rica muestra una notable disminución de la profundidad máxima hacia el sureste de Costa Rica. La presencia de astenosfera bajo el sureste de Costa Rica, que entró a través de una ventana de losa propuesta, podría explicar la disminución de la sismicidad debido al aumento de las temperaturas y la consiguiente disminución de la deshidratación de la losa. Las imágenes tomográficas restringen aún más la existencia de montes submarinos profundamente subducidos bajo el centro de Costa Rica. Se visualizan áreas extensas de baja velocidad de ondas P dentro de la corteza inferior bajo los volcanes más al sureste del centro de Costa Rica. Estas bajas velocidades podrían representar material anormalmente caliente o incluso material fundido asociado con el vulcanismo activo en el centro de Costa Rica. Las imágenes tomográficas y el modelado petrológico indican la existencia de una cuña de manto superficial, posiblemente hidratada, bajo el centro de Costa Rica.