Arc-parallel flow in the mantle wedge beneath Costa Rica and Nicaragua

Abstract

Resolving flow geometry in the mantle wedge is central to understanding the thermal and chemical structure of subduction zones, subducting plate dehydration, and melting that leads to arc volcanism, which can threaten large populations and alter climate through gas and particle emission. Here we show that isotope geochemistry and seismic velocity anisotropy provide strong evidence for trench-parallel flow in the mantle wedge beneath Costa Rica and Nicaragua. This finding contradicts classical models, which predict trench-normal flow owing to the overlying wedge mantle being dragged downwards by the subducting plate. The isotopic signature of central Costa Rican volcanic rocks is not consistent with its derivation from the mantle wedge or eroded fore-arc complexes but instead from seamounts of the Galapagos hotspot track on the subducting Cocos plate. This isotopic signature decreases continuously from central Costa Rica to northwestern Nicaragua. As the age of the isotopic signature beneath Costa Rica can be constrained and its transport distance is known, minimum northwestward flow rates can be estimated (63-190 mm yr -1) and are comparable to the magnitude of subducting Cocos plate motion (∼85 mm yr-1). Trench-parallel flow needs to be taken into account in models evaluating thermal and chemical structure and melt generation in subduction zones. ©2008 Nature Publishing Group.

La resolución de la geometría del flujo en la cuña del manto es fundamental para comprender la estructura térmica y química de las zonas de subducción, la deshidratación de la placa subducida y la fusión que da lugar al vulcanismo de arco, el cual puede amenazar a grandes poblaciones y alterar el clima mediante la emisión de gases y partículas. Aquí mostramos que la geoquímica isotópica y la anisotropía de la velocidad sísmica proporcionan una sólida evidencia de flujo paralelo a la fosa en la cuña del manto bajo Costa Rica y Nicaragua. Este hallazgo contradice los modelos clásicos, que predicen un flujo perpendicular a la fosa debido a que el manto suprayacente es arrastrado hacia abajo por la placa subducida. La firma isotópica de las rocas volcánicas del centro de Costa Rica no es consistente con su derivación de la cuña del manto o de complejos de antearco erosionados, sino más bien de montes submarinos de la trayectoria del punto caliente de Galápagos en la placa de Cocos subducida. Esta firma isotópica disminuye continuamente desde el centro de Costa Rica hasta el noroeste de Nicaragua. Dado que se puede determinar la edad de la señal isotópica bajo Costa Rica y se conoce su distancia de transporte, se pueden estimar caudales mínimos hacia el noroeste (63-190 mm/año), comparables a la magnitud del movimiento de la placa de Cocos en subducción (∼85 mm/año). El flujo paralelo a la fosa debe tenerse en cuenta en los modelos que evalúan la estructura térmica y química y la generación de magma en las zonas de subducción. ©2008 Nature Publishing Group.