Shear wave anisotropy beneath Nicaragua and Costa Rica: Implications for flow in the mantle wedge

Abstract

We present new shear wave splitting data from local events in Costa Rica and Nicaragua recorded by the temporary (July 2004 to March 2006) 48-station TUCAN broadband seismic array. Observed fast polarization directions in the fore arc, arc, and back arc range from arc-parallel to arc-normal over very short distances (<5 km when plotted at raypath midpoints) making the direct interpretation of individual splitting measurements in terms of flow tenuous, even when considering variations in the relationship between lattice-preferred orientation and deformation (e.g., B-type dislocation creep in olivine). Therefore, we tomographically invert the splitting measurements to find a three-dimensional model of crystallographic orientation in the wedge. We assume the elastic constants of olivine and orthopyroxene with hexagonal symmetry and use a damped, iterative least squares approach to account for the nonlinear behavior of splitting when considering three-dimensional ray propagation and distributions of anisotropy. The best fitting model contains roughly horizontal, arc-parallel olivine [100] axes in the mantle wedge down to at least 125 km beneath the back arc and arc, which we interpret to indicate along-arc flow in the mantle wedge. Pb and Nd isotopic ratios in arc lavas provide additional evidence for arc-parallel flow and also constrain the direction (northwest, from Costa Rica to Nicaragua) and minimum flow rate (63–190 mm/a). With only slightly oblique subduction at 85 mm/a of the relatively planar Cocos Plate, the most likely mechanism for driving along-arc transport is toroidal flow around the edge of the slab in southern Costa Rica, generated by greater slab rollback in Nicaragua. Two important implications of this arc-parallel flow are the progressive depletion of the mantle source for arc lavas from Costa Rica to Nicaragua and the possible need for significant decoupling between the wedge and downgoing plate.Presentamos nuevos datos de división de ondas transversales de eventos locales en Costa Rica y Nicaragua registrados por el conjunto sísmico temporal de banda ancha TUCAN (julio de 2004 a marzo de 2006) de 48 estaciones. Las direcciones de polarización rápida observadas en el arco anterior, el arco posterior y el arco posterior varían de paralelas al arco a normales al arco en distancias muy cortas (<5 km cuando se grafican en los puntos medios de la trayectoria de rayos), lo que dificulta la interpretación directa de las mediciones individuales de división en términos de flujo, incluso al considerar variaciones en la relación entre la orientación reticular preferida y la deformación (p. ej., deslizamiento de dislocaciones de tipo B en olivino). Por lo tanto, invertimos tomográficamente las mediciones de división para encontrar un modelo tridimensional de la orientación cristalográfica en la cuña. Asumimos las constantes elásticas del olivino y el ortopiroxeno con simetría hexagonal y utilizamos un enfoque de mínimos cuadrados iterativo y amortiguado para explicar el comportamiento no lineal de la división al considerar la propagación tridimensional de rayos y las distribuciones de anisotropía. El modelo de mejor ajuste contiene ejes de olivino [100] aproximadamente horizontales y paralelos al arco en la cuña del manto hasta al menos 125 km por debajo del arco posterior y el arco, lo que interpretamos como indicador de flujo a lo largo del arco en la cuña del manto. Las razones isotópicas de Pb y Nd en las lavas de arco proporcionan evidencia adicional de flujo paralelo al arco y también restringen la dirección (noroeste, de Costa Rica a Nicaragua) y la tasa mínima de flujo (63–190 mm/a). Con solo una subducción ligeramente oblicua a 85 mm/a de la placa de Cocos relativamente plana, el mecanismo más probable para impulsar el transporte a lo largo del arco es el flujo toroidal alrededor del borde de la losa en el sur de Costa Rica, generado por un mayor retroceso de la losa en Nicaragua. Dos implicaciones importantes de este flujo paralelo al arco son el agotamiento progresivo de la fuente del manto para las lavas de arco desde Costa Rica hasta Nicaragua y la posible necesidad de un desacoplamiento significativo entre la cuña y la placa descendente.