Fore-arc motion and Cocos Ridge collision in Central America

Abstract

We present the first regional surface velocity field for Central America, showing crustal response to interaction of the Cocos and Caribbean plates. Elastic half-space models for interseismic strain accumulation on the dipping subduction plate boundary fit the GPS data well and show strain accumulation offshore and beneath the Nicoya and Osa peninsulas in Costa Rica but not in Nicaragua. Since large subduction zone earthquakes occur in Nicaragua, we suggest that interseismic locking in Nicaragua and some other parts of Central America occurs but is mainly shallow, <20 km depth, too far offshore to be detected by our on-land GPS measurements. Our data also show significant trench-parallel motion for most of the region, generally interpreted as due to oblique convergence and strong mechanical coupling between subducting and overriding plates. However, trench-parallel motion is also observed in central Costa Rica, where plate convergence is normal to the trench, and in the Nicaraguan fore arc, where trench-parallel motion is fast, up to 9 mm a 1, but mechanical coupling is low. A finite element model of collision (as opposed to subduction) involving the aseismic Cocos Ridge also fits the GPS surface velocity field, most significantly reproducing the pattern of trench-parallel motion. We infer that buoyant, thickened CNS-2-Cocos Ridge crust resists normal subduction and instead acts as an indenter to the Caribbean plate, driving crustal shortening in southern Costa Rica and contributing to trench-parallel fore-arc motion in Costa Rica and perhaps Nicaragua as a type of tectonic escape.

Presentamos el primer campo regional de velocidad superficial para Centroamérica, que muestra la respuesta cortical a la interacción de las placas de Cocos y Caribe. Los modelos de semiespacio elástico para la acumulación de deformación intersímica en el límite de subducción inclinado de la placa se ajustan adecuadamente a los datos GPS y muestran acumulación de deformación en alta mar y bajo las penínsulas de Nicoya y Osa en Costa Rica, pero no en Nicaragua. Dado que en Nicaragua se producen grandes terremotos en la zona de subducción, sugerimos que el bloqueo intersímico en Nicaragua y otras partes de Centroamérica ocurre, pero es principalmente superficial, a menos de 20 km de profundidad, demasiado lejos de la costa para ser detectado por nuestras mediciones GPS terrestres. Nuestros datos también muestran un significativo movimiento paralelo a la fosa en la mayor parte de la región, generalmente interpretado como debido a la convergencia oblicua y un fuerte acoplamiento mecánico entre las placas subductoras y las placas superpuestas. Sin embargo, también se observa movimiento paralelo a la fosa en la zona central de Costa Rica, donde la convergencia de las placas es normal a la fosa, y en el arco frontal nicaragüense, donde el movimiento paralelo a la fosa es rápido, hasta 9 mm α-1, pero el acoplamiento mecánico es bajo. Un modelo de elementos finitos de colisión (en contraposición a la subducción) que involucra la asísmica Dorsal de Cocos también se ajusta al campo de velocidad superficial del GPS, reproduciendo de forma más significativa el patrón de movimiento paralelo a la fosa. Deducimos que la corteza flotante y engrosada de la Dorsal de Cocos-CNS-2 resiste la subducción normal y, en cambio, actúa como un penetrador en la placa del Caribe, impulsando el acortamiento de la corteza en el sur de Costa Rica y contribuyendo al movimiento de antearco paralelo a la fosa en Costa Rica y posiblemente en Nicaragua, como una forma de escape tectónico.