Dissertation (Metadaten)
Titel:Local earthquake tomography of Central America : structural variations and fluid transport in the Nicaragua-Costa Rica subduction zone
 
Autor:Aysun Nilay Dinc
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-28988
 
Fakultät:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC Sachgebiet:550 Geowissenschaften
 
Datum der mdl. Prüfung:24.04.2008
 
Referent(in):Prof. Dr. Wolfgang Rabbel
Korreferent(en) Korreferentin:Prof. Dr. Ernst R. Flüh
 
Beschreibung (original):The Central American convergent margin is characterized by pronounced lateral changes from north to south such as a decreasing dip of the slab, a decreasing magma production and a shift in the volcanic front. To investigate this transition in terms of seismicity and tectonics, a joint on- and offshore local earthquake tomography and P-wave anisotropy studies were performed in central Costa Rica and in S Nicaragua/N Costa Rica respectively. In central Costa Rica, seismic travel time data sets of three on- and off-shore seismic networks were combined for a simultaneous inversion of hypocenter locations, 3-D structure of P-wave velocity and Vp/Vs ratio. The tomographic inversion was performed using about 2000 high quality events. The seismicity and slab geometry as well as Vp and Vp/Vs show significant lateral variation along the subduction zone corresponding to the changes of the incoming plate which consists of serpentinized oceanic lithosphere in the NW, a seamount province in the center and the subducting Coscos Ridge in the SE of the investigation area. Three prominent features can be identified in the Vp and Vp/Vs tomograms: a high velocity zone with a perturbation of 4-10 % representing the subducting slab, a low velocity zone (10-20 %) in the forearc probably caused by deformation, fluid release and hydration, and a low-velocity zone below the volcanic arc related to upwelling fluids and magma. Unlike previously suggested, the dip of the subducting slab does not decrease to the south. Instead, an average steepening of the plate interface from 30° to 45° is observed from north to south and a transition from a plane to a stair-shape plate interface. This is connected with a change in the deformation style of the overriding plate where roughly planar, partly conjugated, clusters of seismicity of regionally varying dip are observed. It could be shown that the Costa Rica Deformation Belt represents a deep crustal transition zone extending from the surface down to 40 km depth. This transition zone indicates the lateral termination of the active part of the volcanic chain and seems to be connected with the changing structure of the incoming plate as well. In S Nicaragua/N Costa Rica, the same inversion procedure was performed using 860 events. The analysis shows low S-wave velocities (~4 km/s), high Vp/Vs ratios (~ 2.0) and an aseismic gap in the upper mantle along the Sandino Basin. These findings are intrepereted as an indication of mantle wedge hydration. The existence of a hydrated forearc upper-mantle wedge in southern Nicaragua and the absence of it in northern Costa Rica is important to understand the variations in the tectonic structures along the margin and provides an improved view of the deep dehydration process in subduction zones. The sharp transition between the Nicaraguan and northern Costa Rican margins is explained by the dominating extensional forces in the southern Nicaraguan overriding plate. In addition to the velocity inversion, a P-wave anisotropy study was performed to have a better understanding in the mantle dynamics and tectonics of the Earth's interior. P-wave anisotropy results show two main structures: 1) Trench-perpendicular seismically fast directions in the incoming plate which can be explained either by the initial mineral orientation at the mid-oceanic ridge or by the deformation parallel to the subduction direction. 2) Trench-parallel seismically fast directions and abrupt rotations to trench-parallel anisotropy in the forearc which support the mantle escape towards to northwest. These patterns of seismic anisotropy may be caused by the olivine fabric transition from A-type to B-type or three dimensional flow associated with along-strike variations in slab geometry.
 
(übersetzt):Der aktive Kontinentalrand von Mittelamerika ist im Bereich von Nicaragua und Costa Rica von Nord nach Süd durch signifikante laterale Änderungen charakterisiert, zum Beispiel durch eine Abnahme des Abtauchwinkels der subduzierten Platte, eine abnehmende Magmenproduktion und einen Versatz in der vulkanischen Front. Um diesen Übergang seismologisch und tektonisch zu untersuchen, wurden in Zentral-Costa Rica und in Süd-Nicaragua/Nord-Costa Rica tomographische Messungen mit lokalen Erdbeben vor der Küste und an Land durchgeführt. Dabei wurden Ausbreitungsgeschwindigkeiten von P- und S-Wellen sowie die Anisotropie der P-Wellengeschwindigkeit studiert. In Zentral-Costa Rica wurden Datensätze seismischer Laufzeiten von drei am Meeresboden bzw. an Land installierten seismischen Netzwerken kombiniert für eine gemeinsame Inversion zur Bestimmung der Hypozentren und der 3D-Struktur der P-Wellengeschwindigkeit und des Vp/Vs-Verhältnisses. Die tomographische Inversion beruht auf gut identifizierbaren Einsätzen von 2000 lokalen Erdbeben. Die Seismizitätsverteilung, die Geometrie der Plattengrenze ebenso wie Vp und Vp/Vs weisen signifikante laterale Variationen entlang der Subduktionszone auf, die mit Änderungen der hereinkommenden ozeanischen Platte korrespondieren. Im Nordwesten des Untersuchungsgebietes besteht die ozeanische Platte aus serpentinisierter ozeanischer Lithosphäre, in Zentrum aus einer Seamount-Provinz und im Südosten aus dem ebenfalls subduzierenden Cocos-Rücken. In den Vp- und Vp/Vs-Tomogrammen können drei Besonderheiten beobachtet werden: Eine Zone erhöhter Geschwindigkeiten (4-10 %), die die subduzierte Platte repräsentiert, eine Zone erniedrigter Geschwindigkeit (10-20 %) im Fore-Arc-Bereich, wahrscheinlich verursacht durch Deformation, Entwässerung bzw. Hydratisierung, und eine Zone erniedrigter Geschwindigkeiten unter dem Vulkanbogen, bedingt durch aufsteigende Fluide und Magma. Im Gegensatz zu früheren Vorstellungen nimmt der Neigungswinkel der Plattengrenze nicht von Nord nach Süd ab. Stattdessen werden eine mittlere Versteilung von 30° auf 45° beobachtet und ein Übergang von einer ebenen zu einer stufenartigen Form der Plattengrenze. Dies ist verbunden mit einem Wechsel im Deformationsstil der überlagernden Platte, in der näherungsweise planare, teilweise konjugierte Seismizitäts-Cluster unterschiedlichen Einfallswinkels beobachtet werden. Es konnte gezeigt werden, dass der sog. Costa Rica Deformation Belt eine tief in die Kruste reichende Übergangszone darstellt, die von der Erdoberfläche bis ca. 40 km Tiefe reicht. Diese Übergangszone stellt zugleich die laterale Begrenzung des heute aktiven Teils der vulkanischen Kette dar und korrespondiert auch mit einem Wechsel in der Struktur der ozeanischen Platte. In Süd-Nicaragua / Nord-Costa Rica wurde dasselbe tomographische Inversionsverfahren auf 860 Lokalbeben angewandt. Die Tomogramme zeigen großräumige Anomalien ernied- rigter S-Wellen-Geschwindigkeiten, erhöhte Vp/Vs-Verhältnisse und eine aseismische Lücke im oberen Mantel entlang des Sandino-Beckens, die als Anzeichen für eine Hydratisierung des Mantelkeils gewertet wird. Die Existenz eines hydratisierten Mantelkeils in Süd-Nicaragua und das Fehlen der Hydratisierung in Nord-Costa Rica stellt einen wichtigen Hinweis für das Verständnis der Variation der tekonischen Strukturen entlang des Kontinentalrandes dar und liefert einen verbesserten Blick auf den tiefen Entwässerung an Subduktionszonen. Der scharfe Übergang zwischen den Kontinentalrändern von Nicaragua und Nord-Costa Rica kann durch die dominierende Extension der überlagernden Platte in Süd-Nicaragua erklärt werden. Zusätzlich zur seismischen Geschwindigkeitsinversion wurde eine Studie zur P-Wellen-Anisotropie durchgeführt, um das Verständnis der Manteldynamik zu verbessern. Die Ergebnisse zur P-Wellen-Anisotropie zeigen, dass die horizontalen Achsen hoher P-Wellen-geschwindigkeit im Bereich der subduzierten Platte senkrecht zum Tiefseegraben ausgerichtet sind. Dies kann durch eine initiale Mineralausrichtung am mittelozeanischen Rücken oder auch durch Deformation parallel zur Subduktionsrichtung erklärt werden. Die Anisotropie zeigt weiterhin, dass die horizontalen Achsen hoher P-Wellengeschwindigkeit im Bereich des Fore-Arc parallel zum Tiefseegraben ausgerichtet sind, wobei der Übergang abrupt erfolgt. Dieses Muster kann einerseits durch das Fließen von Mantelmaterial in nordwestlicher Richtung gedeutet werden, andererseits lässt es sich jedoch auch durch den Übergang vom A- zum B-Typ der Mineralausrichtung in Peridotiten oder durch dreidimensionale Fließgeometrien erklären.
 
Schlagworte:Tomography, Earthquake, Subduction, Nicaragua, Costa Rica, Mantle wedge hydration
 
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