A receiver function study of Southern Costa Rica: indications of steep Cocos Ridge subduction

Dzierma, Yvonne

Central America is characterized by the subduction of the oceanic Cocos Plate underneath the Caribbean Plate and Panama Microplate along the Middle America Trench, in a setting that is transitional between oceanic island arc and continental active margin subduction. In addition to providing an interesting comparison with purely oceanic or continental subduction zones, the Central American subduction zone is particularly fascinating owing to its pronounced lateral variability regarding the nature of the overriding plate, subducting plate, seismicity, volcanism and geochemistry. To explore the deep structure of the subduction zone, a transect of broadband seismometers across the Talamanca Range (Southern Costa Rica) was operated from spring 2005 to spring 2007. This region is characterized by the subduction of the aseismic Cocos Ridge, which has been observed to dip at an angle of 18 deg down to depths of about 40 km. Based on this shallow subduction angle, it has been speculated that shallow underplating of the Cocos Ridge is responsible for the gap in active volcanism and strong uplift in the Cordillera de Talamanca region. A receiver function analysis of 522 teleseismic earthquakes was performed, yielding 1777 receiver functions. The data from the Talamanca Transect stations was complemented by short-period data recorded at the Quepos network land-stations, adding another 100 receiver functions for 39 events. The Moho of the overriding plate is imaged around 35 km depth, and an intracrustal discontinuity is observed at about 20 km depth, in good agreement with previous active seismic studies. Contrary to expectations, the migrated sections clearly show a steeply dipping (ca. 60 deg) conversion down to more than 150 km depth, interpreted as the subducting slab. 3d-representations based on the migrated profiles do not indicate significant shallowing of the subducting plate towards the Cordillera de Talamanca. These results indicate for the first time that the Cocos Ridge may be subducting beneath Southern Costa Rica at a considerably larger angle and to greater depths than previously thought, opening new questions about the mechanism causing the gap in active volcanism and strong uplift in the Cordillera de Talamanca. Possible explanations include a compressional regime hindering the ascent of magmas to the surface or an anhydrous part of the subducting slab, preventing fluid-induced melting in the mantle wedge. Alternatives may be combined subduction/underplating scenarios or a transitional regime. Modelling studies confirm that the dipping feature observed in the migrated receiver functions can be caused by a slab dipping at approximately the same angle. Possible anisotropy scenarios, such as corner-flow and the resulting olivine lattice-preferred orientation, are also investigated. The results point to the existence of mantle-wedge corner-flow, with possible additional arc-parallel flow.

Die tektonische Situation in Mittelamerika ist gekennzeichnet durch die Subduktion der ozeanischen Cocos-Platte unter der karibischen Platte und der Panama-Mikroplatte entlang des mittelamerikanischen Grabens. Dabei handelt es sich um eine Übergangssituation zwischen aktiven Kontinentalrändern und ozeanischen Vulkanbögen. Zusätzlich zu dem interessanten Vergleich mit rein ozeanischer oder kontinentaler Subduktion ist die mittelamerikanische Subduktionszone besonders interessant aufgrund ihrer starken lateralen Variabilität, was die Natur der subduzierenden und der darüberliegenden Platte, die Seismizität, den Vulkanismus und die geochemischen Signaturen betrifft. Um die Tiefenstruktur dieser Subduktionszone zu erforschen, wurde ein Transect von Breitbandseismometern durch das Talamanca-Gebirge (Süd-Costa Rica) aufgebaut und von Frühling 2005 bis Frühling 2007 betrieben. Diese Region ist geprägt durch die Subduktion des aseismischen Cocos-Rücken, der mit einem Winkel von 18 deg bis zu etwa 40 km Tiefe abtaucht. Basierend auf diesem flachen Subduktionswinkel wurde spekuliert, dass die sehr flache Subduktion des Cocos-Rückens verantwortlich ist fuer die Unterbrechung des aktiven Vulkanismus und die Hebung des Talamanca-Gebirges. Eine Receiver-Funktions-Analyse von 522 teleseismischen Erdbeben wurde durchgeführt und lieferte 1777 Receiver-Funktionen. Die Daten der Talamanca-Transect-Stationen wurden ergänzt durch kurzperiodische Daten, die von den Landstationen des Quepos-Netzwerks aufgenommen wurden. Dies ergab weitere 100 Receiver-Funktionen zu 39 Ereignissen. Die Moho der oberen Platte wird bei etwa 35 km Tiefe beobachtet, und eine inner-krustale Diskontinuität liegt bei ca. 20 km Tiefe, in guter übereinstimmung mit früheren aktiv-seismischen Studien. Entgegen den Erwartungen zeigen die migrierten Profilschnitte klar eine steil abtauchende (60 deg) Konversion bis zu mehr als 150 km Tiefe, die als die subduzierende Cocos-Platte interpretiert wird. 3d-Darstellungen basierend auf den Migrationsprofilen deuten nicht auf einen significanten übergang zu flacheren Subduktionswinkeln in der Nähe des Talamanca-Gebirges hin. Diese Ergebnisse deuten zum ersten Mal darauf hin, dass der Cocos-Rücken unter Süd-Costa Rica mit erheblich steilerem Winkel und zu größeren Tiefen subduziert, als bisher angenommen wurde. Dies eröffnet neue Fragen über den Mechanismus, der die Unterbrechung des aktiven Vulkanismus und starke Hebung des Talamanca-Gebirges herbeiführt. Mögliche Erklärungen sind unter anderem ein Kompressionsregime, das den Aufstieg von Magmen an die Oberfläche verhindert oder ein Mangel an Fluiden in der subduzierenden Platte, so dass es nicht zu fluid-induziertem Schmelzen des Mantelkeils kommen kann. Alternativen könnten kombinierte Subduktions/Underplating-Modelle oder ein übergangsregime zwischen zwei verschiedenen Subduktionsstilen sein. Modellierungs-Studien bestätigen, dass das beobachtete, als abtauchtende Platte interpretierte positive Signal durch eine im ähnlichen Winkel subduzierende Platte hervorgerufen werden kann. Mögliche Anisotropie-Scenarien, wie ``corner-flow'' und die daraus resultierende bevorzugte Gitter-Orientierung von Olivine, werden ebenso untersucht. Die Ergebnisse deuten auf die Existenz von corner-flow im Mantelkeil hin, evtl. mit zusätzlichem Mantelfluss parallel zum Vulkanbogen.

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Dzierma, Yvonne: A receiver function study of Southern Costa Rica: indications of steep Cocos Ridge subduction. 2009.

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