Lithosphere Structure of Central American - ETH E

Diss. ETH No. 18745
Lithosphere Structure of Central American Subduction
Zone in Costa Rica Derived by Seismic Tomography
A dissertation submitted to
ETH Zurich
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
Vincent Maurer
Ingénieur Géophysicien,
Diplôme d’Etudes Approfondies,
Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre, Strasbourg
born January 23, 1979
citizen of France
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Eduard Kissling, examiner
Dr. Stephan Husen, co-examiner
Prof. Dr. Domenico Giardini, co-examiner
Prof. Dr. Ulrich Achauer, co-examiner
Zürich, 2009
Abstract
Subduction of oceanic lithosphere represents a first-order process within the framework of plate tectonics. As opposed to mid-ocean ridges, where oceanic lithosphere
is created, subduction zones play a major role in plate tectonics by recycling the
oceanic lithosphere and creating continental crust. These two processes, recycling of oceanic lithosphere and formation of continental crust, are fundamental
in Earth evolution and their comprehension is capital in understanding Earth dynamics. More specifically, understanding the relationship between dehydration,
melt generation, and the ascent of the partial melt into the volcanic arc is crucial.
In the Central America subduction zone and more specifically along Costa Rica,
important developments have been made in the past decades to unravel the existing relations between these fundamental processes.
Independent models of P-wave velocities can provide unique information on composition and the physical state of the overriding plates lithosphere (e.g. fluid content,
temperature), since they allow the comparison with petrophysical measurements.
Local earthquake tomography and teleseismic tomography can be used to derive
such 3D P-wave velocity models. The resolution and reliability of such tomographic images strongly depend on the quality of the available arrival-time data.
A uniform resolution of the Central American subduction zone along Costa Rica
and of the overriding plates lithosphere require both the compilation and merging
of local and teleseismic earthquake data of all available seismic networks of Costa
Rica and of bordering countries. Since routine picks provided by single networks
usually include a high degree of inconsistencies, and since a common quantitative
error assessment is not available for merged phase data, re-picking of P-phases has
to be performed to obtain arrival-time data appropriate for high-resolution seismic tomography. Considering the amount of data necessary for regional models,
new algorithms combining accurate picking with an automatic quality assessment
represent new tools required to derive large suitable data sets.
In this study, local and teleseismic earthquakes were compiled and merged from
nine permanent and temporary seismic networks in Costa Rica, Panama and
Nicaragua. The final data set includes digital waveforms data of 764 local events
for the period of 2005-2006 and 71 teleseismic events for the period of 2000-2006.
The consistent routine hand picking procedure was applied to pick teleseismic
earthquakes. This procedure was also applied to derive a reference data set of
accurate local earthquakes P-wave picks, used for the calibration of the automatic
picking algorithm.
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Abstract
The MannekenPIX software was used for automated re-picking of local earthquake
P-waves and also provided a measurement of the quality of each observation. The
final data set consists of more than 11,000 consistently picked first P-phases with
a weighted average error of about 0.15 s used for local earthquake tomography.
Tests with synthetic data and resolution estimates derived from the resolution matrix indicate where the velocity model is is well-resolved. The resulting 3D P-wave
velocity model images Costa Rica between 0 km and 50 km depth. They show a
complex lithospheric structure beneath Costa Rica. Shallow depth cross sections
display a good correlation with the surface geology, with low-velocity anomalies associated with active volcanoes chains in central and northern Costa Rica. A large
high-velocity feature observed beneath the Tallamanca Cordillera is interpreted as
a low-density remnant of an earlier phase of magmatism associated to the Tallamanca batholiths. First order anomalies, like the high-velocity subducting Cocos
plate at the western edge of our model, or a low-velocity zone related to hydrated
mantle wedge in central Costa Rica, are well-resolved and in good agreement with
previous studies.
The final teleseismic data set consists of more than 2000 arrival times, accurately
and consistently re-picked by hand. However, a strong azimuthal bias of the incoming ray-paths in the South-East direction indicates that the compiled data set
is clearly not adapted, for the moment, to perform a high-resolution teleseismic
tomography study in the Costa Rican region. We therefore, performed this study
with emphasis of the methodological improvements and propose to merge our data
set with an future data set better adapted to this study. Based on the local earthquake tomographic results, we constructed a synthetic 3D crustal velocity model
to correct P-wave teleseismic arrival times for crustal contributions. The results
of this approach demonstrate, that in the uncorrected case, crustal anomalies are
erroneously projected into the deeper earth structures by the inversion process. It
proves that in order to increase resolution of teleseismic tomographic images in
Costa Rica, it is crucial to correct teleseimic travel-times for near-surface structures contribution. We continue this study by showing how the assessment of the
solution quality should be performed using synthetic models. These tests confirm that horizontal and vertical leakages, as well as side-lobes effects exist, thus
indicating that no information on real structures can be expected.
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Résumé
La subduction de la lithosphère océanique représente un processus de premier
ordre dans le cadre de la tectonique des plaques. Opposées aux dorsales médio
océaniques où la lithosphère océanique est créée, les zones de subductions jouent un
rôle majeur dans la tectonique des plaques, en recyclant la lithosphère océanique.
Ces deux procédés, le recyclage de la lithosphère océanique et la formation de
croûte continentale, sont fondamentaux dans l’évolution de la Terre et leur compréhension est primordiale pour mieux appréhender son fonctionnement. Notamment
la compréhension des relations entre la déshydratation, la génération de la fusion
partielle et la montée de ces fusions partielles jusqu’à l’arc volcanique est cruciale.
Au sein de la zone de subduction en Amérique Centrale et plus spécialement le
long du Costa Rica, des progrès importants ont été faits ces dernières décennies
pour développer notre compréhension des relations existantes entre ces processus.
Seul des modèles indépendants peuvent apporter des informations sur la composition et l’état physique de la lithosphère de la plaque chevauchante (contenu en
fluide ou température), puisqu’ils permettent la comparaison avec des mesures
pétrophysiques.
La tomographie des séismes locaux et des télé-séismes peut être utilisée pour
obtenir de tels modèles 3D de vitesses sismiques des ondes P. La résolution et
la fiabilité de telles images tomographiques dépendent fortement de la qualité des
mesures des temps d’arrivées disponibles. Une résolution uniforme de la zone de
subduction et de la lithosphère de la plaque chevauchante nécessite la collecte et
l’intégration des données issues des tremblements de terre de tous les réseaux sismologiques disponibles au Costa Rica et des pays limitrophes. Etant donné que les
pointés routiniers fournis par les réseaux permanents comportent habituellement
un fort degré d’inconsistance, et qu’une évaluation quantitative des erreurs n’est
pas commune entre les différents réseaux, le re-pointage des arrivées des ondes P
est indispensable pour obtenir des temps d’arrivées appropriés pour la tomographie
sismique de haute résolution. En considérant le nombre d’observations nécessaires
pour obtenir des modèles régionaux, de nouveaux algorithmes sont requis. Ces
futurs outils, adaptés à l’obtention de grands jeux de données, doivent combiner
un pointé précis avec une évaluation automatique de la qualité des observations.
Dans cette étude, des séismes locaux et lointains ont été collectés et assemblés à
partir de neuf réseaux sismiques permanents et temporaires, situés au Costa Rica,
au Panama et au Nicaragua. Le jeu de données final se compose des formes d’ondes
digitales de 764 séismes locaux pour la période 2005-2006 et de 71 télé-séismes pour
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Résumé
la période 2000-2006. Une procédure de pointage fiable à été appliquée, à la main,
pour pointer les tremblements de terre lointains. Il a était fait de même pour
obtenir un jeu de données de référence pour les séismes locaux, utilisé par la suite
pour calibrer l’algorithme de pointage automatique.
Le programme MannekenPIX a été utilisé pour le re-pointage automatique des arrivées d’ondes P pour les séismes locaux, fournissant également une mesure de la
qualité de chaque observation. Le jeu de données final, constitué de plus de 11,000
observations, avec une erreur moyenne pondérée d’environ 0.15 s, a été utilisé pour
la tomographie des séismes locaux. Des tests utilisant des signaux synthétiques
et des estimations de la résolution obtenues grâce à la matrice de résolution, indiquent où le modèle de vitesse est bien résolu. Ce modèle de vitesse des ondes P
en 3D, donne une image du Costa Rica entre 0 km et 50 km de profondeur. Il montre une structure lithoshérique complexe en dessous du Costa Rica. Des coupes
horizontales effectuées à faible profondeur, traduisent une bonne corrélation avec
la géologie de surface, contenant des anomalies de faibles vitesses associées aux
chaı̂nes volcaniques actives situées au centre et au nord du Costa Rica. Une
large structure associée à des vitesses importantes est observée en dessous de la
Cordillera Tallamanca, et interprétée comme un vestige de faible densité d’une
phase précédente de magmatisme associée aux batholithes de la Cordiellera de
Tallamanca. Les anomalies de premier ordre, comme la plaque Coco subduite,
associée à des vitesses importantes à l’ouest de notre modèle, ainsi qu’une zone de
faible vitesses liée à un manteau environnant hydraté sont bien résolues en accord
avec les études précédentes.
Le jeu de données final des séismes lointains est constitué par plus de 2000 temps
d’arrivées, re-pointées à la main de manière précise et fiable. Cependant, un fort
biais azimutal de la distribution des arrivées dans la direction SE indique que le
jeu de données constitué n’est pas adapté, pour le moment, à une étude tomographique à haute résolution des séismes lointains au Costa Rica. Par conséquent,
nous avons mené cette étude en insistant sur les améliorations méthodologiques et
nous proposons de fusionner notre jeu de données avec un futur jeu de données
mieux adapté à ce type d’étude. Grâce aux résultats obtenus avec la tomographie des séismes locaux, nous avons construit un modèle synthétique de vitesse de
la croûte pour corriger les temps d’arrivées des ondes P issues des séismes lointains. Les résultats de cette approche démontrent qu’en absence de correction, les
anomalies contenues dans la croûte sont projetées par erreur dans les structures
terrestres plus profondes au cours du processus d’inversion. Cela montre que pour
améliorer la résolution des images tomographiques, il est essential de corriger les
temps de trajets des séismes lointains de la contribution apportée par les structures de proche surface. Nous avons continué cette étude en montant comment
l’évaluation de la qualité de la solution doit être évalué, en utilisant des modèles
synthétiques. Ils attestent qu’un étalement vertical et horizontal des anomalies,
ainsi que des effets de “side-lobes” existent, indiquant qu’aucune information sur
les structures réelles ne peut être obtenue avec ce jeu de données.
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