Crustal Velocity Anomalies in Costa Rica from Ambient Noise Tomography

Abstract

We derive group velocity maps for crustal Rayleigh waves across Costa Rica and corresponding 3-D shear-wave velocity structure from ambient noise cross-correlations between 56 seismic broadband stations. The daily inter-station cross-correlations for the period 2010–2015 of 56 seismic broadband stations are stacked and analysed to warrant a robust extraction of empirical Green’s functions which then are used to measure fundamental mode Rayleigh wave group velocities. Rayleigh wave dispersion curves show consistent patterns within the different geological domains in Costa Rica. Dispersion curves were evaluated in the microseism band from 5- to 17-s period and inverted for group velocity maps using iterative nonlinear travel time tomography. The group velocities at each grid point were inverted for 1-D profiles using a non-linear simulated annealing approach, and transformed into the 3-D velocity structure. The final tomographic model shows clearly the main velocity anomalies associated with tectonic and volcanic activity in Costa Rica. Three localized negative velocity anomalies are seen at all periods (5–17 s) consistent with deep-routed crustal-scale magmatic systems located beneath the Rincón de la Vieja-Miravalles, Arenal-Poás and Turrialba-Irazú volcanic systems, that showed activity over the last 100 years. High velocities can be found beneath the Talamanca arc in southeastern Costa Rica, where active volcanism stopped in the late Miocene. Significant along-strike variations in the morphology of the subducting Cocos plate are imaged consistently by velocity variations in the forearc.

Derivamos mapas de velocidad de grupo para las ondas Rayleigh de la corteza terrestre a través de Costa Rica y la correspondiente estructura de velocidad de ondas de corte 3-D a partir de correlaciones cruzadas de ruido ambiental entre 56 estaciones sísmicas de banda ancha. Las correlaciones cruzadas diarias entre estaciones para el período 2010-2015 de 56 estaciones sísmicas de banda ancha se apilan y analizan para garantizar una extracción robusta de funciones de Green empíricas que luego se utilizan para medir las velocidades de grupo de ondas Rayleigh de modo fundamental. Las curvas de dispersión de ondas Rayleigh muestran patrones consistentes dentro de los diferentes dominios geológicos en Costa Rica. Las curvas de dispersión fueron evaluadas en la banda de microseísmo de 5 a 17-s de período e invertidas para mapas de velocidad de grupo usando tomografía iterativa no lineal de tiempo de viaje. Las velocidades de grupo en cada punto de la cuadrícula se invirtieron para perfiles 1-D utilizando un enfoque de recocido simulado no lineal, y se transformaron en la estructura de velocidad 3-D. El modelo tomográfico final muestra claramente las principales anomalías de velocidad asociadas a la actividad tectónica y volcánica en Costa Rica. Se observan tres anomalías de velocidad negativas localizadas en todos los periodos (5-17 s) consistentes con sistemas magmáticos a escala de corteza profunda localizados bajo los sistemas volcánicos Rincón de la Vieja-Miravalles, Arenal-Poás y Turrialba-Irazú, que mostraron actividad durante los últimos 100 años. Bajo el arco de Talamanca, en el sureste de Costa Rica, donde el vulcanismo activo se detuvo a finales del Mioceno, pueden encontrarse altas velocidades. Las variaciones significativas de la morfología de la placa subductora de Cocos a lo largo del trazado se reflejan de forma coherente en las variaciones de velocidad del antearco.