Present regional kinematic model of the northern Central America: North America-Cocos-Caribbean plates triple junction area constrained by geodetic and seismological data
Cinématique Actuelle du Nord de l'Amérique Centrale: Zone de Jonction Triple Amérique du Nord Amérique-Cocos-Caraïbe. Apport des données sismologiques et géodésiques aux modèles régionaux
Résumé
Northern Central America is located in a complex zone of interaction between three major tectonic plates : the North American (NA), the Caribbean (CA) and the Cocos (CO) plates. While the CO plate is subducting under the NA and CA plates along the Mid-American trench, the on-land relative motion between the NA and CA plates is mainly accommodated by the east-west trending left-lateral Polochic-Motagua fault system. We installed in 2005, during 6 months, a 30 stations seismological network in order to analyse the present seismic activity of the Polochic-Motagua fault system and to constrain the lithosphere characteristic at depth in this area. We show that the seismic activity is concentrated at depth less than 15 km. The level of seismicity of the Polochic and the Motagua faults is comparable while no earthquakes were registered from the Jocotan fault. We also observe activity in a North-South trending graben south of the Motagua fault and probably activity on the folds north of the Polochic fault. Using the receiver function method we localise the mohorovic discontinuity at about 35 km. Our data suggest that the crustal thickness is smaller between the Polochic and Motagua faults than north or south. We use GPS data to characterize the deformation in the CO-CA-NA triple junc- tion area in terms of interactions and relative contributions of the different structures (Polochic and Motagua faults, a series of north-south grabens south of them and the Mid-American Volcanic Arc, MAVA), and coupling at the subduction interface. We ana- lyse GPS-campaign data from different networks in Guatemala (24 sites measured in 1999-2003-2006), Salvador (3 sites measured in 2003 and 2006) and Chiapas, southern Mexico (8 sites measured each year from 2002 to 2004). Data are processed and combined using the GAMIT/GLOBK software. The obtained velocity field is first fitted using simple elastic models. The Motagua fault seems to accomodate most of the present left-lateral motion between CA and NA, with less than 15% taken by the Polochic fault despite its comparable surface morphology, historical seismicity and microseismic activity. This may suggest complex mechanical interactions between the Motagua and Polochic faults at the scale of several seismic cycles. A single fault model, centered on the Motagua fault, locked at a depth of 15 km, indicates a slip rate decrease from eastern (20 mm/yr) to central Guatemala ( 15 mm/yr) towards the CA-CO-NA triple junction (0 mm/yr ?). This decrease seems to be consistent with east-west extension rates estimated across the Ipala and Guatemala city grabens south of the Motagua fault. We also observe a right-lateral movement across the MAVA : 15mm/yr in Salvador and 10mm/yr in Guatemala. This movement is consistent with that observed along the nicaraguan and costa-rican volca- nic arcs. To take into account the rotation of blocks and the elastic deformation localized on faults at their boundaries in this area, we finally use the 3D-elastic inverse model DEFNODE (McCaffrey 2002) to fit the GPS-derived deformation field. Our 4 blocks (CO,CA, NA and a microplate in between the MAVA and the CO subduction interface) suggests a coupling decrease at the subduction interface from Chiapas to Guatemala, although not fully resolved with the present data set.
Le Nord de l'Amérique Centrale est une zone complexe d'interaction entre trois grandes plaques tectoniques majeures : La plaque Caraïbe (CA) la plaque Amérique du Nord (AN) et la plaque Cocos (CO). Alors que la plaque Cocos subducte sous les plaques Caraïbe et Amérique du Nord, le mouvement relatif entre ces deux dernières plaques, en domaine continental, est principalement accommodé par le système de failles décrochantes sénestres Est-Ouest Polochic-Motagua. Nous avons installé, début 2005 et pour une période de 6 mois, un réseau de 30 stations sismologiques afin d'analyser l'activité sismique actuelle du système de failles Polochic Motagua ainsi que d'imager la structure de la lithosphere en profondeur. Nous montrons que l'activité sismique enregistrée est principalement concentrée au-dessus de 15 km de profondeur et distribuée le long des deux failles de Polochic et de Motagua qui montre une activité comparable. Aucun événement enregistré n'est associé à la faille de Jocotan. Nous observons également l'activité d'un des grabens Nord-Sud situé au sud de la faille de Motagua ainsi que probablement des plis Est-Ouest situés au Nord de la faille de Polochic. A l'aide de la méthode de fonctions récepteur nous avons localisé la discontinuité de Mohorovic à une profondeur moyenne de 35 kilomètres. L'image du Moho le long d'un profil perpendiculaire au système de faille semble suggérer qu'il existe un amincissement de la croûte entre les failles de Polochic et de Motagua bien que ce résultat reste à confirmer. Dans le but de caractériser la déformation à la jonction triple CA-CO-AN, en terme d'interactions et de contribution relative des différentes structures (les failles de Polo- chic, de Motagua, la série de grabens Nord-Sud, l'arc volcanique...) et l'interface de subduction, nous avons utilisé des données GPS provenant de différents réseaux géodésiques localisés au Guatemala (24 sites mesurés en 1999, 2003 et 2006), au Chiapas, Mexique méridional (8 sites mesurés tout les ans entre 2002 et 2005) et au Salvador (3 sites mesurés en 2003 et 2006). Les données ont été traitées et combinées avec les logiciels GAMIT et GLOBK. Le champ de vitesse obtenu fut dans un premier temps ajusté à l'aide d'un simple modèle élastique. La faille de Motagua semble accommoder la majorité du mouvement sénestre entre les plaques CA et AN, dont seulement 15% est accommodé par la faille de Polochic malgré sa morphologie, son histoire sismique récente et sa sis- micité actuelle comparables à celles de la faille de Motagua. Ceci semble suggérer des interactions mécaniques complexes entre les deux failles décrochantes à l'échelle de plu- sieurs cycles sismique ou une rhéologie complexe de la lithosphère sous le système de failles Polochic-Motagua. Un modèle à une seule faille centrée sur la faille de Motagua bloquée sur 15 km de profondeur suggère une vitesse de glissement décroissante d'Est (20 mm/an) vers le centre du Guatemala (15 mm/an) vers la jonction triple CA-CO-AN (∼ 0 mm/an). Cette décroissance semble être cohérente avec le taux d'extension Est-Ouest observé à travers les grabens d'Ipala et de Guatemala-City. Nous observons également un mouvement dextre à travers l'arc volcanique d'Amérique Centrale d'environ 15mm/an au salvador et 10mm/an au Guatemala. Ce mouvement est cohérent avec celui observé plus au Sud au Nicaragua et au Costa-Rica. Afin de prendre en compte les rotations de blocs et la déformation élastique localisée sur des failles situées aux frontières de ces blocs, nous avons utilisé un modèle élastique inverse 3D (DEFNODE, McCaffrey, 2002) pour ajuster notre champ de vitesse. Un modèle à 4 blocs (CO, CA, AN et une micro plaque côtière située entre l'arc volcanique d'Amérique Centrale et l'interface de subduction CO/CA) suggère un couplage décroissant à l'interface de subduction du Chiapas vers le Guatemala bien que ce résultat ne soit pas entièrement résolu par la densité actuelle de nos données.
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