Crustal and upper mantle shear wave velocity structure and radial anisotropy beneath the Colombian Andes inferred from ambient noise and surface wave tomography

O objetivo deste trabalho é investigar como os processos relacionados à subducção no noroeste da América do Sul deformam e alteram a composição da placa superior, assim como a relação entre fluidos crustais e vulcanismo ativo/inativo. Para esse fim, este estudo desenvolveu: (1) Correlações cruzadas de ruído sísmico ambiente para os componentes vertical, radial e transversal entre todos os possíveis pares de estações permanentes implantadas pelo Serviço Geológico da Colômbia entre 2012 e 2016, que foram usadas para reconstruir as funções empíricas de Green para ondas Rayleigh e Love na região; (2) Novas medições de velocidade de ondas supeficiais de grupo para ondas Rayleigh e Love a partir de fontes de terremotos regionais e distantes; (3) Novos Mapas de ondas de superfície de fase e grupo entre 7 e 150 s para as ondas Love e Rayleigh, a partir de tomografia de ruído ambiente e ondas de superfície; (4) Novos mapas de velocidad das ondas VSV e VSH para a crosta e manto superior (até 140 km); e, (5) Um modelo 3D de anisotropia radial do noroeste da América do Sul. Os modelos de velocidade da onda S e de anisotropia radial para a crosta e manto superior para o noroeste da América do Sul foram desenvolvidos a partir de 1.300 funções de Green empíricas a partir de correlações cruzadas de ruído ambiente, e de 11.000 percursos de ondas de superfície de fontes de terremotos. As curvas de dispersão de fase e grupo para as ondas Rayleigh e Love foram medidas no intervalo de 7 a 150 s no conjunto de dados total, e invertidas tomograficamente para produzir mapas de fase e de grupo para ondas Rayleigh e Love numa grade de 0.5◦ x 0.5◦ para tomografia de ruido sismico e de 1.0◦ x 1.0◦ para tomografía de on-das de superficie. Perfis de velocidade para VSV e VSH en função da profundidade foram construídos a partir da inversão conjunta das curvas de dispersão de grupo e fase em cada nó da grade da tomográfica até 140 km de profundidade. Os modelos de velocidade revelam zonas de baixa velocidade a 25-35 km de profundidade sob regiões de vulcanismo ativo e inativo, sugerindo a presença de magmas que levam a assinatura da subducção segmentada na placa superior. As regiões de baixa velocidade crustal exibem anisotropia radial negativa (VSH VSV ) sob regiões vulcânicas inativas é consistente com o armazenamento de magma em soleiras. A 40 km de profundidade, velocidades baixas sob as cordilheiras Central e Oriental exibem anisotropia radial positiva (até 15%), que é interpretado como armazenamento de magmas relacionados à subducção na crosta inferior. Baixas velocidades da onda S com anisotropia radial positiva são observadas na Bacia Inferior do Magdalena em todos os níveis crustais, o que é consistente com velocidades altas e baixas alternadas dentro do pacote sedimentar, tensões extensionais, cisalhamento sub-horizontal e/ou magmas sub-litosféricos que atravessaram uma placa caribenha fraturada. Em níveis crustais superiores a médios, anisotropia radial negativa e altas velocidades coincidem com os principais terrenos tectônicos (Maciço de Santa Marta, Batólito de Antioquia, Maciço de Santander, Batólito de Ibagué), enquanto a anisotropia positiva e as velocidades baixas caracterizam as principais bacias costeiras (por exemplo, Bacia Inferior do Magdalena, Bacia de Tumaco). Em terrenos tectônicos, a anisotropia negativa pode ser explicada através de tectônica de escape, enquanto a anisotropia positiva sob as bacias costeiras pode ser resultante de uma combinação de soleiras, tectônica extensional e/ou cisalhamento sub-horizontal. The objective of this work is to investigate how subduction-related processes in NW South America deform and alter the composition of the overriding plate, as well as the relationship between crustal fluids and active/inactive volcanism. To that end, this study developed: (1) Vertical, radial and transverse ambient seismic noise cross-correlations between all possible pairs of permanent stations deployed by the Colombian Geological Survey between 2012 to 2016, to reconstruct empirical Green’s functions for inter-station Rayleigh and Love waves in the region; (2) New surface-wave group-velocity measurements for Rayleigh and Love waves from regional and teleseismic earthquake sources; (3) Surface-wave dispersion maps of phase and group velocity variation between 7 and 150 s for Love and Rayleigh waves; (4) New maps of VSV and VSH velocity at crustal and upper mantle depths (down to 140 km); and, (5) a 3D model of radial anisotropy for NW South America. S-wave velocity and radial anisotropy for the crust and upper mantle under NW South America have been developed from 1,300 empirical Green’s functions from ambient noise cross-correlations and from 11,000 fundamental-mode, surface-wave trains from earthquake sources. Phase- and group-velocity curves for Rayleigh and Love waves were measured in the 7-150 s period range from the combined dataset, and tomographically inverted to produce maps of phase- and group-velocity variation in a 0.5◦ x 0.5◦ grid for ambient noise and 1.0◦ x 1.0◦ for surface waves. VSV and VSH velocity-depth profiles were constructed from the joint inversion of local group and phase dispersion curves at each node in the tomographic grid down to 140 km depth. The S-velocity models reveal zones of slow velocity at 25-35 km depth under regions of both active and inactive volcanism, suggesting the presence of melts that carry the signature of segmented subduction into the overriding plate. The regions of slow crustal S-velocity display negative radial anisotropy (VSH < VSV ) under active volcanoes, suggesting the presence of sub-vertical magmatic dykes feeding the volcanics, and positive radial anisotropy (VSH > VSV ) under inactive volcanic regions, consistent with magma storage along flat-lying sills. At 40 km depth, slow velocities under the Central and Eastern cordilleras display positive radial anisotropy (up to 15%), which is interpreted as storage of subduction-related magmas in the lower crust. Slow S-velocities with positive radial anisotropy are observed in the Lower Magdalena Basin at all crustal levels, consistent with a combination of alternating fast and slow velocities within the sedimentary package, extensional stresses, sub-horizontal shear, and/or sub-lithospheric melts from a fractured Caribbean flat slab. Negative radial anisotropy is also observed under Lower Magdalena Basin at upper mantle levels, coinciding with the location of the Caribbean flat slab. At upper to mid crustal levels negative radial anisotropy and high velocities coincide with major tectonic terrains (Santa Marta Massif, Antioquia Batholith, Santander Massif, Ibague Batholith), while that positive anisotropy and slow velocities characterizes major coastal basins (e.g., Lower Magdalena Basin, Tumaco Basin). In tectonic terrains, negative anisotropy may be explained through escape tectonics, while positive anisotropy under the coastal basins could be resulting from a combination of flay-lying magmatic sills, extensional tectonics, and/or sub-horizontal shear.