Flat versus normal subduction zones: a comparaison based on 3

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Flat versus normal subduction zones: a
comparaison based on 3-D regional travel-
time tomography and petrological modeling
of Central Chile and Western Argentina
(29°-35°S)
Marianne MAROT – 2013, june 27th
Abstract
Beneath central Chile and western Argentina, the oceanic Nazca slab drastically changes
geometry from horizontal to dipping at an angle of 30°, and correlates with the subduction of
the Juan Fernandez seamount ridge. The aim of our study is to assess, using a thermo-
petrological-seismological approach, the differences of the overriding lithosphere between
these two regions, in order to better understand the deep structure of the continental
lithosphere above the flat slab, and the links between the deformations at the surface and at
depth. We show the most complete regional 3-D seismic tomography images of this region,
whereby, in comparison to previous studies, we use (1) a much larger seismic dataset
compiled from several short-term seismic catalogs, (2) a much denser seismic station network
which enables us to resolve better the subduction zone from the trench to the backarc and into
the upper ~ 30 km of the slab, and (3) a starting 1-D background model calculated for this
region specifically and refined over the years. We assess and discuss our tomography results
with supporting existing models of seismic attenuation results for this region, and predicted
rock types which we calculated using Hacker and Abers (2004) mineral and rock database,
and by estimating the pressure and temperature conditions at depth from thermo-mechanical
modeling. We show significant seismic differences between the flat and normal subduction
zones. As expected, the flat slab region is impacted by colder temperatures imposed by the
slab geometry, and is characterized by faster seismic velocities and more intense seismic
activity, both within the slab and in the overriding plate, compared to the normal slab region.
We show evidence that the flat slab dehydrates within the mantle wedge, but also along the
subducting ridge prior to re-subducting. The forearc crust above the flat slab is described by
unusual seismic properties, correlated to the slab geometry at depth, and/or, to the aftershock
effects of the 1997 Mw 7.1 Punitaqui earthquake which occurred two years before the

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recording of our events. The continental crust above the flat slab has very heterogeneous
seismic properties which correlate with important deformation structures and geological
terranes at the surface. We confirm previous studies that have shown that the thick lower crust
of the present day Andean arc is non-eclogitized and maybe representing the felsic Chilenia
terrane, whereas to the east, the Cuyania terrane in the backarc is more mafic and contains an
eclogitized lower crust. We also suspect that well identified major crustal faults or shear zones
extend towards the plate interface and/or channelize slab-derived fluids through the
continental crust.
Key words: Central Chile, flat subduction, seismic tomography, rock composition, thermo-
mechanical modeling, eclogite crust, dehydration/hydration
Résumé
Sous le Chili central et l’ouest de l'Argentine (29°-35°S), la plaque océanique Nazca, en
subduction sous la plaque continentale Amérique du Sud, change radicalement de géométrie :
inclinée à 30°, puis horizontale, engendrée par la subduction de la chaine de volcans de Juan
Fernandez. Le but de mon étude est d'évaluer, la variation de nature et de propriétés physiques
de la lithosphère chevauchante entre ces deux régions afin de mieux comprendre (1) sa
structure profonde et (2) les liens entre les déformations observées en surface et en
profondeur. Pour répondre à cette thématique, j’utilise une approche originale couplant la
sismologie, la thermométrie, et la pétrologie. Je montre ainsi des images 3-D de tomographie
sismique les plus complètes de cette région par rapport aux études précédentes, qui intègrent
(1) de nombreuses données sismiques provenant de plusieurs catalogues, (2) un réseau de
stations sismiques plus dense permettant de mieux imager la zone de subduction, de la fosse à
l’arrière-arc, et les 30 premiers km du slab; et (3) un modèle de vitesse 1-D calculé en
particulier pour cette région et affiné, au fur et à mesure, de la croissance et de l’origine du
nombre de données. J’évalue et analyse les résultats de tomographie, en prenant en compte (i)
des modèles préexistants, régionaux, d'atténuation sismique, ainsi que (ii) des roches prédites
par la base de données Hacker et Abers (2004) pour des conditions de pression et température
estimés par nos modèles thermomécaniques. Je montre des différences sismiques importantes
entre les zones de subduction plate (flat slab) et inclinée. Comme prévu, la région, où la
subduction est plate, connait des températures plus froides, imposées par la géométrie du slab.
En effet, cette région se caractérise par des vitesses sismiques plus rapides et une sismicité
plus intense, dans la plaque océanique mais également dans la plaque continentale
chevauchante. J’apporte la preuve que la plaque en subduction se déshydrate dans deux
régions distinctes : (1) le coin mantellique, et (2) le long de la ride subduite avant que celle-ci
ne re-plonge plus profondément dans le manteau. La croûte continentale au-dessus du flat
slab possède des propriétés sismiques très hétérogènes en relation avec des structures de
déformation profondes et des domaines géologiques spécifiques. La croûte chevauchante

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d’avant-arc, au-dessus du flat slab, est décrite par des propriétés sismiques inhabituelles, liées
à la géométrie particulière du slab en profondeur, et/ou liées aux effets du séisme de 1997 de
Punitaqui (Mw 7.1). Mes résultats, confirmant les études antérieures, montrent que : - le bloc
Cuyania situé plus à l’est, dans la zone d’arrière-arc est plus mafique et contient une croûte
inférieure éclogitisée ; quant à, la croûte continentale inférieure sous l’arc Andin, est épaisse
et non-éclogitisée, décrivant surement le bloc felsique de Chilenia. Je suppose également que
les failles ou zones de cisaillement principales de la croûte chevauchante, identifiées en
surface et approximativement en profondeur, atteignent la zone interplaque, canalisant ainsi
les fluides en provenance du flat slab.
Mots-clés : Chili Central, subduction plate, tomographie sismique, composition de roches,
modélisation thermo-mécanique, croûte éclogitisée, déshydratation/hydratation