Tectonica y volcanismo en el Cinturon

Volcanico Trans-Mexicano

Luca Ferrari Colaboración de Ma. Teresa Orozco, Vlad Manea, Marina Manea

Instituto de Geología y Centro de Geociencias, UNAM

CVTM

Sismicidad y volcanismo en zona de subducción

Sismicidad Deshidratación Fusión parcial Volcanismo

Las peculiaridades del CVTM

Ancho irregular

No parallelo a la trinchera

Basamento heterogeneo

Estratovolcanes alineados N-S

Dos placas subduciendo, colinda con un rift

Heterogeneidad geoquímica

Sismicidad ausente por debajo del arco

Falla transforme intraplaca

(Shurbet and Cebull, 1984, Tectonophysics)

Salto al este de la dorsal medio-ocenica

(Luhr et al., 1985, Geology; Allan et al., 1991, GSAB)

Pluma del manto

(Moore et al., 1994, GSAB; Marquez et al., 1999, Geology)

Rifting continental

(Sheth et al., 2000, Int, Geol. Rev.; Verma, 2002, Geology)

Fusión del slab

(Gomez-Tuena et al., 2003, Gcubed; 2006, JPet.)

Delaminación lithosferica

(Mori et al., 2009, Jpet.)

Rompimiento y desgarre de la placa en subducción, slab rollback

(Ferrari et al., 2001, Ferrari, 2004, Geology)

Muchos modelos para explicar su volcanismo

Misma placa de Cocos pero:

Hay menos sismos en Mexico que en Centroamerica.

Los sismos son mas someros y desaparecen por debajo del CVTM.

Sismicidad en Mexico vs. Central America

USGS, 2011

Pardo & Suarez, 1995, JGR

Desde mediado de los 90’ se sabía que la placa de Rivera tenía mayor

inclinación y que la placa de Cocos en el Centro de México estaba

poco inclinada pero se desconocía que pasaba bajo el arco volcánico

debido a la ausencia de sismicidad.

Geometría de las placas en subducción hasta 2008

Estructura de la corteza y el manto superior en México central despues de los experimentos MARS, MASE y VEOX

Yang et al., 2009, JGR Perez y Melgar, 2011, PAGEOPH

50 estaciones temporales desplegadas

en el occidente de Mexico por encima

de la placa de Rivera y la parte mas

occidental de Cocos

Perfiles de hasta 100 estaciones sismicas

perpendiculares a la trinchera con una

distancia de 5 km registrando por 12 a 18

meses

Experimento MARS Experimentos MASE y VEOX

Espesor de la corteza en México central

Corteza de 45-50 km

Precambrico-Paleozoico

~150 Ma sin magmatismo

Corteza de 35-40 km

Conjuntos mesozoicos

~140 Ma de magmatismo

Centro y este basado

en datos de MASE +

Urrutia & Flores, 1996

Mexico occidental basado en

dato de MARS no publicados

cortesia de S. Grand

Ferrari et al., en prensa, Tectonophysics

Geometria de la placa en subducción (oeste)

Yang et al., 2009, JGR Modelos tomograficos de ondas P de la parte occidental

de Mexico obtenidos con el arreglo MARS. Las anomalias

de velocidad positivas bajo el continente (2-4 % con

respecto al modelo de referencia) se interpretan como

partes de la placa en subduccion.

- Separación entre Rivera y Cocos

- Placa de Rivera termina a los 350 km de profundidad

Flujo del manto bajo el CVTM occidental

Soto et al., 2009, GJI

Ferrari et al., 2001, Geology

La anisotropia sismica observada en

las estaciones MARS (A) muestra un

flujo toroidal del manto astenosferico

alrededor de la placa de Rivera (B).

Estas observaciones apoyan el modelo

geológico presentado en Ferrari et al.

(2001).

A B

C

Perez Campos et al., 2008, GRL

Geometria de la placa en subducción (centro)

Husker and Davis., 2009, JGR

Interpretacion de los datos combinados de funciones receptores y tomografia a lo largo del perfil

MASE (derecha) y perfil del modelo usando ondas P y S (panel de la izquierda). La placa aparece

horizontal hasta 250 km de la costa. Ambos modelos muestran que la placa en subduccion

esta truncada a 450-500 km y un posible segmento desprendido por debajo de los 600 km.

Ondas P

Ondas S

Geometria de la placa en subducción

Profundidad de las placas de Rivera y Cocos en subduccion bajo Mexico de acuerdo con los

modelos tomograficos de los experimentos MARS, MASE y VEOX. Se muestra tambien el borde

truncado de las placas (linea punteada roja). LTV = campo volcanico de Los Tuxtlas.

Ferrari et al., en prensa, Tectonophysics

Slab plano hasta 250 km de la trinchera

Inclinado a 75° bajo la FVTM

Slab truncado a ~500 km

Slab inclinado ~35° y ~70°

Separación Rivera – Cocos

Slab desaparece a >350 km

Dehidratación del slab y fusión cortical Perfil magnetotellurico (Jodicke et al., 2006, JGR)

Perfil magnetotelurico (panel superior) que coincide con el perfil MASE. Los resultados se

muestran como variacion de la resistividad in Ωm. Panel inferior: resultados de los estudios de

atenuacion sismica a lo largo de la linea MASE. La region con alta atenuacion en la corteza

coincide con la region de baja resistividad y se interpreta como una zona de fusión parcial.

Atenuación sísmica (Chen & Clayton, 2010, JGR)

Estructura térmica y deshidratación bajo el CVTM occidental (placa de Rivera)

A) Modelo instantáneo en 2D de la estructura térmica al oeste de Guadalajara con geometría

basada en el experimento MARS y una temperatura potencial del manto de 1350 °C y (D)

correspondiente perfil de deshidratación de la placa en subducción (de Ferrari et al., en prensa).

T de hasta 1,200 °C por debajo del frente volcánico

Mayor parte del agua liberada en 80 km atrás del frente volcánico.

Altas T en la base de la corteza (~1050 °C)

Estructura térmica y deshidratación bajo el CVTM central (placa de COCOS)

Altas T (~1,300 °C) en la esquina de la cuña del manto encima del

segmento fuertemente inclinado de la placa en subducción

Mayor parte de los fluidos liberados en la zona de subducción plana

El agua remanente liberada en una franja de 50 km desde el frente volcánico

A) Modelo instantáneo en 2D de la estructura térmica a lo largo del perfil MASE para una

temperatura potencial del manto de 1350 °C y (B) correspondiente perfil de deshidratación de la

placa en subducción (tomado de Manea y Manea 2011a).

Poco fallamiento extensional

Corteza mas gruesa

Extensión intra-arco importante

Corteza mas delgada

Fallamiento intra-arco

Historia geológica del CVTM: MexDB

Cartografía geológica a

escala 1:50,000 y 1:100,000

compilada en GIS

Control cruzado con una base

de dato de ~4,000 análisis

químicos y ~1,800 edades

Cada muestra ligada a una

edad absoluta o a un rango

de edad, su distancia de la

trinchera y distancia del

frente volcánico actual.

Migración del arco

Al oeste de 101° W el volcanismo

migra hacia la trinchera desde ~11 Ma

Al este de 101° W el volcanismo se

aleja de la trinchera hasta ~7 Ma,

luego migra hacia la tinchera

Evolución del volcanismo en cuatro episodios

El CVTM ancestral (Mioceno medio a tardío)

101

°

99

°

Composición mafico-intermedia (principalmente estratovolcanes) Migración hacia el interior de ~19 a 10 Ma Volcanismo (13-10 Ma) y mas alejado de la trinchera con caracteres adakiticos

→ Horizontalización de la placa

Adakites

Episodio máfico Mioceno tardío-Plioceno temprano

Altos de Jalisco 10 – 9 Ma Rio G. Santiago, 11 – 9.5 Ma

Querétaro – 8.5-7.5 Ma

Ferra

ri, 2004, G

eolo

gy

Modelo para explicar el episodio máfico

Fle

tcher e

t al., 2

007, G

SAB

Se ha propuesto que el pulso de volcanismo máfico es el resultado de la propagación hacia el este del desprendimiento de la parte inferior de la placa que inició en el Mioceno medio en la región del Golfo de California. Resulta de la infiltración de manto astenosferico caliente a través del hueco que se va abriendo en la placa.

Los resultados del experimento MASE y el modelado numérico confirman el modelo del desprendimiento (Ferrari, 2004). El modelo geológico prevé que a lo largo

del perfil MASE la placa de Cocos debe haberse roto al norte de Pachuca a ~ 7 Ma y posteriormente haber retrocedido hasta la posición actual. . La retrodeformación del rompimiento de

la placa checa con lo que se ve en la imagen tomográfica.

La predicción geológica confirmada por geofísica

A ~7.5 Ma, poco despues del episodio mafico, el volcanismo cambia de composición

y se vuelve silicico. Tambien inicia a migrar hacia la trinchera.

En la parte occidental se emplazan grandes complejos de domos rioliticos mientras

que en la parte oriental dominan las calderas.

Volcanismo silicico despues de la ruptura de la placa

La FVTM moderna (Plioceno tardío –Pleistoceno)

Aparecen los grandes estratovolcanes. En la parte

central y oriental se emplazan con alineamientos N-S

El volcanismo continua su migración hacia la trinchera

siendo mas pronunciada en la parte oriental.

La FVTM moderna (Plioceno tardío –Pleistoceno)

• La firma de subducción decrece al alejarse del frente volcánico, particularmente donde el

slab se hunde con mayor inclinación.

• Las rocas se vuelven mas diferenciadas (silicicas) al alejarse del frente

Fusión y asimilación cortical

La naturaleza y el espesor

de de la corteza controlan los

valores de isotopos de Nd de

los magmas del CVTM.

La asimilación cortical es

evidente en el CVTM oriental,

subyacido por un basamento

Proterozoico y una corteza mas

gruesa.

La asimilación es dificil de

probar en el CVTM occidental

debido al bajo contraste

isotópico entre manto y

corteza, constituida por

batolitos de arco Meso-

Cenozoicos. Sin embargo los

módelos térmicos sugieren un

mecanismo similar.

Fusión cortical y asimilación

Los datos isotópicos indican que algunas rocas de composicion intermedia pueden

ser el resutlado de mezcla entre magmas silicicos y máfico en la corteza. En calderas

como Amealco, Los Humeros, e ignimbritas y domos de la parte occidental se

observan mezclas fisicas de magmas silicicos y maficos.

~19 -10 Ma: El arco migra hacia el interior.

La placa se horizontaliza. Magmatismo

asociado primero a dehidratación (fllux

melting) y luego a fusión de la placa

~11-5 Ma: “slab detachment”, pulso máfico

que migra hacia el E y SE. Magmatismo

asociado a flujo de astenosfera caliente en

la cuña del manto. Aumento de T y fusión por

descompresión.

7.5 - ~2 Ma: Pulso silicico. El arco migra de

regreso hacia la trinchera. Slab rollback

extensión en la placa superior. La astenosfera

puede alcanzar la base de la corteza.

Magmatismo associado a fusión de la

corteza y mezcla entre entre fuentes

enriquecidas y empobrecidas.

2-0 Ma: Arco moderno. Gran hereogeneidad

composicional. Magmatismo associado a

flux melting, fusión por descompresión,

fusión del slab y de la corteza.

Un modelo de evolución integral

Manea and Manea 2011, PAGEOPH