P-, S-wave velocity and V_P/V_S of the Colima Volcanic Complex from local earthquake tomography

Abstract

The Colima Volcanic Complex (CVC), located in western Mexico, is a complex tectonic area dominated by subduction processes and the deformation and fragmentation of the continental plate. The CVC is characterized by three volcanic structures formed during successive periods of different dynamic and magmatic processes. Several studies have been performed; however, the exact mechanism controlling the internal structure of the CVC is still debated. Therefore, the purpose of this study was to estimate high-resolution P-wave velocity (V_P), S-wave velocity (V_S), and V_P/V_S models to gain new insights into the internal structure of the CVC. To do this, I used P- and S-waves travel times of 383 earthquakes recorded by the Mapping the Rivera Subduction Zone and the Colima Volcano Deep Seismic Experiment. The fast-marching method was implemented to solve the forward problem of travel time prediction and a subspace inversion-gradient-based technique. The robustness of the tomographic results was then assessed through checkerboard and restoring resolution tests. At the southwest of the CVC, approximately at 7-km depth, the resulting models showed a low V_P anomaly with an elliptical shape and a northeast-southwest trend, a low V_S anomaly with an irregular-shape of interconnected lobes, and high V_P/V_S with a similar pattern as the S-wave velocity model but confined to the Central Colima Graben. From the resulting tomographic images, I infer: (i) the presence of a shallow, complex system of magmatic reservoirs; (ii) that the southward migration of volcanic activity as an ongoing process; and (iii) the existence of compositional distinct magma reservoirs.

Resumen

El Complejo Volcánico de Colima, CVC, ubicado en el occidente de México, es un área tectónica compleja dominada por procesos de subducción y la deformación y fragmentación de la placa continental. El CVC se caracteriza por tres estructuras volcánicas formadas durante períodos sucesivos de procesos dinámicos y magmáticos diferentes. Se han realizado varios estudios; sin embargo, todavía se debate el mecanismo exacto que controla la estructura interna del CVC. Por lo tanto, el propósito de este estudio fue estimar modelos de alta resolución de la velocidad de la onda P, V_P, de la velocidad de la onda S, V_S y de V_P/V_S para obtener nuevos conocimientos sobre la estructura interna del CVC. Para hacer esto, se utilizaron tiempos de viaje de las ondas P y S de 383 terremotos registrados durante los experimentos Mapping the Rivera Subduction Zone y Colima Volcano Deep Seismic Experiment. El método de marcha rápida se implementó para resolver el problema directo de la predicción de los tiempos de viaje y una técnica de inversión basada en gradiente subespacial. La robustez de los resultados tomográficos se evaluó a través pruebas de resolución de tablero de ajedrez y de restitución. En el suroeste del CVC, aproximadamente a 7 km de profundidad, los modelos resultantes mostraron una anomalía de baja V_P con forma elíptica y tendencia noreste-suroeste, una anomalía de baja V_S con forma irregular de lóbulos interconectados y una anomalía de alta V_P/V_S con un patrón similar al modelo de velocidad de la onda S pero confinada en el Graben Central de Colima. A partir de las imágenes tomográficas resultantes, se infiriere: (i) la presencia de un sistema complejo y poco profundo de reservorios magmáticos; (ii) la migración hacia el sur de la actividad volcánica como un proceso en curso; y (iii) la existencia de reservorios de magma de distinta composición.