Subduction erosion processes with application to southern Mexico

Finite-element numerical models of ocean-continent subduction are used to investigate the roles of crustal frictional strength, subduction angle, and convergence rate in subduction erosion processes. These models exhibit two distinct modes of subduction erosion: (1) slow and steady, removing small blocks of material continually, and (2) fast and non-steady, removing a large forearc block in a single event. The slow mode, called edge-weakening subduction erosion, is enhanced by steeper subduction angles but acts to shallow the subduction angle at crustal depths. The fast mode, called internal-weakening subduction erosion, is enhanced by shallow subduction angles but acts to steepen the subduction angle at crustal depths. The two modes may alternate cyclically in nature and may account, in part, for the variation in subduction angle observed at the modern western American subduction zones. The slow, edge-weakening subduction erosion mode correlates well to subduction erosion processes widely reported for natural subduction zones. The fast, internal-weakening subduction erosion mode has previously been described only for subduction zones involving continental lithosphere on the lower plate. The removal of a 150-250 km wide forearc block from southern Mexico between 27-25 Ma and 21-19 Ma may be a first type example of internal-weakening subduction erosion at an ocean-continent subduction zone. The numerical models showing internal-weakening subduction erosion and the geological record of southern Mexico share the following geological features synchronous with forearc removal: (1) rapid trench migration rates approaching orthogonal plate convergence rates, (2) a step-wise shift in the locus of arc magmatism towards the upper plate, (3) forearc subsidence at the new margin of the upper plate, (4) a zone of crustal unroofing within the upper plate's new forearc region, and (5) a zone of subduction-antitheticDes modéles numériques en éléments finis de subduction océan-continent sont utilisés pour étudier le rôle de la résistance au frottement de la croûte, des angles de subduction et du taux de convergence au cours de la subduction-érosion. Ces modéles mettent en évidence deux régimes distincts: (1) lent et constant, arrachant continuellement de petits blocs de matériel continental, ou (2) rapide et saccadé, arrachant un bloc important d'avant arc en un seul épisode. Le régime lent décrit une subduction-érosion à affaiblissement marginal, favorisée par un fort pendage de la plaque en subduction mais qui tendà diminuer cet angle. A l'inverse le régime rapide décrit une subduction-érosion avec affaiblissement de la zone interne, favorisée par un faible pendage initial de la plaque subduite mais dont l'angle tend à augmenter au cours de la subduction. L'alternance cyclique des deux régimes pourrait expliquer en partie la variabilité du pendage de subduction observée dans les zones de subduction actuelles de la côte ouest américaine.Le régime lent de subduction-érosion (à affaiblissement marginal) est le plus typique de la majorité des cas naturels de subduction-érosion reconnus jusqu'ici. Le régime rapideà affaiblissement de zone interne n'avait été identifié qu'à des zones de subduction où la plaque plongeante est du type continental. L'arrachement d'un bloc d'avant arc substantiel (150à 200 km de largeur) au sud du Mexique, entre 19 à 20 millions d'années (Ma) et 25à 27 Ma, pourrait s'avérer le premier exemple reconnu de subductionà affaiblissement de zone interne dans un contexte de subduction océan-continent. Les modéles numériques qui décrivent un régime de subduction-érosionà affaiblissement de zone interne ont plusieurs traits en commun avec le cas du sud du Mexique: (1) un taux de migration rapide de la fosse de subducti