古巴推覆构造带周边盆地充填序列及其构造演化

陈 榕 , 吴朝东 申延平, 张晨晨 房亚男

(1.北京大学 地球与空间科学学院, 北京 100871; 2.中国石油 勘探开发研究院, 北京 100083; 3.国土资源部油气战略研究中心, 北京 100034)

0 引 言

如何重建加勒比地区构造演化过程一直是学术界研究的热点(Pindell and Dewey, 1982; Burke, 1988;Pindell and Barrett, 1990; Meschede and Frisch, 1998;Pindell et al., 2005; Giunta et al., 2006; Pindell and Kennan, 2009)。对于该问题的争议主要集中在古板块位置(Meschede and Frisch, 1998; Giunta et al.,2006), 演化过程中涉及单岛弧还是多岛弧(Rojas-Agramonte et al., 2008; Pindell and Kennan, 2009),南、北美以及加勒比板块之间拼合的时间(Pindell and Kennan, 2009; Escalona and Yang, 2013)等方面。上述争议问题都涉及到加勒比板块北缘的大安的列斯岛弧带, 古巴地区为大安的列斯带的一个重要组成部分, 亦是加勒比板块北缘的主要构造单元, 其构造演化过程直接反映了加勒比板块与北美板块的相互作用情况。因此, 系统地研究古巴地区构造演化过程能够更好地解决关于中新生代加勒比地区东北缘碰撞–挤压作用如何进行的关键问题。

很多学者对古巴地区的起源及构造演化问题进行了研究(Iturralde-Vinent, 1994; Bazhenov et al.,1996; Meschede and Frisch, 1998; Kerr et al., 1999;Pessagno et al., 1999; Pszczólkowski, 1999; Rojas-Agramonte et al., 2008; Saura et al., 2008; Pszczolkowski and Myczynski, 2010; Pindell et al., 2012;Escalona and Yang, 2013), 但是关于古巴地区的构造演化过程仍存在诸多争议, 主要的学术问题集中在古巴地体的起源(Iturralde-Vinent, 1994; Meschede and Frisch, 1998; Pszczólkowski, 1999; Saura et al.,2008; Pindell and Kennan, 2009; Pszczolkowski and Myczynski, 2010)以及构造演化过程(Iturralde-Vinent,1994; Meschede and Frisch, 1998; Kerr et al., 1999;Pindell and Kennan, 2009; Pindell et al., 2012)两方面。关于古巴地体起源, 学术界主要有三种观点:Meschede (1998)通过古地磁的方法建立了一套加勒比板块构造演化模式, 认为古巴地区是新生代早期的北美陆壳碎片碰撞拼合古加勒比弧形成的, 但是关于陆壳碎片的来源并未提供充足的证据(Meschede and Frisch, 1998); Pindell and Kennan (2009)认为古巴地区整体起源于古加勒比弧, 但该观点无法解释在古巴地区中生界存在陆相地层; Itrurrade-Vienent (1994)认为在新生代由于推覆作用, 古加勒比弧(岛弧部分)拼接北美板块(陆相部分), 形成了古巴地区的雏形, 但是对于推覆作用的具体过程并不是十分清楚。

关于构造演化的争论集中在古加勒比弧与北美板块的碰撞时限上, Itrurrade-Vienent (1994)通过对地层的研究, 分别以蛇绿岩带的出现和火山岩地层的消失为碰撞作用的上下限, 认为拼合作用开始于古新世并于始新世之后结束。Rojas-Agramonte et al.(2008)通过对古巴南部麦里斯特拉山脉的构造样式及古应力的研究, 将古巴地区分为南部和北部, 认为碰撞开始于北部(中生代末期), 并在古新世之后与南部最终完成拼合。Escolona and Yang (2013)通过研究北古巴前陆盆地的挠曲作用, 限定了岛弧推覆作用的开始时间, 认为古巴地区拼合作用开始于白垩纪末期, 并于古新世时期进行碰撞。但是现有研究均仅针对局部地区的碰撞时限划分, 并未考虑到古巴整体的碰撞演化过程。特别是在K-T界线时期发生的长期碰撞作用(70~50 Ma)(Pindell and Kennan,2009; Pindell et al., 2012; Escalona and Yang, 2013)对古巴全区地层特征产生了重大影响, 但关于该过程的认识尚不完善。

本文通过综合现有的古巴群岛构造演化模式和地质资料, 在前人研究的基础上重新划分了古巴群岛的地层分区, 按照区域地层特点将其分为尤卡坦、巴哈马、中部火山岛弧及南部火山岛弧四个区域, 对不同区域的地层特征进行对比分析, 发现四个区域存在明显差异, 地层的时代和沉积环境均不同, 分别起源于不同的古板块位置。关于构造演化过程, 本文重点分析了K-T界线时期加勒比板块北缘古加勒比弧与北美板块边缘碰撞事件对古巴整体地层特征的影响,提出了古加勒比弧与北美板块的弧陆碰撞模式。

1 区域地质背景及地层划分

古巴位于加勒比板块东北缘, 与尤卡坦台地及巴哈马台地相邻, 属大安的列斯岛弧带。古巴群岛是加勒比海北缘地质特征最为复杂的地区(Iturralde-Vinent, 1994; Pessagno et al., 1999), 表现在古巴各地区地层发育差异较大。Iturrade-Vinent(1994)认为古巴地质单元可划分为两部分: 一部分是晚始新世以前的褶皱带(图1), 主要由陆相地层单元(古巴中部地区的Cayo Coco、Remedios、Placetas等中生代台地和西北部Guaniguanico等地体)、火山–变质地层单元(古巴蛇绿岩带、白垩纪岛弧带以及古新世–中始新世岛弧带等)以及中生代复杂变质体组成; 另一部分是始新世晚期至今沉积的较新的原生地层, 这部分地层的变形较小, 没有发生太多的位移。本文将古巴划分为尤卡坦、巴哈马、中部火山岛弧及南部火山岛弧四个地层分区(图1)。其中: 尤卡坦构造单元为Pinar断层以北区域, 该地区以前侏罗系为基底, 同时出露有中生界的陆相地层(Iturralde-Vinent, 1994; Pessagno et al., 1999;Pszczólkowski, 1999; 周道华, 2009; Pszczolkowski and Myczynski, 2010); Pinar断层以南至 Nipe-Guacanayabo断层以北区域为中部, 中部可根据不同的地层组合划分为巴哈马构造单元和中部火山岛弧构造单元两个部分, 巴哈马构造单元与尤卡坦构造单元一样以前侏罗系为基底, 但中生界以碳酸盐岩及蒸发岩为主(Iturralde-Vinent, 1994); 中部火山岛弧构造单元以白垩系的火山岛弧地层为基底, 发育有中生界变质复合体; 南部火山岛弧构造单元为Nipe-Guacanayabo断层以南区域, 基底为侏罗纪火成岩, 中生界主要以火成岩或者火山碎屑岩为主,缺乏稳定的陆相沉积及海相沉积(Iturralde-Vinent,1994; Rojas-Agramonte et al., 2008)。

晚三叠世以来, 泛大陆裂解, 侏罗纪时期北美板块及南美板块逐渐分离, 古加勒比海槽张开(Pindell et al., 1988; Pindell and Barrett, 1990; Pindell and Kennan, 2009)。早白垩世, 太平洋板块开始向美洲板块俯冲, 古加勒比弧形成于太平洋板块东缘与古加勒比海槽连接处(Pindell and Kennan, 2009)。白垩纪时期加勒比板块形成于太平洋地区, 随着加勒比板块的逐渐扩张, 古加勒比弧开始逐渐向东北方向移动(Pindell and Kennan, 2009; Escalona and Yang,2013)。晚白垩世时期中美洲火山岛弧开始发育, 加勒比板块与太平洋板块分离, 成为一个独立的构造单元, 并受到太平洋板块的挤压开始向东北方向移动。加勒比板块在东北向移动的过程中逐渐与北美板块和南美板块碰撞拼合, 最终形成现今的构造样式(Pindell and Kennan, 2009)。古巴群岛作为加勒比板块北缘的重要组成部分, 于中生代晚期至新生代早期, 受到加勒比板块与北美板块碰撞作用的影响,在这个过程中进行了拼合, 逐渐形成现今的格局。

2 盆地类型及沉积充填特征

古巴地区发育不同类型盆地, 包括北部地区的北古巴前陆盆地、普拉修斯盆地及北部盆地, 中部地区的古巴中部盆地及南部地区的古巴南部盆地(李国玉和金之钧, 2005)(图 2)。其中北古巴前陆盆地为前陆盆地, 普拉修斯盆地及北部盆地为拉分盆地, 中部盆地和南部盆地为弧后盆地。不同的构造演化阶段控制着盆地的充填特征, 古巴盆地沉积充填的差异性反映了古巴不同时期的构造特点。根据古巴不同地区的沉积充填特征, 可将其划分为 5个构造层序, 分别为早期的裂谷沉积, 过渡时期的被动大陆边缘, 洋洋俯冲时期的火山岛弧、弧陆碰撞时期的造山沉积以及后碰撞沉积(图3)。

2.1 尤卡坦构造单元

图1 古巴地区地质简图(据Iturralde-Vinent, 1994修改)Fig.1 Simplified stratigraphic map of the Cuba Islands

图2 古巴盆地类型及分布(据李国玉和金之钧, 2005修改)Fig.2 Basin types and distribution of the Cuba Islands

图3 古巴地区地层填充序列(资料来源于IHS, 1998a① IHS. 1998a. North Cuban Province Monitor Report.; IHS, 1998b② IHS. 1998b. South Cuban Province Monitor Report.; 周道华, 2009)Fig.3 Stratigraphic sequence of the Cuba Islands

位于古巴西北部的尤卡坦构造单元以 Guaniguanico地体为代表, 发育有北古巴前陆盆地(图1、2),该盆地主体位于西北部地区, 并沿古巴北部海岸线一直延伸到中部地区以北。其基底为中生代以前的硅铝质基底, 最老的地层年龄可追溯至新元古代(Pszczólkowski, 1999)。基底之上发育侏罗系至新近系。侏罗系为砂岩、火山碎屑岩、泥岩及碳酸盐岩(张发强等, 2004③张发强, 殷进垠, 王骏, 张艳秋. 2004. 北古巴地区构造沉积演化及含油气特征//第八届古地理学与沉积学学术会议论文摘要集.), 其中, 下侏罗统主要沉积了陆相硅质碎屑(图3), Guaniguanico地体牛津阶(J1)地层中也发现了能够指示陆相环境的脊椎动物(Iturralde-Vinent, 1994), 说明该地区在早侏罗世时期处于陆相的沉积环境。这种侏罗系的陆相沉积组合在古巴地区西北方向的尤卡坦台地的北部也有发现(Pessagno et al., 1999), 因此可以推测侏罗纪时期古巴西北部地区发育于尤卡坦台地地区。下白垩统为碳酸盐岩及页岩, 代表了浅海沉积环境, 上白垩统为侵入岩、砾岩、碳酸盐岩及砂泥岩(图3), 显示火山活动的特征(Iturralde-Vinent, 1994)。侏罗系–白垩系的地层组合特征表明在地层沉积时期, 古巴西北部地区可能经历了一次海侵作用, 并且在白垩纪晚期发生了火山活动。上白垩统顶部–古新统顶部发育一套角砾岩(图3), 可能代表一次较大规模的碰撞事件。古新统发育多套角砾岩和砂岩, 始新统以上的地层则主要为砂砾岩和碳酸盐岩(周道华,2009)(图 3), 可能代表了后碰撞拉张形成的浅海环境。特别值得一提的是, 在古巴地区, 只有尤卡坦构造单元发育侏罗系陆相地层, 可能代表了尤卡坦构造单元和其他地区不同起源, 并且部分区域白垩系火山岛弧地层不整合于侏罗系的陆相地层之上(图 4中A-A'), 表明碰撞作用发生于晚白垩世之后。

北古巴前陆盆地下侏罗统发育的蒸发岩及红层(Iturralde-Vinent, 1994; Escalona and Yang, 2013)属于裂谷沉积, 代表了古加勒比海槽打开过程中的拉张环境。至白垩纪, 随着拉张的进行, 西北部地区进入被动大陆边缘阶段, 沉积以碳酸盐岩为主(Pszczólkowski, 1999; Escalona and Yang, 2013)。而上白垩统发育砂砾岩段则显示古巴西北部地区晚白垩世时期的构造环境变化, 从被动大陆边缘期的稳定沉积转变为碰撞造山期的沉积特征。随后在始新世时期盆地东南部地层缺失, 可能是构造抬升使其由沉积转为剥蚀的结果。普拉修斯盆地基底为白垩系火山岛弧, 发育始新世以来的沉积岩, 盆地边界受到Pinar断层控制(Brust et al., 2011)(图4), 说明普拉修斯盆地是发育于后碰撞时期的走滑盆地。并且有研究表明盆地内存在白垩纪时期火山岛弧的碎屑沉积物, 物源可能来自于前文所述的北部推覆至侏罗系之上的白垩系火山岛弧(Brust et al., 2011), 说明盆地形成于碰撞活动之后。

2.2 巴哈马构造单元

古巴群岛中部以北区域的巴哈马构造单元发育侏罗系–新近系(Iturralde-Vinent, 1994), 基底与尤卡坦构造单元大致相同, 但不同的是, 该区侏罗系为碳酸盐岩及蒸发岩(Iturralde-Vinent, 1994; Pszczolkowski and Myczynski, 2010), 代表裂谷期台地沉积。具体来讲, 巴哈马构造单元的 Placetas及Cayo Coco地区的下部沉积充填组合和巴哈马台地相似,侏罗系均为碳酸盐岩及蒸发岩沉积(Iturralde-Vinent,1994), 说明在侏罗纪时期Placeta及Cayo Coco地区发育于巴哈马台地边缘, 二者属于裂谷期同一沉积体系。白垩系以碳酸盐岩为主(张发强等, 2004③), 与尤卡坦构造单元相比, 地层中夹杂更多的砾岩段和砂岩段, 显示出碳酸盐岩陆架、斜坡沉积以及深水盆地环境(Iturralde-Vinent, 1994)(图 3), 同样反映了被动大陆边缘沉积, 但这种环境水动力更强。巴哈马构造单元古新统发育砂砾岩及火山碎屑岩为主的沉积(Rojas-Agramonte et al., 2008), 显示出构造环境的变化, 表明古巴中部地区在古新世进入碰撞造山阶段(图3)。和尤卡坦构造单元不同的是巴哈马构造单元的古新统出现了火山碎屑沉积, 表明古新世时期中部受到火山岛弧的影响较西北部更大, 说明岛弧整体是沿东北方向推覆北美大陆。始新统之上的地层为碳酸盐岩和砂泥岩, 这套始新统至今的原生地层广泛发育于巴哈马构造单元、中部及南部火山岛弧构造单元, 主要为碎屑岩和碳酸盐岩沉积,且没有岩浆活动的记录, 说明古巴群岛在始新世以后进入后碰撞时期, 构造活动趋于稳定。

除了尤卡坦构造单元外, 在巴哈马构造单元和中部火山岛弧构造单元地区也有白垩系火山岛弧出露(图1、4), K-Ar年龄显示其形成于白垩纪末期–古新世早期, 可能是早白垩世时期的残余弧(Iturralde-Vinent, 1994)。中部地区的蛇绿岩带发育于巴哈马构造单元和中部火山岛弧构造单元之间(Iturralde-Vinent, 1994), 代表了古加勒比海槽的闭合和古加勒比弧与北美板块的碰撞拼合作用(图1)。并且部分地区发现巴哈马构造单元上部出露有白垩系火山岛弧及蛇绿岩(图4), 说明在古加勒比海槽闭合之后古加勒比弧推覆至北美板块之上。

2.3 中部火山岛弧构造单元

古巴中部火山岛弧构造单元发育侏罗系–新近系(Iturralde-Vinent, 1994), 但和上述地区的地层组合差异较大, 主要由拉斑玄武岩和钙碱性玄武岩及火山碎屑岩组成(Iturralde-Vinent, 1994)。其中古巴中部盆地侏罗系为侵入岩(主要为花岗岩)、白垩系为喷出岩及火山碎屑岩(Iturralde-Vinent, 1994), 说明白垩纪中部地区存在火山活动。上白垩统的页岩和火山碎屑岩反映中部在晚白垩世时期经历了一次海侵过程, 上白垩统顶部的碳酸盐岩说明在白垩纪末期该地区曾经历一段构造活动较为稳定的时期。古新统的砂砾岩和碎屑岩不整合于白垩系顶部的碳酸盐岩之上, 同时部分地区古新统发育火山岩(Iturralde-Vinent, 1994)(图1、3), 可能指示着古新世时期该区构造活动强烈, 火山岛弧北东向碰撞古巴中部地区(Schneider et al., 2004), 导致沉积环境发生突变, 同时存在火山活动。并且此次碰撞事件将发育于巴哈马构造单元和中部火山岛弧构造单元之间的蛇绿岩挤压至现今所处的位置, 在二者之间形成了一条缝合带。始新统发育的砂砾岩可能表示该次碰撞活动从古新世一直持续到始新世。渐新统–新近系主要发育钙质泥岩和碳酸盐岩(Schneider et al.,2004), 显示碰撞作用和火山作用已经停止, 中部进入构造活动较为稳定的后碰撞时期。

2.4 南部火山岛弧构造单元

古巴南部火山岛弧构造单元的地层组合明显区别于其他地区, 发育白垩系–新近系, 缺失侏罗系。其中白垩系为钙碱性玄武岩及火山碎屑岩, 部分地区存在花岗闪长岩及花岗岩等深成岩体侵入的现象(Iturralde-Vinent, 1994)。沉积岩不发育, 未发现代表稳定沉积环境的地层组合, 因此南部火山岛弧构造单元没有经历过西北部和中部的侏罗纪的裂谷及白垩纪被动大陆边缘的沉积阶段。古新统–中新统主要为钙碱性喷出岩及火山碎屑岩, 部分地区含少量碳酸盐岩(图3、4), 形成于白垩纪之后的火山活动(Rojas-Agramonte et al., 2008)。古新统–始新统的砂砾岩沉积及古近系上部地层的缺失,可能指示古新世时期南部火山岛弧构造单元和巴哈马构造单元、中部火山岛弧构造单元碰撞拼合的构造活动。新近系碳酸盐岩及碎屑岩的出现才表明南部构造活动逐步趋于稳定(Rojas-Agramonte et al., 2008)(图3), 此时期整个古巴群岛的雏形已基本形成。

3 古巴地区构造演化

图4 古巴区域剖面图(据IHS, 1998a①修改。剖面位置见图1)Fig.4 Cross sectional profiles of the Cuba Islands

古巴地区的构造背景在加勒比板块内具有一定的特殊性, 因此对于古巴的形成过程也引发了人们的诸多探讨。学者们对于古巴各构造单元的起源及构造演化形成过程主要存在以下几种观点: (1) 古巴地区由北部和南部不同地体拼合而成, 北部属于北美陆壳碎片, 形成于巴哈马地区, 南部属于岛弧成因(Meschede and Frisch, 1998); (2) 古巴地区整体由形成于白垩纪的大型火山岛弧演化而来(Pindell and Kennan, 2009); (3) 古巴地区由尤卡坦(古巴西北部)和巴哈马(古巴中部)及中部、南部的火山岛弧拼合而成(Iturralde-Vinent, 1994; Pszczolkowski and Myczynski, 2010)。

另外, 古巴地区的一个特征是存在多个不同类型的沉积盆地, 沉积盆地的形成和发展受控于大地构造环境, 因此通过沉积盆地的演化过程可以反演该地区构造演化的过程。本文通过研究不同沉积盆地沉积充填序列, 探讨不同时期不同地区的构造背景, 从而对古巴地区构造演化过程进行反演。沉积盆地作为一个地壳构造单位, 在不同构造位置上发育的沉积盆地会有不同特点, 据此可以将沉积盆地分为不同的类型。古巴地区的盆地可以划分为3种类型, 分别是位于古巴褶皱推覆带北侧的北古巴前陆盆地、位于古巴褶皱推覆带南侧, 盆地结构受控于断层的走滑盆地(普拉修斯盆地及古巴北部盆地), 以及位于古巴中部及南部的两个弧后盆地(图 2)。

3.1 古巴地体起源

目前对于北古巴地体和南古巴地体起源争议的焦点集中在古巴尤卡坦构造单元和巴哈马构造单元的形成位置上。部分观点认为北古巴地体是北美板块的一个陆壳碎片, 南古巴地体起源于白垩纪的岛弧, 随着岛弧逐渐向东移动, 二者在白垩纪晚期碰撞拼合(Meschede and Frisch, 1998)。而Pindell and Kennan (2009)提出的加勒比演化模式中认为古巴地区属于白垩纪形成的大型岛弧的一部分, 在整个大型岛弧向东移动的过程中逐步形成现今的大安的列斯岛弧变形带, 古巴地体也在这一过程中作为一个整体逐渐演化成现今的构造格局。Pindell et al. (2012)进一步完善了白垩纪大型岛弧的成因模式, 并指出该大型岛弧形成于135 Ma, 伴随着古加勒比海槽发生的南西向俯冲作用(图5), 并与北美洲和南美洲科迪勒拉的西向俯冲带连接。但该模式中古巴尤卡坦构造单元的位置相对于尤卡坦地块更接近于科提斯地块的位置, 因此和尤卡坦地块相比, 古巴北部的白垩纪地层特征应该更接近于科提斯地块, 但实际上古巴北部地区的白垩纪地层特征和尤卡坦地块北部更为相近(如 Guaniguanico地体)(Pessagno et al.,1999)。

依前文所述, 古巴可以划分为四个区域, 这四个区域分别起源于不同的古板块位置。就尤卡坦构造单元的起源而言, 古地理与古地磁等相关研究表明, 其东南方向的尤卡坦台地在早、中侏罗世时期经历了北美板块和南美板块张开的裂谷期, 并经过逆时针旋转作用逐渐形成现今的形态。白垩纪之后该台地一直处于较为稳定的构造背景下, 并发育侏罗系的裂谷沉积、白垩系的斜坡相沉积及碳酸盐台地。如上文所述, 该区的侏罗系及白垩系显示为陆相及被动大陆边缘的沉积特征(Iturralde-Vinent,1994; Pszczolkowski and Myczynski, 2010), 具有和尤卡坦地块北部相似的地层特征和沉积环境(Pessagno et al., 1999), 因此可以推测古巴西北部的尤卡坦构造单元起源于尤卡坦地区。而古巴其他地区侏罗系并没有显示出陆相沉积特征, 因此不具有尤卡坦台地起源的性质。古巴中部巴哈马构造单元地区发现了结晶基底岩石,40Ar/39Ar年龄显示该岩石的年龄约为900 Ma(Renne et al., 1989), 而中部火山岛弧构造单元的基底为侏罗系火山岩(Iturralde-Vinent, 1994) , 二者明显不同, 因此可以推断巴哈马构造单元和中部火山岛弧构造单元有着不同的起源。如前文所述, 巴哈马构造单元侏罗系主要发育蒸发岩和碳酸盐岩裂谷相沉积, 白垩系为以碳酸盐岩和砂砾岩为主的被动大陆边缘沉积。古巴东北方向的巴哈马台地的侏罗系和白垩系同样经历了裂谷期, 并且发育以蒸发岩和红色砂泥岩为代表的裂谷沉积和以碳酸盐岩为主的被动大陆边缘沉积,与巴哈马构造单元的沉积环境相似, 因此可以推测巴哈马构造单元的中生界起源于巴哈马台地(图5a)。中部火山岛弧构造单元侏罗系和白垩系以火山岩和火山碎屑岩为主, 显示岛弧活动的特征(Schneider et al., 2004), 因此在侏罗纪–白垩纪(140~80 Ma)时期中部火山岛弧构造单元可能起源于活跃在加勒比板块和古加勒比弧海槽之间的古加勒比弧(Iturralde-Vinent, 1994)。而南部火山岛弧构造单元缺失侏罗系, 说明和其他区域起源不同,其白垩系和古新统为火山岛弧, 可能和中部火山岛弧构造单元的白垩系一样起源于古加勒比弧(Rojas-Agramonte et al., 2008), 但古新世时期该地区的岛弧仍处于活跃状态。

图5 古巴群岛构造演化模式Fig.5 Tectonic evolution of the Cuba Islands

总之, 古巴地区的四个部分具有不同的起源,尤卡坦构造单元来自于尤卡坦台地南缘, 巴哈马构造单元来自于巴哈马台地东南缘, 中部火山岛弧构造单元来自于古加勒比弧的白垩纪火山岛弧部分,南部火山岛弧构造单元来自于古加勒比弧的古新世火山岛弧部分。在加勒比板块与北美板块的碰撞拼合作用之下, 这四个不同起源的单元从晚白垩世晚期开始直到古新世末期结合在了一起(图5), 形成了古巴现今的构造格局。

3.2 K-T碰撞事件对古巴构造演化的影响

作为加勒比板块北缘大安的列斯岛弧带的重要组成部分, 古巴地区构造演化过程受控于加勒比板块的大地构造活动, 其中最为重要的一个环节是K-T界线时期发生在加勒比板块与北美板块之间的碰撞作用(Pindell and Kennan, 2009; Pindell et al.,2012; Escalona and Yang, 2013)。此次碰撞作用给古巴构造推覆带的形成及地层特征带来了重大影响,组成古巴的四个构造单元在此次碰撞作用之下最终拼合在一起。

图6 古巴群岛构造演化洋洋俯冲–弧陆碰撞阶段示意图(S1、S2、S3位置见图5)Fig.6 Evolution model for the Cuba Islands at the oceanic subduction stage and arc-continent collision stage

在碰撞作用发生之前, 早、中侏罗世时期泛大陆裂解, 古加勒比海槽打开(Pindell and Barrett,1990; Pindell and Kennan, 2009)。位于古加勒比海槽北部边缘的尤卡坦台地南部及巴哈马台地西南部发育裂谷沉积(Iturralde-Vinent, 1994; Pszczólkowski,1999; Pszczolkowski and Myczynski, 2010), 这一时期古巴尤卡坦构造单元及巴哈马构造单元分别发育于这两个区域。晚侏罗世(145 Ma), 古加勒比海槽基本打开(Pindell and Barrett, 1990; Pindell and Kennan,2009), 上述两个区域由裂谷转变为被动大陆边缘的浅海环境, 但整体仍处于拉张环境。同时, 位于古加勒比海槽东部的太平洋地区下部地幔柱活动加强,加勒比板块开始形成(Pindell et al., 1988; Pindell and Barrett, 1990; Pindell and Kennan, 2009), 随后古加勒比海槽西南向俯冲于加勒比板块之下, 形成了俯冲带岛弧——古加勒比弧(Pindell and Kennan, 2009)(图6)。此次俯冲作用使得古加勒比弧仰冲于古加勒比海槽之上, 随着古加勒比海槽的消亡, 古加勒比弧开始逐渐靠近北美板块边缘(图6)。同时随着这次俯冲作用的进行, 古加勒比弧将位于俯冲带区域的洋底玄武岩推覆于巴哈马台地单元之上, 形成了巴哈马构造单元西南部的一系列蛇绿岩带(Iturralde-Vinent, 1994), 这一系列蛇绿岩带是古加勒比海槽闭合的有力证据。蛇绿岩带以南的岛弧部分在此后逐渐演变为古巴中部火山岛弧构造单元。Bazhenovet al. (1996)在古巴西部地区所进行的古地磁研究表明, 在始新世之前古巴的火山岛弧地层向北移动了近1000 km。并且由于北美板块的制约, 晚白垩世时期, 古巴在碰撞北美板块后发生了逆时针方向旋转。因此推测在晚白垩世末期(90 Ma), 古加勒比弧从尤卡坦台地西部移动至尤卡坦台地南部,与尤卡坦台地发生斜向汇聚, 标志着弧陆碰撞期的开始。碰撞产生北东向的右行剪切力, 使得古巴西北部地区与尤卡坦台地分离, 并碰撞古加勒比弧(图 5b), 古巴西北部尤卡坦构造单元上白垩统顶部的角砾岩可以印证此次碰撞事件。Lazaro et al. (2009)通过对古巴中部地区火山岩样品进行研究, 锆石U-Pb定年与40Ar/39Ar数据显示古加勒比海槽俯冲作用开始于120 Ma, 而古巴中部地区北美板块碰撞拼合时期约为70~60 Ma。从全球范围来看, K-T界线是一个十分特殊的时期, Alvarez et al. (1980, 1984)认为全球在K-T界线时期发生过大规模的陨石撞击事件(Schulte et al., 2010), 这一假说在随后获得了来自稀有元素(Alvarez et al., 1980)、孢粉(Orth et al.,1982)、冲击石英(Schulte et al., 2010)以及深海沉积物(Coccioni and Galeotti, 1994)等方面的证据支持,并且最终在尤卡坦台地希克苏鲁伯地区发现了可能是此次撞击事件形成的陨石坑(Hildebrand et al.,1991; Pope et al., 1993; Morgan et al., 1997; Bell et al.,2004), 同时此次撞击事件可能还引起了K-T界线时期全球的大规模火山活动(Officer and Drake, 1983;Officer et al., 1987)及全球海平面下降(Keller et al.,2004)。尽管目前没有直接证据显示古加勒比弧与北美板块之间的汇聚过程有明显联系, 但有研究表明此次陨石撞击事件产生的能量是巨大的(Bottke et al., 2007), 因此发生在65 Ma尤卡坦台地的K-T界线时期的陨石碰撞事件可能加剧了这一地区的板块活动, 进一步推进了加勒比板块北缘与北美板块之间的汇聚作用。至古新世(60 Ma), 古加勒比弧北东向与巴哈马台地碰撞(Escalona and Yang,2013) (图5c), 使得巴哈马构造单元、中部火山岛弧构造单元的古新统发育一系列角砾岩及砾岩沉积,同尤卡坦构造单元中同样代表碰撞事件的砾岩段相比, 这套砾岩沉积的年龄更新, 因此可以认为发生于该地区的碰撞事件晚于古巴西北部地区与尤卡坦台地的碰撞事件。这一时期, 古巴西北部与中部进一步拼合, Brust et al. (2011)通过对古巴西部普拉修斯盆地碎屑沉积物物源进行研究, 认为始新世古巴造山作用发生之前, 古加勒比弧已推覆至古巴西北部地层之上, 并最终形成位于古巴西北部及中部地区的大型褶皱推覆带(图 6), 同时北部的北美板块边缘受到褶皱推覆的荷载影响开始发生挠曲, 逐步形成北古巴前陆盆地和普拉修斯盆地早期的背驮盆地(Saura et al., 2008; Escalona and Yang, 2013)(图 7)。在古加勒比弧推覆到古巴中部地区的同时,中部火山岛弧处于弧后拉张环境, 并开始发育古巴中部盆地(Schneider et al., 2004)。同时北部地区岩浆活动基本停止, 仅在南部地区存在古近纪火山岛弧活动(Rojas-Agramonte et al., 2008)。Kerr et al.(1999)的研究表明, 古巴部分地区的玄武岩可能来自古加勒比洋壳, 并且在白垩纪时期, 加勒比弧具有双岛弧的性质。说明古巴地区岛弧带可能是由两个不同的岛弧拼合而来。因此在南部地区活动的岛弧有别于其他地区的岛弧, 可能是独立活动的一个岛弧单元, 中部和南部虽然同为古加勒比弧的一部分, 但它们可能有着不一样的起源。至古新世晚期, 古巴南部火山岛弧与古巴中部地体拼合(Rojas-Agramonte et al., 2008), 初步形成古巴地区的基本面貌。

综上所述, K-T界线时期古加勒比弧与北美板块边缘的碰撞作用于晚白垩世开始于尤卡坦台地南缘, 随后在东北方向上岛弧与巴哈马台地开始碰撞, 直至古新世末期古加勒比弧与北美板块在古巴地区的碰撞拼合作用完成。在该碰撞期, 古巴地区整体处于碰撞挤压构造环境, 局部地区抬升接受剥蚀(图 6) 。

随着古新世末期古加勒比弧与巴哈马台地完全拼合(图 5c), 古巴地区的构造活动趋于平稳, 构造演化进入后碰撞阶段。始新世至今古巴地区经历了多期海侵–海退作用, 但整体上处于构造抬升阶段(Iturralde-Vinent, 1994)。始新世(45 Ma)之后, 加勒比板块相对于北美板块和南美板块开始逐渐向东运动, 尤卡坦盆地和开曼海沟张开, 古巴地区处于张性的构造环境, 于渐新世(30 Ma)发育 Pinar、La Trocha及Nipe-Guacanayabo一系列走滑断裂带(Iturralde-Vinent, 1994; Cruz-Orosa et al., 2012)(图5d, e), 受到古加勒比弧逆时针转动的影响, 与走滑断裂带有关的走滑盆地(普拉修斯盆地)也逐渐开始发育(图 7)。古巴南部地区开始逐渐与伊斯帕尼奥拉岛分离(Rojas-Agramonte et al., 2008), 并于渐新世–中新世(30~10 Ma)基本形成古巴现今的构造样式(图 5f)。

综上所述, 晚白垩世之前, 古巴四个构造单元分散于不同的古板块区域。晚白垩世–古近纪, 古加勒比海槽向加勒比板块俯冲, 在加勒比板块北缘形成了古加勒比弧。随着加勒比板块逐步的扩张和北东向移动, 晚白垩世时期, 古加勒比弧碰撞上北美板块边缘的尤卡坦台地, 并在古新世–始新世期间逐渐与北美板块的巴哈马台地碰撞拼合, 碰撞过程从岛弧与古巴西北部碰撞开始, 直至岛弧开始正向与巴哈马台地碰撞, 并于始新世结束。整个过程中古巴的构造演化进程受到大的构造演化背景控制, 此次碰撞事件促使古巴各个构造单元最终拼合在一起, 并控制了古巴褶皱推覆带及周缘各个盆地的发育。

4 结 论

根据地层特征, 古巴地区可以划分为尤卡坦、巴哈马、中部火山岛弧以及南部火山岛弧四个地层分区。其中侏罗系陆相地层只存在于尤卡坦构造单元, 而侏罗系海相地层只存在于巴哈马构造单元。除尤卡坦构造单元外其他三个地区广泛发育白垩系火山岛弧, 且南部火山岛弧构造单元的火山岛弧不同于其他地区的火山岛弧。

侏罗纪–早白垩世时期古巴的四个部分起源于不同的古板块位置, 分别位于北美板块边缘及古加勒比弧, 其中尤卡坦构造单元起源于尤卡坦台地,巴哈马构造单元起源于巴哈马台地, 中部火山岛弧构造单元起源于古加勒比弧白垩纪岛弧部分, 南部火山岛弧构造单元起源于古加勒比弧古近纪岛弧部分。

白垩纪末期至始新世, 加勒比板块与北美板块的碰撞作用控制了古巴构造演化, 导致了古加勒比弧海槽的逐步消亡, 并推动了古加勒比弧与北美大陆边缘的碰撞拼合。此次碰撞作用将古巴不同地区拼合在一起, 并控制了古巴群岛褶皱推覆带及周缘各个盆地的构造演化与沉积充填过程。

致谢: 北京大学地球与空间科学学院郭召杰教授在构造地质学方面给予了悉心指导和帮助, 南京大学贾东教授和另一位评审老师提出了宝贵的修改建议, 成文过程中贺敬博同学给予了协助, 作者深表谢忱！

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