古巴推覆構造帶周邊盆地充填序列及其構造演化

陳 榕 , 吳朝東 申延平, 張晨晨 房亞男

(1.北京大學 地球與空間科學學院, 北京 100871; 2.中國石油 勘探開發研究院, 北京 100083; 3.國土資源部油氣戰略研究中心, 北京 100034)

0 引 言

如何重建加勒比地區構造演化過程一直是學術界研究的熱點(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)。對于該問題的爭議主要集中在古板塊位置(Meschede and Frisch, 1998; Giunta et al.,2006), 演化過程中涉及單島弧還是多島弧(Rojas-Agramonte et al., 2008; Pindell and Kennan, 2009),南、北美以及加勒比板塊之間拼合的時間(Pindell and Kennan, 2009; Escalona and Yang, 2013)等方面。上述爭議問題都涉及到加勒比板塊北緣的大安的列斯島弧帶, 古巴地區為大安的列斯帶的一個重要組成部分, 亦是加勒比板塊北緣的主要構造單元, 其構造演化過程直接反映了加勒比板塊與北美板塊的相互作用情況。因此, 系統地研究古巴地區構造演化過程能夠更好地解決關于中新生代加勒比地區東北緣碰撞–擠壓作用如何進行的關鍵問題。

很多學者對古巴地區的起源及構造演化問題進行了研究(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), 但是關于古巴地區的構造演化過程仍存在諸多爭議, 主要的學術問題集中在古巴地體的起源(Iturralde-Vinent, 1994; Meschede and Frisch, 1998; Pszczólkowski, 1999; Saura et al.,2008; Pindell and Kennan, 2009; Pszczolkowski and Myczynski, 2010)以及構造演化過程(Iturralde-Vinent,1994; Meschede and Frisch, 1998; Kerr et al., 1999;Pindell and Kennan, 2009; Pindell et al., 2012)兩方面。關于古巴地體起源, 學術界主要有三種觀點:Meschede (1998)通過古地磁的方法建立了一套加勒比板塊構造演化模式, 認為古巴地區是新生代早期的北美陸殼碎片碰撞拼合古加勒比弧形成的, 但是關于陸殼碎片的來源并未提供充足的證據(Meschede and Frisch, 1998); Pindell and Kennan (2009)認為古巴地區整體起源于古加勒比弧, 但該觀點無法解釋在古巴地區中生界存在陸相地層; Itrurrade-Vienent (1994)認為在新生代由于推覆作用, 古加勒比弧(島弧部分)拼接北美板塊(陸相部分), 形成了古巴地區的雛形, 但是對于推覆作用的具體過程并不是十分清楚。

關于構造演化的爭論集中在古加勒比弧與北美板塊的碰撞時限上, Itrurrade-Vienent (1994)通過對地層的研究, 分別以蛇綠巖帶的出現和火山巖地層的消失為碰撞作用的上下限, 認為拼合作用開始于古新世并于始新世之后結束。Rojas-Agramonte et al.(2008)通過對古巴南部麥里斯特拉山脈的構造樣式及古應力的研究, 將古巴地區分為南部和北部, 認為碰撞開始于北部(中生代末期), 并在古新世之后與南部最終完成拼合。Escolona and Yang (2013)通過研究北古巴前陸盆地的撓曲作用, 限定了島弧推覆作用的開始時間, 認為古巴地區拼合作用開始于白堊紀末期, 并于古新世時期進行碰撞。但是現有研究均僅針對局部地區的碰撞時限劃分, 并未考慮到古巴整體的碰撞演化過程。特別是在K-T界線時期發生的長期碰撞作用(70~50 Ma)(Pindell and Kennan,2009; Pindell et al., 2012; Escalona and Yang, 2013)對古巴全區地層特征產生了重大影響, 但關于該過程的認識尚不完善。

本文通過綜合現有的古巴群島構造演化模式和地質資料, 在前人研究的基礎上重新劃分了古巴群島的地層分區, 按照區域地層特點將其分為尤卡坦、巴哈馬、中部火山島弧及南部火山島弧四個區域, 對不同區域的地層特征進行對比分析, 發現四個區域存在明顯差異, 地層的時代和沉積環境均不同, 分別起源于不同的古板塊位置。關于構造演化過程, 本文重點分析了K-T界線時期加勒比板塊北緣古加勒比弧與北美板塊邊緣碰撞事件對古巴整體地層特征的影響,提出了古加勒比弧與北美板塊的弧陸碰撞模式。

1 區域地質背景及地層劃分

古巴位于加勒比板塊東北緣, 與尤卡坦臺地及巴哈馬臺地相鄰, 屬大安的列斯島弧帶。古巴群島是加勒比海北緣地質特征最為復雜的地區(Iturralde-Vinent, 1994; Pessagno et al., 1999), 表現在古巴各地區地層發育差異較大。Iturrade-Vinent(1994)認為古巴地質單元可劃分為兩部分: 一部分是晚始新世以前的褶皺帶(圖1), 主要由陸相地層單元(古巴中部地區的Cayo Coco、Remedios、Placetas等中生代臺地和西北部Guaniguanico等地體)、火山–變質地層單元(古巴蛇綠巖帶、白堊紀島弧帶以及古新世–中始新世島弧帶等)以及中生代復雜變質體組成; 另一部分是始新世晚期至今沉積的較新的原生地層, 這部分地層的變形較小, 沒有發生太多的位移。本文將古巴劃分為尤卡坦、巴哈馬、中部火山島弧及南部火山島弧四個地層分區(圖1)。其中: 尤卡坦構造單元為Pinar斷層以北區域, 該地區以前侏羅系為基底, 同時出露有中生界的陸相地層(Iturralde-Vinent, 1994; Pessagno et al., 1999;Pszczólkowski, 1999; 周道華, 2009; Pszczolkowski and Myczynski, 2010); Pinar斷層以南至 Nipe-Guacanayabo斷層以北區域為中部, 中部可根據不同的地層組合劃分為巴哈馬構造單元和中部火山島弧構造單元兩個部分, 巴哈馬構造單元與尤卡坦構造單元一樣以前侏羅系為基底, 但中生界以碳酸鹽巖及蒸發巖為主(Iturralde-Vinent, 1994); 中部火山島弧構造單元以白堊系的火山島弧地層為基底, 發育有中生界變質復合體; 南部火山島弧構造單元為Nipe-Guacanayabo斷層以南區域, 基底為侏羅紀火成巖, 中生界主要以火成巖或者火山碎屑巖為主,缺乏穩定的陸相沉積及海相沉積(Iturralde-Vinent,1994; Rojas-Agramonte et al., 2008)。

晚三疊世以來, 泛大陸裂解, 侏羅紀時期北美板塊及南美板塊逐漸分離, 古加勒比海槽張開(Pindell et al., 1988; Pindell and Barrett, 1990; Pindell and Kennan, 2009)。早白堊世, 太平洋板塊開始向美洲板塊俯沖, 古加勒比弧形成于太平洋板塊東緣與古加勒比海槽連接處(Pindell and Kennan, 2009)。白堊紀時期加勒比板塊形成于太平洋地區, 隨著加勒比板塊的逐漸擴張, 古加勒比弧開始逐漸向東北方向移動(Pindell and Kennan, 2009; Escalona and Yang,2013)。晚白堊世時期中美洲火山島弧開始發育, 加勒比板塊與太平洋板塊分離, 成為一個獨立的構造單元, 并受到太平洋板塊的擠壓開始向東北方向移動。加勒比板塊在東北向移動的過程中逐漸與北美板塊和南美板塊碰撞拼合, 最終形成現今的構造樣式(Pindell and Kennan, 2009)。古巴群島作為加勒比板塊北緣的重要組成部分, 于中生代晚期至新生代早期, 受到加勒比板塊與北美板塊碰撞作用的影響,在這個過程中進行了拼合, 逐漸形成現今的格局。

2 盆地類型及沉積充填特征

古巴地區發育不同類型盆地, 包括北部地區的北古巴前陸盆地、普拉修斯盆地及北部盆地, 中部地區的古巴中部盆地及南部地區的古巴南部盆地(李國玉和金之鈞, 2005)(圖 2)。其中北古巴前陸盆地為前陸盆地, 普拉修斯盆地及北部盆地為拉分盆地, 中部盆地和南部盆地為弧后盆地。不同的構造演化階段控制著盆地的充填特征, 古巴盆地沉積充填的差異性反映了古巴不同時期的構造特點。根據古巴不同地區的沉積充填特征, 可將其劃分為 5個構造層序, 分別為早期的裂谷沉積, 過渡時期的被動大陸邊緣, 洋洋俯沖時期的火山島弧、弧陸碰撞時期的造山沉積以及后碰撞沉積(圖3)。

2.1 尤卡坦構造單元

圖1 古巴地區地質簡圖(據Iturralde-Vinent, 1994修改)Fig.1 Simplified stratigraphic map of the Cuba Islands

圖2 古巴盆地類型及分布(據李國玉和金之鈞, 2005修改)Fig.2 Basin types and distribution of the Cuba Islands

圖3 古巴地區地層填充序列(資料來源于IHS, 1998a① IHS. 1998a. North Cuban Province Monitor Report.; IHS, 1998b② IHS. 1998b. South Cuban Province Monitor Report.; 周道華, 2009)Fig.3 Stratigraphic sequence of the Cuba Islands

位于古巴西北部的尤卡坦構造單元以 Guaniguanico地體為代表, 發育有北古巴前陸盆地(圖1、2),該盆地主體位于西北部地區, 并沿古巴北部海岸線一直延伸到中部地區以北。其基底為中生代以前的硅鋁質基底, 最老的地層年齡可追溯至新元古代(Pszczólkowski, 1999)?；字习l育侏羅系至新近系。侏羅系為砂巖、火山碎屑巖、泥巖及碳酸鹽巖(張發強等, 2004③張發強, 殷進垠, 王駿, 張艷秋. 2004. 北古巴地區構造沉積演化及含油氣特征//第八屆古地理學與沉積學學術會議論文摘要集.), 其中, 下侏羅統主要沉積了陸相硅質碎屑(圖3), Guaniguanico地體牛津階(J1)地層中也發現了能夠指示陸相環境的脊椎動物(Iturralde-Vinent, 1994), 說明該地區在早侏羅世時期處于陸相的沉積環境。這種侏羅系的陸相沉積組合在古巴地區西北方向的尤卡坦臺地的北部也有發現(Pessagno et al., 1999), 因此可以推測侏羅紀時期古巴西北部地區發育于尤卡坦臺地地區。下白堊統為碳酸鹽巖及頁巖, 代表了淺海沉積環境, 上白堊統為侵入巖、礫巖、碳酸鹽巖及砂泥巖(圖3), 顯示火山活動的特征(Iturralde-Vinent, 1994)。侏羅系–白堊系的地層組合特征表明在地層沉積時期, 古巴西北部地區可能經歷了一次海侵作用, 并且在白堊紀晚期發生了火山活動。上白堊統頂部–古新統頂部發育一套角礫巖(圖3), 可能代表一次較大規模的碰撞事件。古新統發育多套角礫巖和砂巖, 始新統以上的地層則主要為砂礫巖和碳酸鹽巖(周道華,2009)(圖 3), 可能代表了后碰撞拉張形成的淺海環境。特別值得一提的是, 在古巴地區, 只有尤卡坦構造單元發育侏羅系陸相地層, 可能代表了尤卡坦構造單元和其他地區不同起源, 并且部分區域白堊系火山島弧地層不整合于侏羅系的陸相地層之上(圖 4中A-A'), 表明碰撞作用發生于晚白堊世之后。

北古巴前陸盆地下侏羅統發育的蒸發巖及紅層(Iturralde-Vinent, 1994; Escalona and Yang, 2013)屬于裂谷沉積, 代表了古加勒比海槽打開過程中的拉張環境。至白堊紀, 隨著拉張的進行, 西北部地區進入被動大陸邊緣階段, 沉積以碳酸鹽巖為主(Pszczólkowski, 1999; Escalona and Yang, 2013)。而上白堊統發育砂礫巖段則顯示古巴西北部地區晚白堊世時期的構造環境變化, 從被動大陸邊緣期的穩定沉積轉變為碰撞造山期的沉積特征。隨后在始新世時期盆地東南部地層缺失, 可能是構造抬升使其由沉積轉為剝蝕的結果。普拉修斯盆地基底為白堊系火山島弧, 發育始新世以來的沉積巖, 盆地邊界受到Pinar斷層控制(Brust et al., 2011)(圖4), 說明普拉修斯盆地是發育于后碰撞時期的走滑盆地。并且有研究表明盆地內存在白堊紀時期火山島弧的碎屑沉積物, 物源可能來自于前文所述的北部推覆至侏羅系之上的白堊系火山島弧(Brust et al., 2011), 說明盆地形成于碰撞活動之后。

2.2 巴哈馬構造單元

古巴群島中部以北區域的巴哈馬構造單元發育侏羅系–新近系(Iturralde-Vinent, 1994), 基底與尤卡坦構造單元大致相同, 但不同的是, 該區侏羅系為碳酸鹽巖及蒸發巖(Iturralde-Vinent, 1994; Pszczolkowski and Myczynski, 2010), 代表裂谷期臺地沉積。具體來講, 巴哈馬構造單元的 Placetas及Cayo Coco地區的下部沉積充填組合和巴哈馬臺地相似,侏羅系均為碳酸鹽巖及蒸發巖沉積(Iturralde-Vinent,1994), 說明在侏羅紀時期Placeta及Cayo Coco地區發育于巴哈馬臺地邊緣, 二者屬于裂谷期同一沉積體系。白堊系以碳酸鹽巖為主(張發強等, 2004③), 與尤卡坦構造單元相比, 地層中夾雜更多的礫巖段和砂巖段, 顯示出碳酸鹽巖陸架、斜坡沉積以及深水盆地環境(Iturralde-Vinent, 1994)(圖 3), 同樣反映了被動大陸邊緣沉積, 但這種環境水動力更強。巴哈馬構造單元古新統發育砂礫巖及火山碎屑巖為主的沉積(Rojas-Agramonte et al., 2008), 顯示出構造環境的變化, 表明古巴中部地區在古新世進入碰撞造山階段(圖3)。和尤卡坦構造單元不同的是巴哈馬構造單元的古新統出現了火山碎屑沉積, 表明古新世時期中部受到火山島弧的影響較西北部更大, 說明島弧整體是沿東北方向推覆北美大陸。始新統之上的地層為碳酸鹽巖和砂泥巖, 這套始新統至今的原生地層廣泛發育于巴哈馬構造單元、中部及南部火山島弧構造單元, 主要為碎屑巖和碳酸鹽巖沉積,且沒有巖漿活動的記錄, 說明古巴群島在始新世以后進入后碰撞時期, 構造活動趨于穩定。

除了尤卡坦構造單元外, 在巴哈馬構造單元和中部火山島弧構造單元地區也有白堊系火山島弧出露(圖1、4), K-Ar年齡顯示其形成于白堊紀末期–古新世早期, 可能是早白堊世時期的殘余弧(Iturralde-Vinent, 1994)。中部地區的蛇綠巖帶發育于巴哈馬構造單元和中部火山島弧構造單元之間(Iturralde-Vinent, 1994), 代表了古加勒比海槽的閉合和古加勒比弧與北美板塊的碰撞拼合作用(圖1)。并且部分地區發現巴哈馬構造單元上部出露有白堊系火山島弧及蛇綠巖(圖4), 說明在古加勒比海槽閉合之后古加勒比弧推覆至北美板塊之上。

2.3 中部火山島弧構造單元

古巴中部火山島弧構造單元發育侏羅系–新近系(Iturralde-Vinent, 1994), 但和上述地區的地層組合差異較大, 主要由拉斑玄武巖和鈣堿性玄武巖及火山碎屑巖組成(Iturralde-Vinent, 1994)。其中古巴中部盆地侏羅系為侵入巖(主要為花崗巖)、白堊系為噴出巖及火山碎屑巖(Iturralde-Vinent, 1994), 說明白堊紀中部地區存在火山活動。上白堊統的頁巖和火山碎屑巖反映中部在晚白堊世時期經歷了一次海侵過程, 上白堊統頂部的碳酸鹽巖說明在白堊紀末期該地區曾經歷一段構造活動較為穩定的時期。古新統的砂礫巖和碎屑巖不整合于白堊系頂部的碳酸鹽巖之上, 同時部分地區古新統發育火山巖(Iturralde-Vinent, 1994)(圖1、3), 可能指示著古新世時期該區構造活動強烈, 火山島弧北東向碰撞古巴中部地區(Schneider et al., 2004), 導致沉積環境發生突變, 同時存在火山活動。并且此次碰撞事件將發育于巴哈馬構造單元和中部火山島弧構造單元之間的蛇綠巖擠壓至現今所處的位置, 在二者之間形成了一條縫合帶。始新統發育的砂礫巖可能表示該次碰撞活動從古新世一直持續到始新世。漸新統–新近系主要發育鈣質泥巖和碳酸鹽巖(Schneider et al.,2004), 顯示碰撞作用和火山作用已經停止, 中部進入構造活動較為穩定的后碰撞時期。

2.4 南部火山島弧構造單元

古巴南部火山島弧構造單元的地層組合明顯區別于其他地區, 發育白堊系–新近系, 缺失侏羅系。其中白堊系為鈣堿性玄武巖及火山碎屑巖, 部分地區存在花崗閃長巖及花崗巖等深成巖體侵入的現象(Iturralde-Vinent, 1994)。沉積巖不發育, 未發現代表穩定沉積環境的地層組合, 因此南部火山島弧構造單元沒有經歷過西北部和中部的侏羅紀的裂谷及白堊紀被動大陸邊緣的沉積階段。古新統–中新統主要為鈣堿性噴出巖及火山碎屑巖, 部分地區含少量碳酸鹽巖(圖3、4), 形成于白堊紀之后的火山活動(Rojas-Agramonte et al., 2008)。古新統–始新統的砂礫巖沉積及古近系上部地層的缺失,可能指示古新世時期南部火山島弧構造單元和巴哈馬構造單元、中部火山島弧構造單元碰撞拼合的構造活動。新近系碳酸鹽巖及碎屑巖的出現才表明南部構造活動逐步趨于穩定(Rojas-Agramonte et al., 2008)(圖3), 此時期整個古巴群島的雛形已基本形成。

3 古巴地區構造演化

圖4 古巴區域剖面圖(據IHS, 1998a①修改。剖面位置見圖1)Fig.4 Cross sectional profiles of the Cuba Islands

古巴地區的構造背景在加勒比板塊內具有一定的特殊性, 因此對于古巴的形成過程也引發了人們的諸多探討。學者們對于古巴各構造單元的起源及構造演化形成過程主要存在以下幾種觀點: (1) 古巴地區由北部和南部不同地體拼合而成, 北部屬于北美陸殼碎片, 形成于巴哈馬地區, 南部屬于島弧成因(Meschede and Frisch, 1998); (2) 古巴地區整體由形成于白堊紀的大型火山島弧演化而來(Pindell and Kennan, 2009); (3) 古巴地區由尤卡坦(古巴西北部)和巴哈馬(古巴中部)及中部、南部的火山島弧拼合而成(Iturralde-Vinent, 1994; Pszczolkowski and Myczynski, 2010)。

另外, 古巴地區的一個特征是存在多個不同類型的沉積盆地, 沉積盆地的形成和發展受控于大地構造環境, 因此通過沉積盆地的演化過程可以反演該地區構造演化的過程。本文通過研究不同沉積盆地沉積充填序列, 探討不同時期不同地區的構造背景, 從而對古巴地區構造演化過程進行反演。沉積盆地作為一個地殼構造單位, 在不同構造位置上發育的沉積盆地會有不同特點, 據此可以將沉積盆地分為不同的類型。古巴地區的盆地可以劃分為3種類型, 分別是位于古巴褶皺推覆帶北側的北古巴前陸盆地、位于古巴褶皺推覆帶南側, 盆地結構受控于斷層的走滑盆地(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兩個弧后盆地(圖 2)。

3.1 古巴地體起源

目前對于北古巴地體和南古巴地體起源爭議的焦點集中在古巴尤卡坦構造單元和巴哈馬構造單元的形成位置上。部分觀點認為北古巴地體是北美板塊的一個陸殼碎片, 南古巴地體起源于白堊紀的島弧, 隨著島弧逐漸向東移動, 二者在白堊紀晚期碰撞拼合(Meschede and Frisch, 1998)。而Pindell and Kennan (2009)提出的加勒比演化模式中認為古巴地區屬于白堊紀形成的大型島弧的一部分, 在整個大型島弧向東移動的過程中逐步形成現今的大安的列斯島弧變形帶, 古巴地體也在這一過程中作為一個整體逐漸演化成現今的構造格局。Pindell et al. (2012)進一步完善了白堊紀大型島弧的成因模式, 并指出該大型島弧形成于135 Ma, 伴隨著古加勒比海槽發生的南西向俯沖作用(圖5), 并與北美洲和南美洲科迪勒拉的西向俯沖帶連接。但該模式中古巴尤卡坦構造單元的位置相對于尤卡坦地塊更接近于科提斯地塊的位置, 因此和尤卡坦地塊相比, 古巴北部的白堊紀地層特征應該更接近于科提斯地塊, 但實際上古巴北部地區的白堊紀地層特征和尤卡坦地塊北部更為相近(如 Guaniguanico地體)(Pessagno et al.,1999)。

依前文所述, 古巴可以劃分為四個區域, 這四個區域分別起源于不同的古板塊位置。就尤卡坦構造單元的起源而言, 古地理與古地磁等相關研究表明, 其東南方向的尤卡坦臺地在早、中侏羅世時期經歷了北美板塊和南美板塊張開的裂谷期, 并經過逆時針旋轉作用逐漸形成現今的形態。白堊紀之后該臺地一直處于較為穩定的構造背景下, 并發育侏羅系的裂谷沉積、白堊系的斜坡相沉積及碳酸鹽臺地。如上文所述, 該區的侏羅系及白堊系顯示為陸相及被動大陸邊緣的沉積特征(Iturralde-Vinent,1994; Pszczolkowski and Myczynski, 2010), 具有和尤卡坦地塊北部相似的地層特征和沉積環境(Pessagno et al., 1999), 因此可以推測古巴西北部的尤卡坦構造單元起源于尤卡坦地區。而古巴其他地區侏羅系并沒有顯示出陸相沉積特征, 因此不具有尤卡坦臺地起源的性質。古巴中部巴哈馬構造單元地區發現了結晶基底巖石,40Ar/39Ar年齡顯示該巖石的年齡約為900 Ma(Renne et al., 1989), 而中部火山島弧構造單元的基底為侏羅系火山巖(Iturralde-Vinent, 1994) , 二者明顯不同, 因此可以推斷巴哈馬構造單元和中部火山島弧構造單元有著不同的起源。如前文所述, 巴哈馬構造單元侏羅系主要發育蒸發巖和碳酸鹽巖裂谷相沉積, 白堊系為以碳酸鹽巖和砂礫巖為主的被動大陸邊緣沉積。古巴東北方向的巴哈馬臺地的侏羅系和白堊系同樣經歷了裂谷期, 并且發育以蒸發巖和紅色砂泥巖為代表的裂谷沉積和以碳酸鹽巖為主的被動大陸邊緣沉積,與巴哈馬構造單元的沉積環境相似, 因此可以推測巴哈馬構造單元的中生界起源于巴哈馬臺地(圖5a)。中部火山島弧構造單元侏羅系和白堊系以火山巖和火山碎屑巖為主, 顯示島弧活動的特征(Schneider et al., 2004), 因此在侏羅紀–白堊紀(140~80 Ma)時期中部火山島弧構造單元可能起源于活躍在加勒比板塊和古加勒比弧海槽之間的古加勒比弧(Iturralde-Vinent, 1994)。而南部火山島弧構造單元缺失侏羅系, 說明和其他區域起源不同,其白堊系和古新統為火山島弧, 可能和中部火山島弧構造單元的白堊系一樣起源于古加勒比弧(Rojas-Agramonte et al., 2008), 但古新世時期該地區的島弧仍處于活躍狀態。

圖5 古巴群島構造演化模式Fig.5 Tectonic evolution of the Cuba Islands

總之, 古巴地區的四個部分具有不同的起源,尤卡坦構造單元來自于尤卡坦臺地南緣, 巴哈馬構造單元來自于巴哈馬臺地東南緣, 中部火山島弧構造單元來自于古加勒比弧的白堊紀火山島弧部分,南部火山島弧構造單元來自于古加勒比弧的古新世火山島弧部分。在加勒比板塊與北美板塊的碰撞拼合作用之下, 這四個不同起源的單元從晚白堊世晚期開始直到古新世末期結合在了一起(圖5), 形成了古巴現今的構造格局。

3.2 K-T碰撞事件對古巴構造演化的影響

作為加勒比板塊北緣大安的列斯島弧帶的重要組成部分, 古巴地區構造演化過程受控于加勒比板塊的大地構造活動, 其中最為重要的一個環節是K-T界線時期發生在加勒比板塊與北美板塊之間的碰撞作用(Pindell and Kennan, 2009; Pindell et al.,2012; Escalona and Yang, 2013)。此次碰撞作用給古巴構造推覆帶的形成及地層特征帶來了重大影響,組成古巴的四個構造單元在此次碰撞作用之下最終拼合在一起。

圖6 古巴群島構造演化洋洋俯沖–弧陸碰撞階段示意圖(S1、S2、S3位置見圖5)Fig.6 Evolution model for the Cuba Islands at the oceanic subduction stage and arc-continent collision stage

在碰撞作用發生之前, 早、中侏羅世時期泛大陸裂解, 古加勒比海槽打開(Pindell and Barrett,1990; Pindell and Kennan, 2009)。位于古加勒比海槽北部邊緣的尤卡坦臺地南部及巴哈馬臺地西南部發育裂谷沉積(Iturralde-Vinent, 1994; Pszczólkowski,1999; Pszczolkowski and Myczynski, 2010), 這一時期古巴尤卡坦構造單元及巴哈馬構造單元分別發育于這兩個區域。晚侏羅世(145 Ma), 古加勒比海槽基本打開(Pindell and Barrett, 1990; Pindell and Kennan,2009), 上述兩個區域由裂谷轉變為被動大陸邊緣的淺海環境, 但整體仍處于拉張環境。同時, 位于古加勒比海槽東部的太平洋地區下部地幔柱活動加強,加勒比板塊開始形成(Pindell et al., 1988; Pindell and Barrett, 1990; Pindell and Kennan, 2009), 隨后古加勒比海槽西南向俯沖于加勒比板塊之下, 形成了俯沖帶島弧——古加勒比弧(Pindell and Kennan, 2009)(圖6)。此次俯沖作用使得古加勒比弧仰沖于古加勒比海槽之上, 隨著古加勒比海槽的消亡, 古加勒比弧開始逐漸靠近北美板塊邊緣(圖6)。同時隨著這次俯沖作用的進行, 古加勒比弧將位于俯沖帶區域的洋底玄武巖推覆于巴哈馬臺地單元之上, 形成了巴哈馬構造單元西南部的一系列蛇綠巖帶(Iturralde-Vinent, 1994), 這一系列蛇綠巖帶是古加勒比海槽閉合的有力證據。蛇綠巖帶以南的島弧部分在此后逐漸演變為古巴中部火山島弧構造單元。Bazhenovet al. (1996)在古巴西部地區所進行的古地磁研究表明, 在始新世之前古巴的火山島弧地層向北移動了近1000 km。并且由于北美板塊的制約, 晚白堊世時期, 古巴在碰撞北美板塊后發生了逆時針方向旋轉。因此推測在晚白堊世末期(90 Ma), 古加勒比弧從尤卡坦臺地西部移動至尤卡坦臺地南部,與尤卡坦臺地發生斜向匯聚, 標志著弧陸碰撞期的開始。碰撞產生北東向的右行剪切力, 使得古巴西北部地區與尤卡坦臺地分離, 并碰撞古加勒比弧(圖 5b), 古巴西北部尤卡坦構造單元上白堊統頂部的角礫巖可以印證此次碰撞事件。Lazaro et al. (2009)通過對古巴中部地區火山巖樣品進行研究, 鋯石U-Pb定年與40Ar/39Ar數據顯示古加勒比海槽俯沖作用開始于120 Ma, 而古巴中部地區北美板塊碰撞拼合時期約為70~60 Ma。從全球范圍來看, K-T界線是一個十分特殊的時期, Alvarez et al. (1980, 1984)認為全球在K-T界線時期發生過大規模的隕石撞擊事件(Schulte et al., 2010), 這一假說在隨后獲得了來自稀有元素(Alvarez et al., 1980)、孢粉(Orth et al.,1982)、沖擊石英(Schulte et al., 2010)以及深海沉積物(Coccioni and Galeotti, 1994)等方面的證據支持,并且最終在尤卡坦臺地?？颂K魯伯地區發現了可能是此次撞擊事件形成的隕石坑(Hildebrand et al.,1991; Pope et al., 1993; Morgan et al., 1997; Bell et al.,2004), 同時此次撞擊事件可能還引起了K-T界線時期全球的大規?；鹕交顒?Officer and Drake, 1983;Officer et al., 1987)及全球海平面下降(Keller et al.,2004)。盡管目前沒有直接證據顯示古加勒比弧與北美板塊之間的匯聚過程有明顯聯系, 但有研究表明此次隕石撞擊事件產生的能量是巨大的(Bottke et al., 2007), 因此發生在65 Ma尤卡坦臺地的K-T界線時期的隕石碰撞事件可能加劇了這一地區的板塊活動, 進一步推進了加勒比板塊北緣與北美板塊之間的匯聚作用。至古新世(60 Ma), 古加勒比弧北東向與巴哈馬臺地碰撞(Escalona and Yang,2013) (圖5c), 使得巴哈馬構造單元、中部火山島弧構造單元的古新統發育一系列角礫巖及礫巖沉積,同尤卡坦構造單元中同樣代表碰撞事件的礫巖段相比, 這套礫巖沉積的年齡更新, 因此可以認為發生于該地區的碰撞事件晚于古巴西北部地區與尤卡坦臺地的碰撞事件。這一時期, 古巴西北部與中部進一步拼合, Brust et al. (2011)通過對古巴西部普拉修斯盆地碎屑沉積物物源進行研究, 認為始新世古巴造山作用發生之前, 古加勒比弧已推覆至古巴西北部地層之上, 并最終形成位于古巴西北部及中部地區的大型褶皺推覆帶(圖 6), 同時北部的北美板塊邊緣受到褶皺推覆的荷載影響開始發生撓曲, 逐步形成北古巴前陸盆地和普拉修斯盆地早期的背馱盆地(Saura et al., 2008; Escalona and Yang, 2013)(圖 7)。在古加勒比弧推覆到古巴中部地區的同時,中部火山島弧處于弧后拉張環境, 并開始發育古巴中部盆地(Schneider et al., 2004)。同時北部地區巖漿活動基本停止, 僅在南部地區存在古近紀火山島弧活動(Rojas-Agramonte et al., 2008)。Kerr et al.(1999)的研究表明, 古巴部分地區的玄武巖可能來自古加勒比洋殼, 并且在白堊紀時期, 加勒比弧具有雙島弧的性質。說明古巴地區島弧帶可能是由兩個不同的島弧拼合而來。因此在南部地區活動的島弧有別于其他地區的島弧, 可能是獨立活動的一個島弧單元, 中部和南部雖然同為古加勒比弧的一部分, 但它們可能有著不一樣的起源。至古新世晚期, 古巴南部火山島弧與古巴中部地體拼合(Rojas-Agramonte et al., 2008), 初步形成古巴地區的基本面貌。

綜上所述, K-T界線時期古加勒比弧與北美板塊邊緣的碰撞作用于晚白堊世開始于尤卡坦臺地南緣, 隨后在東北方向上島弧與巴哈馬臺地開始碰撞, 直至古新世末期古加勒比弧與北美板塊在古巴地區的碰撞拼合作用完成。在該碰撞期, 古巴地區整體處于碰撞擠壓構造環境, 局部地區抬升接受剝蝕(圖 6) 。

隨著古新世末期古加勒比弧與巴哈馬臺地完全拼合(圖 5c), 古巴地區的構造活動趨于平穩, 構造演化進入后碰撞階段。始新世至今古巴地區經歷了多期海侵–海退作用, 但整體上處于構造抬升階段(Iturralde-Vinent, 1994)。始新世(45 Ma)之后, 加勒比板塊相對于北美板塊和南美板塊開始逐漸向東運動, 尤卡坦盆地和開曼海溝張開, 古巴地區處于張性的構造環境, 于漸新世(30 Ma)發育 Pinar、La Trocha及Nipe-Guacanayabo一系列走滑斷裂帶(Iturralde-Vinent, 1994; Cruz-Orosa et al., 2012)(圖5d, e), 受到古加勒比弧逆時針轉動的影響, 與走滑斷裂帶有關的走滑盆地(普拉修斯盆地)也逐漸開始發育(圖 7)。古巴南部地區開始逐漸與伊斯帕尼奧拉島分離(Rojas-Agramonte et al., 2008), 并于漸新世–中新世(30~10 Ma)基本形成古巴現今的構造樣式(圖 5f)。

綜上所述, 晚白堊世之前, 古巴四個構造單元分散于不同的古板塊區域。晚白堊世–古近紀, 古加勒比海槽向加勒比板塊俯沖, 在加勒比板塊北緣形成了古加勒比弧。隨著加勒比板塊逐步的擴張和北東向移動, 晚白堊世時期, 古加勒比弧碰撞上北美板塊邊緣的尤卡坦臺地, 并在古新世–始新世期間逐漸與北美板塊的巴哈馬臺地碰撞拼合, 碰撞過程從島弧與古巴西北部碰撞開始, 直至島弧開始正向與巴哈馬臺地碰撞, 并于始新世結束。整個過程中古巴的構造演化進程受到大的構造演化背景控制, 此次碰撞事件促使古巴各個構造單元最終拼合在一起, 并控制了古巴褶皺推覆帶及周緣各個盆地的發育。

4 結 論

根據地層特征, 古巴地區可以劃分為尤卡坦、巴哈馬、中部火山島弧以及南部火山島弧四個地層分區。其中侏羅系陸相地層只存在于尤卡坦構造單元, 而侏羅系海相地層只存在于巴哈馬構造單元。除尤卡坦構造單元外其他三個地區廣泛發育白堊系火山島弧, 且南部火山島弧構造單元的火山島弧不同于其他地區的火山島弧。

侏羅紀–早白堊世時期古巴的四個部分起源于不同的古板塊位置, 分別位于北美板塊邊緣及古加勒比弧, 其中尤卡坦構造單元起源于尤卡坦臺地,巴哈馬構造單元起源于巴哈馬臺地, 中部火山島弧構造單元起源于古加勒比弧白堊紀島弧部分, 南部火山島弧構造單元起源于古加勒比弧古近紀島弧部分。

白堊紀末期至始新世, 加勒比板塊與北美板塊的碰撞作用控制了古巴構造演化, 導致了古加勒比弧海槽的逐步消亡, 并推動了古加勒比弧與北美大陸邊緣的碰撞拼合。此次碰撞作用將古巴不同地區拼合在一起, 并控制了古巴群島褶皺推覆帶及周緣各個盆地的構造演化與沉積充填過程。

致謝: 北京大學地球與空間科學學院郭召杰教授在構造地質學方面給予了悉心指導和幫助, 南京大學賈東教授和另一位評審老師提出了寶貴的修改建議, 成文過程中賀敬博同學給予了協助, 作者深表謝忱！

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