陈榕, 申延平, 张晨晨. (2015)加勒比板块边缘中新生代构造古地理特征及演化[J]. 古地理学报, 17(1): 63-80
Chen Rong, Shen Yanping, Zhang Chenchen. (2015)The Meso-Cenozoic tectonopalaeogeographic characteristics and evolution of Caribbean Plate margins[J]. Journal Of Palaeogeography, 17(1): 63-80. DOI:10.7605/gdlxb.2015.01.006  
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加勒比板块边缘中新生代构造古地理特征及演化
陈榕1, 申延平2, 张晨晨1
1 北京大学地球与空间科学学院,北京 100871
2 国土资源部油气战略研究中心,北京 100034

第一作者简介 陈榕,女,1987年生,博士研究生,主要从事沉积学和石油地质学方向研究。E-mail: rongrong@pku.edu.cn。

收稿日期:2013-11-26
基金:国土资源部全球油气地质综合研究与区域优选项目(编号:GT-YQ-QQ-2011-6-21)资助
摘要

加勒比板块边缘带包括西缘中美洲古陆块及火山岛弧、北缘大安的列斯岛弧带、东缘小安的列斯岛弧带和南缘南美板块北部 4个部分,其沉积充填特征存在明显差异。加勒比板块边缘接受沉积时间由西向东逐渐变晚,其中中美洲古陆块以碳酸盐岩及火山碎屑岩充填为主,大安的列斯岛弧带及南美板块北部地区以碳酸盐岩—碎屑岩混合沉积充填为特征,中美洲火山岛弧带与东缘小安的列斯岛弧带以火山碎屑岩充填为主,造成这种沉积充填差异的主要原因是构造演化控制下的加勒比地区的古地理特征不同。加勒比板块及其周缘地区的构造古地理演化共经历 4个阶段:( 1)侏罗纪裂谷期,泛大陆的裂解使得南、北美板块边缘发育裂谷相;( 2)白垩纪被动陆缘期,古加勒比海槽的进一步打开使得南、北美板块边缘发育被动大陆边缘浅海相;( 3)晚白垩世—始新世碰撞造山期,加勒比板块与南、北美板块的碰撞拼合作用使得加勒比板块南、北缘均从海相转变为碰撞造山陆相;( 4)始新世以来的分异期,随着古加勒比海槽的消亡和北缘碰撞拼合的结束,加勒比板块东缘及西缘的火山岛弧带进一步发育,而北缘及南缘继续发育陆相沉积。

关键词: 沉积充填; 板块边缘; 弧陆碰撞; 构造古地理; 中生代; 新生代; 加勒比板块
中图分类号:P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2015)01-0063-18
The Meso-Cenozoic tectonopalaeogeographic characteristics and evolution of Caribbean Plate margins
Chen Rong1, Shen Yanping2, Zhang Chenchen1
1 School of Earth and Space Sciences,Peking University,Beijing 100871
2 Strategic Research Center of Oil and Gas,Ministry of Land and Resources, Beijing 100034

About the first author Chen Rong,born in 1987,is a Ph.D. candidate of the School of Earth and Space Science of Peking University. Now she majors in sedimentary geology and petroleum geology. E-mail: rongrong@pku.edu.cn.

Abstract

The Caribbean marginal region is divided into four belts, i.e.,the Central American palaeocontinent and volcanic arcs in the west,the Greater Antillean belt in the north,the Lesser Antillean belt in the east,and the northern boundary of South America in the south. Sedimentation began firstly in the west and then progressed gradually eastwards. Respectively,the Central American palaeocontinent is mainly carbonate rocks and volcaniclastic rocks;the Greater Antillean belt and the northern boundary of South America are dominated by mixed carbonate-clastic sedimentation;and the Central American volcanic arcs and the Lesser Antillean belt are characterized of volcanic-clastic rocks. This sedimentary differentiation is mainly due to the various palaeogeographical characteristics controlled by tectonic evolution. Four stages of tectonopalaeogeography in Caribbean Plate and its peripheral areas are indentified:(1)Rift facies developed at the boundaries of South and North American Plates due to the rifting of Pangea in the Jurassic;(2)In the Cretaceous, shallow marine facies of passive margin were developed in the boundaries of South and North American Plates with the opening of Proto-Caribbean trough;(3)In the latest Cretaceous-Eocene,the palaeogeography of southern and northern margins of Caribbean Plate changed into continental facies;(4)The volcanic arcs were developed at eastern and western margins of Caribbean Plate and continental facies were further developed on the northern and southern margins at the end of the collision since the Eocene.

Key words: sedimentary fillings; plate margin; arc-continent collision; tectono palaeogeography; Mesozoic; Cenozoic; Caribbean Plate
1 概述

加勒比地区是全球油气富集区之一, 其构造演化特征及古地理演化过程一直是学术界讨论热点, 目前关于板块起源(Meschede and Frisch, 1998; Kerr et al., 1999, 2003; Giunta et al., 2006; Iturralde-Vinent, 2006; Pindell and Kennan, 2009; Benthem et al., 2013)、岛弧发育数量(Pindell et al., 2012; Escalona and Yang, 2013)、俯冲极性(Duncan and Hargraves, 1984; Lebron and Perfit, 1993; Pindell, 1993; Stö ckhert et al., 1995; Pindell et al., 2005; Mann et al., 2007; Escuder-Viruete et al., 2010; Benthem et al., 2013; Lebrun and Marcaillou, 2013)、板块碰撞拼合时限(Iturralde-Vinent, 1994; Pindell et al., 2009; Escalona and Yang, 2013)以及不同板块边界的构造演化过程(James and Rigby, 1993; Aitken et al., 2011; Escalona and Mann, 2011; Jackson, 2013; Neill et al., 2013)等一系列问题还存在很大的争议, 同时关于加勒比板块的演化过程和岩相古地理特征仍未形成一个较为统一的认识。加勒比板块及其周缘地区的构造特征十分特殊, 4条板块边界分别处于不同的构造背景之下, 分别为2条俯冲带(小安的列斯岛弧和中美洲火山岛弧)和2条走滑— 汇聚边界(北美板块南缘和南美板块北缘)(Mann, 1999)。因此, 研究加勒比板块不同板块边界地层序列和岩相古地理特征, 有助于进一步解决加勒比地区的构造演化问题。

加勒比板块边界构造及古地理演化主要涉及到北缘与北美板块碰撞(Iturralde-Vinent, 1994; Saura et al., 2008; Pindell et al., 2012)、南缘与南美板块碰撞拼合过程的探讨(Mann et al., 2006; Pindell et al., 2009; Escalona and Mann, 2011)。目前关于加勒比地区岩相古地理演化过程的研究主要是以局部研究为主(如南美北缘及古巴地区)(Pindell et al., 2009; Pszczó lkowski and Myczynski, 2010), 对加勒比地区整体古地理演化的研究较少。Stephan(1990)以及Meschede和Frisch(1998)曾绘制了加勒比全区侏罗纪— 现今的古地理图, 但关于沉积相的研究内容相对较为笼统。而有关生物古地理的研究成果则主要集中于表现研究区的古地势高低, 缺少沉积相的具体信息(Iturralde-Vinent and MacPhee, 1999; Iturralde-Vinent, 2006)。

在前人研究成果的基础上, 文中分别研究了加勒比板块西缘、北缘、东缘以及南缘4个区域的沉积充填特征。通过区域地层对比, 总结出不同的地层序列和沉积组合类型。同时结合岩相古地理演化分析, 进一步揭示了加勒比板块不同边界在构造演化的差异性。

2 地质背景

加勒比板块的4个边缘带具有显著不同的构造性质。大西洋洋壳和纳兹卡(Nazca Plate)、科科斯板块(Cocos Plate)分别在东部和西部俯冲加勒比板块, 同时加勒比板块相对于北美板块和南美板块向东运动, 形成了东西2条俯冲带和南北2条走滑— 汇聚带(Mann, 1999; Mü ller et al., 1999; Pindell and Kennan, 2009)。现今学术界对于加勒比地区构造演化较为统一的认识是, 晚三叠世— 侏罗纪, 泛大陆裂解, 古加勒比海槽裂开。白垩纪, 加勒比板块形成, 并逐渐向东北方向嵌入北美板块和南美板块之间。至晚白垩世— 古近纪, 加勒比板块与北美板块及南美板块边缘碰撞。自始新世开始, 加勒比板块从北东向运动逐渐转变为向东运动, 并在中新世至今进一步运移至现今的位置(Meschede and Frisch, 1998; Mü ller et al., 1999; Iturralde-Vinent, 2006; Pindell and Kennan, 2009)。

加勒比板块西缘由古陆块(尤卡坦台地与科提斯地体)和中美洲火山岛弧组成, 受到纳兹卡板块和科科斯板块的东向俯冲(图 1)。北缘大安的列斯岛弧(Great Antilles)带与墨西哥湾、北美大陆、巴哈马台地(Bahama Platform)相邻, 作为加勒比板块北部主要构造单元与北美板块碰撞拼合(Escalona and Yang, 2013), 形成了古巴北缘及伊斯帕尼奥拉岛(Hispaniola)的褶皱推覆带。东缘小安的列斯(Less Antilles)构造带与大西洋相接, 受到大西洋洋壳的西向俯冲(Mann, 1999; Pindell and Kennan, 2009)(图 1), 除此之外还包括格林纳达(Grenada)盆地、多巴哥(Tobago)海沟、巴巴多斯(Barbados)增生楔等构造单元。南缘自晚白垩世以来与南美板块斜向汇聚, 形成了南美板块北缘一系列盆地与复杂构造变形带, 包括特立尼达(Trinidad)盆地、南加勒比变形带、南美洲北部沿岸盆地(卡里亚科盆地-Cariaco、博内尔盆地-Bonaire、法尔孔盆地-Falcon)、马拉开波(Maracaibo)盆地及东委内瑞拉(Eastern Venezuela)盆地等(Pindell et al., 2009, 2012)(图 1)。

图1 加勒比板块边缘地区地质简图Fig.1 Geological sketch of Caribbean Plate margins

加勒比海地区广泛发育侏罗系— 新生界, 地层分布具有由西向东逐渐变新的特征(Pindell, 1991)。其中西缘尤卡坦台地和科提斯地体为古陆块, 基底为前寒武系结晶基底, 之上发育侏罗系— 新近系。中美洲火山岛弧地层年龄较新, 发育早白垩世以来的地层(Brandes et al., 2008)。北缘以大安的列斯岛弧为代表, 发育有侏罗系以来的较新的地层, 基底为前侏罗系。东缘小安的列斯岛弧带地层最新, 多为古近系以来的火山岛弧(Iturralde-Vinent, 1994)。南缘以南美大陆北缘为代表, 和中美洲地块一样具有前寒武系结晶基底, 发育侏罗系— 新近系, 沿南美大陆北部海岸分布有残余岛弧(DI Croce et al., 1999; Escalona and Mann, 2011)。

3 加勒比板块边缘地层与岩相

根据地层组合特征, 加勒比板块边缘沉积充填可归纳为4种类型:西缘古陆块的碳酸盐岩沉积序列、北缘的碎屑岩— 碳酸盐岩混合沉积序列、南缘的碎屑岩沉积序列以及东缘的火山碎屑岩沉积序列。各构造边缘带的地层组合受到构造演化的控制, 地层时代也由西向东逐渐变新。

3.1 中美洲古陆块及火山岛弧

位于加勒比板块西缘的中美洲古陆块(尤卡坦台地和科提斯地体)具有以碳酸盐岩建造为主的沉积特征(图 2)。尤卡坦台地基底为前寒武系, 下古生界已经褶皱变质, 并发育有深成岩侵入体。最老的沉积岩是宾夕法尼系和二叠系的碎屑岩(Solari et al., 2009), 说明晚古生代尤卡坦台地已经形成, 其是在早古生代强烈挤压构造活动的基础上, 于晚古生代开始形成的一个碳酸盐沉积的台地。中生界三叠系缺失, 侏罗系不整合覆盖于古生界之上。上侏罗统牛津阶发育白色— 粉红色砂岩、粉红色泥质灰岩、粉砂岩, 随后变为深色硅质泥岩、钙质泥岩及泥晶灰岩, 部分地区上侏罗统顶部发育红色钙质砂泥岩, 这种红色地层的沉积显示出裂谷沉积的特征。白垩系发育碳酸盐岩、泥灰岩和蒸发岩, 地层平缓(Kesler et al., 1970; Stinnesbeck et al., 1997; Fourcade et al., 1999), 显示为台地相, 表明尤卡坦台地处于一个较为稳定的沉积环境。白垩系同古近系之间为不整合接触, 古新统下部为角砾灰岩, 上部以砂岩为主(Stinnesbeck et al., 1997)。这种岩性的突变指示沉积环境的变迁, 古新统下部的角砾灰岩可能形成于白垩纪末期尤卡坦台地与科提斯地体碰撞作用期, 该碰撞使得尤卡坦台地从稳定的碳酸盐沉积转变为陆相碎屑岩沉积。随后的渐新世, 以砂岩为主的地层说明尤卡坦台地可能受到挤压作用而抬升, 沉积环境转为陆相。中新统则发育灰岩(Fourcade et al., 1999), 表明尤卡坦台地重新变为浅海台地环境。

图2 加勒比板块西缘综合地层柱状图(资料来源于Pessagno et al., 1999; Scott and Finch, 1999; Brandes et al., 2007a)Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of western margin of Caribbean Plate (Pessagno et al., 1999; Scott and Finch, 1999; Brandes et al., 2007a)

科提斯地体基底为古生界变质岩及侵入岩, 上覆侏罗系至新生界(Scott and Finch, 1999)(图 2)。其中侏罗系为砂岩、页岩及变质碎屑岩, 表明在侏罗纪科提斯地体可能处于陆相。下白垩统主要为灰岩地层, 部分地区发育层状页岩(Scott and Finch, 1999), 显示出沉积环境从陆相到海相的转变。和尤卡坦台地不同的是, 科提斯地体上白垩统整合于下白垩统之上, 以砾岩及红色砂岩为主, 部分地区发育灰岩。说明和早白垩世相比, 科提斯地体的沉积环境发生了较大的变化, 构造活动较为强烈, 这一点可能与科提斯地体在晚白垩世的南向运动有关。新生界主要为火山岩、砂砾岩及火山碎屑岩, 说明在新生代科提斯地体的火山活动较为频繁。

从尤卡坦台地和科提斯地体的地层特征可以看出, 二者均是具有古老基底的古陆块, 在侏罗纪处于不同的沉积环境。尽管在早白垩世二者同样处于海相沉积环境, 但自晚白垩世起沉积环境开始出现了截然不同的变化, 尤卡坦台地继续处于稳定的台地相, 而科提斯地体的构造活动开始加强, 并且在新生代开始出现了活跃的火山活动。

中美洲火山岛弧地区基底主要由中生界火山岩组成(Mann, 1999; Brandes et al., 2007b), 具有火山碎屑沉积的充填特征, 和尤卡坦台地及科提斯地体的基底相比有很大的差异, 表明中美洲火山岛弧的形成时限较晚。其中利蒙盆地发育上白垩统及新生界(图 2), 上白垩统以火山岩和碳酸盐岩为主(Brandes et al., 2007b), 新生界则以砾岩、砂泥岩为主, 含碳酸盐岩地层(Brandes et al., 2007b, 2008)。盆地底部沉积了一套上白垩统含砾砂岩, 之上发育深海远洋碳酸盐岩, 表示晚白垩世盆地已经形成并开始接受稳定的沉积。古新统到始新统下部为含砾砂岩, 属于深水斜坡沉积体系。始新统到渐新统, 沉积物以浅水沉积为特征。渐新统上部到下中新统主要为碳酸盐岩沉积物, 中新统中部到上更新统则为泥岩、砂岩、砾岩以及火山碎屑岩, 显示出古新世到中新世该地区经历了水退— 水进过程。上新统和更新统的地层厚度增加, 高的沉积速率指示了较强的构造活动及水动力条件(Brandes et al., 2007b)。上述的地层特征表明, 和尤卡坦台地及科提斯地体相比, 中美洲火山岛弧是一个形成于晚白垩世的年轻岛弧, 在新生代火山活动频繁, 沉积环境以陆相为主, 并不存在长期稳定的海相环境。

3.2 大安的列斯岛弧带

加勒比板块北缘主要构造单元为大安的列斯岛弧带, 其中古巴群岛作为大安的列斯岛弧带中最为重要的组成部分与北美板块北缘相接, 古巴群岛的复杂地层组成可以反映加勒比板块北缘与北美板块之间的相互作用(Iturralde-Vinent, 1994)。古巴地区具有碳酸盐岩— 碎屑岩混合沉积充填特征, 基底为古生界及前古生界的蛇纹岩, 之上发育了侏罗系至第四系(Iturralde-Vinent, 1994; Pessagno et al., 1999)。其中北部地区基底为前侏罗系变质岩, 南部地区基底为中生代火山岩, 不同的基底组成说明出古巴北部地区和南部地区的起源不同。西北部及北部地区侏罗系为砂泥岩、碳酸盐岩和蒸发岩, 说明该地区在侏罗纪为裂谷期残余盆地和碳酸盐岩台地。而白垩系的碳酸盐岩则属于北美板块边缘的被动大陆边缘的沉积(Pszczó lkowski, 1999)。南部地区侏罗系— 白垩系以火山岩为主, 不发育沉积岩地层(Rojas-Agramonte et al., 2008), 说明该地区在侏罗纪— 白垩纪可能为加勒比板块北缘的火山岛弧(古加勒比弧)。西北部的古近系不整合于白垩系之上, 为砂泥岩、生物碎屑灰岩、角砾灰岩, 新近系为灰岩和泥质灰岩(周道华, 2009), 显示出沉积环境的突变, 可能与古加勒比弧与北美板块碰撞事件有关。随后古新统— 始新统开始出现碎屑岩沉积, 表明古巴北部地区可能由于碰撞事件开始抬升剥蚀。南部地区古近系主要为火山岩和火山碎屑岩(Rojas-Agramonte et al., 2008), 属于火山岛弧地层, 说明古近纪古巴南部的火山岛弧仍处于活动状态。北部和南部的新近系主要为碎屑岩及碳酸盐岩(Rojas-Agramonte et al., 2008), 显示出浅海的沉积环境, 局部地区为陆相(图 3), 相似的沉积充填组合表明古巴地区在新近纪已经进入较为稳定的构造背景。

图3 加勒比板块北缘综合地层柱状图(资料来源于IHS, 1998; Rojas-Agramonte et al., 2008)(图例见图2)Fig.3 Comprehensive stratigraphic column of northern margin of Caribbean Plate (data from IHS, 1998; Rojas-Agramonte et al., 2008)(legends shown in Fig.2)

中生界地层特征的差异性说明古巴北部和南部地区在侏罗纪— 白垩纪形成于不同的地区并处于不同的构造背景之下, 具有不同的古地理特征。在古近纪, 加勒比板块与北美板块碰撞作用使得古巴北部和南部拼合在一起, 古巴南部和北部地区之间的蛇绿岩带(Iturralde-Vinent, 1994; Saura et al., 2008)则可以作为此次碰撞拼合事件的证据。

3.3 小安的列斯岛弧带

加勒比板块东缘小安的列斯构造带基底为白垩系玄武岩(Mann, 1999), 表明其形成于白垩纪, 相对于西缘中美洲古陆块以及北缘的古巴地区形成的时间来说发育较晚。小安的列斯岛弧由一系列火山脊构成, 包括始新统至渐新统安山岩至英安岩流, 以及新近系沉积岩(Mann, 1999; Neill et al., 2010)。北部的萨巴台地上白垩统为灰岩, 古新统为砂泥岩及碳酸盐岩, 始新统部分地区发育火山碎屑岩及火山岩, 渐新统为泥岩夹火山碎屑岩, 新近系为砂岩、泥岩和碳酸盐岩(Despretz et al., 1985a; Defant et al., 2001)(图 4)。这种沉积充填特征显示出萨巴台地的火山活动直到渐新世才停止, 随后形成碳酸盐岩台地(Bouysse, 1988; Larue and Warner, 1991; Brandes et al., 2007, 2008; Rojas-Agramonte et al., 2008; 周道华, 2009)。

图4 加勒比板块东缘综合地层柱状图 (资料来源于Despretz et al., 1985b; Babaie et al., 1992; Saito and Goldberg, 2001; Aitken et al., 2011)(图例见图2)Fig.4 Comprehensive stratigraphic column of eastern margin of Caribbean Plate (data from Despretz et al., 1985b; Babaie et al., 1992; Saito and Goldberg, 2001; Aitken et al., 2011)(legends shown in Fig.2)

格林纳达盆地的基底是白垩系的玄武岩, 盆地包含上白垩统— 新近系(Bouysse, 1988; Aitken et al., 2011), 具有碳酸盐岩— 碎屑岩的沉积充填特征(图 4)。盆地底部上白垩统— 古新统为灰岩及砂泥岩, 反映了一个相对简单和稳定的沉积环境, 说明在晚白垩世— 古新世格林纳达盆地可能为处于一个较为稳定的弧后拉张环境。始新统为火山岩及碳酸盐岩, 属于海相沉积, 同时开始出现火山活动。新近系为砂泥岩、灰岩及火山岩, 中新世盆地沉积了以深水浊积岩为主的深海沉积物(Aitken et al., 2011), 局部地区发育碳酸盐岩, 说明盆地已经初具规模。随后由于艾维斯海岭的抬升, 盆地多沉积由艾维斯海岭剥蚀下来的火山碎屑岩, 沉积物中也出现了来自于小安的列斯岛弧的火山碎屑岩, 表明小安的列斯岛弧同样在新近纪隆升, 成为格林纳达盆地的重要物源之一(Bouysse, 1988; Aitken et al., 2011)。

多巴哥盆地古近系为类似于格林纳达盆地的火山岩和砂泥岩, 表明在古近纪二者可能属于同一个盆地(Aitken et al., 2011)。直到新近纪, 2个盆地的沉积充填组合才显示出不同, 多巴哥盆地为火山岩和砂泥岩, 而格林纳达为火山岩、碳酸盐岩和砂泥岩。说明在新近纪以后2个盆地物源开始出现差异, 盆地也可能已经被小安的列斯岛弧分隔为2个不同的盆地(Aitken et al., 2011)。

巴巴多斯增生楔底部复杂基底为始新统之前的火山岛弧及玄武岩等(图 4)(Mann, 1999)。发育始新统— 新近系, 始新统底部为一套火山碎屑岩及凝灰岩, 之上覆盖着始新统和渐新统的砂岩, 表明巴巴多斯增生楔于始新世开始接受沉积, 沉积环境为浅海。新近系为页岩和碳酸盐岩, 同样显示出浅海沉积环境(Speed et al., 1991; Babaie et al., 1992; Pindell et al., 2009)。

综上所述, 加勒比板块东缘地区中新生代主要以海相为主, 进入新生代以后火山岛弧活动较为频繁, 这一点与加勒比板块运动方向由北东向转为东向有关, 使得小安的列斯岛弧开始逐步向东迁移, 并且在迁移的过程之中控制了格林纳达盆地、多巴哥盆地以及巴巴多斯增生楔的沉积充填特征。

3.4 南美板块北部

南美板块北部边缘基底为前寒武系结晶基底, 具有以碎屑岩为主的沉积充填特征(Mann, 1999)。马拉开波盆地基底为古生界变质岩, 上覆古生界— 新生界。其中三叠系及侏罗系发育碎屑岩地层, 显示出陆相的沉积特征(Mann et al., 2006)。下白垩统不整合于侏罗系之上, 发育碳酸盐岩及砂岩, 上白垩统发育碳酸盐岩及泥页岩(图 5), 为被动陆缘浅海沉积(Castillo and Mann, 2006; Mann et al., 2006), 说明白垩纪马拉开波盆地海平面上升或者盆地发生沉降, 沉积环境从陆相转为浅海相。古新统不整合于白垩系之上, 发育灰岩、砾岩、钙质页岩、碳酸盐岩及泥岩, 显示出稳定的深水环境沉积特征。始新统— 中新统则以砂泥岩为主, 上新统— 第四系主要发育砾岩及砂岩, 为三角洲及河流沉积(Mann et al., 2006)。从侏罗纪到新近纪, 马拉开波盆地经历了陆相— 被动大陆边缘— 河流沉积的过程, 地层中的不整合也显示出沉积环境的突变。这种突变显示出较强的构造活动, 与古加勒比弧与南美板块的碰撞事件有关。

图5 加勒比板块南缘综合地层柱状图(资料来源于文献IHS, 1998, 2007, 2009)(图例见图2)Fig.5 Comprehensive stratigraphic column of southern margin of Caribbean Plate (data from IHS, 1998, 2007, 2009)(legends shown in Fig.2)

南美北部沿岸盆地中的法尔孔盆地基底为古生界变质岩, 上部发育侏罗系— 新近系(图 5), 其中侏罗系底部发育火山碎屑岩及砾岩, 上部为砂岩。白垩系为灰岩、泥岩及页岩(IHS, 2009), 属于较稳定的海相沉积。古新统下部为砂泥岩, 古新统上部— 始新统为页岩、砂岩(IHS, 2009), 同样显示出海相沉积的特征。渐新统主要为砂岩, 新近系则是砂岩、粉砂岩、泥岩及页岩, 表明自渐新世以来法尔孔盆地主要以陆相沉积为主。随后的中新世盆地水体变深, 沉积物粒径变细。法尔孔盆地下部地层组合和马拉开波盆地侏罗系— 白垩系的地层组合有相似之处, 但不同的是法尔孔盆地的陆相地层出现在较晚的渐新世。说明这种沉积环境的变化可能同样来源于古加勒比弧与南美板块的碰撞, 并且碰撞时间晚于马拉开波地区。

特立尼达盆地包含白垩系到新生界, 基底为白垩系火山岛弧及中生界变质基底。其中白垩系为灰岩、粉砂岩及泥质灰岩, 古新统为砂岩、泥质灰岩、灰岩及泥岩(IHS, 1998; Escalona and Mann, 2011), 与马拉开波及法尔孔盆地相似, 说明在白垩纪整个南美板块北缘都处于被动大陆边缘的沉积环境。始新统— 新近系为泥质灰岩、砂泥岩及砂岩(Mann, 1999; Garciacaro et al., 2011)(图 5), 同样显示出了海相沉积的特征。特立尼达盆地直到中新世才逐渐从之前的碳酸盐沉积转变为碎屑岩沉积, 表明沉积环境的改变是从渐新世开始, 中新世构造背景从被动陆缘转换为挤压抬升的碰撞区。与马拉开波盆地及法尔孔盆地相比, 特立尼达盆地的陆相地层出现的最晚, 这一点也可以说明古加勒比弧与南美板块的碰撞作用自古新世开始于马拉开波地区, 随后在始新世移至法尔孔盆地, 最后中新世才到达特立尼达地区。

4 加勒比板块构造古地理特征

根据对加勒比板块4条构造边缘带不同沉积盆地的地层特征及沉积充填序列的分析, 可以恢复加勒比地区侏罗纪— 始新世岩相古地理特征。加勒比地区构造演化过程可以划分为裂谷期、洋洋俯冲期、弧陆碰撞期及走滑拉张期4个阶段, 相应的古地理演化也可以划分为侏罗纪的裂谷期、白垩纪被动大陆边缘期、白垩纪末期— 始新世碰撞造山期及始新世至今的分异期(图 6, 图7, 图8, 图9)。

图6 晚侏罗世(148 Ma)加勒比板块岩相古地理图Fig.6 Lithopalaeogeography of the Late Jurassic (148 Ma) in Caribbean Plate

图7 晚白垩世(70 Ma)加勒比岩相古地理图(图例见图6)Fig.7 Lithopalaeogeography of the Late Cretaceous (70 Ma) in Caribbean Plate(legends shown in Fig.6)

图8 古新世晚期(56 Ma)加勒比岩相古地理图(图例见图6)Fig.8 Lithopalaeogeography of the Late Paleocene (56 Ma) in Caribbean Plate(legends shown in Fig.6)

图9 中新世中期(10 Ma)加勒比板块岩相古地理图(图例见图6)Fig.9 Lithopalaeogeography of the Middle Miocene (10 Ma) in Caribbean Plate(legends shown in Fig.6)

4.1 侏罗纪裂谷期

加勒比板块西缘尤卡坦台地和科提斯地体以及南缘南美板块北部均存在前寒武系的基底(Mann, 1999; Pindell and Kennan, 2009; Escalona and Mann, 2011), 说明这些地区属于古老的陆壳碎片或克拉通。同时侏罗纪加勒比地区岩相古地理以陆相沉积和裂谷沉积为特征, 其中尤卡坦台地侏罗系顶部红色的细粒碎屑岩和碳酸盐岩沉积可以解释为陆架边缘浅海相(Pessagno et al., 1999), 科提斯地体侏罗系的碎屑岩沉积可能属于陆相(Scott and Finch, 1999), 表明加勒比西缘古陆块及南缘在侏罗纪处于陆相的沉积环境(图 2)。西缘中美洲火山岛弧、东缘小安的列斯岛弧带缺失侏罗系及以前的地层(Mann, 1999; Mü ller et al., 1999), 说明在侏罗纪这些地区仍未形成(图 2, 图4)。

北缘大安的列斯岛弧带古巴群岛侏罗系地层较为复杂, 其中西北部显示出陆相和裂谷相沉积特征(Iturralde-Vinent, 1994; Saura et al., 2008), 北部为海相碳酸盐沉积(Pszczó lkowski, 1999; Escalona and Yang, 2013), 处于裂谷期的大陆边缘地带, 而南部缺失侏罗系(Rojas-Agramonte et al., 2008), 显示出古巴群岛南部地层在侏罗纪仍未形成(图 6)。同一时期, 巴哈马台地沉积有碳酸盐岩及蒸发岩, 显示出浅海环境(Mann, 1999; Masaferro and Eberli, 1999; Iturralde-Vinent, 2006; Epstein and Clark, 2009), 墨西哥湾沿岸地区也开始发育蒸发岩(Walper, 1981; Marton and Buffler, 1999), 表明墨西哥湾沿岸、巴哈马台地、尤卡坦台地以及古巴在中侏罗世同属于北美被动大陆边缘。

4.2 白垩纪被动大陆边缘期

加勒比板块周缘地区在白垩系普遍发育2种沉积充填序列, 一种为碳酸盐岩, 另一种为火山岩及火山碎屑岩。中美洲古陆块及南美板块北部的白垩系广泛发育碳酸盐岩, 其中尤卡坦台地上覆的厚层白垩系灰岩显示出尤卡坦台地在白垩纪一直是一个处于浅海环境的稳定地块(Iturralde-Vinent and Macphee, 1999; Iturralde-Vinent, 2006)(图 2), Fourcade(1999)通过对尤卡坦台地南部的Peten盆地白垩系的研究认为尤卡坦台地可能在晚白垩世最后一次海侵时形成了碳酸盐岩台地。科提斯地体白垩系的沉积充填特征从下部的碳酸盐岩转变为上部的碎屑岩, 显示出早白垩世沉积环境为海相(Scott and Finch, 1999), 并在晚白垩世进一步转变为浅海相乃至陆相。南缘南美板块北部广泛发育的碳酸盐岩也指示了陆缘浅海环境(Mann et al., 2006)。

北缘大安的列斯岛弧带古巴群岛北部白垩系发育碳酸盐岩, 南部发育火山岩(Iturralde-Vinent, 1994), 表明在白垩纪古巴群岛南部与北部处于不同的沉积环境, 其中北部属于被动大陆边缘, 而南部属于火山岛弧(图 3)。这一时期西缘中美洲火山岛弧带及东缘小安的列斯岛弧带开始出现火山岩, 并缺失白垩纪以前的地层(Mann, 1999; Brandes et al., 2007; Aitken et al., 2011), 说明直到白垩纪中美洲火山岛弧和小安的列斯岛弧才开始发育(图 4)。白垩纪格林纳达盆地内白垩系碳酸盐岩— 碎屑岩沉积显示出盆地在白垩纪已开始接受沉积(Aitken et al., 2011)。萨巴台地白垩系顶部的碳酸盐岩也显示出小安的列斯岛弧部分地区在晚白垩世处于浅海相的沉积环境(Despretz et al., 1985b)。

4.3 晚白垩世— 始新世碰撞造山期

白垩纪末期— 始新世, 加勒比板块周缘地区沉积充填序列开始出现明显的差异, 其中西缘尤卡坦台地以碳酸盐岩为主(Pessagno et al., 1999), 科提斯地体开始出现火山碎屑地层(Scott and Finch, 1999), 表明尤卡坦台地仍处于稳定的浅海相台地环境而科提斯地体则开始出现火山活动。尤卡坦台地南部古新统角砾石灰岩(Stinnesbeck et al., 1997; Fourcade et al., 1999)、科提斯地体的火山岩、古巴北部地区古新统的角砾灰岩以及其他陆相沉积均显示出在古新世加勒比板块北缘强烈的构造活动。

北缘古巴群岛北部和南缘南美板块北部为含砾岩段的陆相沉积, 其中古巴西部地区古新统存在滑塌堆积(周道华, 2009), 部分地区抬升剥蚀(Iturralde-Vinent and Macphee, 1999), 说明古新世该地区出现了海平面下降或构造抬升作用, 而古巴其他地区仍为浅海相和火山岛弧(Iturralde-Vinent, 1994)。南美北部的马拉开波盆地于古新统上部出现了以碎屑岩为主的为河流— 三角洲相沉积(Mann et al., 2006), 法尔孔盆地及特立尼达盆地仍以深水沉积或陆架边缘的浅海相沉积为主(HIS, 1998, 2009)。

西缘中美洲火山岛弧开始出现碳酸盐沉积及陆相沉积, 东缘的一系列构造单元在古新世也开始接受沉积, 如萨巴台地的砂岩(Despretz et al., 1985a)、多巴哥盆地的火山岩和砂泥岩(Aitken et al., 2011), 说明在古新世中美洲火山岛弧及小安的列斯岛弧带已经逐渐成型(图 8)。

4.4 始新世至今分异期

始新世之后加勒比地区不同边缘的沉积充填特征进一步分异(图 9), 西缘尤卡坦台地仍然以碳酸盐沉积为主, 表明在侏罗纪以后很长一段时间内, 尤卡坦台地都处于一种稳定的碳酸盐岩台地环境(Iturralde-Vinent and Macphee, 1999; Iturralde-Vinent, 2006)。尤卡坦台地中新统的灰岩(Iturralde-Vinent and Macphee, 1999)、科提斯地体新近系的浅碎屑及碳酸盐沉积(Scott and Finch, 1999)都显示出这些地区重归安静的浅海相沉积环境, 说明构造活动趋于稳定。中美洲火山岛弧带则开始以陆相沉积为主, 部分地区存在海相沉积和火山活动(Brandes et al., 2007a, 2008), 说明中美洲火山岛弧部分地区已经抬升至海平面之上。同样, 东缘小安的列斯岛弧带部分地区出现碎屑岩地层, 如巴巴多斯始新统和萨巴台地中新统的砂岩(Despretz et al., 1985b; Speed et al., 1991)(图 4), 说明小安的列斯岛弧带部分地区开始隆升, 但规模并不大。

北缘古巴群岛北部和南部在这一时期均以碎屑岩沉积为主, 表明该地区整体处于相似的陆相沉积环境(Iturralde-Vinent, 1994), 沉积环境差异性的消失也表明二者开始处于相似的构造环境(图 3), 指示着加勒比板块北缘古巴群岛地区与北美板块碰撞作用的结束, 古巴群岛已经开始作为一个统一的构造单元开始接受沉积。这种地层组合与小安的列斯岛弧始新统之后以火山岩和海相地层为主的地层组合有所不同(Aitken et al., 2011), 可以认为二者在始新统之后开始处于不同的沉积环境之中, 古加勒比弧在始新世开始分离为大安的列斯岛弧和小安的列斯岛弧。南缘南美板块北部的河流— 三角洲相沉积代表了存在古河流的陆相沉积环境(Escalona and Mann, 2011), 这种海相— 陆相的沉积环境变化在古新世出现于马拉开波盆地(Mann et al., 2006), 并且在始新世— 渐新世开始出现于法尔孔盆地(Escalona and Mann, 2011), 在中新世出现于最西缘的特立尼达盆地(Pindell et al., 2009; Escalona and Mann, 2011)(图 5), 反映了古加勒比弧与南美板块北缘自西向东的斜向碰撞作用, 火山岛弧的进一步东向推覆。

5 讨论

加勒比地区构造具有一定的特殊性, 学术界关于加勒比地区板块起源问题的主要争议焦点为板块起源的位置(Montgomery et al., 1994; Meschede and Frisch, 1998; Kerr et al., 1999; Pindell et al., 2005; Giunta et al., 2006; Iturralde-Vinent, 2006; Pindell et al., 2009; Pindell and Kennan, 2009), 一部分观点认为加勒比洋壳于中生代晚期起源于太平洋地区, 随后漂移至北美板块和南美板块之间(Wildberg, 1987; Pindell, 1988; Pindell and Kennan, 2009)。Pindell(1982)年通过造山带研究板块间移动距离, 并初步建立了加勒比板块演化模式, 并且在2005年和2009年结合新的地震及古地磁资料完善了该演化模式, 认为加勒比板块起于早白垩世时期形成于太平洋Galapagos地区的地幔柱作用(Pindell and Dewey, 1982; Pindell et al., 2005; Pindell and Kennan, 2009)。另一部分观点认为加勒比板块形成于它现今所处的位置以西, 但仍在北美板块和南美板块之间(Meschede and Frisch, 1998)。Meschede和Frisch(1998)通过古地磁研究认为中美洲火山岛弧形成于北美板块和南美板块之间的位置, 因此加勒比板块整体的初始形成位置位于太平洋东部。还有一部分观点认为加勒比板块是由部分古加勒比海槽经历洋壳增厚的过程和俯冲作用而形成的(Giunta et al., 2006; Giunta and Orioli, 2011)。Giunta等(2006)通过对加勒比周缘缝合带的岩石学研究, 认为侏罗纪板块东西2条俯冲带同时发育, 并受到太平洋板块和大西洋板块的制约。但Meschede和Frisch(1998)、Giunta等(2006)的模式较侧重于强调中美洲火山岛弧形成的位置, 对板块形成的地球动力学机制并没有进行深入的探讨, 无法解决加勒比海板块的形成机制问题。而“ 太平洋成因说” 能够通过太平洋地区的地幔柱活动解释板块的成因, 但该模式中中美洲火山岛弧需要在短时间内移动很长的距离才能达到现今的位置, 关于岛弧移动距离的问题现在仍有待研究。可以肯定的是, 在加勒比板块形成的过程中, 火山岛弧的出现是将加勒比板块与其他板块分离出来的关键因素。

关于加勒比板块的形成之前的构造背景, Bartok等(1985)指出古加勒比海槽形成于中侏罗世, Meschede和Frisch(1998)及Pindell和Kennan(2009)的研究均指出侏罗纪南美洲板块与北美洲板块之间发育洋壳, 结合南缘和北缘的浅海相环境和陆架边缘沉积环境, 可以说明侏罗纪古加勒比海槽的形成, 印证了早侏罗世泛大陆裂解及南美洲板块与北美洲板块分离的过程。

随着古加勒比弧和中美洲火山岛弧的出现, 加勒比板块逐渐成型, Iturralde-Vinent(2006)根据沉积充填序列和地层特征的分析, 认为大安的列斯岛弧带和小安的列斯岛弧带在白垩纪处于温暖的多岛礁浅海环境, 并经历了多期海侵作用, 表明二者在白垩纪可能同属于‘ 古加勒比弧’ 这条白垩纪火山岛弧单元。有学者研究表明, 古加勒比弧形成于古加勒比海槽南西向俯冲加勒比板块的俯冲作用(Ross and Scotese, 1988; Iturralde-Vinent, 1994, 2006; Pindell et al., 2009), 中美洲火山岛弧则形成于太平洋地区法拉隆板块的东北向俯冲加勒比板块的俯冲作用(Mann, 1999)。这2条火山岛弧的形成表明加勒比板块开始脱离太平洋板块并成为独立的构造单元。

古近纪至新近纪, 加勒比板块南北缘沉积环境的变化印证了北缘与尤卡坦同巴哈马边缘自西向东的碰撞和南缘同南美板块北缘发生的斜向碰撞(图 8, 图10), 伴随着古加勒比海槽的逐渐消亡(图 8)。在北缘和南缘地区陆相地层的出现呈现从西到东时代逐渐变新的特征, 并且北缘的陆相地层出现时间整体上早于南缘, 显示出碰撞作用开始于北缘西部, 在大约10 Ma后进行到南缘西部, 并在南北缘地区逐渐向东部进行。这种沉积充填特征可以反映出古加勒比弧与北美板块和南美板块之间碰撞先后顺序及碰撞作用的发展过程(图 7; 图8; 图10)。同样, 在加勒比海床的部分地区的K/T不整合面(Iturralde-Vinent and Macphee, 1999)也可能反映了此次碰撞作用的影响。同时结合Pindell和Kennan(2009)提出的太平洋地区地幔柱成因, 认为加勒比板块是在白垩纪形成于太平洋地区能更好地解释此次由西向东发生的弧陆碰撞事件。此次碰撞事件不仅影响了北美板块南缘和南美板块北缘的古地理环境, 并且随着古加勒比海槽俯冲至加勒比板块之下, 二者从以被动大陆边缘为主的拉张环境转变为以碰撞造山为主的挤压推覆环境(图 10)。

图10 加勒比板块北缘、南缘构造演化模式(剖面位置见图7, 图8, 图9)Fig.10 Tectonic evolution model of northern and southern margins of Caribbean Plate(sections shown in Fig.7, Fig.8 and Fig.9)

Larue和Warner(1991)认为加勒比板块在与北美板块拼合后, 受到北部的制约, 始新世开始板块整体向东运动, 南北向的挤压减弱(图 8, 图9)。这一点可以在大安的列斯岛弧带和小安的列斯岛弧带始新世的古地理特征上得到印证。这一时期, 巴巴多斯增生楔和多巴哥盆地的海相沉积表明东缘的部分构造单元开始逐渐成形并接受沉积, 说明东缘开始进入较为强烈的构造活动阶段。多条大型走滑断层的发育也说明古巴地区开始处于走滑拉张的构造环境(Escalona and Mann, 2011)。因此在渐新世之后, 随着加勒比板块向东运动, 北缘和南缘都从以碰撞为主的挤压环境进入碰撞后的走滑拉张阶段(图 10), 构造活动主要集中在东缘小安的列斯岛弧带, 古地理特征进一步分异。

加勒比地区古地理特征同样也影响到了加勒比地区的油气分布, 其中加勒比板块北缘和南缘侏罗纪— 白垩纪的被动大陆边缘沉积物具有很好的生烃潜力, 南缘的沉积物规模大于北缘, 因此油气远景比北缘好。同时受到小安的列斯岛弧带的推覆作用, 东缘巴巴多斯及格林纳达等地白垩纪的浅海沉积物也具有一定的生烃条件, 但整体规模上不如北缘和南缘, 仅在局部地区发育新生界气藏。因此加勒比地区油气远景带最好的地区是南缘, 北缘次之, 东缘发育较晚的气藏。

6 结论

通过对加勒比周缘沉积盆地中— 新生界地层记录及沉积充填序列的研究发现, 加勒比地区的古地理特征受到板块构造演化的控制, 导致了周缘地层组成的差异性。而通过对比盆地沉积充填序列可以将加勒比及其周缘地区古地理演化过程划分为4个阶段:侏罗纪裂谷期, 西缘、南缘为陆相沉积环境, 北缘为陆缘浅海相沉积环境; 白垩纪被动陆缘期, 泛大陆的裂解使得南北美板块边界发育被动大陆边缘, 而古加勒比海槽俯冲加勒比板块使得西缘、北缘、东缘开始出现火山岛弧; 白垩纪末期开始进入碰撞造山期, 古加勒比弧北缘先行碰撞北美板块, 随后在古新世末期— 中新世岛弧南缘与南美板块发生斜向碰撞, 分别使得北美板块及南美板块边缘沉积环境从海相转变为陆相; 始新世之后的分异期, 加勒比板块开始逐渐向东漂移, 构造演化进入后碰撞时期, 东缘及西缘火山岛弧带进一步发育, 北缘及东缘的火山岛弧带开始出现岛屿, 南部南美板块上发育多条大型河流。加勒比地区古地理特征同样也影响到了油气分布, 其中油气远景带最好的地区是南缘, 北缘次之, 东缘发育较晚的气藏。

致谢 在本文研究过程中李廷栋院士、张抗教授在构造对古地理演化影响方面提供了指导, 国土资源部油气战略中心在资料及软件方面提供了帮助。同时感谢冯增昭教授以及审稿人提出的宝贵意见与建议。成文过程中, 北京大学地球与空间科学学院吴朝东教授在岩相古地理方面、郭召杰教授在构造演化方面提出了建议, 中国石油勘探开发研究院罗平在古地理图绘编过程中提供了建议及帮助。李林林、房亚男、王明振、王陆新及柳琼瑶在资料收集等方面提供了帮助。在此一并致谢!

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