Une coupe de la province volcanique Caraïbe

C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 333 (2001) 659–667
2001 Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés
S1251-8050(01)01685-8/FLA
Océanographie / Oceanography
Une coupe de la province volcanique Caraïbe :
premiers résultats de la campagne sismique Casis 2
Alain Mauffreta,∗, Sylvie Leroya, Élia d’Acremonta, Agnès Maillardb, Bernard Mercier de Lépinayc,
Antonio Tadeu Dos Reisa, Naghieb Millerd, Alexandre Nercessiane, Roberto Pérez-Vegaf,
Diorys Perezg
aLaboratoire de tectonique, université Paris-6, case 129, 4, place Jussieu, 75252 Paris cedex 05, France
bLaboratoire de dynamique des bassins sédimentaires, université Paul-Sabatier, 39, allées Jules-Guesde, 31062 Toulouse cedex, France
cInstitut de géodynamique, rue Albert-Einstein, 06560 Valbonne, France
dMines and Geology Division, Hope Gardens, PO Box 141, Kingston, Jamaica
eDépartement de sismologie, Institut de physique du Globe, 4, place Jussieu, 75252 Paris cedex 05, France
fInstituto Nicaraguense de Energia, PO Box 3226, Managua, Nicaragua
gMuseo Nacional de Historia Natural, Plaza de la Cultura-Ave. Cesar Nicolas Penson, Santo Domingo, Dominica
Reçu le 31 juillet 2000;accepté le 27 août 2001
Présenté par Jean Aubouin
Abstract – A transect of the Caribbean volcanic province: first results of the seismic cruise
CASIS 2. The eastwards motion of the Caribbean plate is supposed to be related to a Cretaceous flip
of subduction from eastwards to westwards vergence. However, we do not observe on the seismic
profiles recordedduring the CASIS 2 cruise any evidence of subduction beneath the Aves Ridge and
Nicaragua Rise. Aves volcanic arc has been probably formed after the collision of the Caribbean
volcanic plateau as shown by a wedge of volcanic-clastic sediments imaged by the seismic cruise
CASIS 2. A recent left-lateral transtensional tectonics is observed in the lower Nicaragua Rise; the
Colombia basin might have a motion towards the northeast relative to the rise. 2001 Académie des
sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS
Caribbean / volcanic plateau / Aves Ridge / Nicaragua Rise / multichannel seismic profile
Résumé – Le mouvement vers l’est de la plaque Caraïbe est supposé être dû à un refus
de subduction vers l’est du plateau volcanique crétacé sous les Amériques. Toutefois,
nous n’avons pas observé, sur les profils sismiques de la campagne sismique Casis 2,
d’indices de subduction sous la ride d’Aves et celle du Nicaragua. L’arc volcanique
d’Aves a probablement été formé postérieurement à la collision du plateau volcanique
caraïbe, comme le montre le coin volcano-détritique identifié sur un profil sismique. Une
tectonique importante et récente en transtension senestre est observée sur la ride inférieure
du Nicaragua ; le bassin de Colombie pourrait se déplacer vers le nord-est relativement à la
ride. 2001 Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS
Caraïbes / plateau volcanique / ride d’Aves / ride du Nicaragua / sismique multitrace
∗Correspondance et tirés à part.
Adresse e-mail : [e-mail] (A. Mauffret).
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Abridged version
In the hot spot reference frame [12, 16, 28] the Carib-
bean plate is fixed whereas the North and South America
plates are moving towards the west. The resulting features
are the Lesser Antilles subduction zone, thetranspressional
motion in the north and south boundaries of the Caribbean
plate and the subduction of the Cocos plate beneath the
Middle America trench (figure 1). Since the Eocene, the
motion between North America and the Caribbean plate is
well constrained [20] by the magnetic anomalies generated
by the Cayman spreading centre. Before the Eocene there
is no direct evidence of such a motion and two hypotheses
have been proposed.In the first one [17,27], the Caribbean
has been formed in situ between the America plates. In
the second one [12, 31, 36], the Caribbean large igneous
province (CLIP) resulted from the Cretaceous activity of
the Galapagos hot spot. The hot and thick plateau could
not subduct and a flip from eastern to western vergence
occurred. The new subduction zone was located beneath
the Greater Antilles arc, which moved towards the east
relative to the America plates (figure 2). A target of
the CASIS 2 multichannel (24 fold) seismic cruise was
to investigate the relationships between this arc and the
Caribbean Igneous Province.
Aves Ridge. It is a remnant arc separated from the
Lesser Antilles arc by the Palaeocene opening of the
Grenada basin [3]. The DSDP Site 148 [13] and ex-
ploratory boreholes on the Saba Bank [7, 18, 29] sampled
Palaeocene–Campanian (53–83 Ma) volcanic-clastic sed-
iments. Reworked Cretaceous nannofossils and coal frag-
ments, probably eroded from a nearby high, occur within
Oligocene–Miocene layers. K/Ar ages on the andesites
sampled by the wells and dredged [3, 32] indicate that
the basement is Early Palaeocene (64.5 Ma) to Maas-
trichtian (66 Ma) in age. Tuffaceous micrites dredged on
the northwestern slope of Aves Ridge have been faunis-
tically dated [3] from Upper Turonian (90 Ma) to Lower
Senonian (84 Ma). The industrial seismic profiles [7],
which cross the eroded high located in the western part
of the Saba Bank, demonstrate that the Cretaceous layers
are 3 km thick. The first profile of CASIS 2 (figure 3)
shows the slope of Aves Ridge with several slumpings,
as illustrated by previous seismic lines [32]. Deep-water
contour currents form small waves on the seafloor of the
Puerto Rico basin [11]. The seismic profile shows a prob-
able mud diapir that rises from an Oligocene layer that
might be undercompacted. A wedge between the Eocene
(A reflector) and the Cretaceous basement is contempora-
neous of the activity of the Aves arc and probably made of
volcanic-clastic sediments. The acoustic basement is not
flat and seems different from the basaltic flows that oc-
cur at the top of the volcanic plateau (B reflector) to the
west. The refraction data [30] show that the CLIP has a
thin crust (less than 10 km) in the Puerto Rico basin. The
flip of subduction from an eastward vergence to a west-
ward dip is supposed [31, 36] to be related to the arrival
at the trench, during the Cretaceous (100–92 Ma), of a
thick and hot oceanic plateau that could not subduct be-
neath the America plates. However, the occurrenceof thick
crust is restricted to the south of the Greater Antilles where
a northeast verging subduction may have occurred in the
Cretaceous [19]. The Greater Antilles arc, including the
Nicaragua rise [36], collided with the North America plate
from west to east (figure 2) during its northeastward rela-
tive motion. The first collision event occurred between the
Nicaragua Rise and the Yucatan and then the motion of the
Caribbean plate towards the northeast stopped and oriented
more eastwards. The Aves ridge formation is the conse-
quence (figure 2B) of this change in direction. A Senon-
ian age (84 Ma) for the dredged sediments on the Saba
Bank [3] fits with the reconstruction proposed [36] in fig-
ure 2A, whereas a Late Turonian age (90 Ma) disagrees
with such a picture.
Nicaragua Rise. The thickest (15–20 km) part of the
Caribbean volcanic province is located below the Beata
Ridge [4, 24] that is crossed by our survey. The Hess
escarpment that separates the Colombia basin from the
NicaraguaRise is the Cretaceous plate boundary (figure 2).
The andesitic rocks sampled by the exploratory wells [1,
15] drilled on the ridge suggest a Late Cretaceous–Pala-
eocene arc in the upper part of the rise, whereas the
lower part has a Campanian basaltic basement belonging
to the Caribbean volcanic province,as demonstrated by the
DSDP Site 152 [13] and ODP 1001 [37]. The upper part
is separated from the lower part by the Pedro escarpment.
The CASIS 2 seismic profiles have been correlated with
the ODP 1001 Site. We do not see on the lower Nicaragua
Rise any evidence of Mesozoic subduction, but a recent ex-
tensionaltectonics is shown [6] by the seismic profiles (fig-
ure 4). The normal faults strike north–south and an earth-
quake focal mechanism (Centroid Moment Tensor, CMT;
Harvard) in a graben, near the Neogene [39] volcanic is-
lands of Andres and Providencia (figure 1), indicates that
the extension is presently active. Moreover, another fo-
cal mechanism suggests that the Hess and Pedro escarp-
ment faults have a left-lateral motion rather than a dex-
tral one as supposed in several previous papers [2, 21, 33].
In Costa Rica, the subduction of the Cocos plate is al-
most blocked by the Cocos ridge and the adjacent rough
oceanic crust [14, 38] as well as the compressional stress
is transmitted to the Panamanian prism and probably to the
Colombia basin [5, 34]. The Santa Helena suture [2, 8],
which is connected to the Hess escarpment, is correlated
with a transition zone from extension in Nicaragua to com-
pression in Costa Rica. Moreover, we observe (figure 1)
an offset of the volcanic arc and a shallowing from 200 to
100 km of the subduction zone beneath this arc. The tec-
tonic activity in Central America may be correlated to a
squeeze of the Caribbean plate between the America plates
that undergoes an increase of the convergence from east to
west [28]. The push of the Colombia basin by the Cocos
plate may have also an influence in internal motion and de-
formation into the Caribbean plate [25].
In conclusion, the CASIS 2 seismic profiles do not
show any evidence of Mesozoic subduction dipping to-
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wards the east at the base of the fossil island arcs of
Aves Ridge and Nicaragua Rise. The crust is thin west
of Aves Ridge and we assume that the Mesozoic collision
of the thick Caribbean volcanic plateau occurred mainly
south of the Greater Antilles and that the construction of
Aves arc is younger. The Caribbean plate is fixed in the
hot spot reference frame since the formation of the Cen-
tral America arc [26] and several fragments were accreted
to the large America plates that moved towards the west.
These fragments became mobile with respect to the adja-
cent Caribbean plate and the Panama block and maybe the
Colombia basin began to move relative to the Nicaragua
region. Therefore we cannot consider a process of tectonic
escape [22] but the Caribbean plate is rather progressively
released from the jaws of the Americas that move towards
the west.
1. Introduction
La campagne multitrace CASIS 2, qui s’est dérou-
lée dans le Bassin caraïbe en 1999, avait pour but de
compléter la connaissance de la structure interne de
la province volcanique Caraïbe et de comprendre la
relation entre cette région et les plaques qui l’enser-
rent. La plaque Caraïbe est limitée, au nord, par la
plaque Amérique du Nord, au sud-est, par la plaque
Amérique du Sud et, au sud-ouest, par les plaques
Nazca et Cocos. Si l’on se place dans le référentiel des
points chauds [12, 16, 28], la plaque Caraïbe est fixe,
alors que les plaques Amérique du Nord et du Sud
se déplacent vers l’ouest. Le mouvement qui en ré-
sulte est une subduction des plaques Amériques sous
les Petites Antilles, des mouvements transpressifs au
niveau des frontières nord (système fosse de Puerto
Rico et Cayman) et sud (failles El Pilar, Oca et Bo-
cono), ainsi qu’une subduction sous l’Amérique cen-
trale de la plaque Cocos (figure 1). Depuis l’Éocène,
le mouvement relatif vers l’est de la plaque Caraïbe
par rapport aux plaques Amériques est relativement
bien contraint par l’ouverture océanique au niveau du
centre d’accrétion de Cayman [20] ; on peut estimer le
déplacement à plus de 1000 km. Avant l’Éocène, on
ne peut s’appuyer que sur les mouvements des plaques
adjacentes pour déduire celui de la plaque Caraïbe.
Dans une première hypothèse [17, 27], la plaque Ca-
raïbe s’est formée in situ entre les deux plaques Amé-
riques. Dans la deuxième hypothèse, la plus en fa-
veur [12, 31, 36], la plaque Caraïbe s’est formée dans
le Pacifique, au niveau du point chaud des Galapa-
gos, pendant le Crétacé. L’arrivée du plateau volca-
nique épais et chaud dans la fosse qui limitait à l’ouest
les Amériques aurait bloqué la subduction à vergence
est. Une nouvelle subduction à vergence ouest aurait
abouti à la formation de l’arc des Grandes Antilles,
migrant vers l’est et s’insérant entre les Amériques
(figure 2). Un des buts de la campagne Casis 2 était
de comprendre les relations entre la plaque Caraïbe et
les arcs anciens qui la bordent à l’est (ride d’Aves) et
à l’ouest (ride du Nicaragua). Le traitement de la sis-
mique mulitrace en couverture 24 a été effectué à bord
et nous présentons ici ses premiers résultats.
2. Premiers résultats de la campagne
Casis 2
2.1. La ride d’Aves
Cette ride est un arc rémanent, qui a précédé ce-
lui des petites Antilles. Les deux arcs se sont sé-
parés par l’ouverture du bassin de Grenade au Pa-
léocène [3]. Le forage DSDP 148, implanté dans le
Sud de la ride d’Aves [13], a prélevé des sédiments
volcano-clastiques du Paléocène et du Campanien–
Maastrichtien (83–65 Ma), remaniés dans le Mio-
cène inférieur. Des dragages (112D, figure 1) effec-
tués dans le Nord-Ouest de la ride d’Aves ont ré-
colté des micrites tuffacées d’âge Turonien supérieur
(90 Ma) à Sénonien inférieur (84 Ma), déposées sur
une plate-forme carbonatée peu profonde et rema-
niant des roches volcaniques calco-alcalines (basaltes
et andésites) [3]. Deux forages pétroliers ont été réa-
lisés sur le banc de Saba. Dans le premier, Saba 1,
les carbonates de l’Actuel jusqu’au Miocène moyen–
inférieur recouvrent une série volcano-détritique, da-
tée du Miocène inférieur à l’Oligocène inférieur. Des
nanno-fossiles du Crétacé et des charbons, proba-
blement du même âge, sont remaniés dans cette sé-
rie [18]. Sous cette série volcano-détritique, une plate-
forme carbonatée à faciès récifal, d’âge Éocène, re-
pose sur un socle composé d’andésites datées [29]
par K/Ar de 64,5±3,7 Ma (Paléocène basal). Des
andésites équivalentes ont été draguées [3, 32] au
nord du banc de Saba (66,5±1,5 Ma, Maastrichtien).
Dans le forage Saba 2, situé plus à l’est que le pre-
mier forage (figure 1), l’Éocène est composé de tur-
bidites sableuses et silteuses, dont le faciès est beau-
coup plus profond (pente ou plateau externe) que le
carbonate récifal prélevé par le forage SB1. Les pro-
fils sismiques de prospection pétrolière montrent [7]
qu’une structure haute était située à l’ouest du fo-
rage SB 1, qui est localisé sur le bord de la plate-
forme. Cette structure est limitée, vers l’est, par des
failles normales en forme de cuiller, qui ont été ac-
tives jusqu’au Miocène moyen, mais le forage SB 2
a montré que la région orientale, probablement reliée
au bassin de Grenade [29], avait déjà subsidé à l’Éo-
cène. Les nanno-fossiles crétacés remaniés et les char-
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Figure 1. Schéma tectonique du Bassin caraïbe et tracé de la campagne Casis 2. Remarquer les forages SB 1 et 2 sur la ride d’Aves et la tectonique extensive sur la ride de Nicaragua inférieure.
Figure 1. Tectonic sketch of the Caribbean basin and track chart of the CASIS 2 survey. Observe SB 1 and 2 wells on the Aves Ridge and the extensional tectonics on the lower Nicaragua Rise.
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bons proviennent de l’érosion, durant l’Oligocène–
Miocène inférieur, de la zone haute, qui était une
plate-forme carbonatée au Crétacé. Les profils sis-
miques sur cette plate-forme crétacée montrent des
réflecteurs profonds, qui suggèrent une épaisseur de
3000 m [7]. Le banc de Saba est bordé, vers l’ouest,
par une terrasse située à une profondeur de 1 500 m,
puis une pente raide, jusqu’à 3 000 m, sert de fron-
tière entre le banc et le bassin de Puerto Rico [32].
La partie occidentale du banc de Saba, bien que dé-
calée vers l’est (figure 1), appartient nettement à l’arc
d’Aves, alors que l’île de Saba fait partie de l’arc ac-
tuel des Petites Antilles. Les dragages, forages DSDP
et pétroliers démontrent donc le fait que l’activité de
l’arc volcanique d’Aves ait commencé avant le Turo-
nien supérieur–Sénonien inférieur (88–84 Ma) et se
soit arrêtée au Paléocène.
Le début du profil 1 de la campagne CASIS 02 (fi-
gure 3) illustre le contact entre le bassin de Puerto
Rico et la ride d’Aves. La pente est affectée par des
glissements importants, puis le fond descend en pente
régulière vers l’ouest. Il est déformé, dans la partie oc-
cidentale du profil, par de petites ondulations, qui ré-
sultent de courants de fond [11]. Au point de tir 2400,
alors que le réflecteur sous-jacent de forte énergie est
plat, une ondulation de la série sédimentaire suggère
un phénomène de diapirisme argileux, qui n’a encore
jamais été signalé dans le Bassin caraïbe profond.
Le réflecteur de forte intensité se corrèle avec l’hori-
zon A, composé de cherts d’âge Éocène moyen [13,
32]. La couche qui correspond aux probables argiles
sous-compactées est donc oligocène ; elle a un fa-
ciès chaotique et est soumise à de grandes variations
d’épaisseur dans le Bassin caraïbe [11, 24]. L’hori-
zon A présente un pendage régulier vers l’ouest de-
puis le pied de la pente d’Aves. Le socle acoustique
est, quant à lui, relativement plat, et même plonge
vers la ride d’Aves. Il en résulte un coin sédimentaire
qui s’amincit vers l’ouest, avec des downlaps sur la
série de base. Le socle acoustique, dont les irrégu-
larités sont comblées par des horizons fortement ré-
flecteurs, est nommé provisoirement B , par analogie
avec l’horizon volcanique d’âge Turonien à Campa-
nien qui a été foré dans le Bassin caraïbe [13]. Tou-
tefois, la caractéristique de cet horizon dans le bas-
sin du Venezuela ouest et de Puerto Rico est son as-
pect lisse, dû à des coulées volcaniques qui recouvrent
un socle océanique plus profond [9, 10, 24]. Le socle
acoustique perd ce caractère régulier vers le sud, où
le socle océanique profond apparaît [9, 10], et vers
l’est, où des fenêtres dans l’écran volcanique font ap-
paraître de profonds bassins (extrémité ouest du profil,
figure 3). Toutefois, le socle acoustique au pied de la
ride d’Aves est probablement d’âge Crétacé moyen ;
la série en éventail a donc un âge compris entre l’Éo-
cène moyen et le Crétacé moyen. Cette série est donc
Figure 2. Reconstruction au Campanien d’après [36], modifié. L’arc
volcanique d’Aves se serait formé (B) après la collision au sud du
Yucatan et l’obduction des ophiolites de Santa Cruz [35]. Les roches
sédimentaires prélevées sur la ride [3] ont un âge compris entre le
Turonien (90 Ma) et le Sénonien (84 Ma). L’âge plus récent est en
accord avec les reconstructions proposées.
Figure 2. Campanian reconstruction from [36] modified. The Aves
Ridge may has been formed (B) after the collision located south of
Yucatan and the obduction of the Santa Cruz ophiolites [35]. The
rocks sampled on the ridge [3] have a micropalaeontological age
comprised between the Turonian (90 Ma) and the Senonian (84 Ma).
The younger age fits with the reconstructions.
en partie contemporaine de la construction de l’arc
volcanique d’Aves, tandis que la formation de l’éven-
tail est probablement due à l’accumulation de séries
volcano-détritiques au pied de la pente. Bien que le
profil de sismique réfraction 12 soit mal positionné
en raison de courants [30], le socle acoustique cor-
respond au substratum volcanique, avec une vitesse
de 6,04 km·s−1, alors que l’intervalle A–B aurait
une vitesse de 3,75 km·s−1, notablement supérieure à
la vitesse mesurée (2,6 km·s−1) dans l’intervalle A –
B dans les forages DSDP [13]. Sous le socle acous-
tique du bassin de Puerto Rico (vitesse 6,13 km·s−1,
profil réfraction 10 [29]), des réflexions énergiques
(points de tir 2000 à 2300) peuvent correspondre à
des réflexions internes au plateau océanique Caraïbe.
Ce plateau est mince à proximité de la ride d’Aves,
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