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Las cuencas suborogénicas como registro de la evolución del Orógeno cubano: implicaciones para la exploración de hidrocarburos

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Universitat de Barcelona. Departament d'Estratigrafia, Paleontologia i Geociències Marines

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[spa] Las cuencas sinorogénicas de Cuba se desarrollaron como consecuencia de la convergencia entre las placas del Caribe y Norteamericana. Dicha convergencia evolucionó desde un contexto de subducción-acreción durante el Cretácico tardío hasta un contexto de acreción-colisión durante el Paleógeno, y finalizó con la sutura del Orógeno Cubano a la Placa Norteamericana. En la evolución de las cuencas se distinguen dos estadios sinorogénicos y uno post-orogénico. Los estadios sinorogénicos están relacionados con la subducción-acreción del terreno Caribeana, que subdujo bajo el Arco Volcánico Caribeño quedando parcialmente acrecionado a éste durante el Campaniense Superior y el Maastrichtiense, y con la colisión entre el arco y el margen continental norteamericano durante el Paleógeno. El estadio post-orogénico se inició diacrónicamente durante el Eoceno, siendo más joven hacia el Este. El análisis tectonoestratigráfico de las cuencas constituye, conjuntamente con el estudio del magmatismo y del metamorfismo, una de las principales herramientas para definir la evolución del Orógeno Cubano.
En Cuba hemos diferenciado cuencas contraccionales, extensionales y de desgarre que se originaron sincrónicamente. Las cuencas contraccionales se desarrollaron en la parte norte del orógeno y pueden interpretarse como un sistema de cuencas de antepaís que incluye cuencas transportadas y de antefosa. Las cuencas transportadas evolucionaron desde un contexto de antearco (Arco Volcánico Caribeño) en el Cretácico tardío hasta un contexto de colisión durante el Paleógeno. Las cuencas de antefosa se desarrollaron hacia el norte del cinturón orogénico como resultado de la flexión litosférica asociada al peso del orógeno. La sedimentación sinorogénica en las cuencas contraccionales comenzó durante el Cretácico tardío (Campaniense) y finalizó después del Eoceno Inferior en Cuba occidental, del Eoceno Medio en Cuba central, y del Eoceno Superior en Cuba oriental. Ésta se produjo principalmente en medios marinos e incluye secuencia olistostrómicas y flyschoides que registran la evolución de la convergencia. Por otra parte, las cuencas extensionales estuvieron relacionadas con la apertura de la cuenca de Yucatán y se formaron en la parte sur del orógeno durante el Paleógeno. Estas cuencas evolucionaron inicialmente como cuencas de intra-arco y luego fueron incorporadas al orógeno como cuencas intramontanas. La sedimentación sinorogénica en las cuencas extensionales se produjo en ambientes marinos profundos e incluye series turbidíticas derivadas de la erosión de rocas volcánicas y metamórficas. Finalmente, las cuencas de desgarre pueden interpretarse como cuencas poligenéticas asociadas a corredores tectónicos que son oblicuos al orógeno. El relleno sedimentario sinorogénico de las cuencas de desgarre indica altas tasas de subsidencia e incluye series olistostrómicas y turbidíticas que presentan grandes cambios laterales de facies y de espesores. La formación coetánea de todos estos tipos de cuencas sugiere que diversos regímenes tectónicos (de compresión, de extensión y de desgarre) se produjeron durante la formación del Orógeno Cubano. Este hecho explica varias particularidades estructurales y evolutivas del orógeno, entre ellas la diferenciación de dominios estructurales, la partición de la deformación, y la segmentación del orógeno en bloques que evolucionaron de manera independiente.
Tomando como referencia las cuencas de Cuba central (bloque de Las Villas), se ha logrado distinguir diferentes estilos estructurales en el Orógeno Cubano. Se reconocen tres dominios estructurales diferentes: (1) el Cinturón de Complejos Metamórficos, (2) la Zona Axial, y (3) el Cinturón de Deformación del Norte. La evolución estructural del Cinturón de Complejos Metamórficos incluye una fase compresional desarrollada durante el Cretácico tardío que es seguida por una fase extensional durante el Paleógeno. La compresión dio lugar a la formación de un prisma de acreción que fue parcialmente subducido, y la extensión produjo su exhumación en contextos de ante-arco e intra-arco. La Zona Axial fue intensamente deformada y acortada desde el Cretácico tardío hasta el Eoceno. La compresión se produjo en una fase inicial y a continuación tuvo lugar una deformación transpresiva durante el Eoceno Medio. El Cinturón de Deformación del Norte consiste en un sistema imbricado que se formó desde el Paleoceno hasta el Eoceno Medio. Los pliegues y las fallas se produjeron siguiendo una secuencia normal, con el transporte tectónico dirigido hacia el NNE. Algunas estructuras SO–NE son coetáneas con el sistema imbricado que se extiende en dirección NO–SE, formándose corredores tectónicos y/o fallas de transferencia que facilitaron un régimen de partición de la deformación mientras se producía la colisión. La sincronía de la compresión en el norte con la extensión en el sur es coherente con la apertura de la cuenca de Yucatán. La evolución desde regímenes de compresión-extensión hasta regímenes de transpresión está en consonancia con el aumento de la oblicuidad de la colisión entre las placas del Caribe y Norteamericana.
Particularmente, la zona de fallas La Trocha ha actuado como una zona de transferencia siniestra que separa los bloques de Las Villas y Camagüey en Cuba central. Las estructuras que conforman dicha zona de fallas (fallas La Trocha, Zaza-Tuinicú, Cristales y Taguasco) son consistentes con la rotación en sentido horario de la convergencia y del acortamiento en Cuba central. Desde el Paleoceno hasta el Eoceno Inferior, un acortamiento en dirección SSO–NNE produjo transtensión en la falla La Trocha y transpresión en la falla Zaza-Tuinicú. Posteriormente, durante el Eoceno Medio, el acortamiento rotó hacia una dirección SO–NE, dando como resultado una componente normal en la falla La Trocha y transpresión en las fallas Zaza-Tuinicú y Cristales. A partir del Eoceno Superior Cuba central ha estado soldada a la Placa Norteamericana. La deformación post-soldadura ha producido transtensión en las fallas La Trocha y Taguasco, y es consistente con un acortamiento en dirección OSO–ENE que refleja la actividad del límite transformante de Caimán. La cinemática de las placas y la evolución estructural de la zona de fallas La Trocha indican que la Cuenca Central es una cuenca de desgarre poligenética y que la formación de este sistema (es decir, zona de fallas – cuenca de desgarre) fue una consecuencia de la colisión oblicua que ocurrió durante el Paleógeno entre el Arco Volcánico del Caribe y el margen de las Bahamas (Placa Norteamericana).
La formación de los principales corredores tectónicos cubanos fue coetánea con la orogenia, lo que conllevó a la segmentación del orógeno en una serie de bloques estructurales que evolucionaron de manera independiente. La edad y evolución de la deformación sugieren que dichos corredores actuaron como importantes límites tectónicos y que evolucionaron en correspondencia con la rotación de la convergencia entre las placas. La segmentación del orógeno está también soportada por la sedimentación sinorogénica, que abarca intervalos de tiempo diferentes en cada bloque, lo que sugiere que la soldadura del orógeno a la Placa Norteamericana se produjo en una secuencia O–E (más joven hacia el Este). La segmentación del Orógeno Cubano y la evolución diferenciada de sus partes sugieren que el Caribe noroccidental evolucionó como un sistema de microplacas durante su transferencia desde la Placa del Caribe hasta la Placa Norteamericana. Asimismo, se sugiere que el límite de placas activo migró en dirección Este durante la convergencia.
A partir del análisis tectonoestratigráfico de las cuencas sinorogénicas, y de sus implicaciones estructurales y tectónicas, se ha podido establecer una serie de criterios y/o recomendaciones para la exploración de hidrocarburos en Cuba. En este sentido, se sugiere que las características de los sistemas petroleros cubanos están fuertemente controladas por la estructura del orógeno. Se han diferenciado tres sistemas de plays principales; los cuales están asociados al cinturón plegado cubano, a las estructuras de desgarre principales, y al sistema de antepaís respectivamente. Se sugiere que los yacimientos por descubrir en los sistemas de plays asociados al cinturón plegado y a las estructuras de desgarre pueden contener crudos de cualquier calidad en función de las características primarias y la madurez de la roca madre, del tipo y magnitud de la migración, de la superposición o no de distintos sistemas petroleros, y/o de la ocurrencia de procesos secundarios. Asimismo, se estima que dichos yacimientos serán mayoritariamente pequeños en cuanto al volumen de sus reservas y estarán vinculados a trampas de tipo estructural; dúplex, zonas triangulares y retrocabalgamientos en el sistema de plays del cinturón plegado, y a anticlinales fallados, estructuras en flor y sellos contra falla en el sistema de plays asociado a estructuras de desgarre. En cambio, se sugiere que los yacimientos no descubiertos en el sistema de plays del antepaís podrán tener crudos de alta calidad y grandes volúmenes de reservas. No obstante, se debe considerar que, aunque el sistema de plays asociado al antepaís es actualmente el que mayor interés atrae por su valoración de riesgo/recompensa, las características geoquímicas y estructurales del Orógeno Cubano sugieren que las otras áreas no deben ser descartadas.

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[eng] The synorogenic basins of Cuba are a consequence of the convergence between the Caribbean and North American plates. This convergence evolved from a subduction-accretion setting during the Late Cretaceous to an accretion-collision setting during the Paleogene, and ended with the welding of the Cuban Orogen to the North American Plate. Two synorogenic and one postorogenic stages are distinguished in the evolution of these basins. The synorogenic stages are related to the subduction-accretion of Caribeana, which was subducted beneath the Caribbean Volcanic Arc during the Late Campanian-Maastrichtian, and to the collision between the volcanic arc and the North American continental margin during the Paleogene. The postorogenic stage started during the Eocene and developed diachronically (younger eastward). The tectono-stratigraphic analysis of sedimentary basins is, in conjunction with the study of magmatism and metamorphism, a major tool in order to define the evolution of the Cuban Orogen.
In Cuba, contractional, extensional and strike-slip basins evolved synchronously. Contractional basins evolved in the northern part of the orogen and may be interpreted as a foreland basin system that includes piggyback and foredeep basins. Piggyback basins evolved from a forearc setting (Caribbean Volcanic Arc) in the latest Cretaceous to a Paleogene collision setting. Foredeep basins developed northward of the orogenic belt as a consequence of the lithospheric flexion linked to the orogenic load. Synorogenic sedimentation in contractional basins started during the latest Cretaceous (Campanian) and ended after the Early Eocene in western Cuba, the Middle Eocene in central Cuba, and the Late Eocene in eastern Cuba. It occurred mainly in deep-marine environments and includes olistostromic and flyschoid series that record the evolution of convergence. Extensional basins were related to the opening of the Yucatan Basin and were formed in the southern part of the orogen during the Paleogene. These basins formerly evolved as intra-arc basins and then were incorporated to the orogen as hinterland basins. Synorogenic sedimentation in the extensional basins occurred in deep-marine environments and includes flyschoid series, which resulted from erosion of volcanic and metamorphic rocks. Strike-slip basins may be interpreted as polygenetic basins linked to major oblique tectonic corridors. Syntectonic record of the strike-slip basins suggests high subsidence rates. It includes olistostromic and flyschoid series that show large lateral changes in facies and thicknesses. The coeval formation of contractional, extensional and strike-slip basins suggests that different tectonic regimes occurred during the formation of the Cuban Orogen, explaining several structural features of the orogen as the differentiation of structural domains, the strain-partitioning, and the different evolution of some blocks.
Based on a tectono-stratigraphic analysis of the sedimentary basins of central Cuba (Las Villas block), three structural domains are differentiated in the Cuban Orogen: (1) the Metamorphic Complexes Belt, (2) the Axial Zone, and (3) the Northern Deformation Belt. The structural evolution of the Metamorphic Complexes Belt includes a latest Cretaceous compressional phase followed by a Paleogene extensional phase. Contraction created an accretionary prism that was partially subducted, and extension produced exhumation in intra-arc and forearc settings. The Axial Zone was strongly deformed and shortened from the latest Cretaceous to the Eocene. Compression occurred in an initial phase and subsequent transpressive deformation took place in the Middle Eocene. The Northern Deformation Belt consists of a thin-skinned thrust fault system formed during the Paleocene to the Middle Eocene; folding and faulting occurred in a piggyback sequence with tectonic transport towards the NNE. Some major SW–NE structures are coeval with the Cuban NW–SE striking folds and thrusts, and form tectonic corridors and/or transfer faults that facilitated strain-partitioning regime attending the collision. The synchronicity of compression in the north with extension in the south is consistent with the opening of the Yucatan Basin. The evolution from compression–extension to transpression is in keeping with the increase in obliquity in the collision between the Caribbean and North American plates.
Particularly, the La Trocha fault zone acted as a major left-lateral transfer zone, constituting a limit between the Las Villas and Camagüey blocks in central Cuba. Some faults that are included in this fault zone (La Trocha, Zaza-Tuinicú, Cristales and Taguasco faults) were consistent with the clockwise rotation of convergence and shortening in central Cuba. From the Paleocene to the Early Eocene, a SSW-NNE shortening produced transtension in the La Trocha fault and transpression in the Zaza-Tuinicú fault. Subsequently, during the Middle Eocene, shortening shifted to a SW-NE direction, resulting in the normal component of the La Trocha fault and transpression in the Zaza-Tuinicú and Cristales faults. Since the Late Eocene, central Cuba has been welded to the North American Plate. The post-welding deformation gave rise to transtension of the La Trocha and Taguasco faults. This deformation is consistent with a WSW-ENE shortening and reflects activity in the transform boundary of the Cayman Trough. Plate-kinematics and the structural evolution of the La Trocha fault zone indicate that the related Central Basin is a strike-slip polygenetic basin and that the formation of this system (i.e., fault zone – strike-slip basin) was a consequence of the Paleogene oblique collision between the Caribbean Volcanic Arc and the Bahamas Borderland (North American plate).
The formation of the Cuban tectonic corridors was coeval with the orogeny, which led to the segmentation of the orogen into a number of structural blocks that evolved in different way. Age and evolution of deformation suggest that the Cuban corridors acted as important tectonic limits that evolved in accordance with rotation of the convergence between the Caribbean and North American plates. Segmentation of the orogen is also supported by the synorogenic sedimentation, which embraces different time spans in each block, suggesting that welding of the orogen to the North American Plate progressed from W to E. The segmentation of the orogen and different evolution of the Cuban blocks lend support to the evolution of the NW-Caribbean as a dynamic microplate system and to the eastward migration of the active transform plate boundary during the convergence.
Based on the tectono-stratigraphic analysis of the Cuban basins, we were able to establish a set of criteria and/or recommendations for hydrocarbon exploration in Cuba. In this direction, it is suggested that the major features of the Cuban petroleum systems are strongly controlled by the structure of the orogen. Three major play systems are differentiated, which are linked to the Cuban fold-and-thrust belt, to the major strike-slip structures, and to the foreland basin respectively. The undiscovered oil fields in the plays linked to the fold-and-thrust belt and to the strike-slip structures could contain different oil types depending on the primary features and maturity of the source rocks, the migration type, the occurrence and superposition of different petroleum systems, and/or the occurrence of secondary processes. It is also estimated that these oil fields will be mostly small in volume of resources and will be linked to structural traps; duplexes, triangle zones and backthrusts in the plays related to the fold-and-thrust belt, and faulted anticlines, flower structures and seals-faults in the plays linked to the strike-slip structures. By contrast, the undiscovered oil fields in the plays linked to the foreland could contain high-quality oils and large volumes of resources. However, we should be borne in mind that, despite the risk-reward assessment of the play system linked to the foreland is attractive, geochemical and structural features of the Cuban Orogen suggest that other regions and play systems should not be dismissed.

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Tesis Doctorals - Departament - Estratigrafia, Paleontologia i Geociències Marines

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Las cuencas suborogénicas como registro de la evolución del Orógeno cubano: implicaciones para la exploración de hidrocarburos