Radiolarian biochronology and Pacific origin of Jurassic-Cretaceous oceanic terranes in Costa Rica and Puerto Rico

AbstractAs demonstrated during several recent geological conferences, there is still a large debate concerning the origins of the Mesozoic oceanic remnants on the Caribbean Plate. The geodynamic models describing the Mesozoic history of the Caribbean realm can be divided into two main categories based on the origin of the Caribbean Plate: 1) An in situ origin between the Americas; 2) A Pacific origin and an eastward transport relative to the Americas. The study of the ribbon-bedded radiolarite is a key in determining the origins of associated Mesozoic oceanic terranes and may help to achieve a general agreement regarding the basic principles on the evolution of the Caribbean Plate. The Early Jurassic to early Late Cretaceous Bermeja Complex of Puerto Rico, witch contains serpentinized peridotite, altered basalt, amphibolite, and chert (Mariquita Chert Formation), and the contemporaneous Santa Rosa Accretionary Complex, which crops out in several half-windows along the south shores of the Santa Elena Peninsula in northwestern Costa Rica, are two of these little-known and crucial ophiolitic mélanges. The Manzanillo and Matambú fore-arc Terranes of the Nicoya Peninsula in the northwestern Costa Rica, which contain Late Cretaceous to Early Paleogene radiolarian-bearing siliceous mudstones and cherts associated with arc-derived mafic to intermediate volcaniclastics, bring important information on the history of the western active margin of the Caribbean Plate. A systematic radiolarian study of these three regions is presented herein in three different articles.The radiolarian biochronology of the Mariquita Chert Formation of the Bermeja Complex presented in this work indicate an early Middle Jurassic to early Late Cretaceous (late Bajocian-early Callovian to middle Albian-middle Cenomanian) age for the Mariquita Chert Formation. The illustrated assemblages contain 150 species, of which 3 are new (Pantanellium karinae, Loopus bermejaense, and L. boricus), and belonging to 59 genera. A review of the previous radiolarian published works on this formation and the results of this study suggest that the Bermeja Complex ranges in age from Middle Jurassic to early Late Cretaceous (late Aalenian to middle Cenomanian) and also reveal a possible feature of the complex, which is the youngling of radiolarian cherts from north to south, evoking a polarity of accretion. On the basis of a currently exhaustive inventory of the ribbonbedded radiolaritic facies on the Caribbean Plate, a re-examination of the distribution of Middle Jurassic sediments associated with oceanic crust from the Caribbean realm, and a paleoceanographical argumentation on the water currents, we come to the conclusion that the radiolarite and associated Mesozoic oceanic terranes of the Caribbean Plate are of Pacific origin. The previous argument for a Pacific origin of the Bermeja Complex presented by Montgomery et al. (1994a), based on their radiolarian age and their estimation of the oldest Proto-Caribbean oceanic crust, is nowadays seriously questionable, owing to the recent progresses in radiolarian biostratigraphy and new discoveries on the age of the first oceanic crust spreading between the Americas. Furthermore, we interpret the radiolarian Parvicingulidae-rich assemblages in the low-latitude Caribbean context as potential indicators of upwelling or land nutrients inputs, instead of indicators of paleolatitudes,as firstly stated by Pessagno and Blome (1986). Eventually, a discussion on the origin of the cherts of the Mariquita Formation illustrated by Middle Jurassic to middle Cretaceous geodynamic models of the Pacific and Caribbean realms bring up the possibility that the rocks of the Bermeja Complex are remnants of two different oceans.The Santa Rosa Accretionary Complex contains various oceanic assemblages of alkaline basalt, radiolarite and polymictic breccias. The radiolarian biochronology (19 illustrated assemblages, 232 species belonging to 63 genera) presented in this work indicate an Early Jurassic to early Late Cretaceous (early Pliensbachian to earliest Turonian) age for the sediments associated with oceanic basalts or recovered from blocks in breccias or megabreccias from the Santa Rosa Accretionary Complex. This study brings to light the Early Jurassic age of a sequence of ribbon-bedded radiolarite, which was previously thought to be of Cretaceous age, intruded by alkaline basalts sills. The presence of Early Jurassic large reworked blocks of radiolarite in a polymictic megabreccia, firstly reported by De Wever et al. (1985) is confirmed. Therefore, the alkaline basalt associated with these radiolarites could be of Jurassic age. In the Carrizal tectonic window, Middle Jurassic radiolarian chert blocks and Early Cretaceous brick-red ribbon-bedded radiolarites overlying pillow basalts are interpreted as fragments of a Middle Jurassic oceanic basement accreted to an Early Cretaceous oceanic plate, in an intra-oceanic subduction context. Whereas, knobby radiolarites and black shale at Playa Carrizal are indicative of a shallower middle Cretaceous paleoenvironment. Other younger oceanic remnants documented the rapid approach of the site of sedimentation to a subduction trench during the late Early Cretaceous (AlbianCenomanian), maybe early Late Cretaceous (Turonian).In total, 60 species belonging to 34 genera were present in relatively well-preserved radiolarian faunas from volcaniclastics and associated pelagic and hemipelagic rocks of the Matambú and Manzanillo terranes, ranging in age from Late Cretaceous to Early Paleogene (middle Turonian-Santonian to late Thanetian-Ypresian). This study shows that radiolarians can provide significant biostratigraphic control in the Nicoya Peninsula where very similar lithologies of different ages are present. Two radiolarian samples directly date the Berrugate Formation for the first time (middle Turonian-Santonian and Coniacian-Santonian). These ages allow to determine a volcanic arc activity on the western edge of the future Caribbean Plate at least since the Santonian that could have lasted through the middle Turonian-early Campanian interval by stratigraphic superposition. Moreover on the basis of these radiolarian ages, the Loma Chumico Formation of Albian age, and the Berrugate Formation of middle Turonian-early Maastrichtian age, can now be clearly differentiated. Two samples from the Sabana Grande Formation give a Coniacian-Santonian age and a Coniacian-Campanian age and indicate that there is a stratigraphic gap of ~10 million years between this formation and the underlying Albian Loma Chumico Formation.RésuméComme cela a pu se vérifier à plusieurs reprises lors de conférences géologiques récentes, le débat sur l'origine des terrains océaniques mésozoïques de la Plaque Caraïbes est toujours d'actualité. Les modèles géodynamiques décrivant l'histoire de la région caraïbes peuvent être classés en deux catégories basées sur l'origine de la Plaque Caraïbes : 1) Une origine in situ entre les Amériques ; 2) Une origine Pacifique et un transport vers l'est, par rapport aux Amériques. L'étude des radiolarites rubanées est capitale pour la détermination de l'origine des terrains océaniques allochtones du Mésozoïque et peut être utile pour parvenir à un compromis général concernant les principes basiques de l'évolution de la Plaque Caraïbes. Le complexe de Bermeja à Porto Rico qui est constitué de péridotites serpentinisées, de basaltes altérés, d'amphibolites et de cherts (Formation des Cherts de Mariquita), et le Complexe d'Accrétion de Santa Rosa qui affleure dans plusieurs demi-fenêtres tectoniques au sud de la Péninsule de Santa Elena au nord-ouest du Costa Rica sont deux de ces mélanges ophiolitiques peu décrits et déterminants. Les terrains de fore-arc de Manzanillo et de Matambu dans la Péninsule de Nicoya au nord-ouest du Costa Rica qui sont composés de calcaires siliceux et de cherts riches en radiolaires associés à du matériel volcanique d'arc mafique à intermédiaire, apportent d'importantes informations sur l'histoire de la marge active occidentale de la Plaque Caraïbe. Une étude systématique des radiolaires de ces trois régions est présentée dans ce travail sous forme de trois articles.La biochronologie des radiolaires de la Formation des Cherts de Mariquita du Complexe d'Accrétion de Santa Rosa présentée dans ce travail indique un âge Jurassique Moyen inférieur à Crétacé Supérieur inférieur (Bajocien supérieur-Callovien inférieur à Albien moyen-Cénomanien moyen) pour la Formation des Cherts de Mariquita. Les assemblages illustrés contiennent 150 espèces, parmis lesquelles 3 sont nouvelles (Pantanellium karinae, Loopus bermejaense et L. boricus), et appartenant à 59 genres différents. Une révision des travaux publiés précédemment sur les radiolaires de cette formation, ainsi que les résultats de cette étude suggèrent que le Complexe de Bermeja a un âge allant du Jurassique moyen au Crétacé Supérieur inférieur (Aalénien supérieur à Cénomanien moyen) et révèle aussi une caractéristique éventuelle du complexe qui est le rajeunissement des radiolarites du nord au sud, évoquant une polarité d'accrétion. Sur la base d'un inventaire actuellement exhaustif du facies radiolaritique rubané sur la Plaque Caraïbes, d'un nouvel examen de la distribution globale des sédiments du Jurassique Moyen associés à de la croûte océanique et d'une argumentation paléocéanographique sur les courants, nous arrivons à la conclusion que les radiolarites et les unités tectoniques océaniques du Mésozoïque associées de la Plaque Caraïbes sont d'origine pacifique. L'argument antérieur pour une origine pacifique du Complexe de Bermeja présenté par Montgomery et al. (1994a), basé sur leur âge à radiolaire et leur estimation de l'âge de la plus vieille croûte océanique des Proto-Caraïbes, est sérieusement remis en question aujourd'hui, en raison des progrès récents de la biostratigraphie des radiolaires et des nouvelles découvertes concernant l'âge du début de l'océanisation entre les Amériques. En outre, dans le contexte de basses latitudes des Caraïbes, nous interprétons les assemblages à radiolaires riches en Parvicingulidae comme étant des indicateurs potentiels d'apports en nutriments des zones d'uppwelling ou des terres, plutôt que des indicateurs de paléolatitudes, comme exposer pour la première fois par Pessagno et Blome (1986). Finalement, une discussion sur l'origine des cherts de la Formation de Mariquita illustrée par des modèles géodynamiques du Jurassique Moyen au Crétacé moyen des régions pacifique et caraïbes, fait poindre la possibilité que les roches du Complexe de Bermeja proviennent de deux océans différents.Le Complexe d'Accrétion de Santa Rosa contient plusieurs assemblages océaniques différents de basaltes alcalins, radiolarites et brèches polymictes. La biochronologie des radiolaires (19 assemblages illustrés, 232 espèces appartenant à 63 genres) présentée dans ce second travail indique un âge Jurassique Inférieur à Crétacé Supérieur inférieur (Pliensbachien inférieur à Turonien initial) pour les sédiments associés aux basaltes océaniques ou provenant de blocs dans des brèches ou des mégabrèches du Complexe d'Accrétion de Santa Rosa. Cette étude met en évidence l'âge Jurassique Inférieur d'une séquence de radiolarites rubanées entrecoupée de sills de basaltes alcalins, dont l'âge estimé était précédemment le Crétacé.La présence de blocs plurimétriques de radiolarites d'âge Jurassique Inférieur remaniés dans une mégabrèche polymicte, dont la présence avait été signalée par De Wever et al. (1985), est confirmée. Par conséquent, les basaltes alcalins associés à ces radiolarites pourraient aussi être d'âge Jurassique. Dans la fenêtre tectonique de Carrizal, des blocs de radiolarites d'âge Jurassique Moyen et des radiolarites du Crétacé Inférieur recouvrant des basaltes en coussins sont interprétés comme des fragments d'une croûte océanique d'âge Jurassique Moyen accrétés à une plaque océanique d'âge Crétacé Inférieur, dans un contexte de subduction intra-océanique. Alors que dans la même zone, les radiolarites « noueuses » et les argiles noires associées sont interprétées comme des indicateurs d'un milieu peu profond au Crétacé. D'autres fragments océaniques plus jeunes documentent une approche rapide du lieu de sédimentation vers une fosse de subduction pendant le Crétacé Inférieur supérieur (Albien-Cénomanien), peut-être Crétacé Supérieur (Turonien).Au total, 60 espèces appartenant à 34 genres ont été déterminées à partir de faunes à radiolaires relativement bien préservées, extraites de roches volcanoclastiques et pélagiques à hémipélagiques associées, provenant des terrains de Matambu et Manzanillo et ayant des âges compris entre le Crétacé Supérieur et le Paléogène Inférieur (Turonien moyen-Santonien à Thanétien supérieur-Yprésien). Cette étude montre que les radiolaires peuvent fournir un contrôle stratigraphique significatif dans la Péninsule de Nicoya, où des lithologies similaires, mais d'âges différents sont présentes. Deux échantillons à radiolaires permettent de dater la Formation de Berrugate pour la première fois (Turonien moyen-Santonien et Coniacien-Santonien). Ces âges permettent d'établir une activité volcanique d'arc le long de la marge occidentale de la futur Plaque Caraïbes au moins depuis le Santonien et qui pourrait avoir durée jusqu'au Turonien moyen-Campanien inférieur. De plus, sur la base de ces âges à radiolaires, la Formation de Loma Chumico d'âge Albien, et la Formation de Berrugate d'âge Turonien moyen-Maastrichtien inférieur, peuvent maintenant être différenciées. Deux échantillons de la Formation de Sabana Grande donnent des âges Coniacien-Santonien et Coniacien-Campanien et indiquent qu'il existe une lacune stratigraphique d'environ 10 millions d'années entre cette formation et la Formation de Loma Chumico sous-jacente d'âge Albien.

Late mesozoic to neogene radiolarian biostratigraphy and palaeoceanography in the Caribbean and East pacific region

^Raduolarians constitute a good tool for contributing to the biostratigraphy of accreted terranes and in deep-sea sediment sequences. The use of radiolarians is also proven to be valuable as a palaeoceanographic indicator. The present study evaluates radiolarians in three different geological settings, in order to better constrain the age of the sites and to try to understand their palaeoenvironmental situation at different periods, particularly in the Caribbean-Central America area. On the Jarabacoa Block, in Central Dominican Republic, a hundred meters of siliceous mudstones (Pedro Brand section in the Tireo Group) was dated as Turonian- Coniancian in age using radiolarians. A 40Ar-39Ar whole rock age of 75.1±1.1 Ma (Campanian), obtained in a basalt dyke crosscutting the radiolarian bearing rocks, a consistent minimum age for the pelagic-hemipelagic Pedro Brand section. The Jarabacoa Block is considered as the most complete outcrop section of Pacific ocean crust overlain by a first Aptian-Albian phase of Caribbean Large Igneous Province-type activity (CLIP), followed by the development of a Cenomanian-Santonian intraoceanic arc, which is in turn overlain by a late Campanian-Maastrichtian CLIP-phase. The Tireo Group records an episode of pelagic to hemi-pelagic and intermediate to acidic arc-derived sedimentation, previous to the youngest magmatic phase of the CLIP. Thus, the section of Pedro Brand has been interpreted in this study as being part of the intraoceanic arc. In northern Venezuela, a greenish radiolarite section from Siquisique Ophiolite (basalts, gabbros and some associated cherts) in Guaparo Creek has been studied. In previous studies, the Ophiolite unit (Petacas Creek section) has been dated as Bajocian-Bathonian, based on ammonites present in interpillow sediments from basalt blocks. New dating of the present study concluded in an Aptian?-Albian-Cenomanian age for the Guaparo creek section (middle Cretaceous), based on radiolarian assemblage associated to basalts-gabbros rocks of the unit. Previous plagioclase 40Ar-39Ar ages from the Siquisuique Ophiolite may be slightly younger (94-90 Ma.) and may, therefore, represent younger dykes that intruded onto a well-developed sheeted dyke complex of the Siquisique. The geochemistry of these rocks and the palaeotectonic reconstruction of the Caribbean area during this period suggest that these rocks were derived from a mid-ocean ridge with an influence of deep mantle plume. The Siquisique Ophiolite most probably represents a fragment of the proto-Caribbean basin. The Integrated Ocean Drilling Program Expedition 344 drilled a transect across the convergent margin off Costa Rica. Two sites of this expedition were chosen for radiolarian biostratigraphy and palaeoceanographic studies. Both sites (U1381C and U1414A) are located in the incoming Cocos plate, in the eastern Equatorial Pacific. The succession of U1381C yields a Middle Miocene to Pleistocene age, and presents an important hiatus of approximately 10 Ma. The core of U1414A exposes a continuous sequence that deposited during Late Miocene to Pleistocene (radiolarian zones RN6-RN16). The ages were assigned based on radiolarians and correlated with nannofossil zonation and tephra 40Ar-39Ar datation. With those results, and considering the northward movement of the Cocos plate motion (about 7 cm/year), deduction is made that the sites U1381C and U1414A were initially deposited during the Miocene, several hundreds of kilometres from the current location, slightly south of the Equator. This suggests that the faunas of these sites have been subjected to different currents, first influenced by the cold tongue of the South Equatorial Current and followed by the warm Equatorial Countercurrent. At last, coastal upwelling influenced faunas of the Pleistocene. -- Les radiolaires sont considérés comme un outil utile à la biostratigraphie des terrains accrétés et des sédiments profonds. Leur utilité est aussi prouvée comme étant remarquable au niveau des reconstructions paléocéanographiques. La présente étude évalue l'importance et la présence des radiolaires de trois localités géologiquement différentes d'Amérique Centrale-Caraïbes, dans le but d'améliorer les model d'âges et de mieux comprendre la situation paléoenvironnementale à travers le temps. Dans le Bloque de Jarabacoa, au centre de la République Dominicaine, une section de cent mètres (section de Pedro Brand, Groupe de Tireo) a été datée comme faisant partie du Turonien-Santonien, en utilisant les radiolaires. Une datation 40Ar-39Ar sur roche totale de 75±1.1 Ma (Campanien) a été obtenu pour vin dyke traversant les sédiments riches en radiolaires, en cohérence avec l'âge minimum accordé à la section de Pedro Brand. Aux Caraïbes, le Bloque de Jarabacoa est considéré comme l'affleurement le plus complet présentant une succession de croûte océanique d'origine Pacifique recouverte d'une première phase d'activité volcanique de type CLIP (Caribbean Large Igneous Province) d'âge Aptien- Albien, de dépôts d'arc volcanique intra-océanique d'âge Cénomanien-Santonien, puis d'une seconde phase de type CLIP d'âge Campanien-Maastrichtien. Le Groupe de Tireo enregistre un épisode de dépôt pélagiques-hémipélagiques et d'arc volcanique, antérieur à la plus jeune phase de type CLIP. Cette étude place donc la formation de la section de Pedro Brand au moment du développement de l'arc intra-océanique. A Guaparo Creek (nord du Vénézuela), une section de radiolarite verdâtre faisant partie des ophiolites de Siquisique (basaltes, gabbros, cherts) a été étudiée. Dans des études précédentes, sur la localité de Petacas Creek, l'unité ophiolitique a été daté d'âge Bajocien- Bathonien (Jurassique) sur la base d'ammonites trouvées dans des sédiments intercalés entre des laves en coussins. Les nouvelles datations de notre étude, basées sur des assemblages à radiolaires de l'unité à basaltes-gabbros, donnent un âge Aptien?-Albien-Cénomanien (Crétacé moyen). Les âges de l'Ophiolite de Siquisique, précédement calculés par la méthode sur plagioclases, pourraient être légèrement plus jeune (94-90 Ma) et donc représenter des intrusions plus récentes de dykes dans le complexe filonien déjà bien dévelopé. La géochimie de ces roches magmatiques, ainsi que les reconstructions paléotectoniques de la zone Caraïbes durant cette période, suggèrent que ces formations sont dérivées d'une ride médio-océanique associée à l'influence d'un panache mantellique. L'ophiolite de Siquisique représente très probablement un fragment du bassin de proto¬Caraïbe. L'expédition 344 du programme IODP (Integrated Ocean Drilling Program) a eu lieu dans l'optique de forer et dresser une coupe de la marge convergente au large du Costa Rica. Deux sites de cette expédition ont été choisis pour les besoins des études de biostratigraphie et de reconstruction paléocéanographique. Ces deux sites (U1381C et U1414A) sont situés sur la plaque subductante de Cocos, dans la zone Pacifique est-équatoriale. La carotte U1381C expose une séquence s'étalant du Miocène moyen au Pléistocène, et présente un important hiatus d'environ 10 Ma. La carotte U1414A expose une séquence continue s'étalant du Miocène tardif au Pléistocène (zone à radiolaires RN6-RN16). Les âges ont été assignés sur la base des radiolaires et corrélés avec les zones à nanofossiles et les datations 40Ar-39Ar sur téphras. Avec ces résultats, et en considérant le mouvement nord de la plaque de Cocos (environ 7 cm/an), déduction est faite que les deux sites étaient initialement situés, au cours du Miocène, à plusieurs centaines de kilomètres de leur location actuelle, au sud de l'équateur. Cela suggère que les faunes de ces sites ont été sujettes à différents courants; premièrement influencées par la langue froide du SEC (South Equatorial Current), puis par les eaux chaudes du ECC (Equatorial Countercurrent). Pour terminer, les remontées d'eau côtières ont influencées les faunes Pléistocène.