Paleogene continental strata of the western North America–Caribbean transform, Guatemala: Depositional setting, provenance, and tectonic evolution

ABSTRACT

Lithofacies analysis, conglomerate clast counts, sandstone petrography, detrital zircon U-Pb geochronology, and paleogeographic reconstructions of red bed units neighboring the left-lateral Caribbean–North America plate boundary in Guatemala allowed the recognition of two distinct Paleogene clastic depocenters. We propose that the red beds adjacent to but north of the current plate boundary were formed in a pull-apart basin produced by strike-slip fault steps. This depocenter was filled with low-energy sediment in the Eocene (Chanchán Formation) and with continental strata including alluvial fans and fluvial beds in the Oligocene (Subinal Formation). In contrast, approximately correlative but compositionally different red beds that crop out south of the plate boundary, which we term Esquipulas formation, were deposited in a separate intermontane basin that originally lay well to the west of the Subinal depocenter, adjacent to Oaxaca, Mexico. The best-known exposure of the Subinal Formation (Atlantic Highway CA-9) consists of meter-scale lenticular conglomerate bodies andlateral accretion bars interbedded with floodplain fines and crevasse-splay deposits. The conglomerates show crude cross-stratification and erosional bases. The sand bodies are composed of coarse- to fine-grained sandstones with lenticular geometry, which accreted vertically and laterally. The floodplain deposits are rich in pedogenic features. The identified lithofacies are interpreted to have been produced by an axial river with variable sinuosity. Clast counts of Subinal Formation conglomerates reveal their polymictic character. Detrital zircon-core U-Pb geochronology of five Subinal sandstone samples shows the predominance of ca. 1075–925 Ma ages, a ubiquitous age group in the geologic record of Mexico and Central America. More indicative of provenance are age groups ranging ca. 285–235 Ma and ca. 130–80 Ma. The former is related to the Permian–Triassic Chiapas Massif and to gneisses of the Chuacús Complex, which occur north and northwest of the Subinal basin. The Cretaceous age group is related to relic arc and forearc deposits of the eastward-migrating Great Caribbean arc, which collided with North America in the Campanian–Maastrichtian. The youngest zircon grains in the Subinal Formation have ages of 55 Ma, 51 Ma, and 32 Ma, implying a late Paleogene—possibly Oligocene—maximum depositional age. Stratigraphic relations and the age of previously dated clasts in the Esquipulas formation bracket its deposition between the late Eocene and the middle Oligocene. Conglomerate clast counts of the unit reveal its oligomictic character; most conglomerates are dominated by volcanic clasts, which are interpreted as derived from the volcanic arc active in southern Mexico during the Paleogene. Clasts from the underlying basement are present but minor. The opening of the Subinal pull-apart basin was roughly contemporaneous with the opening of the Cayman Trough. We propose that the northern boundary fault of the Subinal pull-apart basin was the San Agustín fault, which was connected to the southern boundary fault system of the Cayman Trough, the Swan fracture zone. The active Motagua (Cabañas) fault has truncated the Subinal basin, implying a post–early Oligocene age of inception for this fault. Displacement along this or similar faults during Oligocene to recent time fortuitously juxtaposed the Subinal and Esquipulas basins.

RESUMEN

Se realizó el análisis de litofacies, conteo de clastos de conglomerado, petrografía de areniscas, geocronología U-Pb de circones detríticos y la reconstrucción paleogeográfica de las unidades de capas rojas que yacen cercanas al límite lateral izquierdo entre las placas Caribe y Norteamérica en Guatemala. El estudio permitió reconocer dos depocentros clásticos del Paleógeno. Proponemos que las capas rojas adyacentes y al norte del actual límite de placa se depositaron en una cuenca de tipo pull-apart producida por saltos en las fallas de desplazamiento de rumbo. Este depocentro se rellenó con sedimentos de baja energía durante el Eoceno (Formación Chanchán) y con estratos continentales, incluyendo abanicos aluviales y depósitos fluviales durante el Oligoceno (Formación Subinal). En contraste, un conjunto de capas rojas que son aproximadamente correlacionables, pero que tienen composición diferente, aflora al sur del límite de placas. A esta unidad la denominamos aquí Formación Esquipulas. Esta formación se depositó en una cuenca intramontana que originalmente estaba ubicada al oeste del depocentro Subinal, adyacente a Oaxaca, México. La exposición más conocida de la Formación Subinal (Carretera al Atlántico CA-9) consiste en cuerpos conglomeráticos lenticulares de escala métrica, barras de acreción lateral intercaladas con depósitos de llanura de inundación y depósitos de desborde. Los conglomerados muestran estratificación cruzada incipiente y bases erosivas. Los cuerpos arenosos están compuestos de areniscas de grano grueso a fino con geometría lenticular que se acrecionaron vertical y lateralmente. Los depósitos de llanura de inundación muestran rasgos pedogénicos. Las litofacies identificadas se interpretan como producidas por un río axial de sinuosidad variable. El conteo de clastos en los conglomerados de la Formación Subinal revela su carácter polimíctico. La geocronología U-Pb de núcleos de circón detrítico en cinco muestras de arenisca de la Formación Subinal muestra predominancia de edades de ca. 1075–925 Ma, un rango muy común en el registro geológico de México y Centroamérica. Más informativos en términos del origen son los grupos de edades cuyo rango va entre ca. 285–235 Ma y ca. 130–80 Ma. El primer grupo se correlaciona con el Macizo de Chiapas del Pérmico–Triásico y con los gneises del Complejo Chuacús, los cuales afloran al norte y noroeste de la cuenca Subinal. El grupo de edades cretácicas se correlaciona con los relictos de arco y antearco del Gran Arco del Caribe, el cual migró al este y colisionó con Norteamérica durante el Campaniano–Maastrichtiano. Los granos de circón más jóvenes en la Formación Subinal tienen edades de 55 Ma, 51 Ma y 32 Ma, lo cual implica una edad máxima de depósito del Paleógeno tardío, posiblemente Oligoceno. Las relaciones estratigráficas y la edad de clastos previamente datados en la Formación Esquipulas sitúan su depósito entre el Eoceno tardío y el Oligoceno medio. Los conteos de clastos de conglomerados de la unidad revelan su carácter oligomíctico; la mayoría de los conglomerados están dominados por clastos volcánicos, los cuales se interpretan como derivados del arco volcánico que estuvo activo en el sur de México durante el Paleógeno. Los clastos del basamento subyacente están presentes, pero son minoritarios. La apertura de la cuenca pull-apart Subinal fue aproximadamente contemporánea con la apertura de la fosa de Caimán. Proponemos que la estructura que limitó al norte la cuenca Subinal haya sido la falla San Agustín, la cual se conectaba con el sistema de fallas Swan que servía como límite sur de la fosa de Caimán. La falla activa Motagua (Cabañas) truncó la cuenca Subinal. Ello implica que esta falla inició su movimiento posterior al Oligoceno temprano. Se concluye que el desplazamiento a lo largo de esta falla y otras asociadas durante el Oligoceno–reciente yuxtapuso fortuitamente las cuencas Subinal y Esquipulas.