Apatite and zircon (U-Th)/He constraints on the exhumation history of Puerto Rico

Abstract

The island of Puerto Rico preserves a complex volcanic arc history. Paleogeographic reconstructions of Puerto Rico during the evolution of island arc magmatism have been illustrated in diverse models as a combination of complex multistage volcanism, eustatic fluctuations and tectonic changes across the three main igneous provinces; southwest, central and northeast. However, the timing of their accretion, the temporal and thermal interaction of the three igneous provinces, and the upper crustal response to paleo-stress fields produced by subduction and collision during the Late Eocene to Early Miocene are not well constrained. In order to better understand and constrain these fundamental processes this research employs an (U-Th)/He low temperature thermochronometric approach using accessory minerals like zircon and apatite from different plutonic bodies strategically located along the three igneous provinces of Puerto Rico and also from neighboring islands. (U-Th)/He zircon data suggest that the earliest major exhumation phase started during the Early Eocene in southwestern Puerto Rico at ~55 Ma and at ~49 Ma in the northern and central section of Puerto Rico. This exhumation phase may be recording the collision of the Caribbean plate with the Bahamas Bank. A smaller thermal signature is recorded by zircon at ~41 Ma during the Middle Eocene and was identified on both the east and the west sides of the island where exhumation reached maximum rates. During the Middle Eocene exhumation, cooling ages are progressively younger to the south. This suggests that the paleo-north section of the island experienced faster cooling and similar exhumation rates due to the proximity to the northern collisional arc boundary. Calculated exhumation rates vary by location and time. Assuming a typical geothermal gradient (20°C/km) calculated exhumation rates range from 0.34-0.15 km/Myr. Islands east of Puerto Rico (Culebra, Vieques and the British Virgin Islands) record apatite cooling ages of ~20 Ma (Early Miocene), younger than most apatite He ages in Puerto Rico. These younger cooling ages may be explained by either the final stages of arc magmatism in the eastern Greater Antilles, or alternatively, an early episode of rifting by right-lateral transtension in the Virgin Islands platform. These findings provide new insights on post volcanic tectono-thermal events marked by the Eocene collision of the Caribbean plate with the Bahamas Bank, the eastward migration of volcanism, later island structural arrangements and the onset of the Muertos Trough southern subduction zone.

La isla de Puerto Rico preserva una compleja historia de arco volcánico. Las reconstrucciones paleogeográficas de Puerto Rico durante la evolución del arco de isla han sido ilustradas en diversos modelos, como una combinación de múltiples etapas volcánicas, fluctuaciones eustáticas y cambios tectónicos ocurridos a través de las tres principales provincias ígneas; suroeste, centro y noreste de la isla. Sin embargo, el tiempo de acresión, la interacción temporal y termal de estas provincias y la respuesta de la corteza superior al paleo-estrés producido por la subducción y colisión durante el Eoceno Tardío al Mioceno Temprano no han sido bien determinadas. Para poder entender y delimitar estos procesos, este proyecto presenta un nuevo enfoque utilizando minerales accesorios como el zircón y la apatita provenientes de los distintos cuerpos plutónicos que se encuentran estratégicamente localizados a lo largo de las tres provincias ígneas. La data obtenida por el método de (U-Th)/He en cristales de zircón sugiere que el primer episodio de exhumación comenzó en el suroeste de Puerto Rico durante el Eoceno Temprano hace ~55 millones de años y hace ~49 millones de años en la sección norte y central. Esta fase de exhumación pudiera estar grabando la collisión de la placa del Caribe y el Banco de las Bahamas. Una señal más pequeña fue grabada en el zircon durante el Eoceno Medio y fue identificado en ambos extremos de la isla (este y oeste) donde la exhumación alcanzó su razón máxima cerca de los ~41 millones de años. Durante el Eoceno Medio, las edades de exhumación por enfriamiento son más jóvenes hacia el sur de la isla. Esto sugiere que la región paleo-norte de Puerto Rico experimentó rápido enfriamiento y razones similares de exhumación como resultado a la proximidad a la collisión al norte de la isla. La razón de exhumación varían por localidad y tiempo. Asumiendo un gradiente geotérmico de (20°C/km) se obtuvieron rangos de exhumación de 0.34-0.15 km/Myr. Las islas al este de Puerto Rico (Culebra, Vieques y las Islas Vírgenes Británicas) grabaron edades de ~20 millones de años (Mioceno Temprano) más jóvenes que muchas de las edades de apatite en Puerto Rico. Estas edades más jovenes de enfriamiento pueden ser explicadas por etapas finales de arco magmático en el este de las Antillas Mayores ó por un episodio temprano de “rifting” por transtensión en la plataforma de las Islas Vírgenes. Estos descubrimientos proveen un nuevo ángulo en los eventos volcánicos y tectónico-termales ocasionados por la collisión de la Placa del Caribe con el Banco de las Bahamas durante el Eoceno,la migración del volcanismo hacia el este y los cambios estructurales de la isla y el comienzo de la subducción al sur de la isla en Caja de Muertos.