Archaean crustal evolution in eastern Finland : New geochronological and geochemical constraints from the Kuhmo terrain and the Nurmes belt

This thesis summarises the results of four original papers concerning U-Pb geochronology and geochemical evolution of Archaean rocks from the Kuhmo terrain and the Nurmes belt, eastern Finland. The study area belongs to a typical Archaean granite-greenstone terrain, composed of metavolcanic and metasedimentary rocks in generally N-S trending greenstone belts as well as a granitoid-gneiss complex with intervening gneissic and migmatised supracrustal and plutonic rocks. U-Pb data on migmatite mesosomes indicate that the crust surrounding the Tipasjärvi-Kuhmo-Suomussalmi greenstone belt is of varying age. The oldest protolith detected for a migmatite mesosome from the granitoid-gneiss complex is 2.94 Ga, whereas the other dated migmatites protoliths have ages of 2.84 2.79 Ga. The latter protoliths are syngenetic with the majority of volcanic rocks in the adjacent Tipasjärvi-Kuhmo-Suomussalmi greenstone belt. This suggests that the genesis of some of the volcanic rocks within the greenstone belt and surrounding migmatite protoliths could be linked. Metamorphic zircon overgrowths with ages of 2.84 2.81 Ga were also obtained. The non-migmatised plutonic rocks in the Kuhmo terrain and in the Nurmes belt record secular geochemical evolution, typical of Archaean cratons. The studied tonalitic rocks have ages of 2.83 2.75 Ga and they have geochemical characteristics similar to low-Al and high-Al TTD (tonalite-trondhjemite-dacite). The granodiorites, diorites, and gabbros with high Mg/Fe and LILE-enriched characteristics were mostly emplaced between 2.74 2.70 Ga and they exhibit geochemical characteristics typical of Archaean sanukitoid suites. The latest identified plutonic episode took place at 2.70 2.68 Ga, when compositionally heterogeneous leucocratic granitoid rocks, with a variable crustal component, were emplaced. U-Pb data on migmatite leucosomes suggest that leucosome generation may have been coeval with this latest plutonic event. On the basis of available U-Pb and Sm-Nd isotopic data it appears that the plutonic rocks of the Kuhmo terrain and the Nurmes belt do not contain any significant input from Palaeoarchaean sources. A characteristic feature of the Nurmes belt is the presence of migmatised paragneisses, locally preserving primary edimentary structures, with sporadic amphibolite intercalations. U-Pb studies on zircons indicate that the precursors of the Nurmes paragneisses were graywackes that were deposited between 2.71 Ga and 2.69 Ga and that they had a prominent 2.75 2.70 Ga source. Nd isotopic and whole-rock geochemical data for the intercalated amphibolites imply MORB sources. U-Pb data on zircons from the plutonic rocks and paragneisses reveal that metamorphic zircon growth took place at 2.72 2.63 Ga. This was the last tectonothermal event related to cratonisation of the Archaean crust of eastern Finland.Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu Kuhmon alueen ja Nurmeksen vyöhykkeen arkeeisten granitoidien, migmatiittien ja gneissien ikää sekä alkuperää geokemiallisin ja isotooppigeokemiallisin menetelmin. Iänmääritykseen käytettiin U-Pb -isotooppeihin pohjautuvaa sekundääri-ionimassaspektrometriaa yksittäisten zirkonikiteiden osista sekä perinteistä termiseen ionisaatioon perustuvaa U-Pb -isotooppianalytiikkaa zirkoni- ja titaniittiraepopulaatioille. Kivilajien karakterisoinnissa käytetiin lisäksi kokokivigeokemiaa sekä Sm-Nd -isotooppianalytikkaa. U-Pb -isotooppianalytiikka paljasti, että osa zirkonikiteistä, jotka ajoitettiin migmatiitin mesosomista Kuhmon vihreäkivivyöhykkeen itäpuolelta, ovat 2.94 miljardia vuotta vanhoja. Kiteiden tulkittiin edustavan kiven magmaattista ikää. Kolmen muun alueelta otetun migmatiittinäytteen mesosomien zirkoneista saatiin pääosin 2.79 - 2.84 miljardia vuotta vanhoja ikiä. Jälkimmäiset iät vastaavat erästä vulkaanista vaihetta viereiseltä Tipasjärvi-Kuhmo-Suomussalmi -vihreäkivivyöhykkeeltä. Tämän seurauksena on mahdollista, että joillakin vihreäkivivyöhykkeen kivillä ja sitä ympäröivillä kivillä on geneettinen yhteys. Tutkimusalueen kivistä saadut uudet U-Pb -iänmääritykset yhdessä aiempien iänmääritysten ja uuden geokemiallisen datan kanssa vahvistivat käsitystä, että syväkivien geokemiallinen kehitys on sidoksissa ikään. Vanhimmat tunnetut tutkimusalueen ei-migmatiittiset kivet ovat tonaliitteja, joiden ikä vaihtelee 2.83 - 2.75 miljardin vuoden välillä. Noin 2.74 miljardia vuotta vanhoissa ja osassa sen jälkeen syntyneissä syväkivissä havaitaan arkeeisille sanukitoidi-sarjan kiville tyypillinen geokemiallinen luonne. Myöhäisimmät tunnetut arkeeiset syväkivet ovat pääosin leukokraattisia graniitteja ja granodioriitteja. Niiden syntymisen päävaihe on ajoitettu 2.70 ja 2.68 miljardin vuoden välille. Migmatiittien leukosomeista havaittiin myös samanikäisiä zirkonikiteitä. Sm-Nd -isotooppien perusteella tutkimusalueen tonaliitit ovat verrattain juveniilia materiaalia, kun taas valtaosa myöhäisistä leukokraattisista granodioriiteista ja -graniiteista vaikuttaisi olevan peräisin pääosin aiemmin syntyneestä maankuoresta. Nurmeksen vyöhykkeelle ominainen piirre on sedimentäärisperäisten gneissien, eli paragneissien yleisyys. U-Pb -isotooppianalytiikan perusteella paragneissien lähtökivilaji on pääosin peräisin noin 2.70 - 2.75 miljardia vuotta vanhasta materiaalista. Ottaen huomioon analyyttiset virherajat, sedimenttikiven kerrostuminen on tapahtunut noin 2.69 ja 2.71 miljardia vuotta sitten. Myöhäisin tunnettu tektonoterminen vaihe alueen arkeeisen kuoren kehityksessä on kivien metamorfoosi, joka tutkimusalueelta analysoitujen näytteiden perusteella on 2.72 - 2.63 miljardia vuotta vanhaa

Constraints over the age of magmatism and subsequent deformation for the Neoarchean Kukkola Gneiss Complex, northern Fennoscandia

The Archean crust in northern Fennoscandia preserves a fragmentary geological record, making direct correlation among Archean domains challenging. This study presents two new zircon U-Pb age determinations from the Archean Kukkola Gneiss Complex (KGC) that straddles the border between Finland and Sweden. The results indicate that crystallization of tonalites within the magmatic core of the complex occurred at 2711 +/- 8 Ma, somewhat earlier than previously considered. A new pulse of magmatism occurred at 2675 +/- 10 Ma as demonstrated by hornblende-tonalites cutting the 2.71 Ga rocks. The results further indicate that the first deformation event responsible for development of penetrative foliations occurred after the first magmatic event at 2.71 Ga and prior to the subsequent tectonothermal event at 2.68 Ga. These findings are in concert with the known major periods of magmatism (2.8-2.7 Ga) and deformation (2.7 Ga) within better-known Archean domains in northern Fennoscandia, and hence support their correlation with KGC. Three complementary age determinations on the Haparanda-suite granites and tonalites were conducted: the results indicate crystallization ages of 1.90-1.89 Ga, overlapping with the known age range of the suite and supporting its predominance over the 1.8 Ga Lina suite granites in the Tornio-Haparanda area

K-Ar illite age constraints on the Proterozoic formation and reactivation history of a brittle fault in Fennoscandia

K-Ar ages of authigenic illite from two drill-core gouge samples of a fault in the Palaeoproterozoic basement of Finland record two distinct faulting events. The older sample yields apparent ages from 1240 ± 26 to 1006 ± 21 Ma for four grain size fractions between 6 and <0.1 μm. The second sample is structurally younger and yields statistically distinct ages ranging from 978 ± 20 to 886 ± 18 Ma. We interpret the ages of the <0.1 m fractions, which are the youngest, as representing the actual time of faulting. XRD analysis and age modelling exclude significant age contamination of the finest dated fractions with inherited host rock components. These results provide therefore an example of meaningful isotopic dating of illite-type clay material formed during Precambrian faulting, demonstrate and constrain fault reactivation and give evidence for brittle Sveconorwegian Mesoproterozoic shortening and Neoproterozoic extension in Fennoscandia. © 2013 Blackwell Publishing Ltd

The tectonomagmatic significance of Neoarchaean variably alkali-enriched gabbro and diorite intrusions of the western Karelia Province

Table detailing oxygen-isotope analyses from this study