Palaeoproterozoic crustal evolution in SW Fennoscandia, Baltic Sea region

ABSTRACT The Palaeoproterozoic crustal evolution of the Fennoscandian Shield involves significant crustal growth with a marked zonation from older rocks in the northeast to younger rocks in the southwest. Following the same pattern, the southwestern margin of the 1.96-1.86 Ga Svecofennian Domain is truncated by the 1.85-1.65 Ga Transscandinavian Igneous Belt (TIB). Both Svecofennian and TIB units are well exposed in southeastern Sweden, but the knowledge about their distribution in the Baltic Sea area has been limited due to a thick (up to 2.5 km) Phanerozoic sedimentary cover and sea water. Petrological, geochemical and geochronological data reported in this dissertation have shown that the evolution of the Palaeoproterozoic crust can be presented as a sequence of younging belts from the central part of the Baltic Sea (northern Gotland) towards northern Poland: 1. Svecofennian metasedimentary rocks form the northern part of Gotland. Detrital zircons from these rocks record three age populations: 2.11-1.96, 2.95-2.63 and 3.29 Ga, which indicate pre-Svecofennian sources. A Svecofennian amphibolite-granitoid complex on central Gotland consists of 1.90-1.88 Ga orthogneisses and amphibolites with a volcanic island arc affinity. The central Gotland complex can be correlated with southern Bergslagen in the Fennoscandian Shield and has been identified in an offshore drill hole NW of Liepaja, but appears to be absent in the coastlands of SW Latvia and Lithuania. 2. A km-thick sequence of ca. 1.87 Ga fluvial, tidal and turbiditic quartz-dominated metasedimentary rocks in the Västervik area along the Svecofennian margin is intercalated with mafic metavolcanic rocks with within-plate basalt affinity. 3. A 1.85 Ga rifted marine volcanic arc was identified within the Vetlanda-Oskarshamn belt and was shown to be contemporaneous with the continental margin TIB 0 granitoids and granitoids of the Mid-Lithuanian domain. 4. After the accretion of the volcanic arc to the Svecofennian margin, three generations of continental margin granitoids (TIB 1 a-c) were emplaced. The 1.81-1.79 Ga TIB 1a granitoids intruded into the Svecofennian crust and TIB 0 granitoids, while the 1.79-1.77 Ga TIB 1b granitoids intruded into the Vetlanda-Oskarshamn belt and the TIB 1a granitoids. Finally, the 1.77-1.75 Ga TIB 1c granitoids intruded into the TIB 1b granitoids. Thus, the continental margin moved stepwise southwards from the central to southern parts of the Baltic Sea region. 5. Later evolution of the Proterozoic crust in the Baltic Sea region includes the intrusion of ca. 1.5 Ga plutons observed on southern Gotland and Öland related to the Danopolonian orogenic event. KEYWORDS: Precambrian, Svecofennian Domain, Transscandinavian Igneous Belt, TIB, Baltic Sea, Fröderyd Group, Vetlanda-Oskarshamn belt, geochemistry, U-Pb, zirconTIIVISTELMÄ Fennoskandian kilven paleoproterotsooiseen evoluutioon liittyy merkittävä kuoren kasvu vanhemmasta koillisosasta nuorempaan lounaisosaan. Svekofennistä 1,96–1,86 miljardia vuotta vanhaa aluetta luoteisosassa leikkaavassa Transskandinaavisessa 1,85–1,65 miljardia vuotta vanhassa magmaattiseessa vyöhykkeessä (TIB) on samankaltainen kehitys. Kummatkin, Svekofenninen ja TIB ovat hyvin paljastuneita Kaakkois-Ruotsissa, mutta niiden laajuuden arviointi on rajallista Itämeren alueella, pohjalla olevien fanerotsooisten paksujen sedimentti kerrosten (jopa 2,5 km) ja meriveden takia. Tämän tutkimuksen petrologinen, geokemiallinen ja geokronologinen aineisto osoittaa, että paleoproterotsooinen kuoren kehitys voidaan esittää sarjana nuorenevia vyöhykkeitä, Itämeren keskiosasta (Pohjois-Gotlanti), kohti Pohjois-Puolaa. 1. Svekofenniset metasedimentit muodostavat Gotlannin pohjoisosan kallioperän. Metasedimenttikivien detritaaliset zirkonit edustavat kolmea ikäpopulaatiota: 2,11–1,96 miljardia vuotta vanha, 2,95–2,63 miljardia vuotta vanha ja 3,29 miljardia vuotta vanha, jotka viittaavat Svekofennistä vanhempiin lähteisiin. Svekofenninen amfiboliitti-granitoidi kompleksi Keski-Gotlannissa koostuu 1,90-1,88 miljardia vuotta vanhoista ortogneisseistä ja amfiboliiteista, jotka ovat koostumukseltaan saarikaari-tyyppisiä. Keski-Gotlannin kompleksi voidaan korreloida Eteläiseen-Bergslagenin alueeseen, Fennoskandian kilvellä ja on tunnistettu avomerellä sijaitsevasta, Liepajasta luoteeseen sijaitsevasta kairareiästä. Lounais-Latvian ja -Liettuan rannikolta Keski-Gotlannin kompleksi kuitenkin puuttuu. 2. Västerviikissä Svekofennisen reunalla sijaitseva kilometrin paksuinen sarja (n. 1,87 miljardia vuotta vanha) metamorfisia kvartsi-rikkaita joki- tulva- ja turbidiittii-sedimenttikiviä, jotka sijaitsevat koostumukseltaan laatansisäisten mafisten metavulkaniittien välissä. 3. 1,85 miljardia vuotta sitten revennyt merellinen vulkaaninen kaari on havaittu Vetlanda-Oskarshamn vyöhykkeellä ja on yhtenevä iältään mannerreunan TIB granitoiden ja Keski-Liettuan vyöhykkeen granitoidien kanssa. 4. Vulkaanisten kaarien kasautumisen jälkeen Svekofenniseen mannerreunaan asettui kolme eri ikäryhmää granitoideja (TIB 1 a-c). 1,81–1,79 miljardia vuotta sitten TIB 1a granitoidit asettuivat Svekofenniseen kuoreen ja TIB 0 granitoideihin, samaan aikaan 1,79–1,77 miljardia vuotta sitten TIB 1b granitoidit asettuivat leikaavaan Vetlanda-Oskarshamn vyöhykkeeseen. Viimeisenä, 1,77–1,75 miljardia vuotta sitten TIB 1c granitoidit asettuivat TIB 1b granitoideihin. Esitetyn kehityksen takia, mannerreuna on vaiheittain liikkunut etelämmäksi Itämeren keskiosasta. 5. Itämeren alueella proterotsooisen kuoren myöhempään evoluutioon luetaan Etelä-Gotlannissa ja Öölannissa sijaitsevat 1,5 miljardia vuotta vanhat intruusiot, jotka ovat osa Danopolonian vuorenmuodotusta. ASIASANAT: Prekambri, Svekofennia, Transskandinaavinen magmaattinen vyöhyke, TIB, Itämeri, Fröderyd ryhmä, Vetlanda-Oskarshamn vyöhyke, geokemia, U-Pb, zirkoniАННОТАЦИЯ История развития Фенноскандинавского щита в палеопротерозое включает значительный период роста континентальной коры, характерной особенностью которого является ее «омоложение» с северо-востока на юго-запад. Подобная тенденция прослеживается в ходе образования Трансскандинавского магматического пояса (далее ТМП; 1.85-1.65 млрд лет), внедрившегося в юго-восточную окраину Свекофеннского домена (1.96-1.86 млрд лет). Обе структуры хорошо обнаженны в юго-восточной Швеции, при этом в центральной части Балтийского моря перекрыты фанерозойскими отложениями Русской плиты, что затрудняет оценку области их распространения. Петрологические, геохимические и геохронологические данные, представленные в работе демонстрируют, что формирование палеопротерозойской континентальной коры региона связано с развитием последовательно сменяющихся поясов (более древних в центральной части Балтийского моря (о. Готланд) к более молодым в районе северной Польши): 1. Свекофеннские метаосадочные породы слагают северную часть о. Готланд. В спектре распределения возрастов детритовых цирконов из этих пород выделяются три популяции: 2.11-1.96, 2.95-2.63 и 3.29 млрд лет, что указывает на досвекофенские источники сноса. Свекофеннский амфиболит-гранитоидный комплекс в центральной части о. Готланд представлен ортогнейсами с возрастом 1.90-1.88 млрд лет и амфиболитами близкими по составу к базальтам вулканических дуг. Данный комплекс коррелируется с провинцией Бергслаген Фенноскандинавского щита. Схожие породы были вскрыты морской скважиной к северо-западу от Лиепаи, однако они не были обнаружены в юго-западной Латвии и Литве. 2. Терригенные метаосадочные породы преимущественно кварцевого состава в районе Вестервик образовались около 1.87 млрд лет назад вдоль Свекофенской окраины. переслаиваются с внутриплитными мафическими метавулканитами. 3. Океаническая вулканическая дуга с возрастом 1.85 млрд лет была идентифицирована в районе пояса Ветланда-Оскарсхамн. Образование которой происходило одновременно с внедрением гранитоидов ТМП 0 и гранитоидов Средне-Литовского домена в пределах континентальной окраины. 4. Аккреция вулканической дуги к Свекофеннской окраине сменилась последовательным внедрением трех типов гранитоидов в области активной континентальной окраины (1a, 1b и 1c). Тип 1а (1.81-1.79 млрд лет) внедрялся в Свекофеннскую континентальную кору и гранитоиды ТМП 0. Тип 1b (1.79-1.77 млрд лет) внедрялся в породы пояса Ветланда-Оскарсхамн и 1а гранитоиды. Тип 1с (1.77-1.75 млрд лет) внедрялся в 1b гранитоиды. Таким образом, континентальная окраина постепенно переместилась от центральной к южной части современного Балтийского моря. 5. Дальнейшее развитие протерозойской континентальной коры в районе Балтийского моря заключается во внедрении плутонов с возрастом около 1.5 млрд лет, обнаруженных на юге о. Готланд и о. Эланд. Интрузивный магматизм данного этапа связан с Данополонской орогенией. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Докембрий, Свекофеннский домен, Трансскандинавский магматический пояс, Балтийское море, группа Фрёдерюд, пояс Ветланда-Оскарсхамн, геохимия, уран-свинцовый метод, цирко

Tracing the SW border of the Svecofennian Domain in the Baltic Sea region: evidence from petrology and geochronology from a granodioritic migmatite

Geological investigations of a part of the crystalline basement in the Baltic Sea have been performed on a drill core collected from the depth of 1092-1093 m beneath the Phanerozoic sedimentary cover offshore the Latvian/Lithuanian border. The sample was analyzed for geochemistry and dated with the SIMS U-Pb zircon method. Inherited zircon cores from this migmatized granodioritic orthogneiss have an age of 1854 +/- 15 Ma. Its chemical composition and age are correlated with the oldest generation of granitoids of the Transscandinavian Igneous Belt (TIB), which occur along the southwestern margin of the Svecofennian Domain in the Fennoscandian Shield and beneath the Phanerozoic sedimentary cover on southern Gotland and in northwestern Lithuania. It is suggested that the southwestern border of the Svecofennian Domain is located at a short distance to the SW of the investigated drill site. The majority of the zircon population shows that migmatization occurred at 1812 +/- 5 Ma, with possible evidence of disturbance during the Sveconorwegian orogeny

4th Finnish National Colloquium of Geosciences Turku, 14–15 March 2018: Abstract Book

The Transscandinavian Igneous Belt (TIB) is a major magmatic complex along the western margin of the Svecofennian Domain in the Fennoscandian Shield in which several granitoid generations (TIB 0, TIB 1, TIB 2 and TIB 3) have been recognized (Larson & Berglund 1992). Recent studies have also identified the presence of the 1.77–1.81 Ga TIB 1 generation at several drill sites below the Phanerozoic sedimentary cover in the Baltic Sea region: Kvarne on southernmost Gotland (Sundblad et al. 2003), Böda Hamn and Valsnäs on northern and central Öland, respectively (Salin et al. 2018), as well as E-7, offshore on the Latvian/ Lithuanian border (Salin et al. 2016). In this study, we report U–Pb zircon ages from the Precambrian basement in the Baltic Sea region at two more sites: percussion drilling material from Frigsarve (southern Gotland) and drill core D1-1 from the Lithuanian offshore region. Zircons from Frigsarve yielded a LA-ICP-MS age of 1845 ± 4 Ma, which is comparable with the age of the TIB 0 generation in southeastern Sweden. According to crystal morphology and SIMS ages, the zircons from the D1-1 drill core belong to two generations. The larger zircon grains have an age of 1792 ± 8 Ma, which is similar to the TIB 1 generation. The smaller zircon grains are 1744 ± 7 Ma old and are interpreted to record a later 1.73–.68 Ga high-grade metamorphic event, which is widespread in Western Lithuania (Skridlaite et al. 2014). In conclusion, all data from previous and current studies show that the Transscandinavian Igneous Belt extends over vast areas in the Baltic Sea region, from Öand and southern Gotland to the offshore regions of Latvia and Lithuania.</p