Isotopic evidence for the origin of Proterozoic massif-type anorthosites and their relation to rapakivi granites in southern Finland and northern Brazil

Abstract

The purpose of this study was to apply novel isotopic methods to shed light on the petrogenesis and magmatic evolution of Proterozoic massif-type anorthosites and related rapakivi granites in southern Finland and northern Brazil. Representative rock types from two AMCG (Anorthosite-Mangerite-Charnockite-Granite) complexes of similar age and composition, the 1640 Ma Ahvenisto complex and the 1530 Ma Mucajaí complex, were studied. Zircon U Pb ages from 1642 Ma to 1636 Ma in the Ahvenisto complex and from 1527 Ma to 1519 Ma in the Mucajaí complex were measured. All major rock types (anorthositic and gabbroic rocks, granites, monzodiorites) have overlapping ages. Only the most evolved granitic rocks in both suites are marginally younger than the rest of the rock types. The whole-rock (ID-TIMS) εNd isotope values obtained for all rock-types in both complexes range from +0.4 to 2.1 (at 1640 Ma) in Ahvenisto and 1.9 to 2.8 (at 1525 Ma) in Mucajaí. Zircon Lu Hf isotopes of the Finnish rapakivi suite rocks revealed a depleted mantle signature (initial εHf values up to +9 at ~1640 Ma) in the most primitive rock types, that was not detected in the Repartimento anorthosite of the Mucajaí complex. Rapakivi granites from both study areas displayed homogeneous Hf isotope compositions (~±2 ε units at 2SD) with average εHf values from +1.0 to 0.1 at ~1640 Ma and +0.1 to 2.2 at 1540 Ma in the Finnish suite and from 2.0 to 3.1 at 1525 Ma in the Mucajaí complex. Zircon oxygen isotope studies in both study areas produced relatively low δ18O value estimates for the primary magmas of the anorthositic rocks (δ18Ozir from 5.5 to 7.5 in Ahvenisto and ~6.5 in Mucajaí) and somewhat higher values for the rapakivi granites (~8.0 in Ahvenisto and from 6.0 to 7.5 in Mucajaí). The lowest δ18Ozir values were observed in the Ahvenisto leucotroctolite (δ18Ozir from 5.4 to 7.0 ), which also had the highest initial εHf values (+0.3 to +5.2 at 1640 Ma) within the Ahvenisto complex. This correlation was taken as evidence of a depleted mantle source component in the Finnish AMCG suite, even though most of them display crustal isotope signatures (δ18Ozir from 6.3 to 7.8 ; εHf from 1.5 to +5.1; 1640 Ma). The somewhat higher δ18Ozir values observed in the rapakivi granites from both complexes combined with the Hf isotope results suggest they were derived from crustal sources.Tässä työssä tutkittiin Etelä-Suomesta tunnettujen n. 1600 miljoonaa vuotta vanhojen rapakivigraniittien ja anortosiittien geokemiallisia koostumuksia ja vertailtiin niitä Pohjois-Brasiliasta, syvältä Amazonin sademetsästä, löydettyjen samanlaisten kivien koostumuksiin. Molemmilla alueilla tutkittujen kivien koostumukset todettiin hyvin samankaltaisiksi ja seurueet miltei samanikäisiksi keskenään. Suomalaiset rapakivigraniitit ja niihin kiinteästi liittyvät tummat, anortosiittiset, kivilajit ovat olleet petrologisten tutkimusten kohteena jo 1800-luvun lopulta lähtien. Nykyään rapakiviä tunnetaan kaikilta mantereilta ja niiden syntymekanismeja tutkitaan aktiivisesti ympäri maailman. Uraani-lyijy -iänmääritysmenetelmän perusteella rapakivigraniitit ja anortosiitit ovat saman ikäisiä keskenään molemmilla tutkimusalueilla, Mäntyharjulla sijaitsevassa Ahveniston rapakivikompleksissa ja Pohjois-Brasiliassa, Mucajaín rapakivikompleksissa. Ahveniston kivien iäksi määritettiin n. 1640 ja Mucajaín n. 1525 miljoonaa vuotta. Nuorimmat Lounais-Suomesta tunnetut rapakiviesiintymät ovat saman ikäisiä kuin Mucajaí-kompleksi. Aiemmin kokokivinäytteistä tehtyjen neodyymi- ja strontium-isotooppimittausten perusteella on saatu viitteitä siitä, että Etelä-Suomen anortosiittiset kivilajit olisivat peräisin maapallon vaipasta ja että samaan aikaan syntyneet rapakivigraniitit edustaisivat maapallon kuorikerroksen osittaisia kivisulia. Tässä tutkimuksessa vertailtujen Ahveniston ja Mucajaín kivilajien neodyymi-isotooppikoostumusten havaittiin paitsi tukevan tätä olettamusta myös olevan keskenään hyvin samankaltaiset. Lisäksi kivilajien tutkimukseen sovellettiin uutta menetelmää, joka hyödyntää yksittäisistä zirkoni-mineraalin kiteistä tehtyjä hafnium- ja happi-isotooppimittauksia. Näiden menetelmien avulla saatiin yksityiskohtaisempaa tietoa graniitit ja anortosiitit synnyttäneiden kivisulien kehityksestä ja voitiin vahvistaa kokokivinäytteistä mitatut tulokset. Seurueiden samankaltaisuus tukee myös SAMBA-supermannerteoriaa, jonka mukaan Fennoskandian ja Pohjois-Amazonian mannerlaatat olisivat keskiproterotsooisella ajalla, noin 1500 miljoonaa vuotta sitten, olleet lähellä toisiaan ja mahdollisesti muodostaneet yhtenäisen supermantereen osan