Herman van Roermund - Nederlandse Geologische Vereniging

27‐1‐2014
Het kristallijne grondgebergte van Scandinavië
Geologische kaart van (west) Europa
Een beknopt overzicht van
de geologische ontwikkeling
van het kristallijne grondgebergte
in Scandinavië
Topografie
Scandinavische
Caledoniden (wit)
Sateliet
opname
Topografisch
gesproken
een
relatief vlak
gebied (dat helt
naar het oosten)
Over de bouw, ouderdom en aard van het Baltische Schild
Het kristallijne grondgebergte = “Baltica” + Scandinavische Caledoniden
Het Baltische Schild
Geografisch: Noorwegen, Zweden
en Finland
Herman van Roermund
Geologisch: kristallijn gesteente
van pre‐Cambrische (en latere) ouderdom
De naamgeving van het meest noordelijke “craton” in Europa is recentelijk veranderd
Wat is kristallijn gesteente? Scandinavie
Nederland
Klassieke
terminolgie
Baltica
= het kristallijne grondgebergte
= de “Kristallijne Plaat “
= Het Baltische Schild/Craton
sediment
Een
kristal
Johansson (2009)
Amorf
kristal
Fennoscandia + Scandinavische Caledoniden
Moderne terminologie
Baltica versus Fennoscandia
In de Geologie onderscheiden wij drie type basis gesteente
Granaathoudende migmatische gneiss
Kristallijn
Poly‐
kristallijn
met korrelgrens
Geologische kaart van (west) Europa
atomen
Kristal structuur
“Mineraal”
Het bestaat uit losse “korrels” (getransporteerd vanuit een bron gebied)
Kristallijn gesteente
Aan het oppervlak geërodeerd, getransporteerd en afgezet
materiaal
1) Sedimenten
± magmatisch gesteente
2) Metamorfe gesteente
3) Diepte of stollings gesteenten
Kristallijn
gesteente
Gekristalliseerd vanuit een smelt fase
Sedimentair gesteente
SCANDINAVIË
Kristallijne korst
(basement)
NEDERLAND
Sedimenten
(sedimentair basin)
Vlieland
Waarom geen kristallijn gesteente
ontsloten aan het oppervlak
in Nederland?
1
27‐1‐2014
Gletsjer dal Lofoten
Opzet
praatje
Kristallijn gesteente
Aanvang ijstijden: ≈ 2.5 Ma  transport kristallijne zwerfstenen
tijd
400-500 Ma
Scandinavische
Caledoniden
Sindsdien vorming glaciale relief gevolgd door lichte Alpiene erosieve
overprint
Storfjord, WGR, SW Norway
Ouderdom oudste gesteente Baltische Schild: Archaeische gneissen/metamorf gesteente ≈ > 3.0 Ga Wat is er geologische allemaal met deze kristallijne korst gebeurd?
Maw “Hoe is het gemaakt”?
Komvormig
Gletsjer dal
Beginnende
Alpine erosie
Schiermonnikoog
First order model
De Geologische tijdschaal
Ijstijden classificatie tabel
De Geologische tijdschaal en de Evolutie van het leven
Het Phanerozoicum
Verloop van de Tijd
Wat is
er in
deze
tijd-spanne
met het
Baltische Schild
Geologisch
gezien
gebeurd?
Het
onderwerp
van deze
lezing
Wat is de ouderdom van (oudste deel van) hetBaltische Schild? Theory of the Earth
Cenozoicum
Mesozoicum
Overzicht
van de geologische
tijd‐schaal
Auteur: Louis Fiquer (1866)
Blijkbaar bestond kristallijn gesteente in die tijd nog niet.
Men had alleen kennis van sedimenten en “igneous/magmatisch” gesteente
Neptunists
(alle sediments
zijn afgezet in
een zee)
Evolution
of life
(Paleontologie)
Low T
Paleozoicum
“Contact aureole”
Noot: De vertikale tijdschaal
vertegenwoordigt de “stratigrafische kolom”.
Maw de gesteente strata zijn
direct gesuperponeerd op de initiële “primary liquid/magma”.
met een “contact aureool”
op de interface
T gradient
High T
Precambrium
De ouderdom van het kristallijne gesteente waaruit het Baltische schild is opgebouwd = In “absolute” tijd: ≥ 3.0 ‐ 1.7/1.8 ‐ 1.2/0.9 ‐ 0.5/0.4 Ga (= billian years )
In periodes: Precambrium = (Archaiec ‐ Proterozoic) en vroeg Paleozoic Vroege
controverse
Neptunism vs Plutonism
Sediment vs stollings gesteente
Dit model duurde voort totdat geophysici(~ 1900) ontdekten dat de mantel bestond uit vast materiaal
(Sedimentologie
en
Stratigraphie)
fossielen
Het
Metamorfe
gesteente
bestond nog
niet/nauwelijks
Ijstijden
Plutonists
(het zijn allemaal
stollings
gesteente)
Kristallijn
Basement
No scientific
tools available
at that time
(GeochemieMineralogie
en
Petrologie)
Geological Textbook (~1900)
Kristallijne zwerfstenen
2
27‐1‐2014
Resultaat
De geboorte van “Structural Metamorphic Petrology”
Boek: The circle of rocks and
the granite controversy
(H.H. Read, 1957)
De dominante theorie in de Aardwetenschappen tegenwoordig is de Platen Tektoniek
Kristallijn
gesteente
Gevormd door
nieuw groei
van mineralen
(= metamorphose)
Neptunisten
Space
problem
Metamorfe
Mineralen =
Metamorfe
Petrologie
Plutonisten
T gradient
van ≈ 700 C
Nieuwe vragen:
Wat is de betekenis
(Onafhankelijk van de platen tektoniek!)
+
+ van deze structuren?
Waardoor kwamen sedimenten
zo diep “in de aarde” te liggen?
Melting T
of granite
Wat verstaat men onder
een plaat?
Het hypothetische boor experiment
Structurele Geologie
De lithospherische plaat.
Het “bovenste” deel ervan heet het kristallijne
grondgebergte ofwel het (continentale) basement
Een “hypothetisch” boor experiment
Maak een “log” van de bovenste 200 km van de aarde;
Wat zijn de “hoofdgrenzen” die je tegen komt en welke temperaturen heersen er?
Basement-cover
interface
Mechanisch
“sterke” laag
Sedimenten
korst
0m
Stel we kunnen
diep genoeg
boren
Kristallijn
Lithosphere
mantel
200 km
Wat voor (hoofd)gesteente
komen we tegen
in Utrecht
Kristallijn
+
smelt
5-10km
Continentale korst
(kristallijne basement)
20-40km
Moho
Continentale
lithospherische
20‐40 km
mantel
≈700 °C
50-300km
LAB
100 200/350
km
≈1200°C
Lithosphere Asthenosphere
Boundary (LAB)
Asthenosphere
Hier vind convectie plaats
200 km
Mechanisch
“zwakke” laag
Toepassing op Scandinavie: Wat is de huidige dikte van de subcontinetale lithospherische Baltische korst (SCLM)?
Wat weten we omtrent de diepte van de Moho in Scandinavië
Hypothetische log
Hypothetische log
Asthenospere
De diepte van de lithosphere‐asthenosphere grens (LAB) onder Scandinavie
B
A
B
Names on map
refer to
selected
seismic stations
A
Plomerová and Babuška (2010)
3
27‐1‐2014
Wat verstaat men nu onder een tectonische plaat?
Resultaat
Hypothetische log
Een verticale doorsnede
door het Baltische Schild
A
B
Kristallijne korst
Sedimentaire cover
Hypothetische log
de
lithospherische
plaat
Waar bestaat de subcontinentale en/of suboceanische lithosphere uit?
SCLM
SOLM
Samenvattend
Waarom vinden wij sedimenten aan het oppervlak in Nederland en kristallijn basement in Scandiavië?
NEDERLAND
SCANDINAVIË
Kristalijne korst
(basement)
>650°C
>1200 °C
Sedimenten
(sedimentair basin)
Almklovdalen, WGR
Erosie
level
Hypothetische log
Nord Oyene, West Norway
Volltri massief, Italië
“Mega” structuur/breuk
Sedimentair
materiaal
Geologische kaart
van NW Europa met daarop
de verdeling van sedimentaire “cover” rocks en het Kristallijne Basement
Simplified cartoon
Oceanic crust
Sedimentair
materiaal
Geologische kaart van NW Europa
Peridotiet: bestaat uit mineralen met een smeltpunt boven de 1200°C;
olivijn + pyroxeen (2x) + Aluminium silicate
De realiteit is een klein beetje complexer
en pas recentelijk opgelost mbv
geophysische technieken
NE SW
“Caledonische” suture (450 Ma)
Van geometrie
(structuren) via kinematiek
naar dynamica
Peace et al (2008)
A
B
Voornamelijk
kristallijn materiaal
plus
An extended continental margin overprinted by a convergent margin
B
De ouderdom
van de Rift is
Vendian (700 Ma)
A
Lithospheric
continental
crust
?
After Pharao et al., 2006 Lyngsie and Thybo, 2007
Continental crust
+ rotation (=kanteling)
Het profiel toont aan dat geometrische analyses van structuren gebruikt kunnen worden
om de “kinematica” en/of “geodynamica” van een speciaaal gebied te achterhalen
4
27‐1‐2014
“Definitie” van een geothermische gradient
Hypothetische log
Plaats op aarde
A
diepte
de
Noot: Chemische compositie van Astenosphere =
Lithospherische
Oceanische korst (basalt/gabbro) + plaat
Sub‐Oceanic Lithospherische Mantel (= restite)
drill hole
sedimenten
kristallijne
onderkorst
(basement)
Vertikale
sectie
door de
continentale
korst
Temperatuur (°C)
B
P=diepte/druk
De platentektoniek
X°C/km
Normaal: 18‐20 °C/km
Het koelen
van de
aarde
door de
tijd heen
Plaatsen waar de temperatuur en druk gemeten kan worden
(i.e. diffrentiatie is het resultaat van partial decompresson melting gevolgd door cooling)
Hypothetische log
Wat zegt het “platen” model omtrent de temperatuur verdeling
binnen een lithospherische plaat?
Wat heb ik aan gegevens omtrent een geothermische gradient?
Neem het voorbeeld van een te koude geothermische gradient
Elke plek op/in de aarde (afhankelijk van de diepte) kan worden gedefinieerd in termen
van druk en temperatuur. De loodlijn door zo’n verzameling punten (inclusief de locale P, T condities) representeert de locale geothermische gradient (in een PT diagram)
Het alternatief: het is er te “warm”
Metamorf
facies
diagram
asthenosphere
Normale
Gradient
Stollings gesteente
18‐20 °C/km
Dikte
continentale
korst
te
warm
“Stollings” gesteente
Met betrekking tot de “normale” geothermische gradient kan het kristallijne grondgebergte van
Scandinavie worden onderverdeeld in (minimaal) twee hoofd componenten:
1) Kristallijn gesteente dat is gevormd onder te “koude” condities
2) Kristallijn gesteente dat is gevormd onder te “warme” condities
Daarnaast
met behulp van geochronologische technieken kunnen wij de bijbehorende metamorfe “facies” (= mineraal combinatie) dateren
Kwarts monzoniet
Metamorfe Petrologie = Het kijken naar de combinatie van mineralen (= de stabiele mineraal paragenese) waaruit
het gesteente is opgebouwd Dit verschaft informatie over een bepaald veld in PT diagram
Voorbeeld: Metamorfe kaart van het Seve‐Köli dekblad
in de centraal Zweedse Caledonieden
Metamorfe kaart
Resultaat: We kunnen
gebergte vormende
processen
terug traceren
in het veld (en op geologische/
metamorfe
kaarten) Maw met behulp van deze twee basis technieken
(= mineraal gezelschappen gecombineerd met ouderdom) kunnen we de plaat tektonische processen in het geologisch verleden
reconstrueren
+ ouderdommen
(zircon en monasiet)
420‐425 Ma
??
ver‐
storin
storing
g
Resultaat:
Gebergte/collision zones kunnen
als “lineamenten” worden
uitgekarteerd
5
27‐1‐2014
Maw wij kunnen gebergte vormende processen
reconstrueren mbv metamorfe kaarten en bijbehorende
mineraal ouderdommen
Het botsende
Een voorbeeld: de Scandinavische Caledonieden (500‐400 Ma) continent Laurentia
Lateraal vervolgbaar langs de strekking
van het orogeen als “lineament”
Fossiele
Oceaan
bodems
Voorafgaande aan
de continent‐continent collissie
Noot: De asthenosphere and lithospherische mantel zijn niet weergegeven
Locatie van fossiele
Subductie
zones
Terrane
map of the Scandes
Locatie van het Seve‐Köli dekblad
in de vorige slide
Tectono‐stratigraphie
Brueckner en Van Roermund 2004
Een Collisie tussen twee botsende platen (continenten in dit geval) heeft dekblad vorming
tot gevolg, weliswaar van verschillende ouderdommen maar tesamen behorend tot één overkoepelend gebergtevormend proces (= The Caledonieden: 500‐420 Ma) 1500-2500m
x°
Topografische oost-west doorsnede
Gekanteld Lithosphere model
Dit gebergte noemen wij
de Scandinavische
Caledoniden (= 500-400 Ma)?
Sateliet opname
De Scandinavische Caledonieden
Nu terug naar
de topografie
van Scandinavia
Noot: De langwerpige
vorm van het lineament
Relatieve positie na continent‐continent collision
Maar ook een “fossiel” gebergte op een geologische kaart vormt “lineaire” patronen
De kanteling / “recente uplift” kan echter worden toegeschreven
aan de vorming van de Atlantische oceaan
Polar
circle
Baltic Shield
B
A
A
Maar is dit correct?
Hoe ziet de topografie aan de andere kant
van de Atlantische Oceaan eruit?
B
Plaat reconstructies in de north Atlantic since 53 Ma
Note: continental margins versus ocean floor
De huidige topografie is dus veroorzaakt door een
Cenozoische ( <65 Ma) uplift van ongeveer 2000‐2500m en kan
niet worden gerelateerd aan de vorming van de Caledonieden
2500m
2500m
Vorming van de Atlantische Oceaan
6
27‐1‐2014
Het effect van de Cenozoische uplift kan dus worden verwijderd door
a) de oceaan opnieuw te sluiten en
b) te corrigeren voor de Cenozoische uplift
Deze vlakke plaat wordt Laurasie of Laurussia genoemd
Laurussia
Atlantische
Oceaan
Oceanische
lithosphere en/of asthenosphere
Hetgeen ook een “herstel” van de LAB betekent
Maw een “vlakke” topografie was al aanwezig voor
de vorming van de Atlantische Oceaan
Laurussia
Continentale korst
Continentale lithosphere
Maar ook
een algemeen
herstel
van de
“normale”
geothermische
condities
Asthenosphere
Vraag
Deze reconstructie levert een relatief (1e orde) vlakke topografie op
Dit wordt toegeschreven aan een oud peneplain.
= een oud erosie oppervlak hoofdzakelijk gevormd na de vorming van de Caledonieden
Hoe is de Laurussische plaat ontstaan?
Rhodinia
Laurentia
Hoe is de
Laurussische/Laurasische
plaat ontstaan?
Ook een collisie tussen
(minimaal) twee platen
Wat verstaan wij onder
de Scandinavische Caledonieden?
Baltica
Iapetus Ocean*
Laurussia + Gondwana
= Pangea
(= jongste supercontinent)
* Iapetus is de vader
van Atlantic in de Griekse Mythologie
De Laurussische plaat is ook gevormd door collisies tussen (minimaal) twee platen (= Caledonische Orogenese). Uit de afbraak van dit gebergte (≈150 Ma later)
is de relatief vlakke Laurussische plaat ontstaan
De Caledonische Orogenese (400-500 Ma)
Caledonisch
gebergte
Uit de afbraak van het Caledonisch gebergte en aangrenzende platen
ontstond de Laurussische plaat met na verloop van tijd een relatief vlakke
topografie (= peneplain/old red sandstones etc)
De Caledonische Collisie vond plaats op het zuidelijk halfrond
Waar komen de “bergen” (=topografie) in Scandinavie dan vandaan? Hoe oud zijn die?
Erosieve processen zouden het Caledonisch gebergte allang hebben afgeerodeerd 
Het is een “recent” verschijnsel en kan dus beter zoiets als het Atlantisch gebergte in Scandinavie worden genoemd
De Scandinavische Caledonieden omvatten:
1) de Allochthons en 2) Basement Windows in het westen.
Zij vormen het meest westelijke deel van het Baltische Schild
Basement (windows)
langs de west kust
behoren ook tot
de Baltisch plaat
Het vormt deel van
de Baltische plaat
dat tijdens de
Caledonische
gebergte vorming
werd overprint
door Caledonische
mineralen
Scandinavische
Caledonides
Torsvik 2005
Allochthons of
Caledonische dekbladen
Pre-Caledonisch
kristallijn
basement
(met een dune laat
ProterozoischeCambrian sedimentaire
cover)
together called the
Baltic
Shield
Dit werd gebruikt als
substraat waarover de Caledonische dekbladen
(van west naar oost)
heen werden geschoven
7
27‐1‐2014
Basement “reworking” langs de west kust
van Noorwegen
Baltica
De voornaamste
elementen waaruit
het Baltische schild
is opgebouwd
Laurentia
Probleem:
Waar gaat het
groene element
in NW richting
naar toe?
Waar vinden we Scandische
eclogieten?
Baltica
Bergh et al (2010)
Alle kleuren worden gezien
als fossiele collision zones die operatief waren
langs oude plaatgrenzen
Hoe weten we dat?
Including some older elements (a. o. Bamble area=1.7 Ga)
1.3
See next slight
older
Tijdens de continentale collisie tussen Baltica en Laurentia werd de Baltische plaat
onder de Laurentische plaat “geschoven” en werden de dekbladen in oostelijke richting
over de Baltische plaat heengeschoven.
Tijdens dit proces werd het meest westelijke deel van de Baltische plaat (=de windows)
“reworked/Caledonized”, dwz Caledonische metamorfe mineralen groeiden over de oudere basement mineralen heen. Dit herbewerkings‐proces ontbreekt in het basement in het oosten.
Overlappende ouderdommen
Dus voorafgaande aan de vorming van Rhodinia lagen beide platen anders georienteerd
Het super continent Rhodinia (≈ 900 Ma)
De Grenville Orogeny (1.3‐1.0 Ga)
Johansson 2008
After Johansson 2009
Karlström K.E. et al (1991)
De Grenville orogeny was dus een langdurig Meso‐Proterozoisch gebergte vormend event veroorzaakt door met elkaar botsende platen vnl gelocaliseerd aan de zuid‐oost kant van Laurentia……… echter Laurentia in die tijd was veel groter en sporen van de Grenville Orogeny zijn nu ook gevonden in SW No0rwegen, Australië, Antarctica etc
De Grenville orogeny (1.3‐1.0 Ga) is ouder dan de vorming van Rhodinia (0.9‐0.7 Ga)
Colombia
Het super continent Pannotia (of Colombia ≈1800 ‐1500 Ma)
Van Rhodinia (0.9‐0.7 Ga) naar Pannotia (1.95‐.1.85Ga) Rhodinia
Colombia
Oud problem
1.85 ‐ 1.65 Ga
Grenville period
Pannotia
1.95‐1.75
1.75‐1.65
Baltica
New subdivision
Colombia
Pannotia
1.3
(1.3
Continue proces
Nog “onbekend”
gecorrigeerd
ouder
(1.75 ‐
Resultaat : Geochronologische subdivisie is een kunstmatige groepering
Het it zeer waarschijnlijk een continue proces
Rhodinia
0.9‐0.7Ga
Johansson 2009
Samenvattend: Telkens weer zijn het plaat tektonische processen, altijd gelokaliseerd langs de randen van oudere “cratonische “ continentale blokken
(met daaronder een zéér dikke subcontinentale lithosphersche mantel (SCLM).
8
27‐1‐2014
Samenvatting
Supercontinenten
vormen semi‐regelmatige groeperingen van de op aarde
voorkomende continentale landmassa’s tot één groot continentaal block (= craton).
Het supercontinent blijft vervolgens stabiel voor een bepaalde geologische tijds‐periode
en valt dan weer uit elkaar, gevolgd door opnieuw een groepering van de verschillende
micro‐continentale en/of cratonische blokken. Collisies tussen de platen (inclusief oceanische platen ) leidt onophoudelijk tot gebergte vormende processen langs de randen van de oudere cratons. Dit leidt tot “aangroei“
van de oudere cratonische blokken.
Goede voorbeelden hiervan zijn terug te vinden in de geologische opbouw van het Baltische Schild
Er is gebruik gemaakt van de volgende referenties
Bergh et al (2010)
Brueckner and Van Roermund (2004)
Johansson (2008)
Johansson (2009)
Karlström K.E. et al 1991
Lyngsie and Thybo, 2007
Pharao et al., 2006 Pease, V. et al., 2008. Precambrian Research 160; 46‐65
Plomerová and Babuška (2010). Lithos 120;131‐143
Torsvik 2005
Belangrijk: De toekomst zal moeten uitwijzen of de aard van de gebergte vormende processen
door de tijd heen verandert of niet
Dank u voor uw aandacht
9