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
