Structural analysis and titanite U-Pb petrochronology of major Sveconorwegian shear zones in Telemark, southern Norway
Abstract
Kan titanitt petrokronologi bli brukt til å fastslå tidsspennet for deformasjon langs stor-skala skjærsoner? Denne studien vil undersøke dette spørsmålet gjennom geologisk kartlegging av et strukturelt komplekst område i det Svekonorvegiske orogenet i Sør-Norge, ved å linke strukturanalyse, vekst av temperatursensitive mineraler og re-krystallisering av bergartsdannende mineraler, sammen med U-Pb petrokronologi av titanitt, i to stor-skala skjærsoner; Nisser ekstensjonssone (NDZ) og Hestkås kompresjonssone (HTZ). Det overordnede målet er å forstå den tektoniske utviklingen i Nissedal–Drangedal området i Telemark.Denne studien kombinerer felt kartlegging, fjernmåling, strukturanalyse, geokronologi og petrologi med titanitt petrokronologi. Utvalgte titanitt korn var karakterisert og analysert med optisk mikroskopering, tilbakesprednings Elektronmikroskopering (BSE), Elektronmikrosonde (EPMA), Elektron Tilbakesprednings Diffraksjon (EBSD) and Laser Ablasjon Induktivt koblet plasma Massespektrometri (LA-ICP-MS). Analysene foreslår at det er flere generasjoner av titanitt assosiert med hendelser knyttet til det Svekonorvegiske orogenet. Disse analysene er sammenlignet med 40Ar–39Ar aldre i hornblende, biotitt og feltspat fra samme område.Overordnet består feltområdet av tre tektonostratigrafiske enheter, fra bunn til topp: 1) Vråvatn komplekset som består av amfibolitt- til granulitt facies granittiske gneiser. 2) Nisser ekstensjons skjærsonen (NDZ), en >100 m bred, stor-skala, top-mot sørøst mylonittisk til kataklastisk skjærsone som sidestiller det underliggende Vråvatn komplekset mot det overliggende 3) Nissedal komplekset. Som består av ca. 1200 Ma sub-vulkanske felsiske og mafiske bergarter, som er intrudert av grov- til middelskornet gabbro, granittiske gangbergarter og porfyrisk granittiske gneiser, kort tid etter 1200 Ma. Den porfyriske granitten er stedvis sterkt deformert av den top-mot nordvestlige, amfibolitt facies, kompresjons skjærsonen HTZ, som var aktiv rundt 1088 Ma, demonstrert av re-krystalliserte titanitt rander. Nordlige deler av Nissedal-komplekset opplevde en ikke-penetrerende lav amfibolitt facies metamorfose rundt ca. 1000 Ma, dokumentert av re-krystalliserte titanitt rander og kjerner fra alle analyserte korn som gir aldre i tidsspennet 1016–990 Ma. Bergartene fra Vråvatn komplekset var plassert og metamorfosert omtrent samtidig som i Nissedal komplekset, men opplevde høy-grads amfibolitt facies metamorfose. Denne studien viser at Nissedal- og Vråvatn kompleksene hadde separate avkjølingshistorier frem til ca. 900 Ma; hvor Vråvatn-komplekset var under høyere metamorfe forhold enn det Nissedal-komplekset. De to kompleksene ble sidestilt da Vråvatn-komplekset ble raskt avkjølt i ligg-blokken av den slakt fallende, top-mot sørøstlige amfibolitt til grønnskifer facies ekstensjons skjærsonen NDZ mellom 945 og 900 Ma. Etter 900 Ma var avkjølingshistorien til de to kompleksene like, ved temperaturer <325°C og det var noe kataklastisk deformasjon langs NDZ frem til ca. 860 Ma, demonstrert av re-krystallisert titanitt rander i kataklasitter som overprinter mylonittisk foliasjon. I feltområdet er det gjenkjent fem hendelser som er relatert til den Svekonorvegiske fjellkjedeformingen: (A) 1220–1145 Ma, dannelsen av både gneis- og vulkanske komplekser i Telemarkia litotektoniske enhet (LU). (B) 1110–1088 Ma, sørvest–nordøst-kompresjon (inkludert HTZ) som førte til fortykning av jordskorpen i starten av fjellkjedens hovedperiode. (C) 1016–990 Ma, høygrads metamorfose i gneiskompleksene og lavgrads metamorfose i de vulkanske kompleksene i Telemarkia LU. (D) 960–940 Ma, dannelse av HBG-granitter spredt i Telemarkia LU. (E) 945–873 Ma, sørøst–nordvest-ekstensjon (inkludert NDZ), relatert til skorpetynning og resultering i rask ekshumering av amfibolitt- til granulitt facies gneis komplekser.Denne studien viser at titanitt petrokronologi kan bli brukt til å forstå tids- og deformasjonshistorien til skjær soner. Men det trengs nøye in-situ tynnslips analyser, for å ha bedre kontroll på interne soneringsmønstre og romlige assosiasjoner for titanittene, og grundige strukturelle og mikro-strukturelle analyser for å identifisere mineralselskap, kryssende forhold, skjærdeformasjon og mulig re-krystallisering, for å forstå hva den oppnådde alderen representerer. Kombinasjonen av alle analysene har hjulpet til å avdekke den tektoniske utviklingen i Nissedal–Drangedal området og kastet nytt lys over den sene Svekonorvegiske utviklingen i Telemarkia LU. Videre arbeid fokusert på andre kontakter mellom vulkanske- og gneis-komplekser i det Svekonorvegiske orogenet er nødvendig for å teste modellen av fjellkjede-skala ekstensjon og ekshumering av gneis komplekser. Can titanite petrochronology be used to constrain the timing of deformation along crustal scale shear zones? This study investigates this question through geological mapping of a structurally complex area in the Sveconorwegian orogen of Southern Norway, and by linking structural analysis, the growth of temperature sensitive minerals, and recrystallization of rock forming minerals with titanite U-Pb petrochronology within two large scale shear zones; the extensional Nisser Detachment Zone (NDZ) and the Hestkås Thrust Zone (HTZ). The overall goal is to unravel the tectonic evolution of the Nissedal–Drangedal area in Telemark.This study combines field mapping, remote sensing, structural analysis, geochronology, and petrography with titanite petrochronology. Selected titanite grains were characterized and analysed by optical microscopy, Backscatter Electron microscopy (BSE), Electron Probe Micro Analyzer (EPMA), Electron Backscatter Diffraction microscopy (EBSD) and Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS). The analyses suggest multiple generations of titanite associated with Sveconorwegian orogenic events. These analyses are compared with 40Ar–39Ar ages in hornblende, biotite, and feldspar from the same area.Overall, the field area comprises three tectonostratigraphic units, from bottom to top: 1) The Vråvatn complex composed of amphibolite- to granulite-facies granitic gneiss. 2) The Nisser Detachment zone (NDZ), a >100 m wide, crustal-scale, top-to-the SE mylonitic to cataclastic shear zone that juxtaposes the underlying Vråvatn complex against the overlying 3) Nissedal complex. Which comprises c. 1200 Ma sub-volcanic felsic and mafic rocks, intruded by medium- to coarse-grained gabbro, granitic dykes, and porphyritic granite, shortly after 1200 Ma. The porphyritic granite is, in places, strongly deformed by the top-to-the NW amphibolite facies compressional HTZ, which was active around 1080 Ma, demonstrated by recrystallized titanite rims. The northern part of the Nissedal complex experienced non-penetrative lower amphibolite facies metamorphism at c. 1000 Ma, as documented by recrystallized titanite rims and cores from all analysed rocks at 1016–990 Ma. The rocks from the Vråvatn complex were emplaced and metamorphosed at about the same time as in the Nissedal complex, but they experienced high-grade amphibolite facies metamorphism.The study shows that the Nissedal and Vråvatn complexes have separate cooling histories until c. 900 Ma, wherein the Vråvatn complex remained at higher metamorphic conditions than the Nissedal complex. The two complexes where juxtaposed as the Vråvatn complex was rapidly exhumed in the footwall of the shallow-dipping, top-to-the SE amphibolite- to sub-greenschist facies extensional NDZ between 945 and 900 Ma. After 900 Ma, the cooling histories of the two complexes coincides, at temperatures <325°C and some cataclastic deformation along the NDZ until c. 860, demonstrated by recrystallized titanite rims in cataclastic rocks overprinting mylonitic foliation. Within the field area, five events are recognized as being related to the Sveconorwegian orogeny: (A) 1220–1145 Ma; formation of both gneiss- and supracrustal complexes in Telemarkia Lithotectonic Unit (LU). (B) 1110–1088 Ma; SW–NE compression (including the HTZ) leading to crustal thickening at the start of the main orogenic period. (C) 1016–990 Ma; high-grade metamorphism in gneiss complexes and low-grade metamorphism of supracrustal complexes in Telemarkia LU. (D) 960–940 Ma; emplacement of widespread HBG-granites in Telemarkia LU. (E) 945–860 Ma; SE–NW extension (including the NDZ), related to crustal thinning, resulting in rapid exhumation of amphibolite- to granulite facies gneiss complexes This study shows that titanite petrochronology may be applied to unravel the temporal and deformational evolution of shear zones. It requires, however, careful in-situ thin section analysis to have a better control on the internal zoning patterns and the spatial associations of the titanites, and through structural and microstructural analyses to identify mineral assemblage, cross cutting relations, shear deformation, and possible recrystallization, to understand what the obtained ages represent. The combined analyses have help to unravel the tectonic evolution of the Nissedal–Drangedal area and shed new light on the late Sveconorwegian evolution in Telemarkia LU.
Further work focused on other contacts between supracrustal and gneiss complexes in the Sveconorwegian orogen is necessary to test the model of orogen-scale extension and exhumation of gneiss complexes.