Structural and temporal evolution of the Porsgrunn-Kristiansand Fault Complex

Abstract

Berggrunnen i Sør-Norge er gammel (>900 Ma) og sprø deformasjon forekommer jevnlig. En av de mest velkjente strukturene er det 150 km lange Porsgrunn-Kristiansand forkastningskomplekset (PKFK) som grenser Bamble litotektoniske enhet i nordvest. Selv om PKFK er en velkjent struktur, så er lite strukturell data tilgjengelig. Denne masteroppgaven har derfor som mål å karakterisere den strukturelle arkitekturen og evolusjonen til PKFK, gjennom strukturelle analyser og K-Ar geokronologi.

Den utvalgte seksjonen av PKFK har et undulerende og bratt (fall: 62 ± 2°) forkastningsplan som faller mot ØSØ (strøk: 32 ± 2°). Den består av en forkastningskjerne som har gjennomgått betydelig deformasjon og er omgitt av distaldeler. Distaldelen i hengveggen er 370 - 510 meter bred, mens distaldelen i liggveggen er 60 - 280 meter bred. Forkastningskjernen er en 2.5 - 5 meter tykk kompositt-struktur som består av 12 sidestilte strukturelle facies, som er dannet ved ulike aldre. Forkastningskjernen har en sprekketetthet som overskrider 40 sprekker per m^3, hvor dette bidrar til økt permeabilitet i distaldelene og deler av forkastningskjernen. Den økte permeabiliteten forårsaker økt hydrotermal omdanning, hvor klorittifisering av biotitt og utfelling av karbonat-årer opptrer hyppig.

Alders-data fra K-Ar geokronologien viser at den utvalgte seksjonen av PKFK har opplevd betydelig bevegelse gjennom flere bevegelses-faser i den Mesozoiske æraen, fra midten av Trias til tidlig Kritt. Dannelsesrekkefølgen startet med en tidlig bevegelse (227 - 224 Ma), hvor det ble dannet en bredere sone med grovkornet forkastningsbreksje. Senere ble strukturell facies 3 (SF3) dannet (<221 Ma), etterfulgt av SF7 (<193 Ma), SF9 (152 Ma) og SF8 (122 Ma). I tillegg har en tidligere kataklasitt-dannende bevegelse blitt avdekket langs den utvalgte seksjonen av PKFK, som forsiktig har blitt knyttet til post-svekonorvegisk rifting. Kinematiske indikatorer antyder en strike-slip orientert bevegelse under den tidligere kataklasitt-dannende bevegelsen og dip-slip orientert bevegelse under de senere Mesozoiske bevegelsene.

Til slutt har en kombinasjon av lineament analyse og sammenligning av K-Ar aldre med aldre fra kutting av ulike sedimentære og vulkanske lag i Porsgrunn område antydet at PKFK består av to segmenter: ett nordre segment, plassert sør for Porsgrunn og ett søndre segment, plassert nord for Kristiansand. Det nordre segmentet er omtrentlig 24 km langt, mens det søndre segmentet har en lengde på omtrentlig 70 km og begge segmentene er orientert omkring NØ-SV.

The bedrock in southern Norway is old (>900Ma) and is saturated with brittle deformation. One of the most notable structures is the 150 km long Porsgrunn-Kristiansand Fault Complex (PKFC) that presently limits the Bamble Lithotectonic Unit to the NW. Although the PKFC is a well-known structure, little structural data is available. This study therefore aims at characterizing the structural architecture and evolution of the PKFC, using structural analysis and K-Ar geochronology.

The studied section of the PKFC is marked by an undulating, steep (dip: 62 ± 2°), ESE-dipping fault plane (strike: 32 ± 2°). It consists of a high strain fault core bounded by damage zones, with the hanging wall and footwall damage zones having a thickness of 370 - 510 m and 60 - 280 m, respectively. The fault core is a 2.5 - 5 m thick composite brittle structure comprised of 12 juxtaposed, but not coeval, brittle structural facies. The fault core has a fracture frequency exceeding 40 fractures per m^3 and the increased amount of fractures have produced enhanced permeability in the damage zones and part of the fault core. This has caused an increase in hydrothermal alteration with chloritic alteration of biotite and precipitation of carbonate veins occurring frequently.

Age data from the K-Ar geochronology shows that the studied section of the PKFC has experienced significant displacement through several phases of slip in the Mesozoic era, lasting from middle Triassic to early Cretaceous. To conclude the order of formation, a common early faulting event produced a wider zone of deformation, resulting in a coarse-grained fault breccia (c. 227 - 224 Ma). Later structural facies 3 (SF3) was formed (<221 Ma), followed by SF7 (<193 Ma), SF9 (152 Ma) and SF8 (122 Ma). Furthermore, an earlier cataclasite forming slip-phase has been uncovered along the studied section of the PKFC, which has tentatively been linked to the post-Sveconorwegian extensional regime and orogenic collapse. Kinematic indicators suggest a strike-slip oriented slip movement during the earlier cataclasite forming slip-phase and a dip-slip oriented slip movement during the later Mesozoic phases of slip.

Finally, a combination of automatic lineament analysis and comparison between resulting K-Ar ages with ages obtained from cross-cutting relationships in the Porsgrunn area suggest that the PKFC consists of two segments; one northern segment, located south of Porsgrunn and one southern segment, located north of Kristiansand. The northern and southern segments are c. 24 km and c. 70 km long, respectively, and both have an approximately NE-SW orientation.