Zircon U-Pb geochronology and whole-rock geochemistry of migmatitic gneisses reveal the late Paleoproterozoic through Devonian history of the Western Gneiss Region

Abstract

Studieområdet ligger på den nord-vestlige kysten av Norge, i det eksponerte grunnfjellsvinduet kjent som den vestre gneisregionen, (VGR). VGR er et område på omtrent 50 000 km2 med eksponerte gneiser av tidligproterozoisk alder, og er kjent for å inneholde et av verdens største eksponerte terreng med metamorfe bergarter utsatt for høye til svært høye trykk. Området omfatter hovedsakelig granodioritter og tonalitter med en alder fra 1.7 til 1.6 Ga, samt noen mafiske intrusjoner fra 1.4 til 1.2 Ga. Senere svenskonorvegisk orogenese, fra ca. 1.0 Ga til 0.9 Ga resulterte i en granulittfacies metamorfose, intruderende årer og plutoner, samt migmatisering i de sørlige delene av regionen. Den kaledonske orogenesen påvirket VGR fra ca. 420 til 385 Ma. Den kaledonske orogenesen var en følge av at Baltika og Leurentia kolliderte, noe som resulterte i en dyp subdukjon av den Baltiske skorpen under Leurentia. Den subduserte skorpen ble så utsatt for en hurtig ekshumering under den påfølgende ekstensjonen. Dette resulterte i dannelse av høytrykksmetamorfose bergarter, deriblant eklogitt, som området er mest kjent for i dag. Den senere ekstensjonen resulterte i storskala folding og strekning, som i dag preger store deler av områdets strukturelle geologi.

Den geologiske kartleggingen og prøvetakingen ble gjort i et feltområde på 10 x 10 km lokalisert på Nordmøre, samt en rekke tilleggsprøver samlet fra større deler av regionen. Datering av leukosomer av grunnfjellet i VGR har vært hovedfokuset i denne oppgaven. Målet er å oppnå en bedre forståelse av de magmatiske, metamorfe og strukturelle prosessene som har påvirket dette området fra dets dannelse i tidlig proterozoisk tid til devon. Zirkon har blitt separert ut av et sett på 27 prøver, hvorav 18 er leukosomer. Zirkonene er datert ved bruk av LA-ICP-MS laboratoriet på NGU, Trondheim. De geokjemiske analysene er blitt utført ved ALS Chemex-laboratoriet i Sverige.

De geokjemiske analysene har blitt brukt til å tolke den tektoniske settingen til protolittene til de migmattitiske gneisene, og indikerer at de ble dannet i en vulkansk øybue mellom 1691 ± 22 og 1589 ± 19 Ma. Zirkonene fra leukosom-prøvene har en distinkt struktur, med en omliggende rand rundt en tydelig kjerne. Kjernen er tolket til å reflektere dannelsen av den originale protolitten, mens randen representerer senere migmatisering. Denne tolkningen bekreftes av de geokronologiske analysene av zirkonene, som gir både svekonorvegiske, ~ 1.0 Ga, og kaledonske, ~ 400 Ma, aldre for randene. Svekonorvegiske aldre på migmatiseringen ble bare funnet i de sørlige delene av gneissregionen. Det foreslåes en sammenheng mellom VGR i Norge og det svekonorvegiske Eastern Segment i Sverige basert på lik geokjemi og protolitt aldre, samt svekonorvegiske metamorfosealdre i de to områdene. De kaledonske aldrene indikerer at migmatiseringen i VGR skjedde i løpet av tidsintervallet 423 ± 10 og 392 ± 3 Ma. Disse aldrene kombinert med observasjoner av topp-mot-øst strukturer i noen leukosomer indikerer at migmatiseringen var aktiv under den prograderende subduksjonen. Partiell oppsmelting ser ut til å ha funnet sted pga tilstedeverelse av hydrøse fluider og det diskuteres hvilke følger partiell oppsmelting under den prograde subduksjonen vil ha på reologien og den påfølgende ekshumeringen av den subduserte skorpen. Dataene presentert i denne oppgaven er i tråd med tidligere publisert arbeid og det fremmes forslag til mulige videre studier som kan gi en utvidet forståelse for bergartenes og regionens utvikling.

The study area is located on the north-western coast of Norway in the exposed basement window known as the Western Gneiss Region, (WGR). The WGR is an approximately 50 000 km2 region of Proterozoic gneisses, known as one of the world’s largest exposed ultra-high pressure (UHP) terrains. The area comprises mainly granodiorites- tonalites dated at 1.7 Ga to 1.6 Ga, as well as some mafic intrusions dated at 1.4 and 1.2 Ga. Later, the Sveconorwegian orogeny at ca. 1.0 Ga to 0.9 Ga resulted in a granulite facies overprint accompanied by dike and pluton emplacement and migmatisation which affected the southern part of the WGR. UHP metamorphism during the Caledonian orogeny affected the WGR from ca. 420 Ma to 385 Ma, resulting from subduction of the Baltic margin below Laurentia, and the juxtaposition of several nappes on to the Baltic margin. In the final stages of the orogen, the UHP terrain underwent rapid exhumation. Later extensional deformation has resulted in folding and thrust imbrication affecting most of the overall structural features.

Through detailed geological mapping and sample collection in a field area of 10 x 10 km located in Nordmøre, together with additional samples collected throughout the WGR, this study aims at getting a better understanding of the magmatic, metamorphic and deformational processes that have affected this area from its formation in Paleoproterozoic to the Devonian. The focus has been on dating the migmatisation of the Proterozoic basement gneisses in this region. U-Pb zircon ages were obtained from 27 samples, whereof 18 were leucosomes, using the LA-ICP-MS lab at NGU, Trondheim. Whole rock geochemical analysis was performed at the ALS Chemex laboratories in Sweden.

The geochemical and geochronological data suggest that the protoliths to the migmatites formed in a magmatic arc system between 1691 ± 22 and 1589 ± 19 Ma. The leucosome zircons have a distinct core and mantle morphology, which is interpreted to reflect the inheritance from the protoliths (core) and subsequent migmatisation (mantle). This interpretation is supported by the obtained U/Pb geochronological data from the zircons. The zircons record both Sveconorwegian, ~ 1.0 Ga, and Caledonian, ~ 400 Ma, migmatisation. Sveconorwegian migmatisation of the basement gneisses is confirmed for the southern WGR, but has yet to be identified in the northern WGR. Based on the geochemistry and the obtained protolith and Sveconorwegian metamorphic ages, a correlation between the exposed basement in the WGR and the Sveconorwegian Eastern Segment in Sweden is proposed. The Caledonian ages in the leucosomes indicate that migmatisation took place during the 423 ± 10 to 392 ± 3 Ma time interval. These dates combined with structural top-to-east thrusting observations made in some leucosomes indicate that the migmatisation was mostly active during prograde subduction of the Baltic margin below Laurentia. Based on available pressure-temperature estimates from the WGR, partial melting was most likely hydrous fluid-present, and the lack of significant melting during exhumation may have been prevented by prograde partial dehydration. Partial melting would have altered the rheology of the subducted continental crust, and may have facilitated rapid exhumation. These interpretations are in line with previously published work. Suggestions are made for further research, that would give increased insight into the evolution of the rocks and the region.