Provenance of the Neoproterozoic–Cambrian Vestertana Group in Finnmark, northern Norway

Abstract

Detritalzirkonstudier kan bidra til å bestemme paleogeografi, tektoniske rekonstruksjoner og jordskorpeutvikling. Zirkon benyttes populært i sedimentære provenansstudier på grunn av sin robusthet og tilstedeværelse i så og si alle sedimentære bergarter; det kan dateres ved hjelp av U–Pb-metoden og Hf-sammensetningen gjenspeiler sammensetningen til opphavsbergarten det krystalliserte i. Denne studien benytter feltobservasjoner med hovedfokus på paleostrømmålinger, U–Pb geokronologi og Lu–Hf-sammensetninger av detritalzirkoner for å få informasjon om provenansen til den neoproterozoiske til kambriske Vestertana-gruppen i Tanafjord–Varangerfjordområdet, Nord-Norge. Vestertanagruppen ble avsatt på grensen mellom den neoproterozoiske til tidlig-paleozoiske kontinentalmarginen i vestlige Baltika og det timanske bassenget i Nordvest-Russland. Gruppen består av fem formasjoner; fra eldst til yngst: Smalfjord, Nyborg, Mortensnes, Stáhpogieddi og Breidvika. En tidligere studie hevder at det meste av sedimentene i Vestertanagruppen kommer fra sørlige kilder på det fennoskandiske skjoldet. Men det ble også foreslått at en zirkonpopulasjon med alder rundt 552 Ma, som er funnet i det øverste medlemmet i Stáhpogieddiformasjonen, stammer fra den timanske fjellkjeden. Den timanske fjellkjeden antas å ha vært lokalisert nordøst for studieområdet. Et antatt skifte i hovedpaleostrømretning fra en nordlig til en sørlig retning brukes også som et argument for en endring av kildeområdet i Vestertanagruppen. På grunn av lite kunnskap rundt utbredelsen av den timanske fjellkjeden og få detritalzirkonstudier i den nordvestlige delen av Russland og Finnmark, kan man stille spørsmål ved om en timansk kilde er korrekt eller sannsynlig. Det påståtte skiftet i hovedtransportretning fra en nordlig til en sørlig retning i Stáhpogieddiformasjonen ble ikke observert i denne studien. En radikal endring i sedimenttilførselsraten, som man kunne forvente å se dersom sedimentbassenget gikk fra å være en passiv margin til et forlandsbasseng, ble heller ikke observert. Men flere blotninger i andre områder, for eksempel Digermulhalvøya og autoktone deler av Varangerhalvøya, bør undersøkes før det konkluderes. U–Pb- og Lu–Hf-data fra 16 prøver fra Vestertana-gruppen, analysert ved hjelp av LA-ICP-MS, viser en sterk fennoskandisk affinitet, i tillegg til tilførsel fra en ukjent neoproterozoisk kilde. Potensielle neoproterozoiske kilder er for eksempel den timanske fjellkjeden eller en hypotetisk aktiv vestlig baltisk margin. Selv om ingen store endringer i forbindelse med paleostrømretninger eller sedimenttilførselsrater ble observert i Stáhpogieddi-formasjonen, indikerer tilførselen av sen-neoproterozoiske zirkoner, funnet i det ediacariske til kambriske Manndrapselvamedlemmet i Stáhpogieddiformasjonen, at en ny kilde begynte å forsyne sedimentbassenget. Andre studier viser at zirkoner med alder mellom 700 og 600 Ma finnes i eldre ediacariske sedimentære bergarter i Sørøst-Norge. Disse zirkonene kan ikke komme fra den timanske fjellkjeden, noe som antyder at det må ha eksistert en annen sen-neoproterozoisk kilde til zirkon i Fennoskandia på dette tidspunktet. Kambriske til siluriske sedimentære bergarter, prøvetatt i Sør-Norge, har alderstopper og Hf-isotopverdier for sen-neoproterozoiske zirkoner som er forskjellige fra prøver fra Nord-Norge og Russland. For å bestemme opprinnelsen til de sen-neoproterozoiske detritalzirkonene som finnes i både Vestertanagruppen og i andre regioner, er det nødvendig med mer kunnskap om de mulige, sen-neoproterozoiske kildene. Foreløpig er kunnskapen om den timanske fjellkjeden og en hypotetisk aktiv vestlig baltisk margin mangelfull. De sen-neoproterozoiske zirkonene kan også stamme fra en foreløpig uoppdaget kilde.

Detrital zircon studies can help to constrain paleogeography, tectonic reconstructions, and crustal evolution. Zircon is popularly used as a tracer of sedimentary provenance because of its robustness and occurrence in virtually all sedimentary deposits; it is datable by the U–Pb method and its Hf composition reflects the composition of the parent rock in which it crystallized. This study utilizes field observations with emphasis on paleocurrent measurements and U–Pb geochronology and Lu–Hf compositions of detrital zircons to gain information about the provenance of the Neoproterozoic–Cambrian Vestertana Group in the Tanafjord–Varangerfjord area, northern Norway. The Vestertana Group was deposited on the border between the Neoproterozoic to early Paleozoic continental margin of western Baltica and the Timanian basin in northwestern Russia. The group consists of five formations; from oldest to youngest: Smalfjord, Nyborg, Mortensnes, Stáhpogieddi, and Breidvika. A previous study claims that most of the sediments in the Vestertana Group were derived from southerly sources on the Fennoscandian Shield. However, a zircon population with ages around 552 Ma, appearing in the uppermost member in the Stáhpogieddi Formation, was suggested to be derived from the Timanian Orogen. The Timanian Orogen is inferred to have been located northeast of the study area. An inferred shift in the main paleocurrent direction from a northerly to a southerly direction is also used as an argument for a change in the source area within the Vestertana Group. Due to poor constraints on the extent of the Timanian Orogen and few detrital zircon studies in the northwestern part of Russia and Finnmark, one can question whether a Timanian source is correct or likely. The claimed shift in the main transport direction from a northerly to a southerly direction within the Stáhpogieddi Formation was not observed in this study. A radical change in the rate of sediment supply, which one might expect to see if the sedimentary basin went from being a passive margin into a foreland basin, as suggested by the Timanian model, was also not observed. However, several outcrops in other areas, such as the Digermul Peninsula and autochthonous parts of the Varanger Peninsula, should be investigated before concluding. The U–Pb and Lu–Hf data obtained from 16 samples from the Vestertana Group using LA-ICP-MS, show a strong Fennoscandian affinity in addition to input from an unknown Neoproterozoic source. Potential Neoproterozoic sources are for instance the Timanian Orogen or a hypothetical active western Baltican margin. Although no major changes related to paleocurrents or sediment-supply rates within the Stáhpogieddi Formation were observed, the input of late Neoproterozoic zircons found in the Ediacaran–Cambrian Manndrapselva Member of the Stáhpogieddi Formation indicates that a new source began to supply the sedimentary basin with sediments. Other studies show that zircons with ages between 700 and 600 Ma are found in older Ediacaran sedimentary rocks in southeastern Norway. These zircons cannot be derived from the Timanian Orogen, which implies that there must have existed another late Neoproterozoic source of zircon in Fennoscandia at the time. However, data from Cambrian–Silurian sedimentary rocks sampled in southern Norway have detrital zircon age spectra and Hf isotopic values that are different from samples from northern Norway and Russia. To determine the provenance of the late Neoproterozoic detrital zircons found in both the Vestertana Group and in other regions, more information about the potential late Neoproterozoic sources is needed. Currently, the knowledge about the Timanian Orogen and a hypothetical active western Baltican margin is limited. The late Neoproterozoic zircons can also be derived from a yet undiscovered source.