U-Pb baddeleyite geochronology of Precambrian mafic dyke swarms and complexes in southern Africa - regional scale extensional events and the origin of the Bushveld Complex

Abstract

Dolerite dykes are formed when iron- and magnesium-rich (mafic) mantle-derived magmas ascend through the lithosphere (upper part of the mantle) and crystallize as ‘hydro-fractures’ within the crust. Dykes may exist in great numbers to form dyke swarms (linear or radiating), which can be linked to time periods of continental break-up, or attempted break-up events, associated with voluminous volcanism. Continental mafic dyke swarms are produced when the lithosphere is subjected to fracturing and therefore make up important markers of regional extensional events. Large dyke swarms have been hypothesized to represent the plumbing system to Large Igneous Provinces (LIPs), which are anomalously large magmatic settings (exceeding 100 000 km2) that apart from the dyke swarms also consist of thick flood basaltic lava flows and large mafic-ultramafic complexes. The origin of LIPs is debated, with the classical explanation involving melting triggered by a rising mantle plume (a column of very hot material from the deep mantle). Particularly dyke swarms with radiating patterns are believed to form during mantle plume generated melting events.



Most of the continental landmasses on Earth contain very old (Archean; 3.8–2.5 billion years old) and geologically stable interiors, called cratons, which also preserve the oldest dyke swarms. Southern Africa encompasses the Kaapvaal and the Zimbabwe cratons, which were glued together (amalgamated) along the Limpopo Mobile Belt. Together, these two ancient cratons record some of the most spectacular geological formations on Earth, and preserve numerous mafic magmatic units including the largest mafic-ultramafic layered intrusion in the world, the Bushveld Complex, as well as abundant undated dolerite dyke swarms of a range of trends. The goal of this work was to provide initial dating on these swarms and investigate their links with known major magmatic events. In particular, a key goal was to investigate whether any Bushveld-aged radiating dykes exist in the Kaapvaal Craton; in order to test for its mantle plume origin.



Rocks can be directly dated by isotopic systems on different types of minerals. Datings performed in the framework of this thesis comprises exclusively the uranium- (U) lead (Pb) isotope system on the mineral baddeleyite (ZrO2) to determine the crystallization age of dolerite dykes and their plutonic equivalents in the deeper parts of the crust. In short, U-Pb dating of mafic rocks in the oldest parts of the Kaapvaal Craton has revealed three separate, long-lived magmatic events, which represent important stages during the evolution of the craton, as well as a new model for the origin of the Bushveld Complex of which no mafic dykes have been found.



There is evidence of a 2990–2965 million years old (Ma) mafic dyke swarm and associated mafic complex that was intimately related to the rifting of the Pongola Basin – the world’s oldest continental rift and associated Nsuze lavas. There is also a radiating swarm of mafic dykes that can be connected to a mantle plume that impacted the Kaapvaal lithosphere at 2700–2660 Ma and injected massive amounts of mafic magma into the more than 200 km thick lithosphere, as well as erupting as a thick sequence of flood basalts. At depth, these mafic rocks were transformed (metamorphosed) into denser compositions (eclogite rocks) and exerted an enhanced weight to the lithosphere, which controlled the Transvaal Basin development at the surface.



Two billion years ago, Zimbabwe and Kaapvaal collided to form a single landmass. This tectonic event may have triggered the delamination of the dense plume-derived mafic root and thereby allowed for a rapid upwelling and massive decompressional partial melting of hot mantle, which produced the voluminous melts that had to be fed into the Bushveld Complex. Lastly, a northeast-trending dyke swarm was formed at 1875–1835 Ma along the northern border of the Kaapvaal Craton, and partially cutting across the Bushveld Complex. Together with the 1885–1870 Ma Mashonaland sill province in the Zimbabwe Craton, these intrusions represent the earliest coeval mafic magmatism across both cratons and hence support the hypothesis of a ca. 2.0 Ga collision between these two ancient cratons. However, this interpretation still remains to be tested by paleomagnetic constraints.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Diabasgångar (eng. dolerite dykes) bildas när järn- och magnesiumrika (mafiska) smältor från manteln transporteras upp genom jordskorpan och så småningom kyls av och kristalliserar i sprickor på djupet. Gångarna kan bli hundratals meter breda och kan uppträda i stort antal och bilda s.k. gångsvärmar vilka är uttryck för perioder då jordskorpan har utsatts för extensionella krafter. Kontinentala gångsvärmar länkas ofta ihop med omfattande magmatism och vulkanism, som ibland haft katastrofal inverkan på livets utveckling. I vissa fall, och speciellt de som bildats i samband med s.k. mantelplymer, kan dessa magmatiska händelser relateras till uppsprickning av superkontinenter.

De flesta av jordens landkontinenter består av delar som är uppbyggd av mycket gammal berggrund (Arkeisk; 3,8–2,5 miljarder år) som benämns kratoner, i vilka man också återfinner de äldsta diabasgångsvärmarna. Södra Afrika består geologiskt sett av två kratoner, Kaapvaal och Zimbabwe, omgivna av yngre geologiska områden. Tillsammans utgör dessa ett välbevarat ca 3,7 miljarder år gammalt geologiskt ”arkiv” med flera unika geologiska formationer. Ur ett ekonomiskt perspektiv är dessa kratoner ovärderliga för deras stora malmförekomster av guld, diamant, järn, nickel, krom och platina. Malmprovinserna kan ofta länkas ihop med storskaliga geologiska händelser. Ett exempel är det 65 000 km2 stora Bushveldkomplexet i Kaapvaalkratonen, bildat då enorma volymer av mafisk magma kristalliserade i jordskorpan för två miljarder år sedan. Bushveldkomplexets bildning har länge gäckat forskare världen över där den mest ”populära” förklaringen innebär att en mantelplym (en ballongformad kropp av mycket varmt material från jordens inre) trängde upp genom Kaapvaalkratonen och orsakade massiv produktion av magma. På senare tid har dock även alternativa hypoteser lagts fram som bland annat involverar smältbildning i anslutning till en s.k. subduktionszon (liknande dagens plattektoniska situation i Anderna) eller i samband med ett gigantiskt asteroidnedslag.

I de arkeiska graniterna och gnejserna öster om Bushveldkomplexet finns tre stora diabasgångsvärmar som radierar ut från ett centrum i Bushveldkomplexet. Denna geometri av diabasgångar anses vara asssocierad med mantelplymer och uppkommer då plymhuvudet trycker på underifrån och får litosfären (jordens hårda yttre ”skal”) att bukta uppåt, samtidigt som delar av manteln smälter upp. Den nybildade magman fyller ut sprickor och letar sig upp genom litosfären med omfattande vulkanism som följd. Ett av målen med detta doktorandprojekt har varit att undersöka ifall diabasgångarna i östra Kaapvaal kan kopplas till Bushveldkomplexets bildning för två miljarder år sedan.

För att åldersbestämma bergarter (geokronologi) så exakt som möjligt, använder man sig av de radioaktiva isotoperna 238U och 235U. Uranisotoperna sönderfaller med kända hastigheter till blyisotoperna 206Pb respektive 207Pb, och genom att analysera förhållandet mellan Pb- och U-isotoper kan man räkna ut provets ålder med mycket hög precision (felmarginaler ned till ±0,1 %). Diabas som bergart innehåller ofta små mängder av mineralet baddeleyit (ZrO2) som är optimalt för U-Pb datering av mafiska bergarter.



Datering av mafiska bergarter i den äldsta delen av Kaapvaalkratonen har resulterat i upptäckten av tre separata magmatiska händelser som har visat sig ha stora betydelser för kratonens långa historia, samt även i en ny modell över Bushveldkomplexets bildning. Den första händelsen inträffade för 2990–2965 miljoner år sedan då Usushwanakomplexet bildades tillsammans med en nordväst-sydostlig gångsvärm som åldersmässigt och geokemiskt kan korreleras med lavor i Pongolabassängen, den senare som antas vara världens äldsta kontinentala rift.



För mellan 2700 och 2660 miljoner år sedan bildades en radierande svärm av diabasgångar som kan knytas till en manteplym i centrala Kaapvaalkratonen. De radierande gångsystemen matade under en lång period fram magma till stora vulkaniska fält och kan korreleras geokemiskt med Ventersdorpgruppens flodbasaltiska lavor. Mantelplymen injekterade stora mängder magma i den mer än 200 km tjocka litosfären och på dessa djup kommer mafiska bergarter att omvandlas (eklogitiseras) vilket innebär att de får en markant högre densitet. Denna omvandling medförde att litosfärens tyngd ökade successivt och orsakade bildningen av en bassäng i vilka sedimentära bergarter bildades. Genom denna process avsattes tjocka sekvenser av sediment under ca 600 miljoner år och resulterade i vad vi idag kallar för Transvaalbassängen.



För två miljarder år sedan utsattes södra Afrika för omfattande deformation och metamorfos i samband med att Zimbabwe och Kaapvaal kolliderade och bildade en gemensam landmassa. En sådan kollision kan ha medverkat till att en del av den tunga mantelroten nu släppte och sjönk ned i den underliggande manteln (astenosfären). Mängder av varm astenosfärisk mantel vällde upp för att fylla ut den ”hålighet” som nu bildats i litosfären och började smälta upp. De gigantiska magmavolymerna trängde upp genom jordskorpan och Transvaalbassängen för att sedan bilda Bushveldkomplexet. Denna nya modell knyter samman den 2,7 miljarder år gamla mantelplymen, utvecklingen av Transvaalbassängen och bildandet av Bushveldkomplexet i en och samma geodynamiska modell.



Slutligen, har bildandet av en nordostlig svärm av basaltiska diabasgångar (Black Hillssvärmen) daterats till 1875–1835 miljoner år. Denna nyupptäckta gångsvärms geokemiska signatur och dess ålder kan korreleras med mafiska intrusioner och basaltiska lavor spridda över en bred zon över norra Kaapvaalkratonen. Tillsammans med den 1885–1870 miljoner år gamla Mashonalandprovinsen i Zimbabwekratonen, utgör diabassvärmen den tidigaste samtida perioden av mafisk magmatism representerad på bägge kratonerna. Detta är ännu ett bevis för att Zimbabwe och Kaapvaal kolliderade för två miljarder år sedan, istället för 2,7 miljarder år sedan som tidigare föreslagits. Denna slutsats har dock ännu inte bekräftats med paleomagnetiska metoder, som snarare visar på att Kaapvaal och Zimbabwe kratonerna var långt ifrån varandra då Mashonalandprovinsen och Black Hillssvärmen bildades.

• author: Olsson, Johan
• supervisor: Ulf Söderlund
• opponent: PhD, senior lecturer de Kock, Michiel, Department of Geology, University of Johannesburg, South Africa
• organization: Lithosphere and Biosphere Science
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: U-Pb TIMS geochronology, geochemistry, baddeleyite, mafic dyke swarms, mantle plume, Bushveld Complex, Kaapvaal Craton, Zimbabwe Craton, Archean, Proterozoic
• in: Litholund theses
• issue: 22
• pages: 106 pages
• defense location: Department of Geology, Lund University, Sölvegatan 12, 223 62, Lund
• defense date: 2012-06-01 13:00:00
• ISSN: 1651-6648
• ISBN: 978-91-86746-75-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 878a41a0-0460-43cb-a231-ca851587cc52 (old id 2520533)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:59:45
• date last changed: 2019-05-21 15:01:13