The tectonic evolution of the western part of the Svecofennian orogen, central Sweden : Insight from U/Pb and 40Ar/39Ar geochronology at Forsmark

Abstract

The Forsmark area, in the western part of the Svecofennian orogen, central Sweden, is situated between two major Palaeoproterozoic tectonic domains that show contrasting histories with respect to timing of igneous activity, ductile deformation and metamorphism. At Forsmark, WNW to NW trending, ductile deformation belts anastomose around tectonic lenses with an inferred lower degree of ductile strain. Geological features common to both of the adjacent tectonic domains are found in the area, which, consequently, is of key importance for the understanding of the tectonic evolution of the Svecofennian orogen in this region.



U/Pb zircon dating (6 ages), in combination with detailed field work, have revealed the existence of two calc-alkaline igneous suites at Forsmark. The older and most voluminous plutonic suite intruded at 1.89-1.87 Ga. It is affected by penetrative ductile deformation under amphibolite-facies metamorphic conditions. The younger, less voluminous and hypabyssal suite intruded at 1.86-1.85 Ga, during the waning stages of penetrative deformation and, thus, constrains the main phase of penetrative ductile amphibolite-facies deformation to between 1.87 and 1.86 Ga. Cross-cutting granite dykes, belonging to the younger suite, place an absolute minimum age for this deformational event to c. 1.85 Ga.



U/Pb titanite data (4 ages) support the constraints on the penetrative deformation. However, the data also suggest that the Forsmark area has been affected by one or more tectonothermal events after the intrusion of the 1.85 Ga granite dykes. This is confirmed by 40Ar/39Ar hornblende data (16 ages), which demonstrate the existence of two age generations, 1.83-1.82 Ga and 1.81-1.80 Ga, that are suggested to represent resetting of the argon isotope system in response to retrogressive, lower amphibolite- to upper greenschist-facies deformation restricted to discrete high-strain zones within the broader deformation belts. Furthermore, the data suggest that cooling to c. 500 °C took place at around 1.85 Ga and that the area then remained at similar temperatures until the 1.81-1.80 Ga tectonothermal event, during which it was uplifted to higher crustal levels. In addition, 40Ar/39Ar muscovite (5 ages) and biotite (29 ages) data suggest that cooling to 350 °C occurred around 1.75-1.70 Ga, whereas cooling to 300 °C took place at 1.73-1.66 Ga. The estimated uplift rate was at this time c. 22 m/m.y.



The Forsmark data, in combination with a compilation of available geochronological data for the time interval 1.91-1.84 Ga in central Sweden, point to the existence of at least two major tectonic cycles. Each cycle is characterised by igneous activity associated with extension, a short interval of compression (c. 10 m.y.), and migration of the tectonic activity. In this thesis, two contrasting conceptual tectonic models, which may explain the cyclic tectonic evolution of the western Svecofennian orogen in central Sweden, are discussed. The favoured model involves continuous subduction beneath a single active continental margin, combined with alternating subduction hinge retreat and advance. This model includes migration of what has been described as tectonic switching in some younger orogenic belts.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Området runt Forsmarks kärnkraftverk i Östhammars kommun, ca 80 km norr om Uppsala, valdes år 2000 ut som en av två möjliga kandidater för byggandet av ett slutförvar för använt kärnbränsle. År 2002 startade SKB (Svensk Kärnbränslehantering AB) en platsundersökning i området, vars syfte bland annat är att samla in tillräckligt mycket kunskap om berget och dess egenskaper, för att kunna upprätta en platsbeskrivning, samt en säkerhetsanalys. En del av undersökningsarbetet är att skapa sig en förståelse för hela den geologiska utvecklingen i Forsmarksområdet, från det att bergarterna bildades och fram till nutid. Den här avhandlingen, som i huvudsak är inriktad mot radiometrisk datering, har kommit till som ett led i detta.



Grunden i radiometrisk datering är att en del grundämnen har instabila isotoper som, med en bestämd hastighet, sönderfaller till stabila isotoper av ett annat grundämne. Ett exempel på detta är att uran (U) sönderfaller till bly (Pb). Vissa mineral innesluter en del uran i sitt kristallgitter när de bildas, men stöter samtidigt bort bly och kan därför användas för datering. Under tiden som går efter bildningen sönderfaller en del av uranet till bly, som därför ansamlas i kristallen. Denna process fungerar som ett tidtagarur och genom att mäta hur stort isotopförhållandet, mellan uran och bly, har hunnit bli fram till idag kan vi läsa av hur lång tid som förlöpt sedan kristallen bildades. Denna metod kallas U/Pb-metoden och har i denna avhandling använts på två olika mineral, zirkon och titanit. En annan metod som använts i avhandlingsarbetet, och som bygger på i stort sett samma princip, är 40Ar/39Ar-metoden. Skillnaden är att klockan i detta isotopsystem representeras av sönderfallet av kalium till argon (Ar) och att det lämpar sig för datering av andra mineral, som t.ex. hornblände, muskovit och biotit. Anledningen till att man vill datera olika mineral är att de kan ge olika typer av geologisk information. Exempelvis kan U/Pb-metoden användas på mineralet zirkon för att ta reda på när en bergart bildades, medan man bl.a. kan få information om när bergarten deformerades genom att analysera titanit. 40Ar/39Ar-metoden kan ge information om när deformation har skett, men den kan även tala om vid vilken tidpunkt kristallen (och bergarten som den sitter i) svalnade under en viss temperatur. Denna temperatur bestäms av vilket mineral man analyserar. Hornblände ger t.ex. en ålder på när kristallen svalnade under 500 °C, medan muskovit och biotit daterar lägre temperaturer (350 respektive 300 °C).



Huvudsyftet med denna avhandling har varit att i så stor detalj som möjligt rekonstruera den geologiska utvecklingen i Forsmark, från det att områdets magmatiska bergarter kristalliserade till dess att de svalnade under 300 °C. Resultaten visar att huvuddelen av de magmatiska bergarterna, som huvudsakligen utgörs av olika typer av granitoider, bildades för mellan 1.89 och 1.87 miljarder år sedan. Vid denna tid utgjorde Forsmark, och det som idag kallas för Bergslagen, en geologisk miljö som kan liknas vid dagens Nya Zealand, där oceanskorpa dyker ner (subduceras) under kontinentkanten och bidrar till en riklig förekomst av aktiva vulkaner.



I Forsmark skedde magmatism även lite senare, för mellan 1.86 och 1.85 miljarder år sedan. I tidsintervallet mellan de båda magmatiska pulserna utsattes området för kraftig deformation, i form av kompression, då de äldre bergarterna omvandlades till olika typer av gnejser. Troligen har den kraftiga kompressionen sin förklaring i att de geologiska förhållandena ändrades vid den plats där den subducerande oceanplattan mötte kontinentkanten. De magmatiska bergarter som bildades under den yngre pulsen utgör en betydligt mindre volym i Forsmark än vad deras äldre motsvarigheter gör. Detta antas bero på att det vulkaniskt aktiva området, ovanför den subducerande oceanplattan, successivt flyttade sig längre och längre bort ifrån Forsmarksområdet.



Resultaten visar även att Forsmarksområdet svalnade under 500 °C strax efter, eller i samband med, att de sista graniterna bildades i området, för ungefär 1.85 miljarder år sedan. Därefter höll sig temperaturen relativt stabil ända fram till för 1.80 miljarder år sedan. Då lyftes området upp till en högre nivå i jordskorpan, troligen p.g.a. storskalig kompressiv aktivitet längre söderut, och temperaturen sjönk till följd av detta. Avsvalningen ner till 300 °C tog ungefär 100 miljoner år och data från mineralet biotit visar även att Forsmarksområdet har hållit sig vid temperaturer under 300 °C ända sedan dess, d.v.s. i 1.70 miljarder år.

• author: Hermansson, Tobias
• supervisor: Laurence Page
• opponent: Docent Lahtinen, Raimo, Geological Survey of Finland
• organization: Lithosphere and Biosphere Science
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: physical geography, Geology, Svecofennian orogen, Tectonic models, Tectonic cycles, Uplift, Cooling, Ductile deformation, Geochronology, U/Pb, 40Ar/39Ar, Geologi, fysisk geografi, Petrology, mineralogy, geochemistry, Petrologi, mineralogi, geokemi
• in: Litholund theses
• issue: 15
• pages: 144 pages
• defense location: Geocentrum II (room 229), Sölvegatan 12, Lund
• defense date: 2007-09-28 10:00:00
• ISSN: 1651-6648
• ISSN: 1651-6648
• ISBN: 978-91-86746-98-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 745a6c44-b037-44b5-849c-03899d719c20 (old id 549006)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:44:12
• date last changed: 2019-05-21 15:07:48