Archaean crustal evolution in eastern Finland : New geochronological and geochemical constraints from the Kuhmo terrain and the Nurmes belt

This thesis summarises the results of four original papers concerning U-Pb geochronology and geochemical evolution of Archaean rocks from the Kuhmo terrain and the Nurmes belt, eastern Finland. The study area belongs to a typical Archaean granite-greenstone terrain, composed of metavolcanic and metasedimentary rocks in generally N-S trending greenstone belts as well as a granitoid-gneiss complex with intervening gneissic and migmatised supracrustal and plutonic rocks. U-Pb data on migmatite mesosomes indicate that the crust surrounding the Tipasjärvi-Kuhmo-Suomussalmi greenstone belt is of varying age. The oldest protolith detected for a migmatite mesosome from the granitoid-gneiss complex is 2.94 Ga, whereas the other dated migmatites protoliths have ages of 2.84 2.79 Ga. The latter protoliths are syngenetic with the majority of volcanic rocks in the adjacent Tipasjärvi-Kuhmo-Suomussalmi greenstone belt. This suggests that the genesis of some of the volcanic rocks within the greenstone belt and surrounding migmatite protoliths could be linked. Metamorphic zircon overgrowths with ages of 2.84 2.81 Ga were also obtained. The non-migmatised plutonic rocks in the Kuhmo terrain and in the Nurmes belt record secular geochemical evolution, typical of Archaean cratons. The studied tonalitic rocks have ages of 2.83 2.75 Ga and they have geochemical characteristics similar to low-Al and high-Al TTD (tonalite-trondhjemite-dacite). The granodiorites, diorites, and gabbros with high Mg/Fe and LILE-enriched characteristics were mostly emplaced between 2.74 2.70 Ga and they exhibit geochemical characteristics typical of Archaean sanukitoid suites. The latest identified plutonic episode took place at 2.70 2.68 Ga, when compositionally heterogeneous leucocratic granitoid rocks, with a variable crustal component, were emplaced. U-Pb data on migmatite leucosomes suggest that leucosome generation may have been coeval with this latest plutonic event. On the basis of available U-Pb and Sm-Nd isotopic data it appears that the plutonic rocks of the Kuhmo terrain and the Nurmes belt do not contain any significant input from Palaeoarchaean sources. A characteristic feature of the Nurmes belt is the presence of migmatised paragneisses, locally preserving primary edimentary structures, with sporadic amphibolite intercalations. U-Pb studies on zircons indicate that the precursors of the Nurmes paragneisses were graywackes that were deposited between 2.71 Ga and 2.69 Ga and that they had a prominent 2.75 2.70 Ga source. Nd isotopic and whole-rock geochemical data for the intercalated amphibolites imply MORB sources. U-Pb data on zircons from the plutonic rocks and paragneisses reveal that metamorphic zircon growth took place at 2.72 2.63 Ga. This was the last tectonothermal event related to cratonisation of the Archaean crust of eastern Finland.

Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu Kuhmon alueen ja Nurmeksen vyöhykkeen arkeeisten granitoidien, migmatiittien ja gneissien ikää sekä alkuperää geokemiallisin ja isotooppigeokemiallisin menetelmin. Iänmääritykseen käytettiin U-Pb -isotooppeihin pohjautuvaa sekundääri-ionimassaspektrometriaa yksittäisten zirkonikiteiden osista sekä perinteistä termiseen ionisaatioon perustuvaa U-Pb -isotooppianalytiikkaa zirkoni- ja titaniittiraepopulaatioille. Kivilajien karakterisoinnissa käytetiin lisäksi kokokivigeokemiaa sekä Sm-Nd -isotooppianalytikkaa. U-Pb -isotooppianalytiikka paljasti, että osa zirkonikiteistä, jotka ajoitettiin migmatiitin mesosomista Kuhmon vihreäkivivyöhykkeen itäpuolelta, ovat 2.94 miljardia vuotta vanhoja. Kiteiden tulkittiin edustavan kiven magmaattista ikää. Kolmen muun alueelta otetun migmatiittinäytteen mesosomien zirkoneista saatiin pääosin 2.79 - 2.84 miljardia vuotta vanhoja ikiä. Jälkimmäiset iät vastaavat erästä vulkaanista vaihetta viereiseltä Tipasjärvi-Kuhmo-Suomussalmi -vihreäkivivyöhykkeeltä. Tämän seurauksena on mahdollista, että joillakin vihreäkivivyöhykkeen kivillä ja sitä ympäröivillä kivillä on geneettinen yhteys. Tutkimusalueen kivistä saadut uudet U-Pb -iänmääritykset yhdessä aiempien iänmääritysten ja uuden geokemiallisen datan kanssa vahvistivat käsitystä, että syväkivien geokemiallinen kehitys on sidoksissa ikään. Vanhimmat tunnetut tutkimusalueen ei-migmatiittiset kivet ovat tonaliitteja, joiden ikä vaihtelee 2.83 - 2.75 miljardin vuoden välillä. Noin 2.74 miljardia vuotta vanhoissa ja osassa sen jälkeen syntyneissä syväkivissä havaitaan arkeeisille sanukitoidi-sarjan kiville tyypillinen geokemiallinen luonne. Myöhäisimmät tunnetut arkeeiset syväkivet ovat pääosin leukokraattisia graniitteja ja granodioriitteja. Niiden syntymisen päävaihe on ajoitettu 2.70 ja 2.68 miljardin vuoden välille. Migmatiittien leukosomeista havaittiin myös samanikäisiä zirkonikiteitä. Sm-Nd -isotooppien perusteella tutkimusalueen tonaliitit ovat verrattain juveniilia materiaalia, kun taas valtaosa myöhäisistä leukokraattisista granodioriiteista ja -graniiteista vaikuttaisi olevan peräisin pääosin aiemmin syntyneestä maankuoresta. Nurmeksen vyöhykkeelle ominainen piirre on sedimentäärisperäisten gneissien, eli paragneissien yleisyys. U-Pb -isotooppianalytiikan perusteella paragneissien lähtökivilaji on pääosin peräisin noin 2.70 - 2.75 miljardia vuotta vanhasta materiaalista. Ottaen huomioon analyyttiset virherajat, sedimenttikiven kerrostuminen on tapahtunut noin 2.69 ja 2.71 miljardia vuotta sitten. Myöhäisin tunnettu tektonoterminen vaihe alueen arkeeisen kuoren kehityksessä on kivien metamorfoosi, joka tutkimusalueelta analysoitujen näytteiden perusteella on 2.72 - 2.63 miljardia vuotta vanhaa.