The prehistory of Suomussalmi, eastern Finland; the first billion years as revealed by isotopes and the composition of granitoid suites

The four papers summarized in this thesis deal with the Archean and earliest Paleoproterozoic granitoid suites observed in the Suomussalmi district, eastern Finland. Geologically, the area belongs to the Kianta Complex of the Western Karelian Terrane in the Karelian Province of the Fennoscandian shield. The inherited zircons up to 3440 Ma old together with Sm Nd and Pb Pb data confirm the existence of previously anticipated Paleoarchean protocrust in Suomussalmi. The general timeline of granitoid magmatism is similar to that of the surrounding areas. TTG magmatism occurred in three distinct phases: ca 2.95 Ga, 2.83 2.78 Ga and 2.76 2.74 Ga. In Suomussalmi the TTGs sensu stricto (K2O/Na2O less than 0.5) belong to the low-HREE type and are interpreted as partial melts of garnet amphibolites, which did not significantly interact with mantle peridotites. Transitional TTGs (K2O/Na2O more than 0.5), present in Suomussalmi and absent from surrounding areas, display higher LILE concentrations, but otherwise closely resemble the TTGs sensu stricto and indicate that recycling of felsic crust commenced in Suomussalmi 200 Ma earlier than in surrounding areas. The youngest TTG phase was coeval with the intrusion of the Likamännikkö quartz alkali feldspar syenite (2741 ± 2 Ma) complex. The complex contains angular fragments of ultrabasic rock, which display considerable compositional heterogeneity and are interpreted as cumulates containing clinopyroxene (generally altered to actinolite), apatite, allanite, epidote, and albite. The quartz alkali feldspar syenite cannot be regarded as alkaline sensu stricto, despite clear alkaline affinities. Within Likamännikkö there are also calcite carbonatite patches, which display mantle-like O- and C-isotope values, as well as trace element characteristics consistent with a magmatic origin, and could thus be among the oldest known carbonatites in the world. Sanukitoid (2.73 2.71 Ga) and quartz diorite suites (2.70 Ga) overlap within error margins and display compositional similarities, but can be differentiated from each other on the basis of higher Ba, K2O and LREE contents of the sanukitoids. The Likamännikkö complex, sanukitoids and quartz diorites are interpreted as originating from the metasomatized mantle and mark the diversification of the granitoid clan after 200 Ma of evolution dominated by the TTG suite. Widespread migmatization and the intrusion of anatectic leucogranitoids as dykes and intrusions of varying size took place at 2.70 2.69 Ga, following collisional thickening of the crust. The leucogranitoids and leucosomes of migmatized TTGs are compositionally alike and characterized by high silica contents and a leucocratic appearance. Due to compositional overlap, definitive discrimination between leucogranitoids and transitional TTGs requires isotope datings and/or knowledge of field relationships. Leucogranitoids represent partial melts of the local TTGs, both the sensu stricto and transitional types, mostly derived under water fluxed conditions, with possible fluid sources being late sanukitoids and quartz diorites as well as dehydrating lower crust. The Paleoproterozoic 2.44 2.39 Ga A-type granitoids of the Kianta Complex emplaced in an extensional environment are linked to the coeval and more widespread mafic intrusions and dykes observed over most of the Archean nucleus of the Fennoscandian shield. The A-type intrusions in the Suomussalmi area are interpreted as partial melts of the Archean lower crust and display differences in composition and magnetite content, which indicate differences in the composition and oxidation state of the source.

Suomussalmen ja koko Itä-Suomen kallioperä kuuluu Suomen, ja myös Euroopan unionin, vanhimpiin. Se koostuu pääasiassa granitoideista eli graniitin kaltaisista kivilajeista ja on suurimmaksi osaksi muodostunut arkeeisella ajalla yli 2500 miljoonaa vuotta sitten. Viimeaikoina arkeeisen tutkimuksen polttopisteessä on ollut kysymys siitä kuinka paljon, jos ollenkaan, silloinen laattatektoniikka muistutti nykyisin havaittavaa systeemiä. Tätä kysymystä voidaan arvioida tutkimalla granitoidien kemiallisia- ja isotooppikoostumuksesta saatavien vihjeiden avulla. Tutkimuksen tulokset vahvistavat aiemmat viitteet siitä että alueen geologinen historia ulottuu yli 3000 miljoonan vuoden taakse. Tämä voidaan osoittaa muun muassa yksittäisten zirkoni-mineraalikiteiden uraani-lyijy isotooppisuhteiden avulla. Vanhimmat kivet alueella ovat noin 2950 miljoonaa vuotta vanhoja, pääosan ollessa 2800 2700 miljoonaa vuotta vanhoja. Noin 2700 miljoonaa vuotta sitten mannerkuori alueella paksuuntui pienempien mannerlaattojen törmätessä toisiinsa, tähän paksuuntumiseen liittyvän lämpenemisen seurauksena vanhemmat kivilajit osittain sulivat ja syntyi alueelle tyypilliset migmatiitit eli seoskivet. Törmäysvaihetta seurasi pitkä rauhallinen jakso, joka päättyi 2440 miljoonaa vuotta sitten koostumukseltaan Etelä-Suomen suuria rapakivimassiiveja muistuttavien graniittien tunkeutuessa vanhaan mannerkuoreen, sen repeämisen alkuvaiheissa. Tutkimuksien yhteydessä löydettiin Suomussalmen Likamänniköstä 2740 miljoonaa vuotta vanha kvartsi-alkalimääsälpäsyeniitti, joka edustaa aiemmin arkeeiselta ajalta tuntematonta kivilajityyppiä maassamme. Vastaavan koostumuksisia ja ikäisiä intruusioita tunnetaan maailmaltakin vain muutamia, lähinnä Pohjois-Norjasta, Grönlannista ja Kanadasta Alueen granitoidien kemiallisissa- ja isotooppikoostumuksissa ei ole havaittavissa viitteitä nykyisen kaltaisesta laattatektoniikasta, jossa merellinen kuori painuu mantereisen alle, ennen kuin noin 2750 miljoonaa vuotta sitten. Tämän jälkeen alueen granitoidien koostumukset muuttuvat ja samalla monipuolistuvat, osoittaen vallinneen laattatektoniikan luonteen muuttuneen enemmän nykyistä muistuttavaksi. Paitsi puhtaan tieteellisesti mielenkiintoisia, tutkimuksen tuloksena saavutettu parempi kokonaiskuva kallioperän kehityksestä auttaa myös alueella tapahtuvaa malminetsintää.