Painting the volcanic landscape of early Fennoscandia : Geochronology of the Meso- and Neoarchaean Suomussalmi-Kuhmo-Tipasjärvi greenstone complex, Karelia Province, Finland

Abstract

Archaean cratons contain the oldest parts of the Earth s crust that have survived crustal recycling processes. Archaean greenstone belts are vital parts of these cratons and preserve the oldest volcanoclastic and sedimentary rocks on Earth. They play an important part in the study of the evolution of the early Earth and formation of stable continental crust. One of the most important questions related to Archaean greenstone belts is how they were initially formed. Various tectonic processes have been suggested and the pertinent geological environments remain open for scientific debate. Absolute age determinations of plutonic and supracrustal rocks provide an essential tool for understanding crustal evolution of the early Earth.

This thesis focuses on the largest Archae¬an greenstone association in eastern Finland: the Suomussalmi-Kuhmo-Tipasjärvi complex, which belongs to the Karelia Province of the Fennoscandian shield. The main objective of the thesis is to constrain a detailed geochronology for the felsic and intermediate volcanic rocks, as well as sedimentary rocks of the greenstone complex, and associated plutonic rocks. The ages of the selected samples were determined with second¬ary ion mass spectrometry (SIMS) and laser-ab¬lation multi-collector inductively-coupled-mass-spectrometry (LA-MC-ICPMS), and whole-rock samples were analyzed for their major and trace element compositions.

The felsic and intermediate volcanic rocks of the Suomussalmi-Kuhmo-Tipasjärvi green¬stone complex can be divided into four distinct age groups based on pre-existing and new geochronological data: 2.94 Ga, 2.84 Ga, 2.82 Ga, and 2.80 2.79 Ga. The Suomussalmi greenstone belt contains the oldest volcanic phase (2.94 Ga), and the Tipasjärvi and Kuhmo greenstone belts the youngest volcanic phase (2.80 2.79 Ga). The new age determinations validate a chronostrati¬graphic interpretation for each belt. The updated chronostratigraphic model of the Suomussalmi greenstone belt comprises four volcanic units: ca. 2.94 Ga (Luoma unit), 2.87 Ga (age from a mafic rock; Tormua unit), 2.84 Ga (Ahvenlahti unit) and 2.82 Ga (Mesa-aho unit). The Kuhmo greenstone belt is interpreted to contain two units comprised of mainly volcanic rocks (Siivikkovaara and Nuolikangas) and a unit containing sedimentary material deposited after the end of the volcanism (Ronkaperä). Both the Nuolikangas unit (ca. 2.84 Ga) and the Siivikkovaara unit (ca. 2.80 2.79 Ga) also contain mafic and ultramafic rocks. The Tipasjärvi greenstone belt comprises three volcanic units with ages of ca. 2.84 Ga (Talassuo unit), 2.82 Ga (Hietaperä unit), 2.80 Ga (Koivumäki unit), and Kokkoniemi unit mainly composed of sedimentary rocks depos¬ited after the end of the volcanism.

Based on available data, the ca. 2.94 Ga volcanic rocks of the complex register an older continent. The younger volcanic rocks with ages of ca. 2.84 2.79 Ga formed via interaction between the older continent and oceanic lithosphere, or during rifting of the older continent.

Arkeeiset vihreäkivivyöhykkeet ovat merkkejä kallioperämme vanhimmista tulivuoriperäisistä kivistä. Arkeeisia vihreäkivivyöhykkeitä löytyy lähes jokaisen manneralueen vakaista osista ja ne muodostavat tärkeän osan maapallon kehitystä nykyisenkaltaiseksi, elinkelpoiseksi planeetaksi. Nykyaikaisen laattatektoniikkaprosessien alkamisajankohtaa ei kuitenkaan vielä tarkkaan tiedetä, vaikka monet geologisista todisteista viittaavat niiden alkaneen arkeeisella ajalla. Näiden vanhimpien tulivuoriperäisten kivien kehityksen tutkimuksen kannalta on tärkeä tietää, milloin vihreäkivivyöhykkeitä muodostavat pintakivet kerrostuivat. Tähän tarvitaan absoluuttisia iänmäärityksiä vyöhykkeiden kivistä. Tässä väitöskirjatyössä käsitellään Suomussalmen, Kuhmon ja Tipasjärven alueille levittäytyvien arkeeisten vihreäkivivyöhykkeiden tarkempaa kerrosjärjestystä ja ikäjakaumaa (kronostratigrafinen tutkimus). Suomussalmi-Kuhmo- Tipasjärvi vihreäkivivyöhykkeen alue on mielenkiintoinen tutkimuskohde, sillä siltä löytyvät Suomen vanhimmat, noin 2,94 miljardia vuotta vanhat, tulivuoriperäiset kivet. Yksityiskohtaisen kronostratigrafisen tutkimuksen kautta on ollut mahdollista tarkentaa vyöhykkeiden vulkaniittien ikäjakaumaa niin yksittäisten vyöhykkeiden sisällä kuin vyöhykkeiden kesken.

Jo olemassa olevan ja tässä työssä julkaistavan geokronologisen aineiston perusteella Suomussalmi-Kuhmo-Tipasjärvi vihreäkivivyöhykkeen happamat vulkaniitit voidaan jakaa neljään ikäryhmään. Vanhin ikäryhmä, joka muodoistui noin 2,94 miljardia vuotta sitten, Suomussalmen vihreäkivivyöhykkeeltä. Nuorimmat vulkaniitit ovat syntyneet noin 2,80 2,79 miljardia vuotta sitten ja tämän ikäryhmän vulkaniitteja löytyy Kuhmon ja Tipasjärven vihreäkivivyöhykkeiltä. Noin 2,84 miljardia vuotta sitten muodostuneita vulkaniitteja löytyy uusien tutkimuksen perusteella jokaiselta erilliseltä vyöhykkeeltä. Ikäryhmä 2,82 Ga löytyy Suomussalmen ja Tipasjärven vihreäkivivyöhykkeiltä, ja osa Kuhmon vihreäkivivyöhykkeen pintakivistä sisältää zirkonikiteitä, joiden ikä on noin 2,82 Ga.

Tässä väitöskirjatyössä esitetään, että saatavilla olevan geologisen tiedon perusteella Suomussalmelta löytyvät 2,94 Ga ikäiset kivet ovat todennäköisesti osa vanhempaa mannerta ja nuoremmat vulkaaniset kivet (2,84 2,79 Ga) syntyivät joko tämän vanhemman mantereen ja merellisen litosfäärilaatan vuorovaikutuksessa tai vanhemman mantereen repeämisessä.