Paleomagnetic and rock magnetic study with emphasis on the Precambrian intrusions and impact structures in Fennoscandia and South Africa

Abstract

The importance of supercontinents in our understanding of the geological evolution of the planet Earth has been recently emphasized. The role of paleomagnetism in reconstructing lithospheric blocks in their ancient paleopositions is vital. Paleomagnetism is the only quantitative tool for providing ancient latitudes and azimuthal orientations of continents. It also yields information of content of the geomagnetic field in the past. In order to obtain a continuous record on the positions of continents, dated intrusive rocks are required in temporal progression. This is not always possible due to pulse-like occurrences of dykes. In this work we demonstrate that studies of meteorite impact-related rocks may fill some gaps in the paleomagnetic record.

This dissertation is based on paleomagnetic and rock magnetic data obtained from samples of the Jänisjärvi impact structure (Russian Karelia, most recent 40Ar-39Ar age of 682 Ma), the Salla diabase dyke (North Finland, U-Pb 1122 Ma), the Valaam monzodioritic sill (Russian Karelia, U-Pb 1458 Ma), and the Vredefort impact structure (South Africa, 2023 Ma).

The paleomagnetic study of Jänisjärvi samples was made in order to obtain a pole for Baltica, which lacks paleomagnetic data from 750 to ca. 600 Ma. The position of Baltica at ca. 700 Ma is relevant in order to verify whether the supercontinent Rodinia was already fragmented.

The paleomagnetic study of the Salla dyke was conducted to examine the position of Baltica at the onset of supercontinent Rodinia's formation. The virtual geomagnetic pole (VGP) from Salla dyke provides hints that the Mesoproterozoic Baltica - Laurentia unity in the Hudsonland (Columbia, Nuna) supercontinent assembly may have lasted until 1.12 Ga. Moreover, the new VGP of Salla dyke provides new constraint on the timing of the rotation of Baltica relative to Laurentia (e.g. Gower et al., 1990).

A paleomagnetic study of the Valaam sill was carried out in order to shed light into the question of existence of Baltica-Laurentia unity in the supercontinent Hudsonland. Combined with results from dyke complex of the Lake Ladoga region (Schehrbakova et al., 2008) a new robust paleomagnetic pole for Baltica is obtained. This pole places Baltica on a latitude of 10°. This low latitude location is supported also by Mesoproterozoic 1.5–1.3 Ga red-bed sedimentation (for example the Satakunta sandstone).

The Vredefort impactite samples provide a well dated (2.02 Ga) pole for the Kaapvaal Craton. Rock magnetic data reveal unusually high Koenigsberger ratios (Q values) in all studied lithologies of the Vredefort dome. The high Q values are now first time also seen in samples from the Johannesburg Dome (ca. 120 km away) where there is no impact evidence. Thus, a direct causative link of high Q values to the Vredefort impact event can be ruled out.

Geologisen historian kuluessa kilpialueet, kuten Baltican (= Fennoskandia, Sarmatia ja Volgo-Uralia) kilpi, ovat muodostaneet ns. supermantereita. Viime aikoina on korostunut supermannertutkimuksen merkitys Maapallon geologisen historian valottajana. Paleomagnetismin avulla sadaan tietoa Maan magneettikentän historiasta ja se on menetelmänä ensiarvoisen tärkeässä asemassa supermannertutkimuksessa. Se on ainoa kvantitatiivinen menetelmä, jonka tulosten avulla voidaan ennallistaa mantereen muinainen asema (leveyspiiri ja orientaatio). Saadaksemme jatkuvaa tietoa mantereen asemasta geologisen ajan kuluessa, tarvitsemme ajoitettuja kivinäytteitä aikasarjassa. Tämä ei ole aina mahdollista mm. juonikivien pulssimaisen syntytavan johdosta. Tässä työssä osoitamme että meteoriittien synnyttämien törmäysrakenteiden kivien tutkimus voi täyttää paleomagneettisen aineiston aukkoja.

Väitöskirjatyötä varten on tehty paleo- ja kivimagneettisia tutkimuksia kivinäytteille, jotka on otettu seuraavista kohteista: i) Jänisjärven törmäysrakenne (Venäjän Karjala, ikä 682 miljoonaa vuotta), ii) Sallan diabaasijuoni (Pohjois-Suomi, ikä 1122 miljoonaa vuotta), iii) Valamon saaren montsodioriittinen kerrosmyötäinen juoni (Venäjän Karjala, ikä 1458 miljoonaa vuotta) ja iv) Vredefortin törmäysrakenne (Etelä-Afrikka, ikä 2023 miljoonaa vuotta).

Valamon kerrosmyötäisestä juonesta otettujen näytteiden paleomagneettiset tulokset yhdistettynä muihin Laatokan alueelta tehtyihin paleomagneettisiin tutkimuksiin tuottivat vakaan paleomagneettisen navan. Tämän navan perusteella kykenimme ennallistamaan Baltican aseman supermanner Hudsonlandissa (Columbia, Nuna). Laurentiassa olevien saman ikäisten muodostumien paleomagneettisen aineiston perusteella kykenemme tarkastelemaan tarkemmin tämän (Baltica-Laurentia) supermanner Hudsonlandin ytimen muodostaneen kaksikon elinkaarta. Sallan juoninäytteiden tutkimus puolestaan tuotti tietoa Baltican asemasta supermanner Rodinian syntyajankohdan ajoilta. Jänisjärven törmäyssulanäytteiden tutkimus oli merkityksellinen tutkittaessa Rodinian hajoamista. Tämän lisäksi osoitimme, että paleomagneettisen aineiston perusteella Baltica ja Laurentia ovat liikkuneet yhdessä 1,76 – 1,12 miljardia vuotta sitten. Geologinen tieto tukee myös sitä, että mantereet olivat yhdessä jo 1,83 miljardia vuotta sitten (esim. Gower et al., 1990; Gorbachev and Bogdanova, 1993).

Törmäyskivinäytteet Vredefortin impaktikraatterista tuottivat hyvin ajoitetun navan Kaapvaalin kilvelle. Tämän lisäksi useita eri litologiaa edustavien näytteiden kivimagneettiset tutkimukset osoittivat epänormaalin suuria magnetoituman arvoja sekä Vredefortin että Johannesburgin (120 km törmäysrakenteesta) alueen näytteissä. Aikaisemmin on esitetty, että Vredefortin törmäysrakenteiden kivien suuret magnetoituman arvot johtuvat meteoriitin törmäyksestä. Kuitenkin se, että näitä suuria arvoja on nyt ensimmäsitä kertaa havaittu myös Johannesburgista otetuissa kivinäytteissä sulkee pois suoran yhteyden meteoriitin törmäykseen.