27‐1‐2014

1

Over de bouw, ouderdom en aard van het Baltische Schild

Een beknopt overzicht van de geologische ontwikkeling

van het kristallijne grondgebergtein Scandinavië

Herman van Roermund

Het Baltische Schild

Geologische kaart van  (west) Europa Satelietopname

Geografisch: Noorwegen, Zwedenen Finland

Geologisch: kristallijn gesteentevan pre‐Cambrische (en latere) 

ouderdom

ScandinavischeCaledoniden (wit)

Topografischgesproken

eenrelatief vlak

gebied (dat heltnaar het oosten)

TopografieHet kristallijne grondgebergte van Scandinavië

Het kristallijne grondgebergte = “Baltica” + Scandinavische Caledoniden

Baltica versus Fennoscandia

Baltica

De naamgeving van het meest noordelijke “craton” in Europa is recentelijk veranderd

= het kristallijne grondgebergte= de “Kristallijne Plaat “= Het Baltische Schild/Craton

Klassieketerminolgie

Johansson (2009)

Fennoscandia + Scandinavische Caledoniden

Moderne terminologie

Wat is kristallijn gesteente? 

Het bestaat uit losse “korrels” (getransporteerd vanuit een bron gebied)

Kristal structuur

sediment

atomen

“Mineraal”

Eenkristal

Amorfkristal

Poly‐kristallijnmet korrelgrensKristallijn

NederlandScandinavie

1) Sedimenten

2) Metamorfe gesteente

3) Diepte of stollings gesteenten

In de Geologie onderscheiden wij drie type basis gesteente

Kristallijne korst(basement)

Sedimenten(sedimentair basin)

NEDERLAND

SCANDINAVIË

Aan het oppervlak geërodeerd, getransporteerd en afgezetmateriaal

Kristallijngesteente

Gekristalliseerd vanuit een smelt fase

Vlieland

Granaathoudende migmatische gneiss

± magmatisch gesteente

Geologische kaart van  (west) EuropaKristallijn gesteente

Sedimentair gesteente

Waarom geen kristallijn gesteenteontsloten aan het oppervlak

in Nederland?

27‐1‐2014

2

Opzetpraatje

Aanvang ijstijden:  ≈ 2.5 Ma   transport kristallijne zwerfstenen

Sindsdien vorming glaciale relief 

gevolgd door lichte Alpiene erosieveoverprint

Ouderdom oudste gesteente Baltische Schild: Archaeische gneissen/metamorf gesteente ≈ > 3.0 Ga 

400-500 Ma

tijd

ScandinavischeCaledoniden

Gletsjer dal Lofoten

Kristallijn gesteente

Wat is er geologische allemaal met deze 

kristallijne korst gebeurd?Maw “Hoe is het 

gemaakt”?

First order model

Storfjord, WGR, SW Norway

SchiermonnikoogKomvormigGletsjer dal

BeginnendeAlpine erosie

Verloopvan de Tijd

Ijstijden classificatie tabel

Wat is de ouderdom van (oudste deel van) hetBaltische Schild? 

De Geologische tijdschaal

Het Phanerozoicum

De Geologische tijdschaal en de Evolutie van het leven

Wat is er indeze

tijd-spannemet het

Baltische SchildGeologisch

geziengebeurd?

Hetonderwerpvan deze

lezing

De ouderdom van het kristallijne gesteente waaruit het Baltische schild is opgebouwd = In “absolute” tijd:       ≥  3.0 ‐ 1.7/1.8 ‐ 1.2/0.9 ‐ 0.5/0.4 Ga  (= billian years )In periodes:  Precambrium = (Archaiec ‐ Proterozoic) en vroeg Paleozoic 

Overzichtvan de geologische

tijd‐schaalAuteur: Louis Fiquer (1866)

Neptunism vs Plutonism

Paleozoicum

MesozoicumCenozoicum

Precambrium

Theory of the Earth

Hig

h T

Low

T

T gradient“Contact aureole”

Sediment  vs stollings gesteente

Noot: De vertikale tijdschaalvertegenwoordigt de “stratigrafische kolom”.

Maw de gesteente strata zijndirect gesuperponeerd op de 

initiële “primary liquid/magma”.met een “contact aureool”

op de interface

Dit model duurde voort totdat geophysici(~ 1900) ontdekten dat de mantel bestond uit vast materiaal

controverseVroege

Geological Textbook (~1900)

Neptunists(alle sediments zijn afgezet in

een zee)(Sedimentologie

en Stratigraphie)

Ijstijden

(Geochemie-Mineralogie

en Petrologie)

Kristallijne zwerfstenen

Plutonists(het zijn allemaal

stollingsgesteente)

Evolution of life

KristallijnBasement

No scientific tools available

at that time

(Paleontologie)

Het Metamorfegesteente

bestond nogniet/nauwelijks

Blijkbaar bestond kristallijn gesteente in die tijd nog niet.Men had alleen kennis van sedimenten en “igneous/magmatisch” gesteente

fossielen

27‐1‐2014

3

De geboorte van “Structural Metamorphic Petrology”

+

Boek: The circle of rocks andthe granite controversy

(H.H. Read, 1957)

Neptunisten

Plutonisten

Space problem

Melting T of granite

Kristallijn gesteente

Gevormd doornieuw groei

van mineralen(= metamorphose)

MetamorfeMineralen =MetamorfePetrologie

Resultaat

Nieuwe vragen:(Onafhankelijk van de platen tektoniek!)

Waardoor kwamen sedimentenzo diep “in de aarde” te liggen?

Wat is de betekenisvan deze structuren?+

Structurele Geologie

T gradientvan ≈ 700 C

De dominante theorie in de Aardwetenschappen tegenwoordig is 

de Platen Tektoniek

Wat verstaat men ondereen plaat?

Het hypothetische boor experiment

Een “hypothetisch” boor experiment

Maak een “log” van de bovenste 200 km van de aarde;Wat zijn de “hoofdgrenzen” die je tegen komt en welke temperaturen heersen er?

200 km

Stel we kunnen diep genoeg

boren

Wat voor (hoofd)gesteentekomen we tegen

in Utrecht

0 m

200 km

20‐40 km

100 -200/350

km

Sedimenten

Continentale korst (kristallijne basement)

KristallijnContinentale

lithospherische mantel

Asthenosphere

Lithosphere

mantel

korst

Moho

LAB

Lithosphere -Asthenosphere Boundary (LAB)

≈700 °C

≈1200°C

Basement-cover interfaceMechanisch

“sterke” laag

Mechanisch“zwakke” laag

Kristallijn+

smelt

De lithospherische plaat. Het “bovenste” deel ervan heet het kristallijne

grondgebergte ofwel het (continentale) basement

5-10km

20-40km

50-300km

Hier vind convectie plaats

Plomerová and Babuška (2010)

Names on map refer to

selected seismic stationsA

B

Toepassing op Scandinavie:  Wat is de huidige dikte van de subcontinetale lithospherische Baltische korst (SCLM)?

De diepte van de lithosphere‐asthenosphere 

grens (LAB) onder Scandinavie

Hypothetische log

Asthenospere

A

B

Wat weten we omtrent de diepte van de Moho in Scandinavië

Hypothetische log

27‐1‐2014

4

A BEen verticale doorsnededoor het Baltische Schild

Hypothetische logResultaatWat verstaat men nu onder een tectonische plaat?

de lithospherische

plaat

Kristallijne korstSedimentaire cover Hypothetische log

Peridotiet:  bestaat uit mineralen met een smeltpunt boven de 1200°C;olivijn + pyroxeen (2x) + Aluminium silicate

>1200 °C

>650°C

Volltri massief, Italië

Almklovdalen, WGR

Nord Oyene, West Norway

Waar bestaat de subcontinentale en/of suboceanische lithosphere uit?

SCLMSOLM

Kristalijne korst(basement)

Sedimenten(sedimentair basin)

NEDERLANDSCANDINAVIË

Erosie level

Waarom vinden wij sedimenten aan het oppervlak in Nederland en kristallijn basement in Scandiavië?

“Mega” structuur/breuk

Hypothetische log

Samenvattend

+ rotation (=kanteling)

Oceanic crust

Continental crust

Simplified cartoon

plus

Geologische kaartvan NW Europa met daarop

de verdeling van  sedimentaire “cover” rocks en het Kristallijne Basement

Voornamelijkkristallijn materiaal

Sedimentairmateriaal

Sedimentairmateriaal

NE 

SW

A

A

B

B

Lithosphericcontinental

crust

De ouderdomvan de Rift is

Vendian (700 Ma)“Caledonische” suture (450 Ma)

?

An extended continental margin overprinted by a convergent margin

Het profiel toont aan dat geometrische analyses van structuren gebruikt kunnen wordenom de “kinematica” en/of “geodynamica” van een speciaaal gebied te achterhalen

After Pharao et al., 2006 Lyngsie and Thybo, 2007

De realiteit is een klein beetje complexeren pas recentelijk opgelost mbv

geophysische technieken

Van geometrie(structuren) 

via kinematieknaar dynamica

Geologischekaartvan NW Europa

Peace et al (2008)

27‐1‐2014

5

De platentektoniek

de Lithospherische

plaat

Wat zegt het “platen” model omtrent de temperatuur verdelingbinnen een lithospherische plaat?

Hypothetische log

Noot: Chemische compositie van Astenosphere =Oceanische korst (basalt/gabbro) + 

Sub‐Oceanic Lithospherische Mantel (= restite)(i.e. diffrentiatie is het resultaat van partial decompresson melting gevolgd door cooling)

sedimenten

kristallijneonderkorst (basement)

diep

te

Temperatuur (°C)

P=

diep

te/d

ruk

Het koelenvan de aarde

door de tijd heen

Vertikalesectie

door de continentale

korst

drill hole

Plaats op aardeA B

“Definitie” van een geothermische gradient

Plaatsen waar de temperatuur en druk gemeten kan worden

Elke plek op/in de aarde (afhankelijk van de diepte) kan worden gedefinieerd in termenvan druk en temperatuur. De loodlijn door zo’n verzameling punten (inclusief de locale P, T 

condities) representeert de locale geothermische gradient  (in een PT diagram)

Hypothetische log

X°C/kmNormaal: 18‐20 °C/km

Met betrekking tot de “normale” geothermische gradient kan het kristallijne grondgebergte van Scandinavie worden onderverdeeld in (minimaal) twee hoofd componenten:

1) Kristallijn gesteente dat is gevormd onder te “koude” condities2) Kristallijn gesteente dat is gevormd onder te “warme” condities

Wat heb ik aan gegevens omtrent een geothermische gradient?Neem het voorbeeld van een te koude geothermische gradient

Metamorffaciesdiagram

Metamorfe Petrologie = Het kijken naar de combinatie van mineralen (= de stabiele mineraal paragenese) waaruithet gesteente is opgebouwd Dit verschaft informatie over een bepaald veld in PT diagram

Diktecontinentale

korst

NormaleGradient18‐20 °C/km

tewarm

“Stollings” gesteente

asthenosphere

Kwarts monzoniet

Het alternatief: het is er te “warm”

Stollings gesteente

Maw met behulp van deze twee basis technieken(= mineraal gezelschappen gecombineerd met ouderdom) kunnen we 

de plaat tektonische processen in het geologisch verledenreconstrueren

met behulp van geochronologische technieken kunnen wij de bijbehorende metamorfe “facies” (= mineraal combinatie) dateren

Resultaat: We kunnen

gebergte vormendeprocessen

terug tracerenin het veld 

(en op geologische/metamorfekaarten) 

DaarnaastVoorbeeld:  Metamorfe kaart van het Seve‐Köli dekblad

in de centraal Zweedse Caledonieden

storing

+ ouderdommen(zircon en monasiet)

420‐425 Ma

??

Resultaat:Gebergte/collision zones 

kunnenals “lineamenten” 

wordenuitgekarteerd

ver‐storing

Metamorfe kaart

27‐1‐2014

6

Locatie van fossiele

Subductiezones

FossieleOceaanbodems

Maar ook een “fossiel” gebergte op een geologische kaart vormt “lineaire” patronen

Een Collisie tussen twee botsende platen (continenten in dit geval) heeft dekblad vormingtot gevolg, weliswaar van verschillende ouderdommen maar tesamen behorend tot één overkoepelend gebergtevormend proces (= The Caledonieden:  500‐420 Ma) 

Lateraal vervolgbaar langs de strekkingvan het orogeen als “lineament”

Locatie van het Seve‐Köli dekbladin de vorige slide

Maw wij kunnen gebergte vormende processenreconstrueren mbv metamorfe kaarten en bijbehorende

mineraal ouderdommenHet botsendecontinent 

Laurentia Voorafgaande aande continent‐continent 

collissie

Een voorbeeld: de Scandinavische Caledonieden (500‐400 Ma) 

Tectono‐stratigraphie

Relatieve positie na continent‐continent collision

Terranemap of 

the Scandes

Noot:  De langwerpigevorm van het lineament

Brueckner en Van Roermund 

2004

Noot: De asthenosphere and lithospherische mantel zijn niet weergegeven

Baltic Shield

Polar circle

Nu terug naarde topografievan Scandinavia

1500-2500m

A

B

Dit gebergte noemen wijde Scandinavische

Caledoniden (= 500-400 Ma)?

De

Sca

ndin

avis

che

Cal

edon

iede

n

Sateliet opname

x°

Topografische oost-west doorsnede

Gekanteld Lithosphere model

Maar is dit correct?Note: continental margins versus ocean floor

Plaat reconstructies in de north Atlantic since 53 Ma

De kanteling / “recente uplift” kan echter worden toegeschrevenaan de vorming van de Atlantische oceaan

A

B

Hoe ziet de topografie aan de andere kantvan de Atlantische Oceaan eruit?

2500m 2500m

De huidige topografie is dus veroorzaakt door eenCenozoische ( <65 Ma) uplift van ongeveer 2000‐2500m en kanniet worden gerelateerd aan de vorming van de Caledonieden

Vorming van de Atlantische Oceaan

27‐1‐2014

7

AtlantischeOceaan

Maw een “vlakke” topografie was al aanwezig voorde vorming van de Atlantische Oceaan

Deze reconstructie levert een relatief (1e orde) vlakke topografie opDit wordt toegeschreven aan een oud peneplain.

= een oud erosie oppervlak hoofdzakelijk gevormd na de vorming van de Caledonieden

Het effect van de Cenozoische uplift kan dus worden verwijderd door a) de oceaan opnieuw te sluiten en

b) te corrigeren voor de Cenozoische uplift

Oceanischelithosphere 

en/of asthenosphere

Laurussia

Ook een collisie tussen(minimaal) twee platen

Maar ookeen algemeen

herstelvan de

“normale” geothermische

condities

Deze vlakke plaat wordt Laurasie of Laurussia genoemd

Continentale korst

Continentale lithosphere

Asthenosphere

Hoe is de Laurussische/Laurasische

plaat ontstaan?Laurussia + Gondwana= Pangea

(= jongste supercontinent)

Laurussia

Hetgeen ook een “herstel” van de LAB betekent

Vraag

De Laurussische plaat is ook gevormd door collisies tussen (minimaal) twee platen (= Caledonische Orogenese). Uit de afbraak van dit gebergte (≈150 Ma later)

is de relatief vlakke Laurussische plaat ontstaan

Uit de afbraak van het Caledonisch gebergte en aangrenzende platen ontstond de Laurussische plaat met na verloop van tijd een relatief vlakke

topografie (= peneplain/old red sandstones etc)

Hoe is de Laurussische plaat ontstaan?

De Caledonische Orogenese (400-500 Ma)

Iapetus Ocean*

Rhodinia BalticaLaurentia

* Iapetus is de vadervan Atlantic in de Griekse Mythologie

Caledonischgebergte

Wat verstaan wij onderde Scandinavische Caledonieden?

Waar komen de “bergen” (=topografie) in Scandinavie dan vandaan? Hoe oud zijn die?Erosieve processen zouden het Caledonisch gebergte allang hebben afgeerodeerdHet is een “recent” verschijnsel en kan dus beter zoiets als het Atlantisch gebergte in 

Scandinavie worden genoemd

De Caledonische Collisie vond plaats op het zuidelijk halfrond

ScandinavischeCaledonides

Torsvik 2005

De Scandinavische Caledonieden omvatten: 1) de Allochthons en 2) Basement Windows in het westen.

Zij vormen het meest westelijke deel van het Baltische Schild

Pre-Caledonischkristallijn

basement (met een dune laat

Proterozoische-Cambrian sedimentaire

cover) together called the

Baltic Shield

Allochthons of Caledonische dekbladen

Dit werd gebruikt alssubstraat waarover de 

Caledonische dekbladen(van west naar oost)

heen werden geschoven

Basement (windows) langs de west kustbehoren ook tot de Baltisch plaat

Het vormt deel van de Baltische plaat

dat tijdens de Caledonische

gebergte vormingwerd overprint

door Caledonischemineralen

27‐1‐2014

8

Basement “reworking” langs de west kustvan Noorwegen

Tijdens de continentale collisie tussen Baltica en Laurentia werd de Baltische plaatonder de Laurentische plaat “geschoven” en werden de dekbladen in oostelijke richting

over de Baltische plaat heengeschoven.Tijdens dit proces werd het meest westelijke deel van de Baltische plaat (=de windows)“reworked/Caledonized”,  dwz Caledonische metamorfe mineralen groeiden over de 

oudere basement mineralen heen. Dit herbewerkings‐proces ontbreekt in het basement in het oosten.

Laurentia

BalticaWaar vinden we 

Scandischeeclogieten?

See next slight

Probleem: Waar gaat het

groene element in NW richting

naar toe?

Bergh et al (2010)

De voornaamsteelementen waaruithet Baltische schild

is opgebouwd

Alle kleuren worden gezienals fossiele collision zones 

die operatief warenlangs oude plaatgrenzen

Hoe weten we dat?

Baltica

1.3

Including some older elements (a. o. Bamble area=1.7 Ga)

older

Overlappende ouderdommen

After Johansson 2009

Het super continent  Rhodinia (≈ 900 Ma)

Johansson 2008

De Grenville orogeny (1.3‐1.0 Ga) is ouder dan de vorming van Rhodinia (0.9‐0.7 Ga)

De Grenville Orogeny (1.3‐1.0 Ga)

Dus voorafgaande aan de vorming van Rhodinia lagen beide platen anders georienteerd

De Grenville orogeny was dus een langdurig Meso‐Proterozoisch gebergte vormend event veroorzaakt door met elkaar botsende platen vnl gelocaliseerd aan de zuid‐oost kant van 

Laurentia……… echter Laurentia in die tijd was veel groter en sporen van de Grenville Orogeny zijn nu ook gevonden in SW No0rwegen, Australië,  Antarctica  etc

Karlström K.E. et al (1991)

Rhodinia

Pannotia

Van Rhodinia (0.9‐0.7 Ga) naar Pannotia (1.95‐.1.85Ga) 

Continue proces

1.3

Nog “onbekend”

Resultaat : Geochronologische subdivisie is een kunstmatige groeperingHet it zeer waarschijnlijk een continue proces

(1.3

Colombia

Colombia

Grenville period

(1.75 ‐

ouder

gecorrigeerd

Het super continent Pannotia (of Colombia ≈1800 ‐1500 Ma)

Johansson 2009Rhodinia0.9‐0.7Ga

Pannotia

Baltica

Oud problem1.85 ‐ 1.65 Ga

Samenvattend: Telkens weer zijn het plaat tektonische processen, altijd gelokaliseerd langs de randen van oudere “cratonische “ continentale blokken

(met daaronder een zéér dikke subcontinentale lithosphersche mantel (SCLM).

Colombia

1.95‐1.75

1.75‐1.65

New subdivision

27‐1‐2014

9

Supercontinenten vormen semi‐regelmatige groeperingen van de op aarde

voorkomende continentale landmassa’s tot één groot continentaal block (= craton).Het supercontinent blijft vervolgens stabiel voor een bepaalde geologische tijds‐periodeen valt dan weer uit elkaar,  gevolgd door opnieuw een groepering van de verschillendemicro‐continentale en/of cratonische blokken. 

Collisies tussen de platen (inclusief oceanische platen ) leidt onophoudelijk tot 

gebergte vormende processen langs de randen van de oudere cratons.  Dit leidt tot “aangroei“van de oudere cratonische blokken.

Goede voorbeelden hiervan zijn terug te vinden in de geologische opbouw van 

het Baltische Schild

Belangrijk: De toekomst zal moeten uitwijzen of de aard van de gebergte vormende processendoor de tijd heen verandert of niet

Samenvatting

Johansson (2009)Karlström K.E. et al 1991

Er is gebruik gemaakt van de volgende referenties

Johansson (2008)

Bergh et al (2010)

Torsvik 2005

Lyngsie and Thybo, 2007Pharao et al., 2006 Pease, V. et al., 2008. Precambrian Research 160; 46‐65

Plomerová and Babuška (2010). Lithos 120;131‐143

Brueckner and Van Roermund  (2004)

Dank u voor uw aandacht