U-Pb baddeleyite geochronology of Precambrian mafic dyke swarms and complexes in southern Africa - regional scale extensional events and the origin of the Bushveld Complex

Abstract: Popular Abstract in Swedish Diabasgångar (eng. dolerite dykes) bildas när järn- och magnesiumrika (mafiska) smältor från manteln transporteras upp genom jordskorpan och så småningom kyls av och kristalliserar i sprickor på djupet. Gångarna kan bli hundratals meter breda och kan uppträda i stort antal och bilda s.k. gångsvärmar vilka är uttryck för perioder då jordskorpan har utsatts för extensionella krafter. Kontinentala gångsvärmar länkas ofta ihop med omfattande magmatism och vulkanism, som ibland haft katastrofal inverkan på livets utveckling. I vissa fall, och speciellt de som bildats i samband med s.k. mantelplymer, kan dessa magmatiska händelser relateras till uppsprickning av superkontinenter. De flesta av jordens landkontinenter består av delar som är uppbyggd av mycket gammal berggrund (Arkeisk; 3,8–2,5 miljarder år) som benämns kratoner, i vilka man också återfinner de äldsta diabasgångsvärmarna. Södra Afrika består geologiskt sett av två kratoner, Kaapvaal och Zimbabwe, omgivna av yngre geologiska områden. Tillsammans utgör dessa ett välbevarat ca 3,7 miljarder år gammalt geologiskt ”arkiv” med flera unika geologiska formationer. Ur ett ekonomiskt perspektiv är dessa kratoner ovärderliga för deras stora malmförekomster av guld, diamant, järn, nickel, krom och platina. Malmprovinserna kan ofta länkas ihop med storskaliga geologiska händelser. Ett exempel är det 65 000 km2 stora Bushveldkomplexet i Kaapvaalkratonen, bildat då enorma volymer av mafisk magma kristalliserade i jordskorpan för två miljarder år sedan. Bushveldkomplexets bildning har länge gäckat forskare världen över där den mest ”populära” förklaringen innebär att en mantelplym (en ballongformad kropp av mycket varmt material från jordens inre) trängde upp genom Kaapvaalkratonen och orsakade massiv produktion av magma. På senare tid har dock även alternativa hypoteser lagts fram som bland annat involverar smältbildning i anslutning till en s.k. subduktionszon (liknande dagens plattektoniska situation i Anderna) eller i samband med ett gigantiskt asteroidnedslag. I de arkeiska graniterna och gnejserna öster om Bushveldkomplexet finns tre stora diabasgångsvärmar som radierar ut från ett centrum i Bushveldkomplexet. Denna geometri av diabasgångar anses vara asssocierad med mantelplymer och uppkommer då plymhuvudet trycker på underifrån och får litosfären (jordens hårda yttre ”skal”) att bukta uppåt, samtidigt som delar av manteln smälter upp. Den nybildade magman fyller ut sprickor och letar sig upp genom litosfären med omfattande vulkanism som följd. Ett av målen med detta doktorandprojekt har varit att undersöka ifall diabasgångarna i östra Kaapvaal kan kopplas till Bushveldkomplexets bildning för två miljarder år sedan. För att åldersbestämma bergarter (geokronologi) så exakt som möjligt, använder man sig av de radioaktiva isotoperna 238U och 235U. Uranisotoperna sönderfaller med kända hastigheter till blyisotoperna 206Pb respektive 207Pb, och genom att analysera förhållandet mellan Pb- och U-isotoper kan man räkna ut provets ålder med mycket hög precision (felmarginaler ned till ±0,1 %). Diabas som bergart innehåller ofta små mängder av mineralet baddeleyit (ZrO2) som är optimalt för U-Pb datering av mafiska bergarter. Datering av mafiska bergarter i den äldsta delen av Kaapvaalkratonen har resulterat i upptäckten av tre separata magmatiska händelser som har visat sig ha stora betydelser för kratonens långa historia, samt även i en ny modell över Bushveldkomplexets bildning. Den första händelsen inträffade för 2990–2965 miljoner år sedan då Usushwanakomplexet bildades tillsammans med en nordväst-sydostlig gångsvärm som åldersmässigt och geokemiskt kan korreleras med lavor i Pongolabassängen, den senare som antas vara världens äldsta kontinentala rift. För mellan 2700 och 2660 miljoner år sedan bildades en radierande svärm av diabasgångar som kan knytas till en manteplym i centrala Kaapvaalkratonen. De radierande gångsystemen matade under en lång period fram magma till stora vulkaniska fält och kan korreleras geokemiskt med Ventersdorpgruppens flodbasaltiska lavor. Mantelplymen injekterade stora mängder magma i den mer än 200 km tjocka litosfären och på dessa djup kommer mafiska bergarter att omvandlas (eklogitiseras) vilket innebär att de får en markant högre densitet. Denna omvandling medförde att litosfärens tyngd ökade successivt och orsakade bildningen av en bassäng i vilka sedimentära bergarter bildades. Genom denna process avsattes tjocka sekvenser av sediment under ca 600 miljoner år och resulterade i vad vi idag kallar för Transvaalbassängen. För två miljarder år sedan utsattes södra Afrika för omfattande deformation och metamorfos i samband med att Zimbabwe och Kaapvaal kolliderade och bildade en gemensam landmassa. En sådan kollision kan ha medverkat till att en del av den tunga mantelroten nu släppte och sjönk ned i den underliggande manteln (astenosfären). Mängder av varm astenosfärisk mantel vällde upp för att fylla ut den ”hålighet” som nu bildats i litosfären och började smälta upp. De gigantiska magmavolymerna trängde upp genom jordskorpan och Transvaalbassängen för att sedan bilda Bushveldkomplexet. Denna nya modell knyter samman den 2,7 miljarder år gamla mantelplymen, utvecklingen av Transvaalbassängen och bildandet av Bushveldkomplexet i en och samma geodynamiska modell. Slutligen, har bildandet av en nordostlig svärm av basaltiska diabasgångar (Black Hillssvärmen) daterats till 1875–1835 miljoner år. Denna nyupptäckta gångsvärms geokemiska signatur och dess ålder kan korreleras med mafiska intrusioner och basaltiska lavor spridda över en bred zon över norra Kaapvaalkratonen. Tillsammans med den 1885–1870 miljoner år gamla Mashonalandprovinsen i Zimbabwekratonen, utgör diabassvärmen den tidigaste samtida perioden av mafisk magmatism representerad på bägge kratonerna. Detta är ännu ett bevis för att Zimbabwe och Kaapvaal kolliderade för två miljarder år sedan, istället för 2,7 miljarder år sedan som tidigare föreslagits. Denna slutsats har dock ännu inte bekräftats med paleomagnetiska metoder, som snarare visar på att Kaapvaal och Zimbabwe kratonerna var långt ifrån varandra då Mashonalandprovinsen och Black Hillssvärmen bildades.