Complex geological–geophysical 3D model of the crust in the southeastern Fennoscandian Shield: Nature of density layering of the crust and the crust–mantle boundary

Abstract

The complex geophysical 3D model of the Earth's crust and the upper mantle is created for the Archaean Karelian Craton and the Late Palaeoproterozoic accretionary Svecofennian Orogen of the southeastern Fennoscandian Shield with the use of methods of complex inversion of geophysical data based on stochastic description of interrelations of physical properties of the medium (density, P-wave velocity, and heat generation). To develop the model, we use results of deep seismic studies, gravity and surficial heat flow data on the studied region. Numerical solutions of 3D problems are obtained in the spherical setting with an allowance for the Earth's surface topography. The geophysical model is correlated with the regional geological data on the surface and results of seismic CMP studies along 4B, FIRE-1 and FIRE-3-3A profiles. Based on results of complex geophysical simulation and geological interpretation of the 3D model, the following conclusions are drawn. (1) The nearly horizontal density layering of the continental crust is superimposed on the previously formed geological structure; rock differentiation by density is decreasing with depth; the density layering is controlled by the recent and near-recent state of the crust, but can be disturbed by the latest deformations. (2) Temperature variations at the Moho are partially determined by local variations of heat generation in the mantle, which, in turn, are related to local features of its origin and transformation. (3) The concept of the lower continental crust being a reflectivity zone and the concept of the lower continental crust being a layer of high density and velocity are not equivalent: the lower crust is the deepest, high-density element of near-horizontal layering, whereas the seismic image of the reflectivity zone is primarily related to transformation of the crust as a result of magmatic under-and intraplating under conditions of extension and mantle-plume activity. (4) At certain combinations of crustal thickness and temperature at the level of Moho discontinuity, the crust in a platform region can be transformed into eclogites. In this case, the crust-mantle boundary is determined by quantitative proportions of the rocks that underwent eclogitization or escaped this process and by corresponding density and velocity values. (5) High compaction of rocks in the crust under lithostatic loading cannot be explained by «simple» concepts of metamorphism and/or rock compaction, which are based on laboratory studies of rock samples and mathematical simulations; this is an evidence of the existence of additional, quite strong mechanisms providing for reversible changes of the rocks.

3d Model of the Deep Structure of the Svecofennian Accretionary Orogen: A Geodynamic Interpretation

“…Затем в ходе палеопроте-розойских процессов в пределах суперконти-нента Лавроскандия был сформирован внут-риконтинентальный Лавро-Русский ороген. Эволюция этого орогена включает три периода интенсивного развития: ~2,5; 2,2-2,1 и 1,95-1,87 млрд лет, когда кора архейского континен-та была дополнена значительными добавками ювенильного вещества [Минц и др., 2010;Mints et al, 2015].…”

“…Заключительным событием в палеопроте-розойской истории Восточно-Европейского композитного кратона стало формирование дугообразного Лапландско-Среднерусско-Южно-Прибалтийского внутриконтиненталь-ного коллизионного орогена, охватившего Ка-рельский кратон с севера, востока, юга и юго-запада [Минц и др., 2010;Mints et al, 2015]. Южно-Прибалтийский сектор этого орогена с востока и северо-востока обрамлен Старая Русса -Южно-Финляндским гранулито-гнейсо-вым поясом, который протягивается от оз.…”

“…Ранее было показано, что сложная и бо-гатая событиями палеопротерозойская исто-рия восточной части Фенноскандии включала кратковременные и незначительные по мас-штабу разрывы континентальной литосферы во внутренней области архейского континента Кола-Карелия. Аналогичные явления зафик-сированы в пределах обширного континента Лавроскандия, объединявшего Северо-Аме-риканский и Восточно-Европейский кратоны, одним из компонентов которого была Кола-Карелия [Минц и др., 2010; Mints et al, 2015;Mints, Eriksson, 2016]. Исключение, важное в аспекте нашего исследования, зафиксиро-вано возникновением Свекофеннского океана в интервале между ~2,2 млрд лет и 1,9 млрд лет назад Peltonen et al, , 1998Hanski et al, 1998].…”

“…Объемные модели коры и со-гласованные с ними модели эволюции ранне-докембрийской коры представлены в значи-тельном числе публикаций. Наиболее полная и систематическая характеристика результатов этих исследований опубликована в двух моно-графиях на русском и английском языках [Минц и др., 2010;Mints et al, 2015]. В то же самое время аналогичные исследования были прове-дены в юго-восточной части Фенноскандинав-ского щита по системе профилей проекта FIRE в Финляндии .…”

“…Объ-емная модель глубинного строения была ис-пользована в качестве отправной точки при разработке эволюционной модели, определе-нии места Свекофеннского орогена в структуре палеопротерозойского Лавро-Русского внут-риконтинентального орогена и в истории па-леопротерозойского орогенеза, охватившего преобладающую часть территории Лавроскан-дии -суперконтинента, объединявшего Се-веро-Американский и Восточно-Европейский кратоны (наименование этого суперконтинента было предложено академиком РАН В. Е. Хаи-ным [Минц, 2007]). Фактическому обоснова-нию модели палеопротерозойской эволю-ции Лавроскандии посвящен ряд публикаций [Минц, 2007Минц и др., 2010;Mints, 2014;Mints et al, 2015], в которых представле-на возрастная корреляция дугообразных гра-нулито-гнейсовых поясов и осадочно-вулка-ногенных поясов низкого и умеренного уровня метаморфизма, а также продемонстрировано зеркально-симметричное расположение этих harmonized data of geological mapping, FIRE-2-2a-1 and FIRE-3-3a seismic reflection profiling, using sections of the 3D crustal density model, results of magnetotelluric surveys along the Vyborg-Suojarvi profile in the Northern Ladoga area and materials from MT surveys previously carried out by Finnish specialists in Southern Finland. In this paper these results were used as the baseline for the construction of the evolutionary model and determination of the position of the Svecofennian orogen in the structure and history of the Paleoproterozoic Lauro-Russian intracontinental orogen.…”