Det Arktiske Oceans tektoniske udvikling - en diskussion af udvalgte pladetektoniske modeller i forbindelse med FN s Havretskonventions 76

Side 1/8 Til: 76-forprojektgruppen vedr. området nord for Grønland Fra: Kim Zinck-Jørgensen Kopi til: Kaj Sørensen Fortroligt: ja (frigivet dec.2003) Dato: 20.02.2003 GEUS-NOTAT nr.: 09-EN-02-10 J.nr. GEUS: 0131-007 Emne: Det Arktiske Oceans tektoniske udvikling - en diskussion af udvalgte pladetektoniske modeller i forbindelse med FN s Havretskonventions 76 Indledning Der er gennem de sidste ti til tyve års tid indsamlet relativt store mængder af moderne geofysiske data samt enkelte borekerner, og der er således sket en væsentlig forbedring af forståelsen af det Arktiske Oceans geologiske og tektoniske udvikling. Tiltrods herfor er de tilgængelige geologiske og geofysiske data fra dette enorme område fortsat meget sparsomme, og der er fortsat store hvide pletter i vores geologiske og strukturelle forståelse af området. Der er gennem årene publiceret et stort antal af pladetektoniske rekonstruktionsmodeller for det Arktiske Ocean og omkringliggende områder. Dette notat forsøger at give en kort status over de mest udbredte/accepterede modeller, og kort diskutere nogle af de væsentlige forskelle og nøgleproblemer navnlig de med relevans for Nordgrønland. Der er i dag almindelig enighed om at skorpen under de dybere abyssale dele af det Arktiske Ocean er af oceanisk oprindelse, og er dannet siden tidlig Kridt tid som følge af mindst to faser af oceanbundsspredning. De centrale dele af oceanet gennemskæres af en række submarine rygge. Den mest prominente af disse, Lomonosov Ryggen, strækker sig mellem Lincoln Havet og de Nysibiriske Øer, og adskiller det ældre Amerasiske Bassin fra det yngre Eurasiske Bassin. Såvel skorpens sammensætning som den tektoniske udvikling af det Eurasiske Bassin er relativt veldokumenteret, ikke mindst på grund af tilstedeværelsen af tydelige, korrelerbare, lineære magnetiske anomalier på oceanbunden. Tilsvarende korrelerbare magnetiske anomalier ses ikke i det Amerasiske Bassin, hvorfor timingen og geometrien af den formodede oceanbundsspredning her er noget mere usikker. Boreprøver samt nyere seismiske data fra Lomonosov Ryggen viser til gengæld stærk evidens for at denne ryg er af kontinental oprindelse, og blev adskilt fra Barents-Kara Shelfen i tidlig Eocæn tid da oceanbundsspredningen startede i Nordatlanten og i det Eurasiske Bassin (Jokat et al. 1992; Jokat et al. 1995; Grantz et al. 2001). Oceanbundsspredningen forsætter i dag langs den markante Gakkel Ryg, der løber som en fortsættelse af den Nordatlantiske Ryg fra Nordgrønland til Laptev Sea. De to submarine plateauer, Morris Jesup og Yermak Plateauet, som er symmetrisk placeret på hver sin side af spredningsryggen henholdsvis nord og øst for Nordgrønland, er af noget mere

Side 2/8 tvivlsom oprindelse. Det er dog den mest udbredte opfattelse, at der er tale om plateauer af vulkansk oprindelse på overvejende oceanisk skorpe, måske dannet over en hot spot under den arktiske midtoceanryg i sen Eocæn til tidlig Oligocæn tid (Dawes 1990; Kristoffersen 1990). To tilsyneladende sammenhængende, submarine rygge i det Amerasiske Bassin, Mendeleev og Alpha Ryggen, er også af tvivlsom oprindelse. Geofysiske data peger således ikke entydigt på en skorpesammensætning af enten oceanisk eller kontinental oprindelse. Nyere seismiske data tyder dog på, at Alpha Ryggen ligger på oceanisk skorpe (Jokat 2003). Også for Mendeleev og Alpha ryggene er det den mest udbredte antagelse, at de er af vulkansk oprindelse og dannet over en hot spot under åbningen af det Amerasiske Bassin i tidlig til midt Kridt tid (Embry 2000). Kort resume af det Arktiske Oceans tektoniske historie I Trias-tiden var de kontinentale landmasser, som i dag omkranser det Arktiske Ocean en del af superkontinentet Pangæa. Palæooceanet Iapetus mellem den Nordamerikanske plade (incl. Grønland) og den Baltiske- og Sibirske plade lukkede således i Silur til Devon tid og førte til dannelsen af bl.a. de Østgrønlandske og Skandinaviske Kaledonider, samt den Ellesmeriske Foldekæde i Nordgrønland og på Ellesmere Island (Lawver et al. 2002). Dannelsen af det nuværende Arktiske Ocean begyndte med åbningen af det Amerasiske Bassin i løbet af Nedre Kridt. Åbningen foregik formodentlig ved en rotation mod uret af arktisk Alaska i forhold til arktisk Canada (Grantz et al. 1990; Lawver & Scotese 1990; Grantz et al. 1998; Lawver et al. 2002). Modellen indebærer en større samtidig transform forkastning langs Lomonosov Ryggen (på det tidspunkt en del af Barents-Kara Shelfen). Oceanbundsspredning i Nordatlanten og i det Eurasiske Bassin starter ikke før i tidlig Eocæn tid (Srivastava & Tapscott 1986; Tessensohn & Piepjohn 2000; Harrison et al. 1999); men allerede fra sen Kridt tid er der kraftig tektonisk aktivitet i områderne i og omkring Nordgrønland i form af intrakontinental rift-associeret vulkanisme. Paleocæn til Eocæn oceanbundsspredning i Baffin Bugten og Labrador Havet, og samtidig spredning i Nordatlanten/det Eurasiske Bassin fra tidlig Eocæn tid medfører en relativ nordvestlig og nordlig bevægelse af Grønland. Denne bevægelse resulterer i kompressiv deformation i Ellesmere Island, Nordgrønland og Svalbard (Eurekan Orogen) (Tessensohn & Piepjohn 2000; Harrison et al. 1999). I begyndelsen af Oligocæn ophører spredningen i Baffin Bay Labrador Sea området og Grønland bliver derved en del af den Nordamerikanske plade. Kompressiv deformation ophører samtidigt i Ellesmere Island og i området mellem Nordgrønland og Svalbard. Oceanbundsspredningen i det Eurasiske Bassin mellem Lomonosov Ryggen og Barents-Kara Shelfen fortsætter frem til recent tid. Dette korte resume af det Arktiske Oceans tektoniske historie er overvejende i overensstemmelse med den pladetektoniske rekonstruktion af hele det Arktiske område, som præsenteres af Lawver med flere i (Lawver et al. 2002). Her gives en detaljeret rekonstruktion af hele det arktiske område helt tilbage til Ordovicium, ledsaget af talrige palæo-geografiske kort. Lawvers rekonstruktion bruger dog Srivastava & Tapsscotts model for åbningen af Labrador Havet (Srivastava & Tapscott 1986), hvilket indebærer åbning allerede i Øvre Kridt samt betydelig sinistral bevægelse langs Nares Strait. Diskussion: Dannelsen af det Amerasiske Bassin er fortsat et kontroversielt emne, dels på grund af mangelen på korrelerbare magnetiske anomalier, og dels på grund af et generelt kompliceret anomalimønster. De

Side 3/8 fleste nyere modeller opererer med en rotationsåbning mod uret af arktisk Alaska i forhold til arktisk Canada i Nedre Kridt tid (Embry 2000; Grantz et al. 1998; Lawver et al. 2002). En sådan model understøttes bl.a. af det magnetiske og gravimetriske anomalimønster i det Canadiske Bassin, kernemateriale fra det submarine Chukchi Borderland, palæomagnetiske landdata og geologiske lineamenter i Alaska og Canada. Selvom modellen er almindeligt accepteret, er der forsat problemer med mange detaljer som følge af det sparsomme datagrundlag. Bl.a. er Mendeleev og Alpha ryggenes oprindelse fortsat meget usikker, og en stor transform forkastning langs Lomonosov Ryggen som afgrænsning mod det Eurasiske Bassin mangler også at blive påvist. Lawver et al. (2002) med flere foreslår, at de to rygge repræsenterer en tidlig manifestation af den islandske hot spot, og at samme hot spot muligvis forårsagede den initiale åbning af det Amerasiske Bassin. I modsætning til det Amerasiske Bassin, er den tidsmæssige og geometriske ramme for åbningen af det Eurasiske Bassin og Grønlandshavet Norskehavet i tidlig Eocæn tid relativt veldefineret, ikke mindst som følge af tilstedeværelsen af tydelige, korrelerbare magnetiske anomalier i disse oceanområder (Srivastava & Tapscott 1986). Der er til gengæld en del diskussion om datering, rækkefølge og konsekvenser af de forudgående Øvre Kridt til Paleocæne tektoniske hændelser i områderne omkring Nordgrønland-Svalbard samt i Labrador Havet, Baffin Bugten og Nares Strædet. Ydermere er der tvivl om Morris Jesup og Yermak plateauernes oprindelse og alder. Ifølge Roest & Srivastava (1989) starter oceanbundsspredningen i Labrador Havet i anomali 33 tid (Øvre Kridt). Chalmers & Laursen (1995) argumenterer for, bl.a. på baggrund af nyere refleksionseismiske data fra Sydvestgrønland, at spredningen først starter i anomali 27 tid (Paleocæn), og at Roest Srivastavas påståede anomali 31 og -33 i virkeligheden ligger på kontinental skorpe. Begge parter er dog enige om at spredningen i Labrador Havet skifter retning i anomali 24 tid (samtidig med at spredningen starter mellem Grønland og Norge) fra en NE SW orienteret spredning til en næsten N S rettet spredning. Hvorvidt oceanbundsspredningen starter i anomali 27 eller 33 tid har en del betydning for de pladetektoniske rekonstruktioner, herunder om åbningen af Labrador Havet og Baffin Bugten var ledsaget af en op til flere hundrede km sinistral forsætning langs Nares Strædet (Srivastava & Tapscott 1986). Placeringen af de forskellige geologiske terræner og lineamenter i Nordgrønland og Ellesmere Island taler imod en større sinistral bevægelse (Soper et al. 1982), hvorimod de fleste pladetektoniske rekonstruktioner, der i øvrigt som oftest anvender Roest og Srivastavas tolkning, indebærer en sinistral bevægelse af Grønland i forhold til Ellesmere Island på mindst 125 km (se f.eks. Tessensohn & Piepjohn (2000); Lawver et al. (2002)). Dateringen af de Øvre Kretasiske til Palæogene tektoniske begivenheder i Ellesmere Island, Nordgrønland og Svalbard udgør også et område hvorom der hersker en del uenighed, ikke mindst på grund af usikre dateringer og korrelationer af de enkelte deformationsfaser. I Nordgrønland ses nordvergente overskydninger af Palæozoiske sedimenter på rift-associerede vulkanitter af Øvre Kridt alder. I modsætning til dateringen af vulkanitterne, så er dateringen af overskydningen meget usikker, og der er i literaturen foreslået aldre lige fra Nedre Paleocæn (Lyberis & Manby 2001) til øverste Eocæn tid (Estrada et al. 2001). I Wandel Hav Bassinet i østlige Nordgrønland ses foldede og forkastede Mesozoiske sedimenter sammen med udeformerede Øvre Paleocæne til Nedre Eocæne sedimenter (Håkansson et al. 1991; Lyck & Stemmerik 2000), hvilket peger på at den seneste kompressive deformationsfase i Wandel Hav Bassinet fandt sted før slutningen af Paleocæn (Håkansson & Pedersen 2001). På Ellesmere Island er de yngste kompressive Eurekan strukturer

Side 4/8 angiveligt af Øvre Eocæn eller Nedre Oligocæn alder (Piepjohn et al. 2000), mens dateringen af Vestspitsbergens foldebælte også er genstand for en diskussion. Således mener Lyberis & Manby (1993), at hoveddeformationen er af Øvre Kridt til tidlig Paleocæn alder, hvorimod Lepvrier (2000) argumenterer for en sen Paleocæn til Eocæn alder for samme deformation. Disse divergerende daterings-opfattelser giver plads til forskellige pladetektoniske rekonstruktioner som f.eks. (Tessensohn & Piepjohn 2000; Harrison et al. 1999). I Tessensohn og Piepjohns rekonstruktion (se fig. foroven) resulterer en sen Kridt til tidlig Eocæn oceanbundsspredning i Labrador Havet og Baffin Bugten i en 125 km sinistral forsætning af Grønland langs Nares Strædet. Fra tidlig Eocæn til begyndelsen af Oligocæn forekommer der i modellen oceanbundsspredning både øst og vest for Grønland. Det medfører en relativ nordværts bevægelse af Grønland, og dermed konvergens med Ellesmere Island og Svalbard hvorunder hoveddeformationen i Eurekan og Vestspitsbergens foldebælter finder sted. Efter ophør af Labrador-spredningen i tidlig Oligocæn fortsætter spredningen øst og nord for Grønland. Det resulterer i en fortsat dextral, men nu transtensional, bevægelse af Svalbard i forhold til Grønland langs de Geer Sprækkezonen. I modellen præsenteret af Harrison et al. starter oceanbundsspredningen i Labrador Havet først i Paleocæn tid (jævnfør (Chalmers & Laursen 1995)). Den mest markante forskel til Tessensohn &

Side 5/8 Piepjohns model er, at Harrisons model opererer med en diakron, vestgående ekspansion af det Tertiære foldebælte i Nordgrønland, Svalbard og Ellesmere Island, startende allerede i Paleocæn tid med dextral transpression mellem Grønland og Svalbard. Denne foreslåede model med senere spredningsstart i Labrador Havet og en vestgående ekspansion af deformationen indebærer en ubetydelig netto sideværts bevægelse lang Nares Strædet, idet en evt. tidlig sinistral forsætning vil have været efterfulgt af en senere dextral reaktivering. Det skal dog understreges, at nye seismiske data indsamlet i 2001 og 2002 af TGS-NOPEC og Råstofdirektoratet (med GEUS som teknisk rådgiver) viser, at der med nye høj-kvalitetsdata kan stilles spørgsmålstegn ved positionen af ocean kontinentgrænsen i området, og dermed for både tidspunktet af spredningens start og ophør og selve spredningsraten. Dette kan have store implikationer for den tektoniske model af områder rundt om Grønland. Disse data er endnu ikke publiceret, men kort nævnt i et abstract af Christiansen et al. (2002). Som ovenfor nævnt er der fortsat tvivl om Morris Jesup og Yermak plateauernes oprindelse og sammenhæng med henholdsvis Nordgrønland og Barents shelfen. Plateauernes meget symmetriske placering omkring spredningsryggen samt deres geofysiske karakter, har medført at man i litteraturen allerede tidligt foreslog en fælles vulkansk oprindelse på den sydlige del af Gakkel spredningsryggen forud for tidlig Oligocæn tid (Dawes 1990). En sådan model kan dog meget vel vise sig at være for simpel. Geofysiske data indikerer således at skorpen under den sydlige del af Yermak Plateauet muligvis er af delvist kontinental oprindelse (Kristoffersen 1990). Nyere refleksionsseismiske profiler peger desuden på markante forskelle de to plateauer imellem, både hvad angår sedimenttykkelser og basement strukturer (Jokat 2003). En yderligere komplicerende faktor er det sparsomme datagrundlag. Dette er specielt et problem for den sydlige del af Morris Jesup Plateauet, hvor en mulig transform forkastning mellem plateauet og den nordgrønlandske kyst fortsat er fuldstændig udokumenteret. Mangelen på geologiske og seismiske data i området mellem Lincoln Havet og Lomonosov Ryggen giver på samme måde problemer med en udredning af de geologiske og strukturelle forhold på grænsen mellem de to områder, og gør enhver geologisk tolkning meget spekulativ. Der kan for indeværende derfor ikke gives noget sikkert bud på Lomonosov Ryggen s opbygning, og hvorvidt den kan betragtes som en naturlig geologisk forlængelse af Nordgrønland/Ellesmere Island. References: Chalmers, J.A. & Laursen, K.H. 1995: Labrador Sea: the extent of continental and oceanic crust and the timing of the onset of seafloor spreading. Marine and Petroleum Geology 12, 205-217. Christiansen, F.G., Olsen, J.C., Planke, S., Amundsen, H.E.F., Bojesen-Koefoed, J.A., Dalhoff, F., Myklebust, R., Nøhr-Hansen, H. & Sønderholm, M. 2002: West Greenland basin development - new evidence of old sediments. AAPG Hedberg Conference, Stavanger, Norway, September 8-11, 2002. Abstract. Dawes, P.R. 1990: The North Greenland Continental Margin. In: Grantz, A., Johnson, L. & Sweeney, J.F. (eds): The Arctic Ocean region, The Geology of North America, Vol. L, 211-226.: The Geological Society of America.

Side 6/8 Embry, A.F. 2000: Counterclockwise Rotation of the Arctic Alaska Plate: Best Available Model or Untenable Hypothesis for the Opening of the Amerasia Basin. In: Roland, N.W. & Tessensohn, F. (eds): III. International Conference on Arctic Margins. Celle (Germany) 12-16. October 1998. Polarforschung 68(1), 247-255. Estrada, S., Höhndorf, A. & Henjes-Kunst, F. 2001: Cretaceous/Tertiary Volcanism in North Greenland: the Kap Washington Group. In: Roland, N.W. & Tessensohn, F. (eds): III. International Conference on Arctic Margins. Celle (Germany) 12.-16. October 1998. Polarforschung 69, 17-23. Grantz, A., Clark, D.L., Phillips, R.L. & Srivastava, S.P. 1998: Phanerozoic stratigraphy of Northwind Ridge, magnetic anomalies in the Canada basin, and the geometry and timing of rifting in the Amerasia basin, Arctic Ocean. Geological Society of America Bulletin 110(6), 801-820. Grantz, A., May, S.D., Taylor, P.T. & Lawver, L.A. 1990: Canada Basin. In: Grantz, A., Johnson, L. & Sweeney, J.F. (eds): The Arctic Ocean region, The Geology of North America, Vol. L, 379-403.: the Geological Society of America. Grantz, A., Pease, V.L., Willard, D.A., Phillips, R.L. & Clark, D.L. 2001: Bedrock samples from 89 o North: Implications for the geologic framework and Neogene paleoceanography of Lomonosov Ridge and a tie to the Barents shelf. Geological Society of America Bulletin 113(10), 1272-1281. Harrison, J.C., Mayr, U., McNeil, D.H., Sweet, A.R., McIntyre, D.J., Eberle, J.J., Harington, C.R., Chalmers, J.A., Dam, G. & Nørh-Hansen, H. 1999: Correlation of Cenozoic sequences of the Canadian Arctic region and Greenland; implications for the tectonic history of northern North America. Bulletin of Canadian Petroleum Geology 47(3), 223-254. Håkansson, E., Heinberg, C. & Stemmerik, L. 1991: Mesozoic and Cenozoic history of the Wandel Sea Basin area, North Greenland. In: Peel, J.S. & Sønderholm, M. (eds): Sedimentary basins of North Greenland. Grønlands Geologiske Undersøgelse Bulletin 160, 153-164. Håkansson, E. & Pedersen, S.A.S. 2001: The Wandel Hav Strike-Slip Mobile Belt - A Mesozoic plate boundary in North Greenland. Bulletin of the Geological Society of Denmark 48, 149-158. Jokat, W. 2003: Seismic investigations along the western sector of Alpha Ridge, Central Arctic Ocean. Geophysical Journal International 152, 185-201. Jokat, W., Uenzelmann-Neben, G., Kristoffersen, Y. & Rasmussen, T.M. 1992: Lomonosov Ridge - A double-sided continental margin. Geology 20, 887-890. Jokat, W., Weigelt, E., Kristoffersen, Y., Rasmussen, T. & Schöne, T. 1995: New insights into the evolution of the Lomonosov Ridge and the Eurasian Basin. Geophysical Journal International 122(2), 378-392.

Side 7/8 Kristoffersen, Y. 1990: Eurasia Basin. In: Grantz, A., Johnson, L. & Sweeney, J.F. (eds): The Arctic Ocean region, The Geology of North America, Vol. L, 365-379.: The Geological Society of America. Lawver, L.A., Grantz, A. & Gahagan, L.M. 2002: Plate kinematic evolution of the present Arctic region since the Ordovician. In: Miller, E.L., Grantz, A. & Klemperer, S.L. (eds): Tectonic Evolution of the Bering Shelf-Chukchi Sea-Arctic Margin and Adjacent Landmasses. Geological Society of America Special Paper 360, 333-358. Lawver, L.A. & Scotese, C.R. 1990: A review of tectonic models for the evolution of the Canada Basin. In: Grantz, A., Johnson, L. & Sweeney, J.F. (eds): The Arctic Ocean region, The Geology of North America, Vol. L, 593-618.: The Geological Society of America. Lepvrier, C. 2000: Drift of Greenland and Correlation of Tertiary Tectonic Events in the West Spitsbergen and Eurekan Fold-Thrust Belts. In: Roland, N.W. & Tessensohn, F. (eds): III. International Conference on Arctic Margins. Celle (Germany) 12-16. October 1998. Polarforschung 68, 93-100. Lyberis, N. & Manby, G. 1993: The origin of the West Spitsbergen Fold Belt from geological constraints and plate kinematics: implications for the Arctic. Tectonophysics 224, 371-391. Lyberis, N. & Manby, G. 2001: The Eurekan Deformation of North and Eastern North Greenland. In: Roland, N.W. & Tessensohn, F. (eds): III. International Conference on Arrctic Margins. Celle (Germany) 12.-16. October 1998. Polarforschung 69, 95-106. Lyck, J.M. & Stemmerik, L. 2000: Palynology and depositional history of the Paleocene? Thyra Ø Formation, Wandel Sea Basin, eastern North Greenland. Geology of Greenland Survey Bulletin 187, 21-49. Piepjohn, K., Tessensohn, F., Harrison, C. & Mayr, U. 2000: Involvement of a Tertiary Foreland Basin in the Eurekan Foldbelt Deformation, NW Coast of Kane Basin, Ellesmere Island, Canada. In: Roland, N.W. & Tessensohn, F. (eds): III. International Conference on Arctic Margins. Celle (Germany) 12-16. October 1998. Polarforschung 68, 101-110. Roest, W.R. & Srivastava, S.P. 1989: Sea-floor spreading in the Labrador Sea: A new reconstruction. Geology 17, 1000-1003. Soper, N.J., Dawes, P.R. & Higgins, A.K. 1982: Cretaceous-Tertiary magmatic and tectonic events in North Greenland and the history of adjacent ocean basins. In: Dawes, P.R. & J.W.Kerr (eds): Nares Strait and the drift of Greenland: a conflict in plate tectonics. Meddelelser om Grønland, Geoscience 8, 205-220. Srivastava, S.P. & Tapscott, C.R. 1986: Plate kinematics of the North Atlantic. In: Vogt, P.R. & Tucholke, B.E. (eds): The Western North Atlantic Rigion, The Geology of North America, Vol. M, 379-404.: The Geological Society of America.

Side 8/8 Tessensohn, F. & Piepjohn, K. 2000: Eocene Compressive Deformation in Arctic Canada, North Greenland and Svalbard and Its Plate Tectonic Causes. In: Roland, N.W. & Tessensohn, F. (eds): III. International Conference on Arctic Margins. Celle (Germany) 12-16. October 1998. Polarforschung 68, 121-124.