Strukturgeologisk analyse af Rubjerg Knude glacialtektoniske Kompleks, Lønstrup Klint, Vendsyssel, Danmark

1 Strukturgeologisk analyse af Rubjerg Knude glacialtektoniske Kompleks, Lønstrup Klint, Vendsyssel, Danmark Stig Asbjørn Schack Pedersen Dansk resumé af afhandlingen: Structural analysis of the Rubjerg Knude Glaciotectonic Complex, Vendsyssel, northern Denmark. Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelse Bulletin 8, Copenhagen 2005, 192 pp. + 2 plates. Afhandlingen er af Det Naturvidenskabelige Fakultet ved Københavns Universitet antaget til offentligt at forsvares for den naturvidenskabelige doktorgrad. København den 9. februar 2005, Dekanen. Forsvaret vil finde sted i Anneksauditorium A, Studiestræde 6, Københavns Universitet, fredag den 10. marts 2006, kl. 14 00. Titel: Strukturgeologisk analyse af Rubjerg Knude glacialtektoniske Kompleks, Lønstrup Klint, Vendsyssel, Danmark. Forfatter: Pedersen, S.A.S. Trykkeår: 2006 Særudgivelse Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelse, GEUS, København ISBN: 87-7871-173-8 Rubjerg Knude SASP2006

2 Indledning Rubjerg Knude glacialtektoniske Kompleks er et overskydningskompleks af tynde skiver, som dannedes under fremrykningen af Det norske Isfremstød 30 26 000 år før nu. Det geologiske tværprofil gennem komplekset er 6 km langt og er en del af Lønstrup Klint i Vendsyssel. Lønstrup Klint er velblottet og er derfor en af de bedste lokaliteter til en detaljeret strukturgeologisk analyse af et deformationskompleks, som er dannet ved glacialtektonisk overskydning af tynde skiver. De dannede strukturer kan imidlertid på talrige punkter sammenlignes med overskydningstektonik i bjergkæder og ved udredningen af deformationsdynamikken kan strukturgeologiske begreber, som anvendes i bjergkædetektonik, med fordel benyttes. Geologisk tværprofil af Rubjerg Knude Den strukturgeologiske analyse er baseret på en fotogrammetrisk opmåling af klinten (Fig. 1), som har muliggjort konstruktionen af et balanceret tværsnit af deformationskomplekset. Det balancerede tværsnit er udgangspunkt for opstilling af en dynamisk model for deformationen. Princippet i en balancering af et geologisk tværsnit er at konstruere sig tilbage til et tværsnit, der repræsenterer tilstanden før deformationen (Plate 1). Balanceringen omfatter linie-balance og areal-balance, hvor linie-balancen består i at udmåle størrelsen af skivens forsætning og areal-balancen kontrollerer, at overskydningsskiverne i det opmålte tværsnit har det samme areal som i det restaurerede tværsnit, der repræsenterer den præ-deformationelle lagserie. Ved hjælp af balanceringen kan man demonstrere, at tolkningerne af strukturernes forløb i dybet er geometrisk sandsynlige. Konstruktionen af det balancerede profil begynder ved den sidst deformerede skive, altså den som er tættest ved forlandet. Skiven lægges på plads ud fra udmålingen af dens forsætning. Herefter lægges den næste skive på plads, og så fremdeles. I konsekvens heraf følger den systematiske strukturelle beskrivelse også en opdeling fra det distale til det proksimale deformationsområde. Komplekset er inddelt i 13 navngivne sektioner, der hver for sig indeholder karakteristiske elementer i den strukturelle udvikling. Rubjerg Knude SASP2006

'HW JHRRJLVNH WY USURIL YHG 5XEMHUJ.QXGH PHG WRNQLQJ DI RYHUVN\GQLQJVVWUXNWXUHU L XQGHUJUXQGHQ P 0nUXS.LUNH 5LEMHUJ P 0RVHUHQGH P 5XEMHUJ.QXGH )\U 6WRUWRUQ %UHGH 5HQGH.UDPUHQGH P 6WHQVQ V 7YRQQHW 5HQGH 8VWUXS 5HQGH 8VWUXS WUDSSHU *HRRJLVN WY USURIL DI 5XEMHUJ.QXGH (W JDFLDWHNWRQLVN NRPSHNV L / QVWUXS.LQW 9HQGV\VVH 'HQPDUN 7Y USURILHW HU XGDUEHMGHW YHG KM S DI HQ IRWRJUDPHWULVN RSPnLQJ XGI UW DI 6WLJ $VEM UQ 6FKDFN 3HGHUVHQ 'LDPLNWLW 6PHWHYDQGVVDQG RJ JUXV.LWWRS ± JDFLD DEUDVLRQVIDGH 0DUW UY 0DULQW HU RJ VDQG / QVWUXS.LQW )RUPDWLRQ 0RU QHVDQG /HU RJ VLW XGHQ PDULQH IRVVLHU 0DULQW HU 'DQPDUNV RJ *U QDQGV *HRRJLVNH 8QGHUV JHVH.LWWRS.LW 5XEMHUJ.QXGH )RUPDWLRQ 0RELLVHUHW PXGGHU 6DQG XGHQ PDULQH IRVVLHU 6WRUWRUQ )RUPDWLRQ P 0DUW UY %DNNHU 2GGHUYHM WUDSSHU 6DQGUHQGH 6WHQVWXH 5HQGH *U QQH 5HQGH 6PHWHYDQGVVDQG 9HQGV\VVH )RUPDWLRQ ^ 0LG 'DQLVK 7L )RUPDWLRQ.DWWHJDW 7L )RUPDWLRQ 5LEMHUJ )RUPDWLRQ 2YHUVN\GQLQJ RJ IRUNDVWQLQJ,QNRQIRUPLWHW /DJGHLQJ P P

4 Kompleksets stratigrafi verskydningerne påvirkede tre litostratigrafiske enheder: den arktisk marine Stortorn Formation (ny formation) fra mellemste Weichsel, den overvejende glacilakustrine Lønstrup Klint Formation (ny formation) og den fortrinsvis fluviale Rubjerg Knude Formation (ny formation), begge fra sen Weichsel. Rubjerg Knude Formationen overlejrer en regional inkonformitet (L/R-u), som adskiller de prætektoniske aflejringer (Stortorn og Lønstrup Klint Formationerne) fra de syntektoniske aflejringer (Fig. 2). Stortorn og Lønstrup Klint Formationer indgår i Skærumhede Gruppe (ny gruppe), hvis nedre dele er beliggende under det glacialtektoniske kompleks og kendes fra boringer ved Nr. Lyngby, Skærumhede og Skagen. Komplekset overlejres erosivt af Kattegat Till Formationen. Nær Lønstrup overlejres denne af Ribjerg Formationen (ny formation), der består af smeltevandsaflejringer tilknyttet et isfremstød fra NØ. Dette afsluttedes med afsætningen af Midt danske Till Formationen, der kun med sikkerhed er påvist ved Lønstrup. Både mod nord og syd pålejres det glacialtektoniske kompleks af de senglaciale, marine aflejringer tilhørende Vendsyssel Formationen (ny formation). Strukturgeologisk beskrivelse De strukturelle elementer er ramper og flader, som betegnes liggende eller hængende efter deres position i forhold til overskydningsplanet. venover de øvre rampers hængsel udvikledes hængende-blok (hanging-wall) antiklinaler. Liggende-blok (footwall) synklinaler blev typisk dannet under sedimentation langs vækstforkastninger i de syntektoniske piggybackbassiner. Sedimenterne i piggybackbassinerne henføres til Rubjerg Knude Formationen. Heri indgår blokke (olistolither) af Lønstrup Klint Formationen aflejret i udskridningslag hidhørende fra spidserne af de opskudte skiver. Mudderdiapirer er et fremtrædende element i overskydningskomplekset (Fig. 3). Diapirismen startede med dannelsen af små polydiapirer af mobiliseret mudder langs hængende-blok overskydningsramper og flader. De store diapirer udvikledes typisk i forbindelse med bevægelse af en hængende-blok flade op langs en liggende-blok rampe fra det dybeste décollementniveau til øvre hængsel af liggende-blok rampe. Rubjerg Knude SASP2006

5 Holocæn Recente flyvesandsklitter 11.5 19 15 eu Top af klint Nr. Lyngby Lag Vendsyssel Formation gu eu Midt Danske Till Formation Tørv og gytje Ler Siltet mudder Dropsten i ler og siltet mudder Midt Weichsel Sen Weichsel 27 23 30 28 30 32 30 20 10 35 32 eu gu eu Ribjerg Formation Blå-inkonformitet Kattegat Till Formation Rubjerg Knude Formation L/R-inconformitet Lønstrup Klint Formation Stortorn Formation Skærumhede Gruppe eu gu Sandet mudder Sand Till, morænesand Grus Daterede plantefossiler Daterede marine skaller Palæostrømretning Isbevægelsesretning Erosions inkonformitet Glacialtektoninsk inkonformitet 0 m f. m. c. År i 1000 før nu Tykkelse Litologi Strukturer og kornstørrelse Fossiler Retningselementer Inkonformitet Formation Ler Silt Sand Grus Sten Fig. 2. versigt over stratigrafiske enheder repræsenteret i Rubjerg Knude glacialtektoniske Kompleks. De markerede fossiler angiver placeringen af 14C-daterede prøver.

6 L/R-inkonformitet Paddehat diapir BR02HWR Rubjerg Knude Fm i KR04 Lønstrup Klint Fm i BR02 BR01 NNV 5 m SSØ Fig. 3. Mudderdiapir i den frontale del af Brede Rende Sektion. Diapirismen foregik mens spidsen af overskydningsskive BR02 blev forskudt langs med sin hængende-blok rampe op over den liggende blok rampe og flade knyttet til den bageste del af Kramrende Sektionen. Efter diapirismen var igangsat ved overskydningsskivens passage af de nedre liggende-blok rampers øvre hængsler, intruderede det mobiliserede mudder L/R-inkonformiteten og dannede paddehatformede diapirer op i Rubjerg Knude Formationen.

7 Skiverne kan være opdelt i et antal mindre segmenter, der gradvist stabledes oven på hinanden under dannelse af et duplex. Duplex segmenter er specielt tilknyttet de nedre dele af overskydningskomplekset. Imbrikerede duplexer udgør en karakteristisk del af overskydningskomplekset. De tolkes som årsag til komplekse foldestrukturer. Disse dannedes som hængende-rampe antiklinaler ved de imbrikerede duplex segmenters passage af øvre hængsel i liggende-blok ramper. Hængende-rampe antiklinaler, knyttet til duplex imbrikationer, kan have flanker, som hælder stejlt mod forlandet. I disse flanker udvikledes forlandshældende (foreland-dipping) normalforkastninger (Fig. 4). Imbrikerede duplexsegmenter tolkes som en afspejling af pladsmangel på dybere niveau forårsaget af den indledende sammenpresning under overskydningsbevægelse i de øvre niveauer. Rubjerg Knude glacialtektoniske Kompleks er opdelt i tretten strukturelle sektioner, som er navngivet efter lokalitetsnavnene på det geologiske tværsnit af Lønstrup Klint udarbejdet af A. Jessen i 1918. Sektionerne benævnes fra syd (nær Nr. Lyngby) mod nord (ved Lønstrup): Ulstrup, Stensnæs, Martørv Bakker, Kramrende, Brede Rende, Sandrende, Stenstue Rende, Grønne Rende, Rubjerg Knude Fyr, Stortorn, Moserende, Mårup Kirke, og Ribjerg Sektionerne. pdelingen i sektioner er begrundet i følgende tre kriterier: (1) sektionerne afgrænses af markante liggende-blok ramper, (2) de enkelte sektionerne har en ensartet strukturel arkitektur, og (3) sektionerne kan deskriptivt og geografisk afgrænses. Udfærdigelsen af det nye geologiske tværprofil blev foretaget ved hjælp af en fotogrammetrisk opmåling og udtegning i et computeropkoblet stereoskopisk instrument, som muliggjorde en profiludtegning med en nøjagtighed på under 25 cm (Fig. 1). I afhandlingen "Structural analysis of the Rubjerg Knude Glaciotectonic Complex" er der givet en systematisk beskrivelse af samtlige sektioner. Denne omfatter tektonisk arkitektur, sedimentære enheder, strukturer, og tolkning af strukturernes dannelse. Tektonisk arkitektur omfatter overskydningsskiverne og disses makro-strukturer. Beskrivelsen af de sedimentære enheder i sektionerne fokuserer på de detaljer i de syntektoniske forhold i Lønstrup Klint og Rubjerg Knude Formationerne, som er specielle for de enkelte sektioner og relevante for tolkningen af den strukturelle udvikling. Afsnittet om strukturer fokusere på meso- og mini-strukturer (folder, overskydningszoner, forkastninger, diapirer, breccier og sprækker). Systematikken i denne beskrivelse følger den strukturelle analyse: først beskrives geometrien, derefter kinematikken, hvorefter dynamikken tolkes, og analysen afrundes med en tektonisk syntese. Rubjerg Knude SASP2006

8 N S BR06HWF BRNF Rubjerg Knude Fm i BR06 Lønstrup Klint Fm L/R-inkonformitet BR06HWR BR04FWF Satellit TF BR06HWF Rubjerg Knude Fm i overskydningsskive BR04 BRNF Lønstrup Klint Fm i overskydningsskive BR04 5m Brede Rende trin 5 BR6 BR6 SR1 BR8 BR7 BR6 BR5 BR3u BR4 BR3 BR2 KR4 Brede Rende liggende-blok rampe Kramrende liggende-blok rampe Brede Rende trin 6 BR8 BR7 BR6 BR5 BR6 BR4 BR6 BR3 BR2u BR2 BR1 KR4 Brede Rende liggende-blok rampe Kramrende liggende-blok rampe N Rubjerg Knude Formation Lønstrup Klint Formation Aktiv overskydning 100 m S Fig. 4. Normalforkastningen i Brede Rende Sektion (BRNF) er et godt eksempel på forlandshældende overskydningsstrukturer, som er opstået ved overskydning ned over en forlandshældende flanke af en underliggende hængende-blok antiklinal. Dannelsen er illustreret ved to mellemtrin (5 & 6) i den sekventielle udvikling af Brede Rende Sektionen.

9 Den progressive dynamiske deformation Den dynamiske udvikling af de enkelte sektioner er illustreret i figurerne 112 122 og syntetiseret i figurerne 123 124 i "Structural analysis of the Rubjerg Knude Glaciotectonic Complex, Vendsyssel, northern Denmark". Det er en af undersøgelsens hovedkonklusioner, at den proksimale del af komplekset har gennemgået de deformationer, som opbygger den distale og den centrale del af komplekset, inden disse blev overpræget af de strukturer, som karakteriserer den proksimale del. Derfor opridses kort hvilke deformationer, som karakteriserer den progressive udvikling. Under den dynamiske udvikling af det glacialtektoniske kompleks er den tidligste deformation dannelsen af en lang, horisontal forlandsoverskydning (foreland translated thrust sheet) med décollementniveau i 10 meters dybde. Denne form for deformation blev ved med at pågå i den forreste del af komplekset. Den næste type af deformation indtrådte, hvor overskydningen sprang fra décollementniveau 10 m til 20 m. Ved dette spring dannedes en rampe, ved hvilken den overskydende hængende-blok pressede sig fremad og gradvis nedbrød rampen under dannelsen af duplexsegmenter, som blev intensivt foldet (rampekollapsfoldning, duplex folds at ramp collapse). Det er ved denne rampekollaps, at de mest spektakulære folder dannedes i Rubjerg Knude glacialtektoniske Kompleks (Fig. 5). Ved hver rampe dannedes en hængende-blok antiklinal (hanging-wall anticline). Ved et stigende antal ramper blev disse antiklinaler mere og mere dominerende. I takt med, at décollementniveauet skiftede fra 20 til 30 m dannedes endnu højere ramper, hvorved hængende-blok antiklinaler kom til at udgøre den dominerende strukturtype. De hængende-blok antiklinaler udvikledes til antiformstakke (antiformal stack), når tidligere lange horisontale overskydninger indgik i en senere rampepassage. I forbindelse med antiformstakke skabtes også forlandshældende overskydninger (foreland-dipping thrusts), som vil kunne opfattes som normalforkastninger, der hælder modsat den generelle orientering af overskydningerne. Under hurtig fremrykning af overskydningskomplekset blev lange horisontale overskydninger i décollementniveau 20 m opsplittet i kortere segmenter, som blev imbriket. Ved en aktivering af et underliggende langstrakt overskydningssegment langs décollementniveau 30 m blev disse taglagte overskydninger reorienteret til en vifte af meget stejltstående skiver, en imbrikationsvifte (imbricate fan). Et godt eksempel på en imbrikationsvifte ses i Grønne Rende (Fig. 6). Rubjerg Knude SASP2006

10 N S 1 2 3 4 Tolket liggende-blok overskydning 2 m Trin 1 Duplex segmenter 1 2 3 Trin 2 1 Hængende-blok antiklinal 0 1 2 3 4 5 m 2 3 Fig. 5. Den sydlige del af Stensnæs Sektion findes de mest intensivet foldede partier i Lønstrup Klint. Folderne er dannet som hængende-blok antiklinaler foldet ved passage over rampe-hængsler. Da ramperne dannedes sekventielt fremefter mod den frontale del af overskydningssystemet vil det første sæt af folder efterfølgende blive overpræget af foldning ved dannelsen af næste rampes hængende-blok antiklinal. Dette er illustreret ved de fire skematiske udviklingstrin. Trin 3 Leret mudder Finkornet sand verskydning 1 Trin 4 2 3 Antiform stak 1 2 3 Liggende-blok rampe

11 Grønne Rende 1 240 m nedre segment GR12 GR13 GR8u GR11 GR10 GR9 GR8 GR7 GR6 GR7u GR5 GR4 GR3 GR2 GR1 SS Grønne Rende liggende-blok rampe Stenstue Rende liggende-blok rampe Grønne Rende 2 GR12 GR13 GR8u GR11 GR10GR9 GR9u GR8GR7 GR6 GR5 GR4 GR3 GR2 GR1 SS Grønne Rende liggende-blok rampe Stenstue Rende liggende-blok rampe N Rubjerg Knude Formation Lønstrup Klint Formation Aktiv overskydning 100 m S Grønne Rende 3 RF1 GR11 GR6 GR1 SS Grønne Rende liggende-blok rampe Stenstue Rende liggende-blok rampe Fig. 6. Grønne Rende Sektion set fra syd mod nord, hvor Stortorn står frem som den stejle klint i det fjerne. Lønstrup Klint Formationen danner her tynde skiver af leret mudder imellem tykkere partier af Rubjerg Knude Formationens sandaflejringer. Hele denne sektion udgør en imbrikationsvifte, hvis trinvise udvikling ses i de tre dynamiske udviklingstværsnit.

12 Hver gang der skete overskydning i et højere niveau end det dybeste décollementniveau, blev der efterladt et nedre overskydningssegment mellem de to niveauer. Når dette segment deformeredes af en fremadrykkende rampe, som havde sin rod i det dybeste décollementniveau, blev det opsplittet i delsegmenter, som stabledes oven på hinanden under dannelse af en duplexstak (duplex stack). Ved den fortsat fremadskridende deformation blev duplexstakkene foldet i større imbrikerede stakke (imbricated duplex stack). venpå duplexstakkene blev der dannet piggybackbassiner, og afhængig af antallet af duplexsegmenter i stakken hævedes piggybackbassinerne til varierende højde. I den mest proksimale del af komplekset skete overskydningen fra décollementniveauet 40 m, hvorved der var fire aktive overskydningsniveauer. Under den maksimal kompression opstod en struktur kaldet forkastnings-bøje-foldet duplex (fault-bend-folded duplex) ved forsætning og imbrikation af segmenter imellem de enkelte overskydninger. Den dominerende struktur i forkastnings-bøje-foldet duplexer er basalt set en angulær S-form, og den maksimale kompression af enheder bestående af foldede duplexer er ca. 56 m målt horisontalt svarende til bøje-foldning af en 40 m tyk lagpakke langs ramper med en hældning på 45. Den progressive udvikling af strukturelle arkitekturelementer er illustreret i Fig. 7. I den nordlige del af komplekset udgør "Det lille Blå" og "Det store Blå" (navngivet af A. Jessen i 1918) et væsentlig element. Farven blå refererer her til det blågrå ler som står frem i den nederste del af kystprofilet ved Ribjerg. Toppen af det "blå" er en inconformitet (glacialtektonisk diskordans), som udgør den overflade, isens sål hvilede på under fremrykningen mod syd. Leret under den glacialtektoniske diskordans er strukturløst mudder med spredte sten og enkelte store blokke, og tolkes som den øvre del af Skærumhede Gruppen, der under isens vægt og deraf dannede porevandsovertryk blev mobiliseret. Efter at porevandstrykket aftog, konsolideredes det lerede mudder, og shearbevægelser langs isens bund forplantede sig ned i leret under dannelse af en glacitektonit. Rubjerg Knude SASP2006

13 verskydningsdynamik og glacialgeologi verskydningsdeformationen resulterede i at den laterale udstrækning af lagserien blev forkortet med 50%. Kun 11% af den oprindelige lagserie er eroderet væk under overskydningsdeformationen, som var forårsaget af gravitationsspredning foran den fremrykkende iskappe. Porevandsovertryk i de finkornede sedimenter var et vigtigt led i overførslen af den deformerende kraft. På baggrund af dateringerne af Stortorn, Rubjerg Knude og Ribjerg Formationerne er hastigheden af overskydningsbevægelsen beregnet til 2 m/år, og deformationens nettoresultat er, at en 12 km lang og 40 m tyk serie af horisontalt aflejrede sedimenter nu indgår i et 6 km langt og ca. 80 m højt overskydningskompleks, hvoraf en væsentlig del i dag ligger under havniveau. verskydningskomplekset blev afskåret af en glacialtektonisk inkonformitet da Det norske Isfremstød endelig overskred komplekset. Da iskappen smeltede tilbage var der dannet et høj-oghul-par, og hullet opfyldtes af smeltevandsaflejringer (Ribjerg Formationen) afsat foran den fremrykkende iskappe fra NØ. Dette isfremstødet med kildeområde i Midtsverige overskred komplekset under sin fremrykning til Hovedopholdslinien beliggende adskillige kilometer vest for Lønstrup Klint. Da denne iskappe smeltede bort ca. 17 000 år før nu dækkedes det glaciale landskab af den arktisk marine Vendsyssel Formation, som efterfølgende blev isostatisk opløftet til 40 m over nuværende havniveau ved Lønstrup. Rubjerg Knude SASP2006