Crustal Structure, Tectonics, and Magmatic Evolution of the Estonian Proterozoic Basement: Geophysical and Geochemical Insights

Eesti eelkambriumi vanusega kristalne aluskord, mida katab 100–900 m paksune paleosoikumi vanusega settekivimite kate, moodustab osa Fennoskandia kilbist – proterosoikumiaegsest mandrist Baltika.

Piiratud paljandumise tõttu on Eesti maakoore arhitektuur, tektooniline areng ja magmaatiline ajalugu endiselt puudulikult mõistetud. Käesolev dissertatsioon uurib, kuidas päritud paleoproterosoikumi maakoore struktuurid mõjutasid hilisemat litosfääri segmenteerumist ja mesoproterosoikumi magmatismi Eesti aluskorras.

Uuring ühendab gravitatsiooni- ja magnetiliste potentsiaalväljade modelleerimise kogukivimi geokeemia ja petroloogilise analüüsiga, et saavutada kolm peamist eesmärki:
(1) määratleda Eesti maakoore arhitektuur ja litosfääri segmenteerumine peamiste geofüüsikaliste katkestuste alusel; (2) hinnata, kas Alutaguse tsoon kujutab endast Lõuna-Svekofennia süsteemi jätku või eraldiseisvat tektoonilist üksust; ning (3) selgitada, kuidas
Svekofennia struktuurid kontrollisid Märjamaa–Kloostri rapakivi granitoidide paigutust, geomeetriat ja geokeemilist arengut Paldiski–Pihkva deformatsioonivööndi lähedal.

Bouguer’ gravitatsiooni- ja magnetanomaaliate andmestike töötlemine ja modelleerimine viitavad ligikaudu 60 km sügavusel paiknevale Moho piirile ning umbes 18 km sügavusel asuvale Conradi katkestusele. Spektraalne eraldamine ja tuletiste filtreerimine eristavad kuus petroloogilist aluskorra domeeni ning toovad esile domineerivad loode–kagu suunalised lineamendid, mis on peaaegu paralleelsed Paldiski–Pihkva deformatsioonivööndiga ja nurga all Fenno-Sarmatia kokkupõrkerinde suhtes. Magnetiliselt tuletatud kõrgendatud soojusvoo hinnangud langevad kokku selle deformatsioonivööndi ja mesoproterosoikumi rapakivi intrusioonidega, viidates litosfääri nõrgenemisele ja taasaktiveerumisele.

Paleoproterosoikumi metasedimentaarsete ja metavulkaaniliste kivimite kogukivimi geokeemilised andmed Alutaguse ja Lõuna-Svekofennia domeenides näitavad selgelt erinevaid magma algallikaid ja tektoonilist keskkonda.

Metasedimentaarsed kivimid moodustavad laia geokeemilise spektri ulatudes kõrge ränisisaldusega kuni madala ränisisaldusega kivimiteni, mis tõenäoliselt peegeldavad erinevusi ka magmade algaalikates.

Mikroelementide süsteemaatika ja elemendilised suhted eristavad Alutaguse astenosfäärse vahevöö sisendit Lõuna-Svekofennia domeeni subduktsioonist mõjutatud magmatismist. Need tulemused toetavad Alutaguse tsooni tõlgendamist kui 1.90–1.89 Ga vanust
saarkaarte-tagust basseini, mis on seotud Tallinna–Uusimaa vööndiga ning mis sulgus proto-Fennoskandia akretsiooni käigus ajavahemikus 1.89–1.87 Ga.

Ligikaudu 1.62 Ga vanuseliste Märjamaa–Kloostri rapakivi granitoidide integreeritud geofüsikaline inversioon ja geokeemiline modelleerimine viitavad mitmefaasilisele intrusioonile, mis paikneb piki taasaktiveeritud Svekofennia nihkevööndeid. Rabakivigraniitide
sisemine arhitektuur peegeldab transtensionaalset tõmberežiimi, milles järjestikused magma intrusioonid kujundasid piston–cauldron ja trapdoor tüüpi struktuure.

Geokeemilised trendid osutavad oksüdeerivates tingimustes toimuvale progresseeruvale magmalisele diferentseerumisele, mis on kooskõlas A-tüüpi AMCG magmatismiga ning mida toetas astenosfääri ülesvool Nuna superkontinendi lagunemise ajal.

Kokkuvõttes näitab dissertatsioon, et paleoproterosoikumi maakoore areng on avaldanud olulist kontrolli ka mesoproterosoikumi-aegse magmatismi ja litosfääri evolutsiooni üle Eesti aluskorras. Tulemused pakuvad sidusat geodünaamilist raamistikku vähe-uuritud
Fennoskandia aluskorra mõistmiseks ning omavad otsest tähtsust piirkondlike tektooniliste rekonstruktsioonide ja metallogeensete uuringute jaoks.

Abstract

The Estonian Precambrian crystalline basement, concealed beneath„100–900mof Phanerozoic cover, forms part of the Fennoscandian Shield within the Proterozoic continent Baltica. Owing to limited exposure, its crustal architecture, tectonic evolution, and magmatic
history remain incompletely understood. This dissertation investigates how inherited Paleoproterozoic crustal structures influenced subsequent lithospheric segmentation and Mesoproterozoic magmatism in the Estonian basement.

The study integrates gravity and magnetic potential-field modelling with whole-rock geochemistry and petrological analysis to address three principal objectives: (1) to define the crustal architecture and lithospheric segmentation of Estonia using major geophysical
discontinuities; (2) to evaluate whether the Alutaguse zone represents a continuation of the Southern Svecofennian system or a distinct tectonic entity; and (3) to determine how Svecofennian structural fabrics controlled the emplacement, geometry, and geochemical
evolution of the Märjamaa–Kloostri rapakivi granitoids along the Paldiski–Pskov Deformation Zone.

Processing and modelling of Bouguer gravity and magnetic anomaly datasets reveal a Moho depth of approximately 60 km and a Conrad discontinuity at „18 km. Spectral separation and derivative filtering delineate six petrological basement domains, highlighting
dominant NW–SE trending lineaments that are subparallel to the Paldiski–Pskov Deformation Zone and oblique to the Fenno-Sarmatian collision front. Elevated magnetic-derived heat-flow estimates coincide with this deformation zone and Mesoproterozoic rapakivi intrusions, indicating lithospheric weakening and reactivation.

Whole-rock geochemical data from Paleoproterozoic metasedimentary and metavolcanic rocks in the Alutaguse and Southern Svecofennian domains indicate contrasting source characteristics and tectonic settings. High-SiO metasediments record felsic, arcrelated provenance, whereas low-SiO types reflect mafic to intermediate rift-related sources. Trace-element systematics and elemental ratios distinguish asthenospheric mantle input in Alutaguse from subduction-modified magmatism in the Southern Svecofennian domain. These results support the interpretation of the Alutaguse zone as a 1.90–1.89 Ga back-arc basin related to the Tallinn–Uusimaa belt, with closure during accretion to proto-Fennoscandia between 1.89 and 1.87 Ga.

Integrated geophysical inversion and geochemical modelling of the „1.62 Ga Märjamaa–Kloostri rapakivi granitoids reveal a multiphase intrusion emplaced along reactivated Svecofennian shear zones. Their internal architecture reflects transtensional pullapart
dynamics, with successive magma pulses forming piston–cauldron and trapdoorstyle structures. Geochemical trends indicate progressive differentiation under oxidising conditions, consistent with A-type AMCG magmatism driven by asthenospheric upwelling
during Nuna breakup.

Overall, this dissertation demonstrates that Paleoproterozoic crustal inheritance exerted a fundamental control on Mesoproterozoic magmatism and lithospheric evolution in Estonia. The results provide a coherent geodynamic framework for the concealed Fennoscandian basement, with direct implications for regional tectonic reconstructions and metallogenic exploration.