Doktorsfyrirlestur í jarðfræði - Paavo Oskari Nikkola

Fyrirlestrinum verður streymt á Zoom: https://eu01web.zoom.us/j/67908655217?pwd=QUJzaVRtTmkyQUZDTTFFOTZ6N3BRUT09

Doktorsefni: Paavo Oskari Nikkola

Heiti ritgerðar: Frá hlutbráðnun til hraunmyndunar: uppruni tiltekinna basaltmyndana á Íslandi (From partial melting to lava emplacement: the petrogenesis of some Icelandic basalts)

Andmælandi: Dr. Reidar G. Trønnes, prófessor við Natural History Museum, Centre for Earth Evolution and Dynamics, Háskólanum í Ósló.

Leiðbeinandi: Dr. Þorvaldur Þórðarson, prófessor við Jarðvísindadeild Háskóla Íslands.

Einnig í doktorsnefnd:
Dr. Tapani Rämö, prófessor við Jarðvísinda- og landfræðideild Háskólans í Helsinki.
Dr. Enikő Bali, dósent við Jarðvísindadeild Háskóla Íslands.
Dr. Guðmundur H. Guðfinnsson, fræðimaður við Jarðvísindastofnun Háskólans.

Athöfn stýrir:  Dr. Magnús Tumi Guðmundsson, prófessor og deildarforseti Jarðvísindadeildar Háskóla Íslands.

Um er að ræða sameiginlega doktorsgráðu milli Háskóla Íslands og Háskólans í Helsinki og fór vörnin fram í Helsinki þann 20. mars síðastliðinn. 

Ágrip

Í þessari ritgerð er ljósi varpað á uppruna basaltkviku á Íslandi með þremur rannsóknarþemum. Í fyrsta þemanu er snefilefnainnihald ólívíndíla notað til að skýra hvaða skilyrði ríkja við hlutbræðslu möttulsins undir Íslandi. Í öðru þemanu er stuðst við jarðefnafræðilega hita- og þrýstimæla til þess að meta eiginleika kvikuhólfa/-þróa sem innihalda frumstæða basaltkviku (þ.e. ankaramít) í skorpunni undir Eyjafjallajökli. Þriðja þemað varðar þróunarferli basaltbráðar í helluhraunssepa í Hafnarhrauni við Þorlákshöfn.

Möttullinn undir Íslandi er að samsetningu misleitur. Samt samræmist aðal- og snefilefnasamsetning ólívíndíla í íslensku basalti kviku sem á uppruna sinn að rekja til hlutbræðslu á venjulegum lherzólítmöttli. Hugsanleg undantekning frá þessari reglu er basaltkvikan sem kemur upp í eldstöðvakerfunum Eyjafjallajökli og Vestmannaeyjum, sem innihalda mjög forsterítríka ólivíndíla með tiltölulega háan Ni-styrk og lágan Mn-styrk, ásamt lágum styrk Sc og V og háum styrk Cr, Ti, Zn, Cu og Li. Jafnvel þó að hár Ni-styrkur og lágur Mn-styrkur í frumstæðum ólivíndílum sé gjarnan rakinn til kviku sem myndast við hlutbráðnun á ólivínlausum pyroxenítmöttli, þá er samsetning umræddra ólivíndíla best skýrð með háhitabráðnun á auðguðum, ólivínríkum perídótítmöttli við háan þrýsting (Pfinal> 1,4 GPa). Þessi ályktun er dregin vegna þess að (i) hár Ni-styrkur og lágur Mn-styrkur í ólivíni samræmist einnig bráðnun við háan hita djúpt í möttlinum, (ii) tiltölulega hár styrkur Sc, V, Ti og Zn í ólivíndílunum er í samræmi við litla hlutbráðnun á ólivínríkum möttli, og (iii) samkvæmt nýjustu líkönum hvarfast pýroxenítbráð auðveldlega við möttulperidótít og því ólíklegt að slík bráð komist upp í jarðskorpuna og kristalli ólivín. Þessi hái styrkur Ni og lágur styrkur Mn í ólivíndílunum bendir til þess að kvikan hafi síðast verið í jafnvægi við möttulefnið á meira en 45 km dýpi og að kvikan hafi flust hratt frá möttli til yfirborðs.

Tvær ankaramítmyndanir í Eyjafjöllum, Hvammsmúli og Brattaskjól, sem auðugar eru af ólivíndílum (Fo81–90) og klínópýroxendílum (Mg#cpx 78–90) (~ 30%), nokkurn veginn í sama magni, sýna merki um uppruna djúpt í möttlinum, þ.e. hátt Ni-magn / lágt Mn-magn í ólivíndílunum. Efnasamsetning ólivíns, klínópýroxens, spínils og bráðarinnlyksna var greind í sýnum frá þessum myndunum til þess að meta dýpi kvikuþróa þar sem þessar kvikur safnast fyrir í skorpunni fyrir gos. Þessar greiningar sýna að spínilkristallarnir, sem eru til staðar sem innlyksur í ólivíndílum, hafa óvenju hátt Cr#spl (52–80) og mikið af TiO2 (1-3 þ.%) og lítið af Al2O3 (8–22 þ.%) í samanburði við dæmigerða krómspínla í íslensku basalti. Þetta er í takt við ályktunina um djúpstæðan uppruna móðurkvikunnar frá auðguðum möttli. Samkvæmt ólivín-spínil súrefnisþrýstingsmælinum kristölluðust þessir spínlar við hóflegan súrefnisstyrk (ΔlogFMQ 0–0,5). Jafnframt bendir þrýstimælir sem byggir á magni jaðeítþáttar í klínópýroxeni til að kristöllun klínópýroxens hafi átt sér stað við frekar lágan þrýsting (1,7–4,2 ± 1,4 kbar), sem gefur til kynna 10,7 ± 5 km dýpi fyrir kvikuþróna. Að auki gefa hitamælar fyrir klínópýroxen-gler, ólivín-gler og gler eingöngu mismunandi kristöllunarhitastig fyrir hinar mismunandi gerðir fasa, nefnilega 1120–1195 °C, 1136–1213 °C og 1155–1222 °C. Lítið magn plagíóklasdíla ásamt samsetningu klínópýroxendílanna bendir til þess að þessar kvikur hafi kristallað ólivín og klínópýroxen í kvikuþrónni og myndun plagíóklasdíla hafist síðar. Líkanreikningar á efnasveimi í ólivíni frá Brattaskjóli bendir til að þessi dílafarmur hafi farið að stað úr geymslurýminu og borist til yfirborðs í eldgosi innan nokkurra vikna. Niðurstaðan er að dílafarmurinn í Brattaskjóli og Hvammsmúla sé að uppruna kristalríkur massi í miðskorpunni með steindafylki wehrlíts eða plagíóklas-wehrlíts sem reis tiltölulega hratt til yfirborðs.

Basalthraun eru nær aldrei með sömu samsetningu og frumstæðar möttulbráðir vegna hlutkristöllunar sem á sér stað í jarðskorpunni, en hlutkristöllunin getur við lágan þrýsting orðið fyrir áhrifum af aðskilnaði gastegunda. Erfitt getur verið að greina áhrif þróunarferla í kviku með því að skoða storknuð innskot vegna flókinnar sögu þeirra oft á tíðum. Hins vegar er myndun helluhrauna vel skilin og hefur því verið rannsakað kvikuþróunarferli basalts með því að skoða þróaðan helluhraunssepa í Hafnarhrauni. Í þessu tilfelli átti aðskilnaður gass þátt í aðskilnaði afgangsbráðar með samsetningu basalts. Bráðaraðskilnaðurinn var af þrennu tagi: blöðrusívalningar (VC) í kjarna hraunsepans og tvær gerðir láréttra blöðrulaga (HVS1 og HVS2) í efri hluta sepans. Áhugavert er að efnasamsetning VC fellur ekki að líkanreikningum fyrir sepann og myndun þeirra virðist hafa orðið í tveimur þrepum: bráðaraðskilnaður með hjálp gass í botni sepans þar sem kristöllun átti sér stað og síðar mengun af frumstæðum stór- og smádílum í kjarna hraunsins. HVS1 líkjast VC og mynduðust þegar VC-sívalningar risu og söfnuðust fyrir á storknunarmörkum hraunsepans. Hins vegar eru HVS2 greinilega þróaðir í samanburði við hinar gerðirnar í sepanum og mynduðust við að mjög þróaðar afgangsbráðir seytluðu í holrými í efri skorpu sepans. Ferli lík þeim sem mynduðu afgangsbráðirnar í Hafnarhrauni gætu komið við sögu við myndun þróaðs basalt og súrs bergs í grunnstæðum kvikukerfum.

Heilt yfir litið sýna rannsóknirnar hversu einstakt Suðurgosbeltið er meðal virkra gosbelta á Íslandi. Þá hafa rannsóknirnar á Hafnarhrauni leitt í ljós ferli bráðaraðskilnaðar í helluhraunssepum. Vonast er til að framtíðarrannsóknir muni byggja á þessum uppgötvunum og leiða til betri skilnings á eðli möttulbráðnunar undir Suðurlandi og því hversu mikilvægt gas er fyrir kvikuþróunarferli í skorpunni. 

Um doktorsefnið

Paavo Oskari Nikkola  er fæddur og uppalinn í Finnlandi.

Hann hóf doktorsnám sitt árið 2015 og þá með stefnuna á sameiginlega doktorsgráðu frá Háskóla Íslands og Háskólanum í Helsinki.

Paavo nýtir frítíma sinn til útivistar eins og kostur er. Um þessar mundir nýtur hann lífsins í faðmi fjölskyldunnar, með eiginkonu og syni í Espoo í Finnlandi.