From partial melting to lava emplacement: the petrogenesis of some Icelandic basalts

Paavo Nikkola

Research output: Types of ThesisPh.D. Thesis

Abstract

This thesis provides insights into the petrogenesis of Iceland basalts via three subprojects. The first uses olivine macrocrysts as a proxy for mantle melting conditions below Iceland, the second utilizes petrological thermobarometry to resolve the crustal storage conditions of the most primitive basaltic rocks (ankaramites) of the Eyjafjallajökull volcano, and the third investigates basalt fractionation processes within the Hafnarhraun pāhoehoe lava lobe. The sub-Icelandic mantle is evidently heterogeneous in composition. Yet olivine major and minor element compositions in Iceland basalts typically concur with common mantle lherzolite as the source of magmas, with the only potential exceptions being the basalts of Eyjafjallajökull and Vestmannaeyjar volcanic systems in South Iceland. These South Iceland basalts have forsteriterich olivine with relatively high Ni and low Mn contents, together with low Sc and V and high Cr, Ti, Zn, Cu and Li contents. Elevated Ni and low Mn in olivine have been attributed to olivine-free pyroxenitic mantle source; however, the South Iceland olivine compositions are best explained by the effect of comparatively high-pressure (Pfinal>1.4 GPa) and high-temperature melting of somewhat enriched olivine-bearing mantle. I conclude this because (i) elevated Ni and low Mn in olivine can also indicate deep, high-temperature, mantle melting, (ii) the abundances of Sc, V, Ti and Zn in the South Iceland olivine are compatible with low-degree partial melts of olivine-rich mantle, and (iii) melts of olivine-free pyroxenite are, according to recent models, easily consumed in reactions with subsolidus mantle peridotite and thus unlikely to migrate to the crust and crystallize olivine. The identified high-Ni/low-Mn olivine macrocrysts suggest final mantle equilibration depths greater than 45 km for South Iceland magmas, and imply effective mantle-to-surface magma transport. Two Eyjafjallajökull ankaramite outcrops (Hvammsmúli and Brattaskjól), rich in olivine (Fo81–90) and clinopyroxene (Mg#cpx 78–90) macrocrysts (~30 vol%) in near equal amounts, have a specifically prominent “deep mantle source signature” (high-Ni/low-Mn) in olivine. To investigate the crustal storage conditions of these and other Eyjafjallajökull basaltic magmas, I analyzed olivine, clinopyroxene, spinel and melt inclusion compositions from these volcanic units. These analyzes revealed that the olivine-hosted spinel inclusions have exceptionally high Cr#spl (52–80) and TiO2 (1–3 wt%) and low Al2O3 (8–22 wt%) compared to typical chromian spinels in Iceland, in line with the postulated deep and enriched mantle source of the parental magmas. According to olivine-spinel oxybarometry, these spinels crystallized under a moderate oxygen fugacity (ΔlogFMQ 0–0.5). Furthermore, jadeite-in-clinopyroxene barometry indicates clinopyroxene crystallization at a rather low pressure (1.7–4.2 kbar; external precision ±1.4 kbar), implying a magma storage depth of 10.7±5 km. Additionally, clinopyroxe-liquid, olivine-liquid and liquid only thermometry gives varying crystallization temperatures of 1120–1195 °C, 1136–1213 °C and 1155–1222 °C, respectively, for the compositionally diverse macrocrysts. The scarcity of macrocryst plagioclase and trends in clinopyroxene compositions indicate that the mid-crustal crystallizing assemblage was olivine and clinopyroxene, and plagioclase fractionated later. Diffusive re-equilibration in Brattaskjól olivine grains suggests that this crystal assemblage mobilized and erupted from its storage within a few weeks. To conclude, the Brattaskjól and Hvammsmúli crystal cargoes are agitated wehrlitic or plagioclase-wehrlitic mushes from the mid-crust that ascended to the surface relatively rapidly. Basaltic lavas are practically never primitive mantle melts owing to fractional crystallization in the crust, which, at low pressure, may be aided by volatile exsolution. Deciphering magma fractionation processes from solidified crustal intrusions is hampered by their often complex emplacement history. The emplacement of pāhoehoe lavas, however, is simpler and well understood, and hence I investigated the mechanisms of basalt fractionation from a differentiated pāhoehoe lava lobe in Hafnarhraun lava flow field. Here, volatile exsolution had facilitated separation of basaltic residual melts to form three types of melt segregations: vesicle cylinders (VC) in the core of the lobe and two types of horizontal vesicle sheets (HVS1 and HVS2) in the upper part of the lobe. Interestingly, the VC do not match chemically with the modelled residual melts of the lobe, and their formation seems to have included two stages: volatile-aided melt separation from crystallizing base of the lobe and later contamination by primitive macro- and microphenocrysts in the lava core. HVS1, which resemble VC, were formed as the ascending VC diapirs accumulated to the upper solidification front of the lava lobe. HVS2, in turn, are distinctly evolved in compositions compared to other units in the lobe and were formed as highly fractionated residual melts seeped to voids in the upper crust of the lobe. Processes analogous to segregation formation at Hafnarhraun may contribute to genesis of evolved basalts and silicic rocks in shallow magmatic systems. Overall, my work highlights the exceptional nature of South Iceland among other volcanically active regions in Iceland. Furthermore, analyses of the Hafnarhraun pāhoehoe lava reveal the processes of melt segregation formation in pāhoehoe lava lobes. I hope future research will expand on these findings, further resolving the nature of mantle melting below South Iceland and the significance of volatile-aided processes in crustal magma differentiation.
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. Möttulinn 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. Þrátt fyrir 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 perídótítmöttliviðháanþrýsting(Pfinal> 1,4 GPa). Ég dreg þessa ályktun vegna þess að (i) hár Nistyrkur 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 ogaðkvikanhafiflusthrattfrámöttlitilyfirborðs. 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,sýnamerkiumupprunadjúptímöttlinum, þ.e. hátt Ni-magn / lágt Mn-magn í ólivíndílunum. Efnasamsetningólivíns,klínópýroxens,spínilsog 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 greiningarsýna 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 Al2 O3 (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).Jafnframtbendirþrýstimælirsembyggirá magnijaðeítþáttaríklínópýroxenitilaðkristöllun klínópýroxens hafi átt sér stað við frekar lágan þrýsting (1,7–4,2±1,4 kbar),semgefurtil kynna 10,7 ± 5 km dýpi fyrir kvikuþróna.Að auki gefa hitamælarfyrir klínópýroxen-gler, ólivín-gler og gler eingöngu mismunandi kristöllunarhitastig fyrir hinar mismundi 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 hef ég því 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 afgangsbráðirseytluðu 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. Heiltyfirlitiðþásýnarannsóknirmínarhversu einstakt Suðurgosbeltið er meðal virkra gosbelta á Íslandi. Þá hafa rannsóknirnar á Hafnarhrauni leitt í ljós ferli bráðaraðskilnaðar í helluhraunssepum. Ég vona 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.
Original languageEnglish
QualificationDoctor
Supervisors/Advisors
  • Þórðarson, Þorvaldur, Supervisor
Publisher
Print ISBNs978-951-51-4931-2
Publication statusPublished - 20 Mar 2020

Other keywords

  • Basalt
  • Bergkvika
  • Jarðmöttull
  • Jarðvísindi
  • Doktorsritgerðir

Fingerprint

Dive into the research topics of 'From partial melting to lava emplacement: the petrogenesis of some Icelandic basalts'. Together they form a unique fingerprint.

Cite this