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

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4931-2
Title: From partial melting to lava emplacement : the petrogenesis of some Icelandic basalts
Author: Nikkola, Paavo
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Geotieteiden ja maantieteen osasto
Doctoral Programme in Geosciences
University of Iceland
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-03-20
Language: en
Belongs to series: Department of Geosciences and Geography A - URN:ISSN:1798-7911
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4931-2
http://hdl.handle.net/10138/312229
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
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-aid-ed 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.Tämä väitöskirja käsittelee Islannin basalttisten laavojen syntyä ja kehitystä. Väitöskirjan ensimmäisessä osassa käytän laavoissa esiintyvien oliviinihajarakeiden koostumuksia Islannin alaisen maapallon vaipan sulamisolosuhteiden indikaattorina, toisessa selvitän Eyjafjallajökull-tulivuoren ankaramiitti-laavojen purkautumista edeltäviä säilytysolosuhteita maankuoressa, ja kolmannessa tutkin basalttisen magman differentiaatioprosesseja pāhoehoe-laavapatjasta Hafnarhraun-laavakentällä. Islannin basalttien oliviinihajarakeiden koostumus viittaa yleensä oliviinirikkaiden (lherzoliittisten) vaipan kivien sulamiseen Islannin alla. Tähän ainoa poikkeus ovat eteläisen Islannin Eyjafjallajökull- ja Vestmannaeyjar-tulivuorten laavoissa esiintyvät oliviinihajarakeet, joissa on paitsi korkea nikkeli- ja matala mangaanipitoisuus, myös alhainen skandium ja vanadium, sekä korkea kromi, titaani, sinkki, kupari ja litium. Oliviinihajarakeiden korkea nikkeli- ja matala mangaanipitoisuus voidaan nähdä oliviinista köyhän pyrokseniittisen vaipan indikaattorina. Tästä huolimatta eteläisen Islannin poikkeavat oliviinikoostumukset selittyvät parhaiten vaipan syvällä sulamisella korkeassa lämpötilassa. Esitän näin sillä (i) korkea nikkeli ja matala mangaani oliviinissa voi olla myös seurausta vaipan korkeasta sulamislämpötilasta, (ii) Sc-, V-, Ti- ja Zn-pitoisuudet eteläisen Islannin oliviinihajarakeissa viittaavat oliviinirikkaaseen vaipan lähteeseen, ja (iii) uusimpien vaipan sulamisen mallien mukaan pyrokseniittivaipan sulat reagoivat helposti ympäröivän lherzoliittivaipan kanssa ja näin ne tuskin säilyvät muuttumattomina noustessaan kohti maapallon kuorta. Eteläisen Islannin magmat ovat luultavasti lähtöisin yli 45 km syvyydestä maan vaipasta ja ne nousevat tehokkaasti litosfäärin läpi. Erityisen voimakas syvän vaipan sulamisen signaali (korkea nikkeli ja matala mangaani oliviinissa) havaittiin kahdesta ankaramiitti-laavasta Eyjafjallajökull-tulivuoren rinteiltä. Selvittääkseni näiden laavojen purkautumista edeltävät säilytysolosuhteet maankuoressa, analysoin niistä oliviini-, klinopyrokseeni-, spinelli- ja sulasulkeumakoostumuksia. Näiden analyysien perusteella arvioin, että tutkittujen ankaramiittien hajarakeet kiteytyivät yllättävän matalassa 3±1,4 kbar paineessa, mikä vastaa 10,7±5 km syvyyttä maapallon kuoressa. Nämä hajarakeet ovat luultavasti peräisin keskikuoren wehrliittisistä tai plagioklaasi-wehrliittisistä kidepuuroista ja ne nousivat maanpintaan vain muutaman viikon sisällä. Jotta ymmärtäisin basalttisen magman differentiaatioprosesseja, analysoin pāhoehoe-laavapatjan sisäisiä rakenteita Hafnarhraun-laavakentältä. Selvisi, että laava sisältää kolmen tyyppisiä segregaatiorakenteita (sulasegregaatioita): rakkulapiippuja (VC) laavapatjan ytimessä ja kahden tyyppisiä horisontaalisia rakkulapatjoja (HVS1 ja HVS2) laavapatjan yläosissa. VC koostumukset eivät vastannut laavan mallinnutettuja jäännössulia, mutta ne voitiin selittää kaksivaiheisella syntyhistorialla, jossa VC ensin erottuvat isäntämagmasta lähellä laavan pohjaa ja tämän jälkeen niihin kertyy oliviini- ja plagioklaasikiteitä laavapatjan keskiosassa. HVS1 puolestaan muodostuivat, kun nousevat VC levittäytyivät laavan kiteytyvän yläkuoren alapintaa vasten, ja HVS2 ovat pitkälle fraktioituneita isäntälaavan jäännösulia, joita tihkui laavan yläkuoreen muodostuneisiin aukkoihin ja rakoihin. Näiden sulasegregaatioiden erottumista muistuttavat prosessit voivat edesauttaa kehittyneiden basalttisten magmojen muodostumista myös maanpinnan läheisissä magmasäiliöissä. Väitöskirjatutkimukseni korostaa eteläisen Islannin ainutlaatuisuutta verrattuna Islannin muihin magmaattisesti aktiivisiin alueisiin ja valaisee sulasegregaatioiden kehitystä pāhoehoe-laavoissa. Toivon, että löydökseni inspiroivat Islannin vaipan sulamisolosuhteita ja magmaattisen differentiaation prosesseja selvittävää tutkimusta.
Subject: Geologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
frompart.pdf 3.578Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record