Island Hotspot - Iceland hotspot

Ausbruch bei Krafla , 1984
Aktive Vulkangebiete und -systeme in Island
Island Mittelatlantischer Rücken map.svg

Der Island Hotspot ist ein Hotspot, der mitverantwortlich für die hohe vulkanische Aktivität ist, die das Island Plateau und die Insel Island gebildet hat .

Island ist eine der aktivsten Vulkanregionen der Welt, wobei durchschnittlich etwa alle drei Jahre Eruptionen auftreten (im 20. Jahrhundert gab es 39 Vulkanausbrüche auf und um Island). Etwa ein Drittel der basaltischen Lava, die in der aufgezeichneten Geschichte ausgebrochen ist, wurde durch isländische Eruptionen produziert. Bemerkenswerte Eruptionen waren die von Eldgjá , eine Spalte von Katla im Jahr 934 (der weltweit größte jemals beobachtete Basaltausbruch), Laki im Jahr 1783 (der zweitgrößte der Welt) und mehrere Eruptionen unter Eiskappen , die verheerende Gletscherausbrüche verursacht haben , die meisten vor kurzem im Jahr 2010 nach dem Ausbruch des Eyjafjallajökull .

Islands Lage rittlings auf dem Mittelatlantischen Rücken , wo sich die eurasische und die nordamerikanische Platte auseinander bewegen, ist teilweise für diese intensive vulkanische Aktivität verantwortlich, aber eine zusätzliche Ursache ist notwendig, um zu erklären, warum Island eine bedeutende Insel ist, während der Rest des Rückens hauptsächlich besteht aus Seamounts , mit Gipfeln unter dem Meeresspiegel .

Es ist nicht nur eine Region mit höheren Temperaturen als der umgebende Mantel , sondern weist auch eine höhere Wasserkonzentration auf . Das Vorhandensein von Wasser im Magma verringert die Schmelztemperatur, was auch eine Rolle bei der Förderung des isländischen Vulkanismus spielen kann.

Kausalitätstheorien

Es gibt eine anhaltende Diskussion darüber, ob der Hotspot durch eine tiefe Mantelfahne verursacht wird oder in einer viel geringeren Tiefe entsteht. Kürzlich haben seismische Tomographie- Studien Anomalien der seismischen Wellengeschwindigkeit unter Island gefunden, die mit einer heißen Leitung von 100 km Durchmesser übereinstimmen, die sich bis zum unteren Erdmantel erstreckt.

Einige Geologen haben in Frage gestellt, ob der isländische Hotspot denselben Ursprung hat wie andere Hotspots, wie etwa der Hawaii-Hotspot . Während die hawaiianische Inselkette und die Emperor Seamounts eine deutliche zeitprogressive vulkanische Spur zeigen, die durch die Bewegung der Pazifischen Platte über den hawaiianischen Hotspot verursacht wurde, ist auf Island keine solche Spur zu sehen.

Es wird vorgeschlagen, dass die Linie vom Vulkan Grímsvötn nach Surtsey die Bewegung der eurasischen Platte zeigt und die Linie vom Vulkan Grímsvötn zum Vulkangürtel Reykjanes die Bewegung der Nordamerikanischen Platte zeigt.

Mantelplume-Theorie

Die Island-Plume ist ein postulierter Auftrieb von ungewöhnlich heißem Gestein im Erdmantel unter Island . Es wird angenommen, dass sein Ursprung tief im Mantel liegt, vielleicht an der Grenze zwischen Kern und Mantel in etwa 2.880 km Tiefe. Die Meinungen darüber, ob seismische Studien eine solche Struktur abgebildet haben, gehen auseinander. In diesem Rahmen wird der Vulkanismus Islands dieser Wolke nach der Theorie von W. Jason Morgan zugeschrieben .

Es wird angenommen, dass eine Mantelwolke unter Island liegt, von der man annimmt, dass der Hotspot der Oberflächenausdruck ist, und dass die Anwesenheit der Wolke den Vulkanismus verstärkt, der bereits durch die Plattentrennung verursacht wird. Darüber hinaus können Flutbasalte an den Kontinentalrändern von Grönland und Norwegen , die schräge Ausrichtung der Reykjanes- Rückensegmente zu ihrer Ausbreitungsrichtung und die verstärkte magmatische Krustendicke entlang der südlichen Aegir- und Kolbeinsey-Rücken das Ergebnis der Interaktion zwischen der Wolke und dem Mittelatlantischer Rücken . Es wird angenommen, dass der Plume-Stamm ziemlich schmal ist, vielleicht 100 km breit ist und sich bis mindestens 400-650 km unter die Erdoberfläche und möglicherweise bis zur Kern-Mantel-Grenze erstreckt , während der Plume-Kopf einen Durchmesser von > 1.000 km haben kann .

Es wird vorgeschlagen , dass das Fehlen einer zeit progressive Spur von Seebergen unter der dicken Grönland aufgrund der Lage der Wolke ist Kraton für \ 15 Myr nach Kontinental Auflösung und die späteren Verschanzung des Plume Materials in den nördlichen Mid-Atlantic Ridge nach seiner Entstehung.

Geologische Geschichte

Nach dem Plume- Modell liegt die Quelle des isländischen Vulkanismus tief unter der Inselmitte. Die frühesten vulkanischen Gesteine, die der Plume zugeschrieben werden, befinden sich auf beiden Seiten des Atlantiks. Ihr Alter liegt zwischen 58 und 64 Millionen Jahren. Dies fällt mit der Öffnung des Nordatlantiks im späten Paläozän und frühen Eozän zusammen , was zu der Annahme geführt hat, dass die Ankunft der Wolke mit dem Aufbrechen des nordatlantischen Kontinents verbunden war und möglicherweise dazu beigetragen hat. Im Rahmen der Plume-Hypothese wurde der Vulkanismus durch das Fließen von heißem Plume-Material zuerst unter der dicken kontinentalen Lithosphäre und dann unter der Lithosphäre des wachsenden Ozeanbeckens verursacht, wenn das Rifting fortschreitet. Die genaue Position des Plumes zu dieser Zeit ist unter Wissenschaftlern umstritten, ebenso wie die Annahme, dass der Plume erst zu diesem Zeitpunkt aus dem tiefen Mantel aufgestiegen ist oder ob er viel älter ist und auch für den alten Vulkanismus im Norden verantwortlich ist Grönland, auf Ellesmere Island und bei Alpha Ridge in der Arktis.

Als sich der Nordatlantik im Eozän östlich von Grönland öffnete, drifteten Nordamerika und Eurasien auseinander; der Mittelatlantische Rücken bildete sich als ozeanisches Ausbreitungszentrum und als Teil des submarinen Vulkansystems der mittelozeanischen Rücken . Der anfängliche Plume Head kann einen Durchmesser von mehreren tausend Kilometern gehabt haben und brach vulkanisches Gestein auf beiden Seiten des heutigen Ozeanbeckens aus, um die Nordatlantische Eruptivprovinz hervorzubringen . Bei weiterer Öffnung des Ozeans und der Plattendrift sollen sich der Plume und der Mittelatlantische Rücken einander angenähert und schließlich getroffen haben. Der übermäßige Magmatismus, der den Übergang vom Hochwasservulkanismus auf Grönland, Irland und Norwegen zur heutigen isländischen Aktivität begleitete, war das Ergebnis des Aufstiegs der heißen Mantelquelle unter der zunehmend dünner werdenden Lithosphäre, gemäß dem Plume-Modell, oder eines postulierten ungewöhnlich produktiven Teils von das mittelozeanische Rückensystem. Einige Geologen haben vorgeschlagen, dass die isländische Plume für die paläogene Erhebung der Skandinavischen Berge verantwortlich sein könnte, indem sie während der Öffnung des Nordatlantiks Veränderungen in der Dichte der Lithosphäre und Asthenosphäre verursachte . Im Süden wurde auch die paläogene Erhebung des englischen Kreidelandes, die zur Bildung der subpaläogenen Oberfläche führte , dem Island-Plume zugeschrieben.

In Westisland existiert ein erloschener Bergrücken, was zu der Theorie führt, dass sich die Wolke im Laufe der Zeit nach Osten verschoben hat. Die älteste Kruste Islands ist mehr als 20 Millionen Jahre alt und wurde an einem alten ozeanischen Ausbreitungszentrum in der Region Westfjorde (Vestfirðir) gebildet. Die westwärts gerichtete Verschiebung der Platten und des Rückens über dem Plume und die starke thermische Anomalie des letzteren ließen dieses alte Ausbreitungszentrum vor 15 Millionen Jahren aufhören und führten zur Bildung eines neuen im Bereich der heutigen Halbinseln Skagi und Snæfellsnes ; in letzterem gibt es noch etwas Aktivität in Form des Vulkans Snæfellsjökull . Das Ausbreitungszentrum und damit die Hauptaktivität hat sich vor 7–9 Millionen Jahren wieder nach Osten verlagert und die heutigen Vulkanzonen im Südwesten ( Reykjanes , Hofsjökull ) und Nordosten ( Tjörnes ) gebildet. Derzeit findet ein langsamer Rückgang der Aktivität im Nordosten statt, während sich im Südosten die vor 3 Millionen Jahren begonnene vulkanische Zone ( Katla , Vatnajökull ) entwickelt. Die Neuordnung der Plattengrenzen in Island wird auch der Mikroplattentektonik zugeschrieben.

Topographie/Bathymetrie des Nordatlantiks um Island

Herausforderungen für das Plume-Modell

Die schwache Sichtbarkeit der postulierten Plume in tomographischen Bildern des unteren Mantels und die geochemischen Hinweise auf Eklogit in der Mantelquelle haben zu der Theorie geführt, dass Island überhaupt nicht von einer Mantelplume unterlagert ist, sondern dass der Vulkanismus dort auf verwandte Prozesse zurückzuführen ist zur Plattentektonik und beschränkt sich auf den oberen Erdmantel .

Subduzierte Ozeanplatte

Nach einem dieser Modelle hat ein großer Teil der subduzierten Platte eines ehemaligen Ozeans im obersten Mantel mehrere hundert Millionen Jahre überlebt und seine ozeanische Kruste verursacht nun eine übermäßige Schmelzbildung und den beobachteten Vulkanismus. Dieses Modell ist jedoch weder durch dynamische Berechnungen untermauert, noch wird es ausschließlich von den Daten benötigt und lässt auch Fragen zur dynamischen und chemischen Stabilität eines solchen Körpers über einen so langen Zeitraum oder zur thermischen Wirkung eines solch massiven Schmelzens offen.

Konvektion des oberen Mantels

Ein anderes Modell schlägt vor, die in der upwelling Island Region durch seitliche Temperaturgradienten zwischen dem Mantel suboceanic angetrieben wird , und der benachbarten Grönland craton und damit auch auf die oberen 200-300 km des Mantels begrenzt. Dieser Konvektionsmechanismus ist jedoch unter den im Nordatlantik herrschenden Bedingungen hinsichtlich der Ausbreitungsgeschwindigkeit wahrscheinlich nicht stark genug und bietet keine einfache Erklärung für die beobachtete Geoidanomalie.

Geophysikalische und geochemische Beobachtungen

Informationen über die Struktur des tiefen Erdinneren können nur indirekt durch geophysikalische und geochemische Methoden gewonnen werden. Für die Untersuchung postulierter Plumes haben sich gravimetrische , geoid- und insbesondere seismologische Methoden sowie geochemische Analysen von ausgebrochenen Laven besonders bewährt. Numerische Modelle der geodynamischen Prozesse versuchen, diese Beobachtungen zu einem konsistenten Gesamtbild zusammenzuführen.

Seismologie

Eine wichtige Methode zur Abbildung großräumiger Strukturen im Erdinneren ist die seismische Tomographie , bei der das betrachtete Gebiet von allen Seiten mit seismischen Wellen von Erdbeben aus möglichst vielen verschiedenen Richtungen „beleuchtet“ wird ; diese Wellen werden mit einem Netz von Seismometern aufgezeichnet . Die Größe des Netzes ist entscheidend für die zuverlässig abzubildende Ausdehnung des Gebietes. Für die Untersuchung der Island Plume wurden sowohl globale als auch regionale Tomographie verwendet; bei ersterem wird der gesamte Mantel mit relativ geringer Auflösung unter Verwendung von Daten von Stationen aus der ganzen Welt abgebildet, während bei letzterem ein dichteres Netz nur auf Island den Mantel bis in eine Tiefe von 400–450 km mit höherer Auflösung abbildet.

Regionale Studien aus den 1990er und 2000er Jahren zeigen, dass es unter Island eine Anomalie mit niedriger seismischer Wellengeschwindigkeit gibt, aber die Meinungen darüber, ob sie tiefer als die Mantelübergangszone in etwa 600 km Tiefe andauert, sind geteilt. Die Geschwindigkeiten seismischer Wellen werden um bis zu 3% ( P-Wellen ) bzw. über 4% ( S-Wellen ) reduziert . Diese Werte stimmen mit einem geringen Prozentsatz an Teilschmelze, einem hohen Magnesiumgehalt des Mantels oder einer erhöhten Temperatur überein. Es ist nicht eindeutig zu unterscheiden, welcher Effekt die beobachtete Geschwindigkeitsreduzierung verursacht.

Geochemie

Zahlreiche Studien haben sich mit der geochemischen Signatur der auf Island und im Nordatlantik vorkommenden Laven beschäftigt. Das resultierende Bild stimmt in mehreren wichtigen Punkten überein. Unstrittig ist beispielsweise, dass die Quelle des Vulkanismus im Mantel chemisch und erdöltechnisch heterogen ist: Er enthält nicht nur Peridotit , die Hauptgesteinsart des Mantels, sondern auch Eklogit , eine Gesteinsart, die aus dem Basalt in subduzierten Platten und ist leichter schmelzbar als Peridotit. Als Ursprung der letzteren wird eine metamorphisierte, sehr alte ozeanische Kruste angenommen, die vor mehreren hundert Millionen Jahren bei der Subduktion eines Ozeans in den Mantel versank und dann aus der Tiefe des Mantels aufquillte.

Studien, bei denen die Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen isländischer Vulkane verwendet wurden, zeigten, dass die Quelle des heutigen Vulkanismus etwa 100 ° C höher war als die der mittelozeanischen Rückenbasalte.

Die Variationen in den Konzentrationen von Spurenelementen wie Helium , Blei , Strontium , Neodym und anderen zeigen deutlich, dass Island sich in seiner Zusammensetzung vom Rest des Nordatlantiks unterscheidet. Zum Beispiel hat das Verhältnis von He-3 und He-4 auf Island ein ausgeprägtes Maximum, das gut mit geophysikalischen Anomalien korreliert, und die Abnahme dieser und anderer geochemischer Signaturen mit zunehmender Entfernung von Island weist darauf hin, dass das Ausmaß der kompositorischen Anomalie etwa 1.500 km entlang des Reykjanes-Rückens und mindestens 300 km entlang des Kolbeinsey- Rückens. Je nachdem, welche Elemente betrachtet werden und wie groß die abgedeckte Fläche ist, kann man bis zu sechs verschiedene Mantelkomponenten identifizieren, die nicht alle an einem einzigen Ort vorhanden sind.

Darüber hinaus zeigen einige Studien, dass die in Mantelmineralien gelöste Wassermenge in der isländischen Region zwei- bis sechsmal höher ist als in den ungestörten Teilen der mittelozeanischen Rücken, wo sie auf etwa 150 Teile pro Million geschätzt wird. Das Vorhandensein einer so großen Wassermenge in der Quelle der Laven würde dazu neigen, ihren Schmelzpunkt zu senken und sie bei einer bestimmten Temperatur produktiver zu machen.

Gravimetrie/Geoid

Der Nordatlantik ist durch starke, großräumige Anomalien des Schwerefeldes und des Geoids gekennzeichnet . Das Geoid erhebt sich bis zu 70 m über dem geodätischen Referenzellipsoid in einem annähernd kreisförmigen Gebiet mit einem Durchmesser von mehreren hundert Kilometern. Im Kontext der Plume-Hypothese wurde dies durch den dynamischen Effekt der aufsteigenden Plume erklärt, die die Erdoberfläche aufwölbt. Außerdem verursachen die Plume und die verdickte Kruste eine positive Gravitationsanomalie von ca. 60 mGal (=0,0006 m/s²) (freie Luft).

Gravitationsanomalien der freien Luft im Nordatlantik um Island. Zur besseren Darstellung wurde die Farbskala auf Anomalien bis +80 mGal (+0,8 mm/s²) beschränkt.

Geodynamik

Seit Mitte der 1990er Jahre wurden mehrere Versuche unternommen, die Beobachtungen mit numerischen geodynamischen Modellen der Mantelkonvektion zu erklären . Der Zweck dieser Berechnungen bestand unter anderem darin, das Paradoxon aufzulösen, dass eine breite Plume mit einer relativ niedrigen Temperaturanomalie besser mit der beobachteten Krustendicke, Topographie und Schwerkraft übereinstimmt als eine dünne, heiße Plume, die angeführt wurde die seismologischen und geochemischen Beobachtungen zu erklären. Die neuesten Modelle bevorzugen einen Plume, der 180–200 °C heißer ist als der umgebende Mantel und einen Stamm mit einem Radius von ca. 100km. Solche Temperaturen wurden jedoch von der Petrologie noch nicht bestätigt.

Siehe auch

Verweise

Anmerkungen

Literaturverzeichnis

Externe Links

Koordinaten : 64.4000°N 17.3000°W 64°24′00″N 17°18′00″W /  / 64.4000; -17.3000