GEORG Geothermal Workshop 2016 Session A3 Upstream

1. VOLATILE SYSTEMATICS OF THE
ICELAND HOTSPOT -
MANTLE VOLATILE HETEROGENEITY AND TRANSPORT OF
VOLATILES FROM MANTLE TO SURFACE
Sæmundur Ari Halldórsson
et al.

2. Overview
 Volatile elements and magmatic gases
 Research questions and aims
 Mantle plumes, Iceland and helium isotopes
 Recent studies
 Hydrogen
 Chlorine
 On-going projects

3. Krafla
• Tölum um eldfjalla- eða kviku-gas sem eimast hefur úr kviku á
hitabiliun ca. 850-1250°C en nær að lokum jafnvægi við P og T
aðstæður á yfirborði jarðar.
• Lofttegundir eimast úr kviku vegna þrýstifalls sem veldur mettun, en
einnig vegna kristöllunar sem eykur styrk þeirra í sístækkandi rúmmáli
kviku.
• Lofttegundir sem mynda eldfjallagas, eru sumar hverjar leystar upp í
bergkvikunni.
• Eldfjallagas dreifist frá kviku sem það eimast úr, í jarðlög, grunnvatn
og andrúmsloftið.
Earth degassing and magmatic volatiles

4. Atmophile (loftsækin): mynda gös við tiltölulegan lágan T
Aðalefni í gasfasa
 CO2
 H2O
 SO2 og H2S
 HCl
Snefilefni í gasfasa
 N2
 He, Ne, Ar…
 Önnur gös t.d. H2, CH4, O2, F, CO….
Öll eru þau hinsvegar snefilefni í bráðum

5. Gas-snauð
frumjörð
 “Tilgátur um uppruna vatns á jörðinni, dreifingu þess
og myndunarsögu, eru eitt mikilvægasta vandamál
jarðefnafræðinnar”
 Á jörðinni hefur vatn safnast saman með nokkrum
ferlum. Stærstur hluti vatnsins virðist hafa borist til
jarðar frá vatnsríkum-hnöttum eins og loftsteinum og
halastjörnum utan úr sólkerfinu.
 Lífræn efnasambönd hafi, að mestu leyti, borist til
Jarðar með halastjörnum og smástirnum.
 Líklega hefur jörðin að einhverju leyti myndast úr
efnum sem innihéldu reikul efni en losnuðu síðar út við
eldgos?

6. • Ummerki um Íslenska möttulstrókin er að finna beggja vegna
Atlantshafsins, á Bretlandseyjum og á austur- og vesturströnd
Grænlands, en jafnframt á austurströnd Baffin-eyju við Davis-sund
í norðvesturhluta Kanada.
• Í kristöllum úr bergi þaðan hafa mælst hæstu hlutföll 3He/4He í
storkubergi á jörðinni.
• Uppruni í möttulefni sem hugsanlega má rekja allt aftur til árdaga
jarðar,
Wolfe et al., 1997
• Möttulstrókar eru geysilega umfangsmikil
svæði í möttli jarðar.
• Hitauppstreymi frá neðri hluta möttuls og/eða
kjarna.
• Úthafseyjar sem einkennast af mikilli
eldvirkni, hafa löngum verið taldar tengjast
slíkum hitafrávikum í möttli jarðar.

7. Helíum samsætur
 Helíum hefur aðeins tvær samsætur:

3He (stöðug, kjarnasamruni í frumheimi)

4He (geislavirkt niðurbrot efna í U + Th röðinni)
 Niðurstöður settar fram sem frávik frá lofti
 (R/ RA) = (3He/4He)Sýni/(3He/4He )Loft
Hin fasta jörð borin saman við andrúmsloft
 Efri möttul (DMM) einkennist af afar þrögnu spanni (~8RA)
 Meglandsskorpan hefur hlutfall lægra en loft
 Úthafseyjar hafa áberandi há gildi = djúpstæðar helíum uppsprettur sem rekja
allt aftur til árdaga jarðar,

8. Kortlagning uppstreymisrása
íslenska möttulstróksins með
helíum samsætum
Sunna Harðardóttir og fl.

9. • Svo létt vetni í neðri möttli bendir til
þess að vatn hafi hugsanlega verið til
staðar við myndun jarðarinnar en
ekki aðeins borist til hennar með
smástirnum og halastjörnum.
• Örlítil korn, sem innihéldu vatn og
voru fyrir hendi þegar reikistjörnur
sólkerfisins voru að myndast,
drógust inn í jörðina við myndun
hennar.
• Nýlegar greiningar á samsætum
vetnis í bráðar-innlyksum í allra
frumstæðustu kristöllum sem er
að finna í bergi frá Baffin eyju
og Íslandi vöktu talsverða
athygli
• Léttasta vetni sem mælst hefur í
möttul-ættuðu efni

10. • Almennt er afar erfitt að greina samsætur reikulla efna (t.d. H, C, N,
and S) í basalti
• Snefilefni og reikul
• Eimast flest nokkuð auðveldlega úr kviku við þrýstilétti
• Það flækir málið ennfrekar að samsætur geta skilist að við afgösun
• Hafa gjarnan fleiri en eitt oxunarstig (S2- og S6+) og mynda
margbreytilega efnisþætti sem eru algengir við yfirborð jarðar
• Í raun eru um afar fábreytilegt gagnasafn að ræða þegar úthafseyjar eru
annars vegar
• Túlkun þessara gagna samt ekki auðveld
• Hversu góð hylki eru kristal innlyksur í
raun og veru?
• Vetni afar létt og sveimar nokkuð
auðveldlega í gegnum kristal

11. Bólstraberg, gler og reikul efni
Jakobsson and Guðmundsson, 2008
•Bólstraberg gjarnan að finna
þar sem nægum vatnsþrýstingi
var viðhaldið ofan við gosstöð
•Gos undir nokkuð þykkum
jökli
•Hraðkældur gler-rimi
umlykur bólstra
•Einstakt efni til að rannsaka
reikul efni í kviku

12. • Vensl klór samsætna, snefilefnahlutfalla og
lang-lífra geislavirkra samsætna útiloka
grunnstæð kvikuferli
• Klór samsætur stjórnast af misleitni möttuls!
• Lang líklegasta uppspretta þessa þunga klórs,
eru sjávarsetlög sem sökkva niður í möttul á
flekamótum
• Mengun frá sjávar-ættuðu efni
mun minna vandamál en á
úthafshryggjakerfinu
• Gerir okkur kleyft að kanna
uppruna klórs í íslensku bergi og
þar af leiðandi í djúp-möttul
ættuðu efni, með klór samsætum

13. SHB: Endurgert eftir Chris Ballentine
Uppsprettur reikulla efna í íslenska
möttulstróknum eru því a.m.k. af tvennum toga:
• Frumefni frá árdögum jarðar
• Endurunnið efni

14. Hvað er í gangi í dag, aðferðir, samstarf og framhaldið:
Samsætuhlutföll vetnis og brennisteins í íslensku bólstrabergi
NORDSIMS
IRMS, UTA
S extraction line, UI

15. On-going collaboration…..
 Jarðvísindastofnun (sample prep., MC-ICP-MS, EMPA………)
Sæmundur A. Halldórsson, Andri Stefánsson, Enikö Bali, Barbara
Kleine (postdoc), Jóhann Gunnarsson Robin (PhD student)
 Scripps Institution of Oceanography, UCSD (Eðalgös, kolefni og köfnunarefni)
David R. Hilton
 University of Texas, Austin (Klór og vetni)
Jaime D. Barnes
 Massachusetts Institute of Technology (Brennisteinn)
Shuhei Ono
 Department of Terrestrial Magmatism, Carnegie Institution of Washington (SIMS)
Erik H. Hauri
 NORDSIM, Swedish Museum of Natural History (SIMS)
Martin J. Whitehouse,
 University of Manchester (Br, I, Kr, Xe)
Margaret E. Hartley, Greg Holland, Ray Burgess

16. Takk fyrir
Active degassing at Holuhrauni (MTG)

17. Hvað er í gangi í dag, aðferðir,
samstarf og framhaldið
• Samsætur S, Cl, H, Kr og Xe í bergi en styrkur I og Br
• Flókið verkefni…………..
• Aðgangur að öflugum samstarfsaðilum lykilatriði
• Margt hinsvegar gerlegt hér! Lykilatriði að þekkja sýnin vel!
MAP215, Scripps
MC-ICP-MS, UI S extraction line, UI EMPA, UI Fluorination line, MIT
VG-5400, Scripps NORDSIMS IRMS, MIT