Sendu inn spurningu

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Hvernig er talið að ólíkar kvikugerðir sem koma upp í íslenskum eldstöðvum verði til?

Þessi spurning beinist að kjarna storkubergfræðinnar – uppruna og venslum hinna ýmsu bergtegunda. Á síðasta fimmtungi 20. aldar var orðið ljóst að storkubergi á jörðinni má í aðalatriðum skipta í fjórar meginsyrpur, sem hver um sig tengist tilteknu „jarðfræðilegu umhverfi.“ Á rekhryggjum myndast lág-alkalíska eða þóleiíska syrpan, á úthafseyjum alkalíska syrpan, há-alkalíska syrpan einnig á úthafseyjum og víðar, og loks kalk-alkalína syrpan yfir niðurstreymisbeltum (til dæmis kringum Kyrrahaf). Syrpurnar er auðveldast að skilgreina efnafræðilega, hinar þrjár fyrstnefndu á grafi þar sem styrkur alkalímálmanna Na2O+K2O er dreginn móti SiO2, og kalk-alkalínu syrpuna til dæmis á grafi þar sem járn (FeO) er dregið móti kísli (SiO2).



Myndirnar hér að ofan sýna lág-alkalísku og alkalísku syrpurnar á Íslandi. Reitirnir merkja: Bas: basalt, H: hawaiít, M: mugearít, B: benmoreít, T: trakýt, BÍ/BA: basaltískt íslandít / basaltískt andesít, Í/A: íslandít/andesít, D: dasít, R: rhýólít. Þóleiíska syrpan og hin kalk-alkalíska eru báðar lág-alkalískar – nöfnin basaltískt andesít og andesít eiga við hana, basaltískt íslandít og íslandít við hina þóleiísku – og til að greina milli þeirra má til dæmis nota grafið hér að neðan. Íslandít er semsagt „járnríkt andesít.“



Bergsyrpur sem þessar myndast í megineldstöðvum. Alkalíska bergsyrpu er til dæmis að finna í Snæfellsjökli, lág-alkalíska í Öskju, en „heimsfrægasta“ dæmið um slíka syrpu er tertíer eldstöð kennd við Þingmúla í Skriðdal. Sveinn Jakobsson sýndi fram á það fyrir 30 árum að þessar syrpur eru bundnar tilteknum gosbeltum: lág-alkalísyrpan einkennir rekbeltið frá Reykjanesi til Langjökuls og frá Grímsvötnum norður á Sléttu; alkalíska syrpan einkennir Snæfellsnes og Vestmannaeyjar, en eldstöðvarnar á Suðurlandi, frá Kötlu til Heklu, falla milli syrpanna tveggja og nefnist það „milliröð“ eða „hálf-alkalíska syrpan.“

Spurningin er semsagt sú, hvernig þessar syrpur myndist. Í tímans rás hafa menn látið sér detta í hug ótal ferli til að skýra myndun og þróun bergtegunda, en mikilvægustu ferlin tvö byggjast á aðskilnaði bráðar og kristalla – hlutkristöllun og hlutbráðnun. Einfalt samanburðardæmi úr daglega lífinu er salt + vatn:

Hlutkristöllun: Hugsum okkur að við kælum saltvatn (eftirlíkingu af bergbráð) í frystikistu: Við tiltekið hitastig, sem fer eftir styrk saltsins í vatninu, byrjar hreinn ís að myndast. Við það verður pækillinn saltari, og því meir sem blandan er kæld og meiri ís myndast. Þar kemur, við ca. -20°C, að pækillinn er mettaður bæði af ís og salti, og saltið kristallast auk íssins. Í þessum punkti eru saman í jafnvægi, við ákveðið hitastig, pækill af ákveðinni samsetningu, ís- og saltkristallar. Lækki hitinn enn frýs pækillinn og kerfið samanstendur af kristölluðu vatni (ís) og salti í sömu hlutföllum og vatn og salt voru í upphaflegu lausninni. Með því að aðskilja pækil og ís á mismunandi stigum kólnunar – sem er auðvelt því ísinn flýtur á pæklinum – gætum við semsagt fengið röð af lausnum, mismunandi söltum. Þetta ferli nefnist hlutkristöllun vegna þess að hinn bráðni hluti kerfisins breytist eftir því sem kristöllun fer fram – meðan það er að hluta kristallað.

Hlutbráðnun: Hugsum okkur nú blöndu af ís og salti (eftirlíkingu af bergi) frosna í frystikistu. Leyfum blöndunni að hitna, og við ca. -20°C byrjar að myndast bráð af ákveðinni samsetningu, hinni sömu og í kristöllunardæminu var í jafnvægi við bæði salt- og ískristalla. Þessi pækill heldur áfram að myndast við frekari bráðnun meðan báðir kristallar eru fyrir hendi; þegar til dæmis saltkristallarnir eru uppurnir, fer hitinn að hækka, æ meiri ís bráðnar og saltlausnin þynnist smám saman uns allir ískristallar eru bráðnir og samsetning lausnarinnar er hin sama og upphaflegu kristalblöndunnar. Með þessum hætti myndast sami pækill (föst samsetning, fast hitastig) við fyrstu bráðnun allra hlutfalla af ís – og saltkristöllum – það fer eftir upphaflegu hlutfalli kristallanna hversu mikil bráð myndast með þessari samsetningu. En eftir að annar kristallinn er fullbráðinn heldur samsetning bráðarinnar áfram að „þróast“ með hækkandi hitastigi. Með því að skilja pækilinn frá kristöllunum á mismunandi stigum bráðnunar má semsagt fá röð af mis-söltum lausnum. Þetta ferli nefnist hlutbráðnun vegna þess að kerfið bráðnar yfirleitt ekki nema að hluta til áður en bráðin skilst frá kristöllunum.

Kvikublöndun: Loks má nefna þriðja ferlið þar sem gert er ráð fyrir því að tvær eða fleiri kvikur, sem myndast hafi með einhverjum óskilgreindum hætti, blandist í mismunandi hlutföllum. Í tilraun okkar með vatn og salt gætum við hugsað okkur að önnur kvikan sé hreint vatn en hin saltvatn (með tiltekinni seltu). Greinilega má fá röð af „bráðum“ með því að blanda þeim í mismunandi hlutföllum.

Ofangreindar „hugbornar tilraunir“ gerðu ráð fyrir tilteknum þrýstingi (1 atm, sem svarar til þunga 10 metra vatnssúlu) og einfaldri efnasamsetningu. Aðrar breytur, sem einkum koma inn í myndina þegar um þróun bergkviku er að ræða, eru þrýstingur, vatnsþrýstingur og efna- / steindasamsetning kerfisins. Skoðum nú í örstuttu máli sögu hugmynda um tilurð ólíkra kvikugerða sem upp koma í íslenskum eldstöðvum:
  1. Tvær frumbráðir. Robert Bunsen, frægur þýskur efnafræðingur, kom til Íslands í kjölfar Heklugossins 1845 og hafði með sér heim mörg sýni af íslenskum bergtegundum. Efnagreiningar hans sýndu að basalt (blágrýti, grágrýti) er ríkjandi bergtegund, en að einnig er allmikið af súru bergi (ljósgrýti, líparít, rhýólít). Hins vegar virtist honum miklu minna um það sem nú nefnist ísúrt berg, sem liggur í samsetningarröðinni milli hins basíska og súra. Þetta skýrði hann þannig (1851) að undir Íslandi séu tvenns konar bergkvikur, basísk og súr, en að ísúra bergið sé blanda þeirra. Segja mætti að Bunsen hafi skilgreint það „bergfræðilega vandamál“ sem átti eftir að vera ríkjandi næstu 100 árin – magn og tilurð súra bergsins á Íslandi.
  2. Uppbrædd meginlandsskorpa. Í framhaldi af landrekskenningu Wegeners (1912, 1915) kom fram sú hugmynd að undir Íslandi sé brot úr meginlandsskorpu Grænlands sem orðið hafi eftir á leið Grænlands frá Evrópu. Þetta gat skýrt tvennt: að Ísland er yfirleitt ofansjávar, því eðlisléttan sökkul undir landinu þarf til þess, og rökrétt virtist að súra bergið á Íslandi væri endurbráðið efni úr slíkum sökkli. Þessari hugmynd lýsti Arthur Holmes fyrstur manna 1918, en síðastur George Walker 1964. Það var reyndar Walker sem fyrstur reyndi að slá tölum á raunverulegt hlutfall súra bergsins í bergstaflanum, um 9% (byggt á rannsóknum á Austfjörðum), og taldi að svo hátt hlutfall væri ekki hægt að skýra nema með uppbráðnun úr kísilríkum sökkli undir basaltinu, nefnilega meginlandsskorpu. En jafnframt var það Walker sem „drap“ þessa hugmynd (1965) þegar hann lét mæla hlutfall strontín-samsæta í súru og basísku bergi frá Austfjörðum, og reyndist vera hið sama. Væri súra bergið bráð úr gamalli Grænlandsskorpu væru strontín-samsætuhlutföll þess allt önnur.
  3. Kristalþáttun / hlutkristöllun. Ríkjandi hugmynd mestalla 20. öld, einkum í hinum enskumælandi heimi, var sú að allt súrt berg, ekki síst graníthleifar meginlandanna, væri myndað úr upphaflegri basaltbráð við kristalþáttun, nefnilega hlutkristöllun í kvikuhólfum þar sem bráðin skilst frá kristöllunum á ýmsum stigum kólnunar. Ítarlegustu og frægustu rannsókn á íslenskri eldstöð sem leiddi til þessarar niðurstöðu vann Ian Carmichael, einn af nemendum fyrrnefnds Georges Walker, á Þingmúla-eldstöðinni (1960-1966).
  4. Hlutbráðnun. Árið 1968 var sýnt fram á það með tilraunum að þegar vatnað basalt er brætt myndast fyrst súr bráð. Í framhaldi af því kom fljótlega upp sú hugmynd að súra bergið á Íslandi væri til komið með þessum hætti – sem einnig mundi gera skiljanlegri þá „tví-toppa“ dreifingu bergtegunda sem Bunsen benti fyrstur á. Og nú bendir flest til þess að Bunsen gamli hafi haft rétt fyrir sér: að undir Íslandi séu tvær meginbráðir. Basaltbráðin myndast við hlutbráðnun í möttlinum undir Íslandi, súra bráðin við hlutbráðnun vatnaðs basalts.

    Þetta ferli hefur nánast verið „sannað“ í tilviki Heklu, þar sem sýnt var fram á það með samsæturannsóknum að súri hluti bergsyrpunnar (dasít, rhýólít) er af annarri rót en hinn basíski (basalt, basaltískt íslandít). Olgeir Sigmarsson o.fl. telja að djúpt undir Heklu sé kvikuhólf þar sem basaltbráð úr möttlinum sest til (kristalþáttun) og myndar basaltískt íslandít. Varminn frá kvikuhólfinu bræðir vatnaða skorpu fyrir ofan þannig að dasít-bráð myndast, sem aftur þróast í rhýólít með kristalþáttun. Í Heklugosum kemur súra bráðin fyrst upp, og síðan hin basískari.

Myndin hér að ofan á að sýna hvernig súr bráð verður til í megineldstöð. Á ca. 3ja km dýpi undir öskju sem er 10 km í þvermál er kvikuhólf. Bráð að neðan berst upp í hólfið, og þaðan áfram til yfirborðsins (feitar, einfaldar örvar). Hraun eða móberg sem safnast í öskjuna valda því að hún sígur; bergið vatnast og ummyndast í grunnvatni og sígur niður á við undan fargi sem bætist ofan á (tvöfaldar örvar). Hiti frá kvikuhólfinu bræðir súra kviku (punktamynstur) úr vatnaða berginu, sem ýmist getur borist til yfirborðsins eða blandast bráðinni í kvikuhólfinu.

Annað mál er svo myndun syrpanna þriggja hér á landi – lág-alkalísku, alkalísku og hálf-alkalísku. Fyrir um 50 árum var sýnt fram á það að fyrrnefndu syrpurnar tvær geta ekki myndast hvor frá annarri, og nú er sú hugmynd ríkjandi að þær verði til við mismunandi mikla uppbráðnun í jarðmöttlinum. Myndin hér að neðan á að skýra þetta:



Feitdregnu línurnar eru flæðiferlar í efstu 100-150 km möttulstróksins undir Íslandi, sem menn hugsa sér að líti út eins og sveppur, tiltölulega grannur stilkur (200 km) breiðist út efst, eins og flæðilínurnar sýna. Þríhyrnda svæðið er svæði bráðnunar – bráðnun verður við þrýstilétti þegar heitt, kristallað möttulefni rís í átt til yfirborðsins. Bráðnun hefst á tilteknu dýpi, eftir því hvert hitastigið er. Síðan fer magn bráðnunar eftir því hversu mikið möttulefnið rís eftir að bráðnun hefst. A merkir alkalískt basalt, myndað við 5% bráðnun, Þ merkir þóleiít, myndað við 30% bráðnun. Samkvæmt þessu myndast alkalískt berg í útjaðri möttulstróksins (Snæfellsnes, Vestmannaeyjar) en lág-alkalískt berg nær miðju hans. Milliröðin er svo kapítuli útaf fyrir sig sem ég sleppi að sinni.

Áhugasömum er bent á greinina „Myndun meginlandsskorpu“ eftir sama höfund í Náttúrufræðingnum (2001).

Útgáfudagur

11.11.2003

Spyrjandi

Sigríður Helga Sigurðardóttir

Höfundur

Sigurður Steinþórsson

prófessor emeritus

Tilvísun

Sigurður Steinþórsson. „Hvernig er talið að ólíkar kvikugerðir sem koma upp í íslenskum eldstöðvum verði til?“ Vísindavefurinn, 11. nóvember 2003. Sótt 18. september 2018. http://visindavefur.is/svar.php?id=3851.

Sigurður Steinþórsson. (2003, 11. nóvember). Hvernig er talið að ólíkar kvikugerðir sem koma upp í íslenskum eldstöðvum verði til? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=3851

Sigurður Steinþórsson. „Hvernig er talið að ólíkar kvikugerðir sem koma upp í íslenskum eldstöðvum verði til?“ Vísindavefurinn. 11. nóv. 2003. Vefsíða. 18. sep. 2018. <http://visindavefur.is/svar.php?id=3851>.

Chicago | APA | MLA

Sendu inn spurningu
eða

Vísindadagatalið

Rögnvaldur G. Möller

1965

Rögnvaldur G. Möller stundar rannsóknir í grúpufræði sem er ein af megingreinum nútíma algebru.