Hvaða kraftar eru í gangi undir Grindavík?

 

Jörð skelfur en það kemur ekkert gos.

Jarðskjálftar og eldgos. Þessi vofeiflegu fyrirbæri skella öðru hvoru yfir þjóðina og valda miklum ótta, spjöllum og jafnvel dauða. En hvað veldur þessum ósköpum? Flestir landsmenn hafa reið svör þegar rætt er um upptök slíkra hamfara: Ísland er jú staðsett á miðjum Norður Atlantshafshryggnum og auk þess er heitur reitur í möttlinum undir miðju landinu. Þetta er nú nokkuð gott svo langt sem það nær, en hin raunverulega skýring er auðvitað miklu flóknara mál, sem er þó á allra færi að skilja. 

Okkur virðist oft að það blandist allt saman, flekahreyfingar (og jarðskjálftar) annars vegar, og eldgos hins vegar. Að vísu geta þessir þættir verið samtíma, en það er nauðsynlegt að fjalla um hraunkvikumyndun og eldgos sér, og fjalla síðan um jarðskjálfta og sprungumyndun og hreyfingu jarðskorpunnar í öðru lagi. 

Það er oft talað um eldgos og jarðskjálfta (eða flekahreyfingar) í sömu andránni, en það er villandi og reyndar ekki rétt. Þetta eru oft vel aðskilin fyrirbæri og best er að fjalla um þau sér í lagi.  Við skiljum það betur þegar við fjöllum um grunnkraftana í jörðinni, sem stýra flekahreyfingum annars vegar og valda eldgosum hins vegar.  Að mínu áliti eru það flekahreyfingar sem ráða ferðinni og skipta mestu máli, en eldgos er oft passiv afleðing slíkra hreyfinga jarðskorpunnar.  Á Íslandi höfum við fjölda dæma um mikil umbrot í jarðskorpunni, flekahreyfingar og jarðskjálfta, án þess að nokkuð gjósi á yfirborði. 

Kraftar og flekahreyfingar

Jarðvísindin voru á frekar lágu plani þar til eftir seinni heimsstyrjöldina. Það stafaði af því að yfir 70% af yfirborði jarðar var algjörlega ókannaður hafsbotn. Menn byrjuðu loks að kanna hafsbotninn kerfisbundið í seinni heimsstyrjöldinni.  Stórveldin áttuðu sig strax á miklu hernaðarlegu gildi vopnaðra kafbáta, en til að beita kafbátum í hernaði þarft þú að þekkja hafsbotninn.  Bandaríkjamenn ruku til, og settu strax á laggirnar nokkrar hafrannsóknastofnanir til að kortleggja hafsbotninn og kanna öll einkenni allra hafa heimsins.  Allt í einu höfðu vísindamenn við slíkar hafrannsóknastofnanir ný og vel búin skip, og mikið fjármagn til leiðangra um öll heimsins höf. Herinn fékk stöðugan straum af nýjum kortum og öðrum upplýsingum um allan hafsbotninn. Ég þekki þetta vel, þar sem ég hef starfað við slíka stofnun í Rhode Island nú í 50 ár. 

Vísindahópar voru fljótir að færa herjum stórveldanna allar þær helstu upplýsingar sem þurfti til hernaðar í dýpinu.  Það voru fyrst og fremst góð landakort af botni allra heimshafanna.  En þá kom í ljós að hafsbotninn um alla jörðu er ótrúlega flott og merkilegt fyrirbæri, þar sem risastórir úthafshryggir teygja sig eftir botni allra heimshafanna. Hvernig í ósköpunum á að túlka og skilja allar þessu nýju upplýsingar? Á sama tíma var sett upp net af jarðskjálftamælum um allan heim, en netið var fyrst og fremst hannað til að fylgjast með tilraunum sem stórveldin voru að gera með kjarnorkusprengjur í kalda stríðinu. Þarna kom annað dæmi um, hvernig hernaðarbrölt stórvelda getur varpað nýju ljósi á stór vísindavandamál.  Þá kom fljótt í ljós að það er samfellt jarðskjálftabelti sem þræðir sig eftir öllum úthafshryggjum jarðar, og hryggirnir eru allir að gliðna í sundur. 

Framhaldið af þessari sögu er efni í margar bækur, en þessi mikla bylting í skilningi okkar á hegðun jarðar og flekakenningunni er ein mesta sigurför vísindanna.  Hér vil ég aðeins snúa mér að einu mikilvægu atriði, sem snertir Ísland beint, og færir okkur aftur út á Reykjanes. Það er vísindakenningin um þá krafta í jörðu, sem brjóta upp og færa til jarðskorpufleka og valda jarðskjálftum.  Þetta eru kraftarnir sem mynda útlit jarðar og stjórna staðsetningu og dreifingu meginlandanna á heimskringlunni. 

Slab pull -  flekatog.  Árið 1975 uppgötvuðu þeir jarðeðlisfræðingarnir Donald Forsyth og Seiya Uyeda aflið eða kraftinn sem þeir nefndu slab pull, eða flekatog.  Þessi uppgötvun er einn merkasti hornsteinn flekakenningarinnar og jarðvísindanna almennt. Donald er prófessor í jarðeðlisfræði við Brown Háskóla í Rhode Island og við vorum nágrannar og kynntumst vel  eftir að ég var settur prófessor við Rhode Island Háskóla árið 1974.  Lykillinn að flekatoginu er að átta sig á, að allir flekar eru ungir, heitir og léttir í annan endann, en gamlir, kaldir og þungir á hinum endanum. Flekinn myndast á úthafshryggnum, eins og til dæmis á Reykjaneshrygg, þar er hann ungur, heitur og léttur. Með tímanum rekur flekinn frá hryggnum, kólnar og þyngist. Þegar elsti hluti flekans er búinn að reka langt frá hryggnum og orðinn 100 til 140 miljón ára gamall, þá er eðlisþyngd hans orðin jöfn eða jafnvel meiri en eðlisþyngd möttulsins fyrir neðan flekann. Gamli endinn á flekanum byrjar því að sökkva niður í möttulinn fyrir neðan og myndar sigbelti.  Þegar hann sekkur þá togar hann í allan flekann og dregur flekann frá úthafshryggnum, togar í hann eins og blautt teppi togast niður á gólf ofan af stofuborðinu. Þetta er krafturinn sem nefnist slab pull, eða flekatog. Hann stýrist fyrst og fremst af breytingu á eðlisþyngd flekans með tímanum. 

Sumir skorpuflekar eru á fleygiferð í dag og mynda hafsbotn sem hreyfist á 15 til 20 cm hraða á ári. Þetta á við sérstaklega í sambandi við flekana í suður hluta Kyrrahafsins. Forsyth og Uyeda bentu einfaldlega á, að hraði á hreyfingu fleka er í beinu hlutfalli við hvað mikið af flekanum er  tengt við sigbelti.  Slab pull eða flekatog er mikilvægasti krafturinn í flekahreyfingum jarðar.

En bíddu nú við, -  sumir flekar eru ekki tengdir við neitt sigbelti, en eru samt á hreyfingu!  Og það á einmitt við um Ísland. Það eru tveir  stórir jarðskorpuflekar sem mætast undir Islandi. Að austan er það hinn risastóri EvrAsíufleki, en á honum hvílir öll Evrópa, Rússland og öll Asía, Síbería og allt land til Kyrrahafsstrandar. Þessi tröllvaxni fleki virðist vera alveg kyrr og rólegur, enda er hann ekki tengdur neinu sigbelti. Hinn flekinn sem skiptir okkur miklu máli er Norður-Ameríku flekinn. Hann er einnig stór, með allan vestur helming Norður Atlantshafsins, og alla Norður og Mið-Ameríku.  En Norður-Ameríku flekinn er á hægri hreyfingu til vesturs, aðeins um 1 til 2 cm á ári. Hvers vegna er Norður-Ameríku flekinn á hreyfingu yfir leitt?  Reyndar er eitt frekar lítið sigbelti tengt þessum fleka í Vestur Indíum,  en það skýrir alls ekki hreyfingu Norður-Ameríku flekans.  Þetta skiptir okkur miklu máli, vegna þess að öll flekahreyfing á Íslandi er tengd hreyfingu Norður-Ameríku flekans til vesturs.

Jæja, þeir Forsyth og Uyeda koma hér til hjálpar, en þeir sýndu fram á að það er annar mjög  mikilvægur kraftur sem virkar á jörðu og hann er krafturinn sem skiftir okkur mestu máli á Fróni.  

Ridge push - hryggjarþrýstingur.

Úthafshryggirnir, eins og Mið-Atlantshafshryggurinn,  eru fjallgarðar á hafsbotni. Þeir eru ekki brattir, en þeir rísa samt upp 1 til 2 km yfir hafsbotninn umhverfis. Úthafshryggurinn myndast og rís upp  fyrst og fremst vegna þess, að þegar tveir flekar gliðna eða færast í sundur, þá myndast rúm fyrir efri hluta möttuls að mjaka sér upp í bilið. Möttullinn sem rís upp í bilið kemur af meira dýpi í jörðinni og er því heitari en umhverfið. Vegna hitans hefur hann aðeins lægri eðlisþyngd. Þessi fleygur af heitara og léttara efni milli flekanna veldur kraftinum sem nefnist ridge push, eða hryggjarþrýstingur.  Þetta er að öllum líkindum krafturinn sem mjakar Norður Ameríkuflekanum til vesturs, og veldur skorpuhreyfingunum á Reykjanesi.   Takið eftir að krafturinn ridge push eða hryggjarþrýstingur fer í gang vegna þess að heitari og léttari möttull rís upp  milli flekanna, sem ýtast í sundur.  Það er því þyngdarlögmálið sem stýrir þeim krafti.

Ridge push eða hryggjarþrýstingur er krafturinn sem á sökina á öllum hamförunum á Reykjanesi í dag.

 

Rætur Íslands fundnar

Jarðeðlisfræðingar gegnumlýsa jörðina á svipaðan hátt og læknar gera með líkamann, til að rannsaka innri gerð hennar. En jarðelisfræðingarnir beita ekki Röntgengeislum, heldur jarðskjálftabylgjum við sínar rannsóknir. Með þessari aðferð geta þeir greint svæði innan jarðar, sem hafa annað hvort óvenjulega háan hraða fyrir jarðskjálftabylgjur, eða óvenjulega hægan hraða.

Nú hefur komið í ljós við slíkar rannsóknir að það er lag djúpt í jörðu, þar sem jarðskjálftabylgjur eru mjög hægfara. Lagið nefnist ultralow-velocity zone (ULVZ) eða hægfaralagið. Reyndar er það ekki samfellt lag, heldur stakir blettir á mörkum möttuls og kjarna jarðar, á um 2800 km dýpi. Það hefur fundist undir Hawaii eyjum, undir Samoa eyju í Kyrrahafi suður, og nú undir Íslandi.

Kaiqing Yuan og Barbara Romanowicz í Kalíforníu hafa nú fundið hægfaralagið undir Íslandi, á um 2800 km dýpi, en merk grein þeirra var birt í Science í þessari viku. Lagið er um 15 km á þykkt og nær 880 km í þvermál, beint undir landinu. Í laginu eru jarðskjálftabylgjur um 30% hægari en í venjulegu möttulefni. Að öllum líkindum er þetta hægfaralag því rótin á möttulstróknum, sem flytur efni af miklu dýpi úr möttlinum og upp á yfirborðið undir Íslandi og skapar heita reitinn sem er Ísland. Myndin sem fylgir sýnir hugmynd þeirra um hægfaralagið og tengsl þess við möttulstrókinn og Ísland á yfirborði.

Það er talið að ytra borð kjarnans sé mjög heitt efni, sennilega um 4000 stig. Botninn á möttlinum, sem hvílir á kjarnanum, er talinn byrja að bráðna til að mynda kviku á um 3500 stigum, og eru því nokkrar líkur á að hægfaralagið sé að mestu kvika eða alla vega mjög kvikuríkt lag. Það má segja að við séum sífellt að komast nær og nær rótum myndunar Íslands með frábærum rannsóknum eins og þessum.

Íslenska möttulblómið

Ísland er heitur reitur í jarðsögunni, eins og Hawaíí og Galapagos og nokkrir aðrir merkir staðir með mikla eldvirkni. Undir heita reitnum á Íslandi liggur sennilega möttulstrókur af óvenju heitu möttulbergi, sem kann að ná niður alla leið að mörkum kjarnans og möttuls (2900 km). Möttulstrókurinn hefur oftast verið teiknaður upp sem súla, en sennilega er hann miklu flóknari í laginu, einkum efsti hlutinn. Nú hafa Schoonman og White og birt nýtt líkan af íslenska möttulstróknum, sem er mun flóknara en fyrri líkön, en það er byggt á aðferð sem notar jarðskjálftabylgjur til að gegnumlýsa jörðina. Mötulstrókurinn virðist vera um 100 km í þvermál neðarlega í möttlinum, en breiðist út eins og krónublöð blómsins og skiftist í fimm fingur þegar hann nálgast efri mörk möttulsins. Minnumst þess að bergið í möttulstróknum er mjög heitt, en heilt og óbráðið vegna mikils þrýstings í möttlinum, en bráðnunin gerist tiltölulega nærri yfirborði jarðar.

Heiti reiturinn okkar er 1480°C

Ég hef fjallað hér áður um heita reitinn undir Íslandi, og bent á að reyndar er þetta fyrirbæri miklu mikilvægara fyrir jarðfræðilega þróun Íslands heldur en Mið-Atlantshafshryggurinn. Það kom fyrst fram árið 1954 að eitthvað óvenjulegt væri í gangi undir Íslandi, þegar Trausti Einarsson birti niðurstöður sínar um þyngdarmælingar. Hann sýndi fram á að efri möttull jarðar, sem er lagið undir íslensku jarðskorpunni, væri frábrugðinn öðrum svæðum Atlantshafs. Þyngdarmælingarnar sýna mikla skál undir miðju landinu, eins og fyrsta myndin sýnir.  Trausti stakk uppá að undir landinu væru setlög með fremur lága eðlisþyngd. Mælingar hans eru grundvallarverk í könnun á jarðeðlisfræði Íslands, en túlkun hans reyndist röng. Byltingin gerðist árið 1965, þegar Martin Bott birti niðurstöður um frekari þyngdarmælingar á Íslandi. Hann komst að þeirri niðurstöðu að mötullinn undir Íslandi væri mjög frábrugðinn, með tiltölulega lága eðlisþyngd. Það skýrði hann með því að efstu 200 km íslenska möttulsins væri part-bráð, þ.e.a.s. berg sem inniheldur um 10% af kviku. Skálin er sem sagt ekki full af kviku, heldur er hún möttulsberg, sem er part-bráðið, eins og svampur. Vökvinn sem rís uppúr þessum svampi er kvikan, sem gýs á yfirborði landsins.

Nú vitum við að heiti reiturinn undir Íslandi er um 1480 °C heitur, og þá um 160 stigum heitari en möttullinn almennt í kring. Með því að mæla magn af ál í olivín cristöllum, hafa Simon Matthews og félagar í Cambridge ákvarðað þennan hita. En kristallarnir eru úr basalt hraunum frá Þeystareykjum. Þetta skýrir að hluta til hvers vegna eldvirkni er svo mikil á Íslandi. Undir okkur er heitur reitur, sem sennilega nær langleiðina niður að kjarna jarðar. Hann bráðnar fyrr og meir en möttullinn umhverfis, og framleiðiðr mikið magn af kviku, sem berst í átt að yfirborði landsins.

Saga Íslenska Heita Reitsins

Fyrstu ár mín í jarðfræðinni, í kringum 1963, varð ég hugfanginn af því hvað Mið-Atlantshafshryggurinn væri mikilvægur fyrir skilning okkar á jarðfræði Íslands. Á þessum árum reyndu flestir framsæknir ungir jarðfræðingar að finna Íslandi stað í hinum nýju vísindum sem snertu úthafshryggi og landrek. Margir hinna eldri voru þó skeptískir og vildu ekkert af landrekskenningunni heyra lengi vel. En árið 1971 kom Jason Morgan fram með kenninguna um heita reiti og möttulstróka og gerði okkur ljóst að einn slíkur væri staðsettur undir Íslandi. Allt í einu fór athygli okkar að beinast að þessu nýuppgötvaða fyrirbæri og með árunum hefur mikilvægi heita reitsins orðið mun skýrara en vægi úthafshryggsins minnkað að sama skapi. Nú er okkur ljóst að sérstaða Íslands stafar af heita reitnum, sem situr djúpt í möttlinum og framleiðir mikið magn af kviku og heldur landinu vel ofan sjávarborðs.

En heiti reiturinn undir Íslandi á sér langa sögu, sem er um 16 sinnum lengri en öll jarðsaga Íslands. Ég hef aðeins stuttlega fjallað um þessa sögu hér á blogginu í pistlinum   http://vulkan.blog.is/blog/vulkan/entry/1559307/   og bent á tengsl við Síberíu. Nú lagar mig til að skýra frekar frá þróun hugmynda og staðreynda um sögu heita reitsins okkar. Saga vísindanna er mikilvæg og okkur ber skylda til að viðurkenna og minnast þeirra, sem gert hafa fyrstu uppgötvanirnar á hverju sviði. Það er einmitt hlutverk þeirra fræða, sem við nefnum sögu vísindanna. Enn er of snemmt að skrifa þessa sögu varðandi Íslenska heita reitinn, en hér er byrjunin.

Árið 1994 birtu Lawrence A. Lawver   og Dietmar Müller, jarðeðlisfræðingar í Texas, grein sem nefnist “Iceland hotspot track”, eða slóð íslenska heita reitsins. Þeir könnuðu jarðskorpuhreyfingar eða flutning flekanna á norðurhveli jarðar. En ólíkt flekunum, þá hreyfast heitir reitir lítið eða ekkert með árunum, þar sem þeir eru akkeraðir eða fastir djúpt í möttlinum og því óháðir reki flekanna á yfirborði jarðar. Lawver og Müller sýndu fram á að heiti reiturinn, sem er nú undir Íslandi, var undir Kangerlussuaq á Austur Grænlandi fyrir um 40 milljón árum, undir Umanak firði á Vestur Grænlandi fyrir um 60 milljón árum, undir Ellesmere eyju fyrir 100 til 130 milljón árum,   og að fyrir þann tíma hafi heiti reiturinn sennilega myndað Mendeleyev hrygginn og einnig Alpha hryggin í Íshafinu. Lengra ráku þeir ekki sögu heita reitsins í þetta sinn, sem nú er undir Íslandi. Rauðu dílarnir á myndinni sýna ferilinn, sem heiti reiturinn hefur farið eftir á þessum tíma. Tölurnar eru milljónir ára.

Þá kemur að annari grein, sem birtist árið 2002, einnig eftir Lawver og félaga. Þar kanna þeir flekahreyfingar yfir heita reitinn enn fyrr í jarðsögunni og rekja slóðina alla leið til Síberíu fyrir um 250 milljón árum (grænu stjörnurnar á myndinni). Það ég best veit, þá er þetta í fyrsta sinn sem tengslin milli Íslands og Síberíu eru viðruð meðal vísindamanna. Við vitum þá nú um uppruna heita reitsins, sem Ísland situr á í dag. Í síðara bloggi mun ég fjalla um þær miklu hamfarir þegar þessi heiti reitur kom fyrst upp á yfirborðið.

Hvernig Grænlandsjökull myndaðist

Ísöldin hófst fyrir um 2,7 milljón árum síðan, en þá hafði norðurhvel jarðar verið ísfrítt í meir en 500 milljón ár. Hvers vegna myndaðist þessi mikli jökull á Grænlandi? Var það eingöngu vegna þess að það tók að kólna, eða voru einhverjir aðrir þættir að verki? Það voru þrír þættir, sem virkuðu allir saman til að skapa aðstæður fyrir myndun Grænlandsjökuls. Í fyrsta lagi varð jarðskorpa Grænlands að lyftast upp þar til fjallatopparnir tóku að safna á sig snjó og ís í kaldara lofti. Í öðru lagi varð Grænland að reka nægilega langt norður, þar sem geislun sólar gætti minna að vetri til. Í þriðja lagi varð breyting á snúningsás jarðar, sem færði Grænland enn nær norðurpólnum. Þetta hafa Bernhard Steinberger og félagar hans í Þýskalandi rannsakað rækilega og birt í tímaritunum Terra Nova og Nature. Þeir hafa reynt að sameina þessi þrjú atriði á myndinni, sem fygir hér með. Sagan hefst fyrir um 60 milljón árum, þegar Grænland rak norðvestur á bóginn, yfir heita reitinn, sem nú er undir Íslandi (rauði hringurinn á myndinni). Af þeimn sökum þynntist jarðskorpa Grænlands og mikið magn af basalt hraunum safnaðist fyrir á yfirborði Grænlands frá vestri til austurs. Síðar streymdi möttull frá heita reitnum norður á bóginn (bleikar örvar) undir skorpu Grænlands, lyfti henni upp og þynnti skorpuna. Þetta möttulefni streymdi aðallega til austur Grænlands og lyfti upp svæðinu sem nú er Scoresbysund og Gunnbjarnarfjall, hæsti tindur Grænlands (rúml. 3700 metrar). Þá rak Grænland norðvestur á bóginn vegna þess að Norður Atlantshafið tók að opnast (dökkbláir hringir sýna hreyfinguna frá 60 milljón árum til okkar tíma). Að lokum hefur snúningsás jarðar mjakast töluvert (um 12 gráður), eins og grænu hringirnir sýna, frá 60 milljón og til okkar daga, en við það hefur Grænland færst enn nær norður pólnum. Í heildina hefur færslan norður á við verið um 18 gráður, nóg til að færa Grænland inn á svæði þar sem loftslag veldur jökulmyndun.  

Eru upptök Íslenska heita reitsins í Síberíu?

Jarðskorpuflekarnir eru á hreyfingu á yfirborði jarðar, en heitu reitirnir eru nokkurn veginn kyrrir, og fastir eins og þungt akkeri langt niðri í möttlinum.   Þetta er ein höfuð kenningin, sem jarðvísindamenn hafa stuðst við undanfarin ár. Þessu fylgir, að heitu reitirnir skilja eftir slóð eða farveg sinn á yfirborði flekanna. Við vitum hvernig flekarnir hreyfast í dag og getum komist mjög nærri því hvernig þeir hafa hreyfst í sögu jarðar, hundruðir milljónir ára aftur í tímann.  Í dag er miðja Íslenska heita reitsins staðsett nokkurn veginn á 64.5° N og 17° W, undir Vatnajökli norðanverðum. Þar undir, djúpt niðri í möttlinum, á þessari breidd og lengd, hefur hann ætíð verið, milljónir ára. En hver er saga hreyfinga fleka yfir þessum reit í gegnum jarðsöguna? Það hefur verið kannað all náið, til dæmis af Lawrene Lawver og félögum (2000) í jarðeðlisfræðistofnun Texas Háskóla. Saga heita reitsins síðustu 50 til 60 milljón árin er nokkuð skýr, en þá rak Grænland yfir heita reitinn, á þeim tíma sem Norður Atlantshaf var að opnast. Þá var Grænland hluti af fleka Norður Ameríku og á leið sinni til norðvestur fór Grænland yfir heita reitinn og þá gaus mikilli blágrýtismyndun, fyrst á vestur og síðar á austur Grænlandi. Heiti reiturinn eða möttulstrókurinn undir honum, var grafkyrr, staðsettur nokkurn veginn á á 64.5° N og 17° W, þegar Grænland rak framhjá. En Lawver og félagar hafa rakið söguna miklu lengra aftur í tímann. Þeir telja að fyrir um 250 milljón árum hafi Síbería verið fyrir ofan möttulstrókinn eða heita reitinn sem við nú kennum við Ísland. Myndin sem fylgir sýnir útlínur meginlandanna fyrir 200 milljón árum, og er staðsetning heita reitsins (64.5° N og 17° W) sýnd með rauðum hring. Glöggir menn átta sig fljótt á landakortinu: Ameríka er hvít, Grænland er fjólublátt, Bretlandseyjar gular, Skandínavía, Rússland og Síbería eru græn. En Ísland er að sjálfsögðu ekki til (kom fyrst í ljós fyrir um 20 milljón árum) og Norður Atlantshaf hefur ekki opnast. Nú vill svo til að mesta eldgosaskeið í sögu jarðar hófst í Síberíu fyrir um 250 milljón árum og þá myndaðist stærsta blágrýtismyndun sem við þekkjum á jörðu: Síberíu basaltið. Í dag þekur það landflæmi sem er um 2,5 milljón ferkílómetrar.  Samkvæmt þessum niðurstöðum markar sá atburður upphaf Íslenska heita reitsins. Hann er þá ekki Íslenskur eftir allt saman: Hann er reyndar Rússneskur að uppruna, ef kenning Lawvers og félaga stenst.

Íslenski Heiti Reiturinn á Metið!

Þegar ég var að stíga mín fyrstu spor í jarðfræðinni, í kringum 1963, þá var stærsta málið að Ísland væri hluti af Mið-Atlantshafshryggnum. Þetta eitt skýrði þá alla eldvirkni hér á landi. Myndun og saga landsins var fyrst og fremst skýrð sem hryggjarstykki, orðið til við gliðnun skorpufleka. Úthafshryggir voru stóra málið, enda nýuppgötvaðir. Það er mér sérstaklega minnistætt þegar Sigurður Þórarinsson kom heim af fundi í Kanda árið 1965 og sýndi okkur bókina The World Rift System. Þar var meir að segja mynd af Almannagjá og Þingvöllum á kápu bókarinnar, eins og sjá má af mynd af kápunni, sem fylgir hér með. Sigurður var uppveðraður af hinum nýju fræðum, en ekki voru allir af hinum eldri (og einnig sumum af þeim yngri) jarðvísindamönnum á Íslandi tilbúnir að taka á móti hinum nýju kenningum. Sigurður var alltaf fljótur að átta sig á því hvað var rétt og snjallt í vísindunum. En það voru þeir Gunnar Böðvarsson og George Walker sem birtu merkustu greinina á þeim árum um stöðu Íslands í samhengi við Mið-Atlantshafshrygginn, árið 1964. Þá var aðeins eitt ár liðið frá uppruna hugmyndarinnar um úthafshryggi, og Gunnar og George voru einnig fljótir að átta sig á því hvað skifti máli. Kenningin um eldvirkni á flekamótum var og er stórkostleg framför í jarðvísindum, en hún skýrði ekki allt – langt því frá. Mörg eldfjallasvæði, eins og til dæmis Hawaíieyjar, eru fjarri flekmótum og krefjast annarar skýringar. Þetta eru heitu reitirnir: svæði, þar sem mikil eldvirkni á sér stað, sem er ekki endilega tengd flekamótum. Það var árið 1971 að Ameríski jarðeðlisfræðingurinn W. Jason Morgan kom fram með kenninguna um möttulstróka (mantle plumes) undir heitu reitunum. Þar með var komið fram hentugt líkan, sem gæti skýrt eldvirkni utan flekamóta. Rætur þessarar eldvirkni eru miklu dýpri en þeirrar sem gerist á flekamótunum. Sumir halda að möttulstrókarnir sem fæða heitu reitina komi alla leið frá mörkum möttuls og kjarna, þ.e. á um 2900 km dýpi.

Bygging og þróun jarðskorpunnar undir Íslandi hefur verið rannsökuð nú í um fimmtíu ár aðallega í ljósi hugmynda um eldvirkni á flekamótum. Ég held að nú séu að gerast tímamót á þessu sviði. Því meir sem ég hef kynnst jarðfræði Íslands, því meir er ég nú sannfærður um mikilvægi heita reitsins.

Möttulstrókurinn er sennilega um 100 til 200 km breið súla af heitu möttulbergi, sem rís undir Íslandi. Hiti súlunnar erða stróksins er um 150^oC hærri en umhverfið og nálægt því um 1300 til 1400^oC en ekki bráðinn fyrr en hann kemur mjög nærri yfirborði. Hár þrýstingur í dýpinu kemur í veg fyrir bráðnun.

Nú hafa þeir Ross Parnell-Turner og félagar sýnt framá að virkni möttulstróksins gengur í bylgjum á 3 til 8 milljón ára fresti, eins og sýnt er á mynd þeirra. Streymi efnis í möttulstróknum telja þeir hafa verið allt að 70 Mg s snemma í sögu Norður Atlantshafsins, en nú er rennslið um 18 Mg s, eða um 18 tonn á sekúndu. (Mg er megagramm, sem er milljón grömm, og er það jafnt og eitt tonn). Þetta er ekki streymi af kviku upp í gegnum möttulinn, heldur magn af möttulefni, sem rís upp til að mynda heita reitinn. Og rennslið er sífellt, sekúndu eftir sekúndu, ár eftir ár, öld eftir öld, milljón árum saman. Aðeins lítill hluti af möttulefni skilst frá sem kvika nælægt yfirborði og gýs eða storknar sem jarðskorpa. Til samanburðar er straumurinn af efni í möttulstróknum undir Hawaíi um 8,7 tonn á sekúndu, eða um helmingi minna en undir Íslandi. Við getum því státað okkur nú af því að búa á stærsta heita reit jarðar. Eldvirknin sem nú er í gangi og er tengd Bárðarbungu og Holuhrauni er einmitt yfir miðju möttulstróksins og minnir okkur vel á hinn gífurlega kraft og hitamagn sem hér býr undir.

Heiti reiturinn undir Íslandi er yfir 1600oC heitur

Ísland rís upp úr hafinu sem allstórt landsvæði og eitt höfuð einkenni þess er mikil eldvirkni.  Ísland er þá það sem jarðvísindamenn kalla “hotspot” eða heitan reit.  Lengi hefur verið deilt um uppruna og eðli heitra reita, en þeir eru nokkrir á jörðu, þar á meðal Hawaii, Galapagos, Páskaeyja og Yellowstone.  Eru rætur heitu reitanna djúpar, langt niðri í möttlinum, jafnvel á mörkum möttuls og kjarna,  eða eru þetta fremur yfirborðsfyrirbæri?  Deilan meðal jarðvísindamanna um það hefur varið í nær fimmtíu ár.  Nú vitum við tvennt um íslenska heita reitinn , sem skiftir miklu máli:  (1) hann nær meir en 660 km niður í möttul jarðar og sennilega mun dýpra, og (2) hann er um 165 oC heitari en venjulegur möttull umhvefis.  Gögn sem jarðskjálftafræðingar hafa safnað undir Íslandi gera kleift að teikna nýtt þversnið af möttlinum undir Íslandi. Það er Yang Shen, prófessor í University of Rhode Island, sem teiknar.  Hann er með skrifstofu á hæðinni fyrir ofan mína skrifstofu í Rhode Island í Bandaríkjunum.   Þversniðið hans Yang nær niður fyrir 660 km dýpi á myndinni.  Í möttlinum eru greinileg skil, sem koma fram á skjálftabylgjum. Þau neðri eru á  660 km dýpi en hin efri á 410 km dýpi undir yfirborði.  Bogar  á þessum skilum sýna staðsetingu heita reitsins.  Hann er sem sé eins og hallandi strókur í möttlinum undir landinu, en honum virðist halla dálítið til norðurs.  Hann er um 200 km í þvermál í möttlinum.  Tökum eftir, að möttulstrókurinn  er fastur og óbráðinn.  Hann er mjög heitur, en vegna þrýstings í jörðu helst hann óbráðinn þar til hann rís grynnra.  Hann byrjar að bráðna og kvika myndast á línunum sem eru merktar “solidus”.     Basalt kvikan, sem gýs á yfirborði, getur veitt okkur upplýsingar um hitann í möttulstróknum undir Íslandi.  Keith Putirka  hefur rannsakað basaltið á Íslandi með þetta í huga og hann kemst að þeirri niðurstöðu, að möttulstrókurinn undir okkur sé yfir 1600 oC heitur.  Hann er þá um 165 oC heitari en “venjulegur” möttull jarðar.  Neðri myndin sýnir samanburð á hitanum á "venjulegum" möttli (til vinstri), möttlinum í heita reitnum undir Hawaií (í miðju) og lengst til hægri möttlinum í heita reitnum undir Íslandi.  Þetta er nú gott og blessað, en vakna þá ekki aðrar spurningar?  Hvers vegna er möttullinn heitari hér undir okkur?   Er það ef til vill vegna þess, að möttulstrókurinn, sem rís undir Íslandi, kemur af mjög miklu dýpi, úr heitari lögum jarðar, og jafnvel frá mörkum möttuls og kjarna jarðar?  Hversvegna er strókurinn hallandi, en ekki lóðrétt súla undir landinu?  Eins og venjulega, þá vekja nýjar upplýsingar nýjar og erfiðari spurningar í jarðfræðinni og reyndar í öllum vísindum.  Það er einmitt málið, sem gerir vísindin og alla fróðleiksleit svo dásamlega spennandi.

Hafið inni í jörðinni

Var þetta rétt hjá Jules Verne?  Er stór hafsjór inni í jörðinni?  Nýjar rannsóknir benda til að það sé miklu meira vatn í iðrum jarðar en haldið var, en það er ekki í fljótandi formi, heldur bundið inn í kristöllum.  Hér er mynd af demant sem fannst í Brazilíu árið 2008.  Hann er frekar ljótur, og var seldur á aðeins $10, en hann hefur reynst vera fjársjóður fyrir vísindin.  Demanturinn, sem barst upp á yfirborð jarðar í eldgosi, er ekkert sérlega merkilegur að sjá, en innan í honum finnast fagurbláir kristallar af steindinni ringwoodite.   Myndin sýnir einn slíkan ringwoodite kristal.   Þessi kristaltegund hefur áður verið búin til í tilraunum vísindamanna við mjög háan hita og þrýsting sem er jafn og á 400 til 600 km dýpi inni í jörðinni. Nú er loksins búið að finna ringwoodite í náttúrunni og sú uppgötvun er að bylta mynd okkar um innri gerð jarðar og um magnið af vatni inni í jörðinni.  Ringwoodite kristall getur innihaldið allt að 2.5% vatn og þess vegna kann að vera mikill vatnsforði djúpt í jörðu, þar sem þessir kristallar þrífast. 

Myndin sýnir þversnið af jörðinni.  Vegna flekahreyfinga sígur jarðskorpan niður í möttul jarðar í svokölluðum sigbeltum, einkum umhverfis Kyrrahafið.  Bergið í jarðskorpunni er “blautt” og inniheldur töluvert vatn þegar það sígur niður í möttulinn að iðrum jarðar. Á dýpinu í möttlinum myndast vatns-ríkt ringwoodite í þessari fornu jarðskorpu, á um 400 til 600 km dýpi. 

 

Hingað til hefur vísindaheimurinn haldið að meginhluti vatnsins á jörðu væri í höfunum.  Heimshöfin og vatn á yfirborði jarðar eru um 1,36 miljarðar rúmkílómetrar, en það er aðeins um 0,023% af öllu rúmmáli jarðar.  Nýju niðurstöðurnar varðandi ringwoodite benda til að þrisvar sinnum meira vatn en öll heimshöfin kunni að vera bundin í ringwoodite á um 400 til 600 km dýpi.  Nú munu koma fram nýjar kenningar um hringrás vatnsins í jarðkerfinu, milli bergsins sem inniheldur ringwoodite í iðrum jarðar, og hafsins.  Það sem keyrir þessa hringrás eru flekahreyfingar og sigbeltin, og það er einmitt þessi hringrás sem gerir jörðina alveg sérstaka og skapar nauðsynlegar aðstæður fyrir lífríkið sem við þekkjum og elskum.