Volcanic activity and temporal evolution of ultraslow-spreading ridges

Abstract

Det overordnede målet med denne studien har vært å øke vår forståelse av vulkansk aktivitet langs jordens ultrasakte sprederygger. Avhandlingen består av tre deler som sikter mot å: (I) Forstå den romlige og tidsmessige vulkanske utviklingen av en revnedal, (II) Kvantifisere størrelsen og frekvensen av vulkanske utbrudd for å bedre forstå den årlige smelteproduksjonen ved ultrasakte sprederygger, og (III) Undersøke mantelens heterogenitet under Mohns- og Knipovichryggene for å forstå produksjonen og transporten av basaltiske smelter. For å håndtere delmål I, benyttes 4000 km med data fra bunn-penetrerende ekkolodd samlet med autonome undervannsfarkoster for å beregne sedimenttykkelse oppå den vulkanske havbunnen langs Mohnsryggen som har skrå og ultrasakte spredning. Sedimentkjerner ble brukt til å etablere sedimentasjonshastigheter, noe som muliggjør bruk av sedimenttykkelse som en indikator for lavastrømmenes alder. Det dokumenteres at sedimentene akkumuleres generelt jevnt med en gjennomsnittlig hastighet på 6 cm/ka, dobbelt så fort som i de åpne havbassengene i Norsk-Grønlandshavet. Denne høye sedimentasjonshastigheten muliggjør en detaljert undersøkelse av vulkansk aktivitet. Det første storskala alderskartet over de øvre lavastrømmene i en revnedal presenteres, og avslører utbredt ung vulkanisme gjennom revnedalen og utbrudd som skjer over hele dens bredde. Funnene utfordrer eksisterende akse-sentrerte spredemodeller, og tyder på at vulkanske hendelser og skorpedannelse er fenomener som forekommer i hele dalen. Alderskartet viser et flekkete aldersmønster, og det foreslås at hver flekk (1-2 km2) representerer en enhetscelle i den vulkanske sekvensen. Nesten 50% av revnedalen har opplevd vulkansk fornyelse de siste 25 000 år. Videre viser alderskartet at aksiale vulkanske rygger (AVR) har vært stabile vulkanske systemer de siste 150 000 år, motstandsdyktige mot ytre faktorer som havnivåendringer og istider. Disse ryggene viser en fornyelsesrate som er dobbelt så høy som områder utenfor dem, noe som indikerer hyppigere vulkanske utbrudd innenfor AVRer, selv om de bare dekker 30% av revnedalens bunn. Dette indikerer et nesten 1:1-forhold mellom lavastrømmer mellom AVRer og områder utenfor, noe som fremhever et dynamisk og utbredt vulkansk landskap i revnedalen. Delmål II tar for seg omfang, fordeling og morfologi av vulkanske terreng langs Mohnsryggen, med søkelys på AVRer for å estimere størrelsen og frekvensen av vulkanske utbrudd samt studere det totale magmabudsjettet. Ved å bruke høyoppløselig (1 m) batymetri og «backscatter» kart, visuelle observasjoner fra en fjernstyrt undervannsrobot, og geokronologi av basalter og sedimenter, kartlegger studien ulike vulkanske strukturer og vurderer deres volum og utbruddskarakteristikker. Funnene indikerer mangfoldige terrengtyper: 50% vulkansk hugterreng, 30% tykke sedimenter, 10% vulkanske kjegler og mindre andeler av ras og forkastningsskrenter, og flatliggende terreng som består av lobe lignende former og flakstrømmer. Volumetrisk analyse varierer fra små hauger (~0.42×106 m³) til komplekse strukturer bestående av mange hauger (38×106 m3) eller store flakstrømmer (opptil 23×106 m³). Ved å korrelere de kartlagte strukturenes størrelse med skorpens fornyelsesrater fra forrige studie, estimeres en utbruddsfrekvens ti- til hundreårsskala for hver AVR. Studien viser også et mønster av tidlige utbrudd av stort volum etterfulgt av mer hyppige utbrudd med mindre volum, noe som tyder på et syklisk vulkansk mønster i veksling med tektonisk aktivitet ved AVRer. Et årlig magmabudsjett på 2.8 - 5.2×10-3 km³ estimeres per 100 km av ryggen, og foreslår at Mohnsryggen utvikler seg gjennom høy grad av tektoniske spredning (30%) og lav smelteekstraksjon (~10%) fra den totale magmaproduksjonen. I delmål III undersøkes mantelens heterogenitet og basaltisk smelteproduksjon under ultrasakte spredningsrygger ved å analysere geokjemien (hoved- og sporelementer) og isotopsammensetningen (Sr, Nd og Pb) av in-situ basalter fra den sentrale delen av Mohnsryggen og den nordlige delen av Knipovichryggen. Ved å bygge på tidligere funn kombinerer denne studien geokjemiske data med havbunnsobservasjoner og aldersestimater for å utforske den temporære utviklingen av mantelkilden og mekanismene for smelting og magmablanding. Ved å analysere 75 prøver dokumenteres betydelige kjemisk variasjoner i basalter fra disse ryggene. Overraskende nok viser basalt fra Mohnsryggen store isotopvariasjoner (Pb-isotoper sammenlignbare med den dokumenterte spredningen langs hele ryggene) innenfor et lite område (~1 km²), noe som tyder på en svært heterogen mantel, mens basalter fra Knipovichryggen indikerer en mer homogen mantelkilde. Høyoppløselig kartlegging kobler disse kjemiske variasjonene til vulkanske strukturer og tidsmønstre, og støtter en hypotese om flere små utbrudd og avdekker også en gradvis endring i mantelsammensetningen gjennom 30 000 år, fra anrikede til tappede kilder. Dette tyder på oppsmelting ved ulike dyp og rask smelteekstraksjon via kanaler med begrenset blanding under oppstigning.

The overall aim of this study has been to better understand the volcanic activity at Earth's ultraslow-spreading ridges. The thesis comprises three parts that aim to: (I) Understand the spatiotemporal volcanic evolution of a rift valley, (II) Quantify the size and frequency of volcanic eruptions to better understand the annual melt production at ultraslow-spreading ridges, and (III) Investigate the mantel heterogeneity underneath the Mohns and Knipovich Ridges to understand the production and transport of basaltic melts. To approach objective I, 4000 km of sub-bottom profiler data, collected with autonomous underwater vehicles, was used to calculate sediment thickness on top of the volcanic basement of the oblique ultraslow-spreading Mohns Ridge. Sediment cores aid in establishing sedimentation rates, facilitating the use of sediment thickness as a proxy for lava flow age. Data show that sediments accumulate uniformly at an average rate of 6 cm/ka, twice that of the open ocean of the Norwegian-Greenland Sea. This high sedimentation rate enables a detailed examination of volcanic activity. The first large-scale age map of upper lava flows in a rift valley is presented, revealing widespread young volcanism throughout the valley and eruptions occurring across its width. The findings challenge axial-centric spreading models, suggesting volcanic events and crustal accretion are valley-wide phenomena. The age map displays a patchy age distribution, and each patch (1-2 km2) is suggested to represent a temporal unit cell of the volcanic sequence. Nearly 50% of the rift valley has experienced volcanic renewal in the last 25 ka. Moreover, the data show that axial volcanic ridges (AVRs) have been steady-state volcanic systems for at least the last 150 ka, resilient to external factors like sea level changes and glaciations. AVRs exhibit a renewal rate twice that of areas outside them, indicating more frequent volcanic eruptions within AVRs, though they cover just 30% of the valley floor. This indicates a near 1:1 ratio of lava flow emplacement between AVRs and non-AVR areas, highlighting a dynamic and widespread volcanic landscape in the rift valley. Objective II aims to evaluate the abundance, distribution, and morphology of volcanic terrains along the Mohns Ridge, focusing on axial volcanic ridges (AVRs) to estimate the size and frequency of volcanic eruptions, and the overall magma budget. Utilizing high-resolution (1 m) bathymetry and backscatter maps, visual ROV observations, and geochronology of basalts and sediments, various volcanic features were mapped, and their volume and eruption characteristics was assessed. Findings indicate diverse terrain types: 50% hummocky terrain, 30% thick sediment coverage, 10% volcanic cones, and smaller proportions of mass wasting features and pitted terrains comprising lobate and sheet flows. Volumetric estimates range from individual hummocks (~0.42×106 m3) to larger edifies with multiple hummocks (38×106 m3) or high effusion rate sheet flows (up to 23×106 m3). By correlating the mapped features' size with volcanic renewal rates from the previous chapter, an estimated eruption frequency suggests eruptions on a ten- to hundred-year scale on individual AVRs. The study also reveals a pattern of initial high-volume eruptions followed by more frequent, low-volume eruptions, suggesting a cyclical volcanic construction process interspersed with tectonic activity at AVRs. An annual magma budget of 2.8 - 5.2×10-3 km³ was estimated per 100 km of the Mohns ridge, and suggest that the Mohns Ridge evolves through a high degree of time-averaged tectonic spreading (30%) and low melt extraction (~10%) from overall magma production. Objective III is approached by investigating mantle heterogeneity and basaltic melt production under ultraslow-spreading ridges by analyzing the geochemistry (major and trace elements) and isotopic composition (Sr, Nd, and Pb) of in-situ basalts from the central Mohns Ridge and northern Knipovich Ridge. Building on previous findings, this study combines geochemical data with seafloor observations and age estimates to explore the temporal evolution of the mantle source and the mechanisms of melt extraction and magma mixing. Analyzing 75 samples, the results document significant chemical variability in basalts from these ridges. Notably, basalt at Mohns Ridge showed large isotopic variations (Pb isotopes comparable to the range along the entire ridge system) within a small area (~1 km2), suggesting a highly heterogeneous mantle, whereas basalts from Knipovich Ridge indicated a more homogeneous mantle source. High-resolution mapping linked these chemical variations to volcanic features and temporal patterns, supporting a hypothesis of multiple small-volume eruptions and revealing a progressive change in mantle composition over 30 ka, from enriched to depleted sources. This suggests melting at various depths and rapid melt extraction through channels with limited mixing during ascent.