Möttull jarðar

Möttull jarðar og möttulstrókurinn sá, sem Ísland byggir tilvist sína á, hlýtur að vera okkur Íslendingum sérstaklega áhugaverður. Við, sem eintaklingar, erum lítilmótlegir andspænis mikilfengleikanum.
Á Vísindavef HÍ má lesa eftirfarandi um möttul jarðar:

Spurningin var: „Hvað viðheldur þeim mikla hita sem er í möttli jarðar í gegnum alla jarðsöguna og hvaðan kemur allt það mikla magn gosefna og hvað fæðir möttulinn af nýju efni?

„Yfirborð jarðkjarnans er mörg hundruð gráðum heitara en möttullinn fyrir ofan. Frá kjarnanum streymir því varmi upp gegnum möttulinn og allt til yfirborðs jarðar. Svo öflugur er varmastraumurinn að hvarvetna undir hinni stinnu hafsbotnsskorpu er möttulefnið nálægt bræðslumarki sínu (deighvolf, lághraðalag) við ríkjandi þrýsting. Neðst í möttlinum, næst kjarnanum, er möttulefnið eðlisléttara en efnið ofan á vegna hins háa hita, það stígur því upp í formi möttulstróka, líkt og saltstöplar gegnum ofanáliggjandi set, en í staðinn sígur kaldara efni niður að kjarnanum í eilífri hringrás. Auk varmastreymis frá kjarnanum verður til varmi í möttulefninu sjálfu við sundrun geislavirkra efna, einkum kalíns (40K).

Þessi hringrás efnisins, sem á yfirborði jarðar kemur fram í reki skorpufleka er myndast við miðhafshryggi og eyðast á niðurstreymisbeltum, hefur viðhaldist svo lengi sem rekja má söguna í jarðmyndunum, í meira en 4000 milljónir ára.

Ekki er þó um „eilífðarvél“ að ræða — að vinna sé framkvæmd án þess að orka eyðist — því í jörðinni eyðist það sem af er tekið. Þótt jarðkjarninn tapi stöðugt varma til möttulsins viðhelst hitajafnvægi í kjarnanum með kristöllun hins bráðna ytri kjarna utan á járnkúlu innri kjarnans. Að auki myndast varmi við núning í vökva ytri kjarnans vegna ólíks snúningshraða innri kjarna (r=1220 km) og jarðar (r=6370 km) sem meðal annars kemur fram í minnkandi snúningshraða jarðar — fyrir 250 m.á. var eitt ár 400 dagar en er nú 365 dagar (þátt í þessu, sennilega mestan, á stífudans jarðar og tungls).

Hvort tveggja, kristöllun innri kjarna og minnkandi snúningshraði jarðar, eru dæmi um óafturkvæma þróun, annað dæmi er sívaxandi hlutfall kísilríkra bergtegunda í jarðskorpunni.

Allt storkuberg hefur storknað úr bráð sem orðið hefur til við hlutbráðnun úr eldra bergi. Basalt, sem dæmi, myndast við allt að 20% bráðnun á peridótíti, bergtegund möttulefnis, og hafsbotnarnir, rúm 70% af yfirborðsflatarmáli jarðar, eru úr basalti. Fyrrum þóttu það mikil firn að endalaust magn efnis, basalts af nánast fastri samsetningu, skuli geta myndast úr sama „frumefninu“. Skýringin reyndist vera eðlis-efnafræðileg: Þegar blanda af tveimur eða fleiri mismunandi kristöllum (steindum) er brædd, myndast bráð með bundinni efnasamsetningu sem aðeins er háð þrýstingi en óháð hlutföllum kristallanna í blöndunni. Sú bráð heldur áfram að myndast þar til einn kristallanna er uppurinn – þá þarf að hækka hitastigið uns ný bráð tekur að myndast í jafnvægi við kristallana sem eftir voru, og svo framvegis.

Á efstu ~100 km jarðmöttulsins samanstendur möttullinn (peridótít) af fjórum meginsteindum, ólivíni, díopsíti, enstatíti og spínli, og basalt er bráð úr því steindafylki.

Bræðslumark efnis er háð þrýstingi og undir hafsbotnunum bráðnar heitt möttulberg við þrýstingslækkun með tvennum hætti; í möttulstrókum rís heitt efni, þrýstingur lækkar uns bræðslumarki er náð og basaltbráð myndast sem seytlar í átt til yfirborðsins. Á miðhafshryggjunum verður bráðnun við þrýstingslækkunin vegna gliðnunar, þegar skorpufleka rekur hvorn frá öðrum, og yfirleitt er varminn í lághraðalaginu nægur til að 6–7 km þykkt basaltlag geti myndast. Í möttulstrókum berst nýtt efni stöðugt að neðan og bráðnar að hluta efst í möttlinum, en hvað um rekhryggina – geta þeir „sogið“ 7 km þykka basaltskorpu endalaust úr sama hluta möttulsins fyrir neðan? Svo er ekki, því hryggina sjálfa rekur fram og aftur ofan á lághraðalagi möttulsins og eru því að bræða basalt úr sífellt „nýjum“ hlutum lághraðalagsins. Til dæmis virðist svo sem austurhluti Íslands, Evrasíuflekinn, sé nokkuð staðfastur miðað við möttulstrókinn undir landinu, Ameríkuflekann reki 2 cm á ári til vesturs miðað við hann, en rekbeltin og Mið-Atlantshafshrygginn sjálfan 1 cm á ári.

Nú er það svo, að möttull jarðar er fjarri því að vera einsleitur – hafi jörðin í upphafi verið meira eða minna bráðin kynni möttullinn að hafa „byrjað“ nokkuð einsleitur, en eins og fyrr sagði hófust snemma þau jarðfræðilegu ferli sem við þekkjum og öll leiða til aukinnar misleitni.

Möttulstrókar rísa upp um möttulinn, hvarfast við hann eða þá dagar uppi á miðri leið. Basaltísk hafsbotnsskorpa hverfur niður í möttulinn á niðurstreymisbeltum eftir að hafa hvarfast við sjóinn, ummyndast í jarðhitakerfum og tekið með sér setberg af hafsbotninum – sumt af þessu efni verður eftir á mismunandi dýpi í möttlinum en sumt sígur alla leið niður að kjarna. Þetta ferli hefur gengið í að minnsta kosti 4000 milljón ár eins og fyrr sagði, en að auki hrærir iðustreymi í möttulefninu. Þrátt fyrir misleitni möttulsins myndast basalt við allt að 20% uppbræðslu hans, meira en 90% af efni basalts eru aðalefni úr steindunum fjórum sem ofar voru taldar (peridótít); afgangurinn er auka- og snefilefni – munurinn á ólíku úthafsbasalti kemur fram í snefilefnum og ýmsum samsætum (ísótópum).
Í stuttu máli: Kristöllun jarðkjarnans og geislavirk efni viðhalda hita í möttli jarðar, hið mikla magn gosefna myndast við bráðnun af völdum þrýstingslækkunar efst í jarðmöttlinum, og „endurvinnsla“ hafsbotnsskorpunnar fæðir möttulinn af nýju efni.“

Möttulstrókar

Möttulstrókar myndast djúpt í iðrum jarðar og eru þessi fyrirbæri mjög öflugir, staðbundnir uppstreymisstaðir. Í möttulstrókunum er 2 – 300°C heitara efni en er umhverfið í kring um þá og vegna þessa hita er strókurinn eðlisléttari.Það er þess vegna sem jarðskorpan rís yfir stróknum ofar en jarðskorpan í kring eða á bilinu 5 – 40 km. Möttulstrókar eru eins konar hringrásarstraumar en þeir myndast vegna varmamyndunar og varmaburðar í íðrum jarðar. Varmaburðurinn lýsir sér þannig að heitara, eðlisléttara efni rís og kaldara, þéttara efni sekkur.

Möttulstrókur undir Íslandi
Möttulstrókurinn undir Íslandi er einn af öflugustu möttulstrókum jarðarinnar. Talið er að miðja stróksinns sé núna undir norðvesturhluta Vatnajökuls (Grímsvötn, Bárðarbunga). Talið er að Ísland hafi orðið til vegna þessa möttulstróks. Á síðustu árþúsundum hefur komið hér upp stór hluti þeirrar kviku sem öll eldgos á jörðinni framleiddu ofan sjávar.

Áætlað er að möttulstrókurinn sé um 200 km í þvermál sem sennilega nær að mörkum möttuls og kjarna á um 2900 km dýpi. Efnið í honum er um 300 °C heitara en efnið umhverfis.

„Heitir reitir“ nefnast staðir á jörðinni sem einkennast í fyrsta lagi af mikilli eldvirkni samanborið við svæðin í kring og í öðru lagi af því að þeir rísa hátt yfir umhverfið. Þannig verður ekki um það deilt að Ísland er mun eldvirkari hluti af hryggjakerfi jarðar en Mið-Atlantshafshryggurinn bæði fyrir norðan og sunnan landið. Þetta kemur meðal annars fram í því að blágrýtisskorpan undir Íslandi er um 30 km þykk en skorpan sunnan og norðan við landið er um 6 km að þykkt. Og jafnframt leikur ekki á því vafi að Ísland rís yfir sjávarmál, ólíkt Atlantshafshryggnum fyrir norðan og sunnan.
Af þessum sökum er Ísland óumdeilanlega „heitur reitur“ og hefur svo verið að minnsta kosti í 60 milljón ár, eins og Grænlands-Færeyjahryggurinn sannar. En Grænlands-Færeyjahryggurinn er einhverskonar framhald af Íslandi til VNV og ASA, gerður úr 25-30 km þykkri blágrýtisskorpu. Bergið í Færeyjum og A-Grænlandi er 60-65 milljón ára, myndað þegar þessir staðir voru þar sem Ísland er nú.“

„Í meira en 30 ár hefur almennt verið talið að heitir reitir myndist þar sem „möttulstrókar“ rísa úr iðrum jarðar. Strókar þessir eru 200-300°C heitari en möttulefnið umhverfis og þess vegna eðlisléttari. Þeir „sjást“ með jarðskjálftabylgjum niður á 450 km dýpi en til þess að „sjá“ þá lengra niður þyrfti mun víðfeðmari og fullkomnari net jarðskjálftamæla en nú eru til staðar.

Hins vegar eru ýmis rök fyrir því að möttulstrókar, að minnsta kosti hinir öflugri þeirra, nái allt niður að mörkum jarðkjarna og -möttuls á 2.900 km dýpi, og að varminn sem þeir bera til yfirborðsins sé frá kjarnanum kominn. Þá hefur verið sýnt fram á það að eðliseiginleikar möttulefnis, sem hitnar nógu mikið til að það fari að „ólga“ líkt og grautur í potti, séu þannig að mjóir, sívalir strókar myndist í stað þess að efnið allt sé á iði.
Að ýmsu leyti minna möttulstrókar, eins og menn hugsa sér þá, á saltstöpla sem alkunnir eru frá Mið-Austurlöndum og víðar: saltlag sem liggur undir fargi eðlisþyngri jarðlaga rís til yfirborðsins í strókum – saltstöplum – og getur meira að segja náð alla leið upp á yfirborð þar sem saltið dreifir úr sér líkt og jökulís.
Kenningin um möttulstróka hefur reynst öflug við að skýra eiginleika heitra reita. Þeir (heitu reitirnir) standa hátt vegna þess að undir þeim er (tiltölulega) eðlisléttur sökkull. Hin mikla eldvirkni, og þar með þykk blágrýtisskorpa, stafar af því hve heitur möttulstrókurinn er: Blágrýtið myndast þegar heitt möttulefni bráðnar vegna þrýstiléttis, og því heitara sem möttulefnið er, þeim mun meiri verður bráðnunin. 200-300°C munur á hita íslenska möttulstróksins og jarðmöttulsins undir Mið-Atlantshafshryggnum fyrir norðan og sunnan nægir til þess að skýra muninn á þykkt skorpunnar.

Jarðefnafræðilegar mælingar á íslenskum blágrýtissýnum benda til um 30% bráðnunar undir landinu, sem svarar til um 25 km þykkrar blágrýtisskorpu. Og jarðskjálftafræðingar telja sig greina mörk blágrýtis og möttulefnis á 25-35 km dýpi. Loks er þess að geta, að möttulstrókar virðast vera tiltölulega staðfastir – og rótfastir í jarðmöttlinum – miðað við skorpu jarðar, sem skiptist í fleka sem eru á reki fram og aftur um yfirborð hnattarins eins og kunnugt er. Þannig hefur fjarlægðin milli heitu reitanna Íslands og Hawaii haldist óbreytt í að minnsta kosti 40 milljón ár.
Eins og mál standa eru svörin því þessi: Ísland er heitur reitur, og undir Íslandi er möttulstrókur, um 200 km í þvermál, sem sennilega nær allar götur niður að mörkum möttuls og kjarna.“

Landrekskenningin – Alfred Wegener

„Árið 1912 kynnti þýskur veðurfræðingur Alfred Wegener fyrstur kenningu um landrek. Þremur árum síðar eða 1915 var Landrekskenning Wegeners sett fram í bókinni Myndun meginlanda og úthafa. Hann hélt því fram að öll meginlönd gætu flust úr stað með því að fljóta. Wegener taldi að meginlöndin hafi verið ein heild, þ.e. Pangea (al-álfa) sem hafi brotnað upp og brotin flust úr stað. Hann taldi með þessu að hann gæti útskýrt ástæðuna fyrir því af hverju löndin pössuðu vel saman.

Síðan „landrekskenning“ Wegener kom fram hafa margvíslegar ábendingar stutt hana verulega. M.a. byggja flestir íslenskra jarðvísindamanna kenningar sínar um flekaskilin beinlínis á henni.

Um 1930 töldu jarðeðlisfræðingar að það væri ekki til nægilega stór kraftur sem gæti flutt heimsálfurnar úr stað og tókst þeim þar með að afsanna þann hluta kenningar Wegeners. En árið 1964 var landrekskenningin endurvakin og var þá nefnd botnskriðskenning og var þá gerð athugun á gerð hafsbotnsins.

Í ljós kom að á hafsbotni leyndust langir fjallgarðar sem risu í um 2000-4000 m yfir hafsbotninn. Árið 1968 kom fram flekakenningin, en samkvæmt henni skiptist jarðskorpan í jarðfleka sem eru á reiki um yfirborð jarðar og eru flekarnir knúnir af hita frá möttlinum. Á úthafshryggjum á hafsbotni jarðarinnar rekur þessa fleka í sundur og til þess að það myndist ekki gap í jarðskorpunni fyllir bergkvika bilið og myndar á ný úthafsskorpu.“

Sjá má meira um Alferd Wegener HÉR.

Heimild:
-https://www.visindavefur.is/svar.php?id=81424
-https://www.visindavefur.is/svar.php?id=38
-https://is.wikipedia.org/wiki/M%C3%B6ttulstr%C3%B3kurinn_undir_%C3%8Dslandi
-https://innrigerdjardar01.weebly.com/moumlttulstroacutekar.html