The geology of the Portobello Peninsula : proposal of a saturated to oversaturated lineage within the Dunedin Volcano, New Zealand

Abstract

The Portobello Peninsula is made up by volcanic sediments, lava flows and numerous dikes. Deposition of sediments and lava flows is thought be early in the evolution of the Dunedin Volcano. The lava flows of Portobello Peninsula are silica saturated, belonging to a lineage differing from the two major lineages previously inferred to exist in the volcano (Coombs and Wilkinson, 1969). This new lineage comprises the rock series basalt-potassic trachybasalt-shoshonite-latite-quartz trachyte following the TAS classification scheme of basaltic rocks by Le Bas et al. (1986). The lineage is mainly separated from the other two by the presence of normative hypersthene and/or quartz. The rocks of intermediate composition also have a lower total alkali content than its undersaturated equivalents. Oversaturation in magmas from the Dunedin volcano is caused by a process involving fractionation of kaersutite combined with long residence times in the lower crust/ upper mantle. The potassic nature of the oversaturated lineage originates from crustal/magma interactions as the magmas ascended through the crust. The possible involvement of kaersutite in the saturated to oversaturated lineage, has implications for magma genesis in the Dunedin Volcano. A model comprising variations in degree of partial melting, fractionation of kaersutite and crustal contamination, can possibly explain the wide range of geochemical behaviour documented within the volcano. The dikes on Portobello Peninsula are divided into two assemblages with a clear age difference between them. The dike orientations suggest that the extensional tectonic stresses have rotated clockwise from a WSW-ENE orientation into a NW-SE orientation during the later parts of volcanic activity in the area.

Abstract (Swedish)

Portohello Peninsula utgörs av vulkanoklastiska sediment, lavor och ett stort antal gångar.
Depositionen av både sediment och överliggande lavor tros tillhöra de tidigaste stadiet i utvecklingen av Dunedin Volcano.
Lavaflödena i det studerade området är alla mättade till övermättade, och tillhör
en bergartsserie skiljd från de två sedan tidigare kända, undermättade bergartsserierna (Coornbs and Wilkinson, 1969). Denna nya bergartsserie innehåller bergarterna basaltkalitrachybasalt- shoshonit-latit-kvarts trachyt, enligt basalt klassificering (total alkali och kiselhalt) efter Le Bas et al. (1986). Denna bergartsserie skiljer sig från de övriga två främst genom normativ hypersten samt i de mer differentierade bergarterna även normativ kvarts.
Dessa mer differentierade bergarter har också en lägre alkalihalt järnfört med de
undermättade bergarterna.
Mättning till övermättning i Dunedin Volcano kan möjligtvis förklaras genom
en process inbegripande differentiering av amfibolen kaersutit kombinerat av lång residenstid i lägre delarna av skorpan eller övre delarna av manteln. Den kaliumrika karaktären hos denna bergartserie härstammar från kemiska reaktioner mellan magman och sidoberget.
Den möjliga inblandningen av kaersutit i den mättade till övermättade
bergartsserien har implikationer för all magma genes i Dunedin Volcano. En modell som består av olika grader av partiell uppsmältning, fraktionering av kaersutit samt kontamination från sidoberget kan möjligtvis förklara den stora variation i geokemisk karaktär som finns dokumenterat i vulkanen.
Gångarna i det undersökta området är av minst två olika åldrar. Orienteringen av
dessa indikerar att den extensionellatektoniska stressen har roterat medurs, från en WSW-ENE till en NW-SE riktning under de senare delarna av den vulkaniska aktiviteten i området.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Det var en gång... historien om en vulkan.
The Dunedin Volcano är belägen utmed östkusten på Nya Zeelands södra ö. Stora delar av både östkusten och de centrala delarna har under de senaste 40 miljoner åren upplevt perioder med intra platt vulkanism orsakad av en temperatur anomali i övre manteln under både Nya Zeelands Sydö och delar av havet öster om. Vulkanen vid Dunedin är tillsammans med en vulkan på Banks Peninsula (utanför Christchurch) de största enskilda resultaten av den vulkaniska aktiviteten. Båda vulkanerna var aktiva under samma tidsperiod från 13 till 10 miljoner år sedan. Avslutandet av vulkanismen tros vara orsakad av en förändring i den tektoniska stressen, från en extensiv/transtensionell till en mer kompressiv. The Southern Alps är resultatet av det kompressiva stresstillstånd som rått i denna region under de senaste 10 miljoner åren. Dunedin Volcano är resterna av en basaltisk vulkan med förhållandevis låg relief. Höjdskillnaden mellan högsta punkten och vattenytan är idag 700 meter och den var troligtvis inte mycket större då vulkanen var aktiv. Vulkanen var aktiv under mer än tre miljoner år men var speciellt aktiv under fyra olika perioder. Under dessa perioder byggdes det mesta av de avlagringar som idag kringligger staden Dunedin. Vulkanism har förutsättningar att skapas då den geotermala gradienten korsar mantelns trycksmältpunkt, vilket orsakar partiell uppsmältning av manteln. Smälta är generellt sett lättare and motsvarande fast berg vilket får smältan att börja stiga uppåt genom manteln och in i jordskorpan. Alkali basaltisk smälta kan börja röra sig uppåt vid minst 2 % partiell uppsmältning. För att magman skall kunna nå jordytan måste kriterier såsom extensivt eller transtensionellt stresstillstånd i jordskorpan och/eller negativ densitetskontrast mellan smälta och jordskorpa (d.v.s. lättare smälta än sidoberg) vara uppfyllda. Magma transporteras i gångar då detta för är det mest gynnsamma transportsättet de flesta smältor. Magma följer generellt sett inte befintliga sprickor utan trycket från magman orsakar berget att spricka upp i den riktning som är svagast, kallad σ3. I extensivt och transtensionellt (jordskorpan skjuvas) stresstillstånd är σ3 horisontell vilket medför att berget spricker upp vertikalt och fylls av magma som transporteras uppåt efterhand som sprickan i berget vidgas uppåt och utåt. Vulkaniska bergarter som utgör en gång i en vulkan eller i annan terräng är magma som aldrig nått jordens yta utan ”fryst” i transportsystemet. Gångar kan också skapas utan att det resulterar i ett vulkanutbrott. Ett vulkanutbrott kan definieras som ett tillfälle då magmatransport i en gång korsar jordytan. Det undersökta området är beläget i de centrala delarna av Dunedin Volcano inom vilken tio miljoner års erosion har blottlagt stora delar av vulkanens innanmäte. Portobello Peninsula (halvön) består av tidiga vulkaniska sediment och överliggande lavor. Stora delar av halvön är genomskuren av ett otal senare gångar som har en genomsnittlig tjocklek på lite mer än en meter. De många gångar som skurit igenom området har förstört de depositionsförhållanden som en gång existerat mellan olika vulkaniska sediment i området. Sedimenten kan ej med säkerhet sägas vara avsatta i vatten eller på land, men en miljö i närheten av dåtidens havsvattenyta är trolig. Eftersom gångspridning sker genom att sidoberget vidgas i den riktningen där berget är svagast innebär detta att gångars orientering kan säga något om det tektoniska stresstillståndet som rådde då gången skapades. Om ingen dominerande stressriktning finns skulle detta medföra att gångar i alla riktningar skulle vara lika vanliga. På Portobello Peninsula kan två dominerande riktningar urskiljas, en i NNV-SSO och en i NO-SV riktning, vilket anses visa på att ett anisotropt stressfält har existerat i jordskorpan då vulkanen var aktiv. På fem ställen kan skärningspunkter mellan gångar tillhörande de två riktningarna studeras och i alla fallen skär NO-SV gångarna NNV-SSO gångarna. Detta tolkas som en åldersskillnad mellan gångar av olika riktning. De äldre NNV-SSO gångarna visar på ett stressfält med svagaste riktningen ONO-VSV, medan de yngre NO-SV gångarna visar på ett stressfält där den svagaste riktningen är orienterat i NV-SO. Sedimenten som finns i fältområdet idag utgör halvön har deponerats i slutet av initialfasen vilket måste innebära att gångarna skapats senare i utvecklingen. Troligtvis representerar de två dominerande gångriktningarna två av de tre senaste huvudfaserna då vulkanen var mer aktiv. Att de är orienterade i olika riktning antyder att en förändring i de krafter som drar i och trycker på jordskorpan har skett mellan dessa två perioder. Kanske är detta en första indikation på den förändring i krafterna i jordskorpan som senare (för cirka 10 miljoner år sedan) ledde till att jordskorpan började tryckas ihop och skapandet av the Southern Alps (som än idag fortfarande lyfts upp). Halvöns övre delar är täckt av ett antal basaltiska lavaflöden, vilka ligger som hattar ovanpå de mer porösa vulkaniska sedimenten. Dessa har utvecklats olika mycket under sin ”resa” upp genom övre delen av manteln och jordskorpan. Från det att en smälta bildas till det att den slutligen når jordytan i form av ett vulkanutbrott utsätts smältan för att olika processer såsom olika grader partiell uppsmältning av manteln, upplockning av material från sidoberget och separation av vissa delar av smältan. Dessa processer får till följd att totalkemin förändras i flera etapper under resans gång. Olika magmor har utvecklats olika mycket. De mycket utvecklade lavorna är ljusa i färgen och de lite utvecklade lavorna är mörka i färgen. Bergarterna på Portobello Peninsula skiljer sig från de flesta bergarter som sedan tidigare är kända från Dunedin Volcano. Skillnaderna kan möjligtvis förklaras med att dessa bergarter har tappat en komponent, kaersutit (ett tungt mineral som har blivit separerat från smältan) tidigt i utvecklingen (långt nere i jordskorpan) samt att de har varit med om en hög grad av inblandning av material från övre delen av jordskorpan. Detta har fått till följd att dessa bergarter har en högre kisel halt samt en alkalihalt (natrium plus kalium) som är något lägre och har en annan fördelning jämfört med de tidigare kända bergarterna.

• author: Olsson, Stefan
• supervisor: Uppgift saknas
• organization: Department of Geology
• alternative title: Geologin på Portobellohalvön : förslag om en mättad till övermättad bergartsserie i Dunedinvulkanen
• year: 2002
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: geografi, geologi, Portobello Peninsula, Dunedin Volcano, New Zealand, saturated lineage, oversaturated lineage
• publication/series: Dissertations in Geology at Lund University
• report number: 148
• language: English
• id: 2343329
• date added to LUP: 2012-12-05 11:17:22
• date last changed: 2012-12-05 11:17:22