The Jan Mayen microcontinent and Iceland Plateau: Tectono-magmatic evolution and rift propagation

Abstract

This study focused on the tectono-magmatic reconstruction of the Jan Mayen microcontinent (JMMC) and Iceland Plateau Rift (IPR) in context to the breakup and opening processes of the Northeast Atlantic region. Joint interpretation of densely spaced reflection seismic data and other geophysical and geological datasets, has illuminated the complex rift relocations associated with the formation of the JMMC, a narrow section of continental crust that was detached from the central East Greenland margin during the opening of the Northeast Atlantic and activation of the Iceland Plateau Rift. The IPR represents an igneous domain consisting of four distinct stages of rifting (IPR-I to IV) each corresponding to a structural domain. A tectonic-kinematic model was constructed by utilizing structural, volcano-stratigraphic and igneous-province-mapping based on vintage and new geological, geophysical, and geochemical datasets (1960s–2017). Eleven Cenozoic seismic-stratigraphic units, define the stratigraphic framework, bound by ten unconformities and disconformities. Six of these boundaries are regional and reflect discrete tectonostratigraphic phases in the evolution of the Northeast Atlantic region. Eocene to Miocene overlapping ridge segmentation developed during seven distinct tectono-magmatic phases, initially along the Ægir Ridge and subsequently along the northward propagating Iceland Plateau Rift, that interlinked the microcontinent with the anomalous Greenland-Iceland-Faroe ridge, prior to the subaerial formation of Iceland: (1) Pre-breakup to initial breakup phase during Paleocene (~63-56 Ma), characterized by extension, fracture and rift zone formation, followed by plateau basalt emplacement of the North Atlantic igneous province; (2) Syn-breakup during Early Eocene (∼55-53 Ma), with stepwise north-to-south development of seaward-dipping reflectors along the microcontinent´s north-eastern margin and NV-SE striking fracture zone segments, prior to spreading at the Ægir ridge; (3) Full breakup along the microcontinent´s eastern margin and initiation of IPR-I during Early-Mid Eocene (~53-50 Ma); (4) Rift-transfer during Eocene (∼49-36 Ma), characterized by SW to NE magmatic propagation within the JMMC domain and forming of the IPR-II segment intersecting IPR-I, contemporary with cessation of spreading at the Ægir ridge; (5) Ridge transfer and tectonic re-arrangement during Late Eocene to Oligocene (~36-25 Ma) was associated with the formation of segment IPR-III, the south-western Jan Mayen igneous province, and the Jan Mayen trough, separating the Jan Mayen southern ridge complex from the main Jan Mayen ridge through SW-NE rift propagation. These events were accompanied by large scale intrusion and flood basalts, in clear proximity to the Iceland hotspot. (6) Final breakup during Late Oligocene (25-22 Ma) with emplacement of a second igneous breakup margin along the western flank of the microcontinent in conjunction with the formation of the IPR-IV and the proto-Kolbeinsey ridge, and the initiation of the proto-Iceland shelf region. (7) Full separation of the JMMC-IPR domains from the central East Greenland margin during Miocene (22-0 Ma) and spreading along the Kolbeinsey ridge. In summary, the initiation of the fanned-shaped Iceland Plateau Rift and the Jan Mayen microcontinent´s southern ridge complex was accompanied by crustal breaches and melt incursions that formed several axial rift systems and volcanic ridges. The JMMC-IPR igneous domains portray the complexity of a long-lived (Eocene to Miocene) volcanic margin within an unstable rift-transfer tectonic setting. This region represents a unique analogue Iceland-type crust; the systematic build-up of up to 10-14 km thick oceanic crust and reactivation of pre-existing structural complexes by mantle anomalies; rift-transfer processes; and overlapping sub-aerial and sub-surface igneous activity in conjunction with microplate formation.

Meginmarkmið þessa verkefnis var að auka skilning okkar á uppruna og þróun Jan Mayen svæðisins (JMMC) og rekbelta Íslandssléttunnar (Iceland Plateau Rift, IPR), í samhengi við opnunarferli og reksögu NA-Atlantshafssvæðisins, norðan Íslands. Myndunarsaga JMMC er tvískipt; rek eftir Ægishrygg, við opnun Atlantshafsins, klauf miðhluta Austur-Grænlands frá Noregi, og IPR-rekbeltið innan Íslandssléttunnar, vestan Ægishryggjar, klauf JMMC frá Austur Grænlandi. IPR-rekbeltið skiptist í fjögur aðskilin svæði, í tíma og rúmi. Endurskoðað og ítarlegra líkan af jarðlagafræði, eldvirkni og jarðskorpuhreyfingum svæðisins byggir á samtúlkun jarðfræðilegra, jarðeðlisfræðilegra og jarðefnafræðilegra gagna sem aflað var á árunum 1960 til 2017; fjölgeislamælingum; endurkast- og bylgjubrotsgögnum; þyngdar-, og segulmælingum, borholugögnum og bergsýnum, sem og samanburði við aðlæg svæði. Jarðlagastafli tertíer- og kvartertímans skiptist í ellefu jarðlagasyrpur sem afmarkast af tíu mismunandi mislægjum. Sex tengjast stærri, jarðsögulegum atburðum í reksögu NorðurAtlantshafssvæðisins, önnur svæðisbundnari rofmislægjum. Reksaga svæðisins skiptist í sjö tímabil eldvirkni og skerhreyfinga, sem endurspegla óstöðugleika í jarðskorpuhreyfingum yfir 30 milljón ára tímabil, frá því Atlantshafið opnaðist um Ægishrygg og innan framsækna, skástíga, IPR rekbeltisins. Upprunalega tengdist IPR rekbeltið Grænlands-(Íslands)- Færeyjahrygg en færðist síðan til norðurs, og hóf að éta sig inn í meginlandsskorpu Jan Mayenhryggjar. Samhliða þróun IPR-rekbeltisins, minnkaði rekhraði á sunnanverðum Ægishrygg. Í hnotskurn er þróunarsagan eftirfarandi: (1) Gliðnun innan Laurasíuflekans hófst á paleósentímabilinu (fyrir ~63-56 milljónum ára). Upphaflega myndaðist mikill sigdalur norðan og austan JMMC, sem samanstóð af lægum brotabeltum. Áframhaldandi tog varð til þess að meginlandsskorpan slitnaði og úthafsskorpa myndaðist við öflugt uppstreymi möttulefnis og mikil flæðigos sem mynduðu stór basaltsvæði (North Atlantic Igneous Province). (2) Byrjun eósentímans (fyrir ~55-53 milljónum ára), einkenndist af myndun mikilla flæðibasaltlaga, innan skástígra gosbelta sem þróuðust frá norðri til suðurs eftir norðausturbrún JMMC. Flæðibasaltlögunum (seaward dipping reflectors) hallar í átt að Ægishrygg í Noregsdjúpi. Svæðið opnaðist eftir með NV-SA-lægum brotabeltum, hraun runnu á landi og í sjó, með móbergsmyndunum og móbergssetlögum á grunnsævi. (3) Í kjölfar þess að Ægishryggur aðskilur Grænland frá Noregi snemma á eósen (~53-50 Ma), þróast framsækið rekbelti (IPR-I) við suðurenda hryggjarins, og norðurbrún Íslands-Færeyjahryggjarins. (4) Gosbeltaflutningar á mið og seinni hluta eósen (∼49-36 Ma) og myndun Íslandssléttunnar. Landrek með innskotavirkni frá SV til NA eftir IPR-I og síðan IPR-II rekásunum innan Íslandssléttunnar, yfirtekur suðurhluta Ægishryggjar, þar sem gliðnun og jarðskorpumyndun minnka til muna. (5) Eósen-ólígósen (∼36-25 Ma): IPR-III rekásinn með SV-NA stefnu klífur suðurenda Jan Mayen frá Lyngvahrygg við Hlésund og Suðurhryggir Jan Mayen verða til. Tímabilinu fylgdi aukið uppstreymi kviku til norð-norðausturs, undir áhrifum frá Íslands heita reitnum með tilheyrandi aukningu í innskota- og eldvirkni samfara myndun flæðigossyrpna meðfram sigdölum gosbeltanna. (6) Síð-ólígósen (∼25-22 Ma): Landrek meðfram vesturbrún JMMC innan IPR-IV rekássins með flæðisgossyrpum, IPR-IV er fyrirrennari Kolbeinseyjarhryggjar sem markar upphaf norðausturlandsgrunns Íslands. (7) Míósen til nútíma (22-0 Ma): Með myndun Kolbeinseyjarhryggjar slitnar JMMC endanlega frá Grænlandi og úthafsskorpa verður til. Verkefnið hefur varpað nýju ljósi á 30 milljón ára þróunarsögu JMMC, og hvernig suðurhryggirnir urðu til, í framsæknu gosbelti innan Íslandssléttunnar, undir áhrifum af Íslands heita reitnum, sem yfirtók rek á sunnanverðum Ægishrygg. Öflug innskotavirkni og eldvirkni innan skástígra goskerfa, einkenna innviði Íslandssléttunnar og endurspegla fjölþættar gliðnunar- og skerhreyfingar eftir flekaskilunum sem rekja má í endurkastsgögnunum. Tektónísk þróun rannsóknarsvæðisins er í mörgu lík Íslandi í dag, bæði einkennast af óstöðugum, framsækum rekbeltum, með innskotavirkni í gegnum eldri jarðlagastafla.