Iceland is one of the most volcanically active terrestrial regions on Earth. Hazards posed from volcanic eruptions to local population and life stock is well known in Iceland and the wider effects from volcanic activity have been elevated in recent years with increasing globalization, tourism and air traffic. Even small to medium size explosive eruptions can influence areas beyond their immediate surroundings. The high eruptive frequency, in combination with short warning times and dispersion of air borne pyroclasts, make Hekla an important volcano to study and monitor. The aim of this thesis is to add on to the growing collection of studies that focus on explosive volcanism in Iceland, by studying the opening phase of the 1991 and 1845 Hekla eruptions.
Paper 1 focuses on the 1991 eruption. Temporal variation in plume activity during the 50-minute-long opening phase was revealed by mapping out the proximal tephra fall. The 1991 eruption produced an eruption plume that rose to 11.5 km (a.s.l.) in 10 minutes. The mass eruption rate for the opening phase was 2.6 x 106 kg s-1, and total mass of tephra 8.6 x 109 kg. The principal axis of tephra sedimentation was to the NNE of Hekla, with systematic grain-size fractionation during the first 65 km of transport. Beyond 65 km from the source, the tephra layer has a consistent grain-size distribution but decreasing mass, indicating sedimentation from a laminar regime in the volcanic plume. The opening phase of the 1991 eruption was pulsating, as revealed from changes in grain-size and vesicle number density with time. The vesicle number density indicates that peak intensity was reached towards the end of the opening phase before transitioning into effusive activity (paper 3).
In paper 2, the 1845 tephra fall is mapped and the one-hour-long opening phase constrained. The average plume height during the 1845 eruption was 19 km (a.s.l.), with a mass eruption rate of 2.1 x 107 kg s-1 and total tephra volume of 0.13 km3 (0.03 km3 dense rock equivalent) and total mass of 7.5 x 1010 kg. The plume was dispersed to the ESE of Hekla at speeds of 16–19 m s-1 and the tephra fall reached ships and islands as far away as 700–1100 km from Hekla. Over the course of the opening phase, a gradual decrease in intensity was inferred both from normal grading of the tephra deposit at proximal locations and from decreasing vesicle number densities (paper 3). Sedimentation of tephra from the 1845 opening phase produced bimodal grain-size distributions, primarily due to enhanced deposition of ash-sized particles by aggregation.
Paper 3 quantifies the vesiculation processes of the 1991 and 1845 opening phases. Decreasing vesicle number densities with time (1991 and 1845) and across conduit (1845) show that effective separation of the gas phase increases with decreasing ascent rate. This process finally leads to the transition from explosive to effusive activity in the 1991 and 1845 eruptions.
The results presented in this thesis contribute to enhanced understanding of vesiculation and fragmentation mechanisms during eruptions of Hekla. The patterns of sedimentation will aid in hazard mitigation and provide a basis for hazard modelling through both new and revised eruption source parameters, such as plume height, eruptive volume, mass eruption rate and total grain-size distribution.
Vá vegna eldgosa er vel þekkt á Íslandi. Gosvá vegna Heklu er einna best þekkt, þar sem
ræktarlönd, úthagar og vatnsból geta spillst vegna gjóskufalls. Með aukinni flugumferð á NAtlantshafssvæðinu
og í Evrópu geta jafnvel lítil til miðlungs stór eldgos valdið alvarlegum
truflunum utan landsteinanna. Há gostíðni í Heklu, stuttur viðvörunartími og sprengivirkni
veldur því að Hekla er eitt þeirra íslensku eldfjalla sem hvað best er fylgst með. Markmið
þessarar ritgerðar er að bæta við ört vaxandi þekkingu á íslenskum þeytigosum, með
rannsókn á opnunarfasa Heklugosanna árin 1991 og 1845 og skilgreiningu á kennistærðum
þeirra (þ.e. eruption source parameters). Þeim eru gerð skil í þrem greinum.
Grein 1 fjallar um 50 mínútna langan opnunarfasa í Heklugosinu árið 1991. Gosmökkurinn
reis á 10 mínútum upp í um 11.5 km hæð (yfir sjó), heildarrúmmál gjóskunnar var 0.017 km3
(0.003 km3 þétt berg), framleiðnin var að meðaltali 2.6 x 106 kg s-1 og heildarmassi
gjóskunnar 8.6 x 109 kg. Heildarkornastærð gjóskunnar er tvítoppa en fínefni er lítið.
Gjóskufall var til NNA og breyting í kornastærðardreifingu gjóskunnar er hvað mest fyrstu
65 km þar sem stærstu gjósku kornin féllu hratt úr gosmekkinum. Lengra frá Heklu varð
kornastærð gjóskunnar stöðug, aðeins varð breyting á massa af gjósku sem féll á
flatareiningu. Breytingar í kornastærð með tíma (grein 1) og blöðruinnihald gjóskunnar
(grein 3) benda til þess að opnunarfasi Heklugossins 1991 hafi verið óstöðugur og komið í
tveim hrinum, sú síðari var kraftmesti þáttur gossins í Heklu árið 1991.
Grein 2 fjallar um opnunarfasa gossins árið 1845. Hann var um 1 klukkustundar langur og
ákvarðaður með samtímalýsingum á gosinu. Heildar rúmmál gjóskunnar var 0.13 km3
(0.03
km3 þétt berg), framleiðnin var 2.1 x 107 kg s-1
, heildarmassinn 7.5 x 1010 kg og hæð
gosmakkarins um 19 km (yfir sjó). Gjóskufall var til ASA. Þess varð vart á skipum og eyjum
700–1100 km frá Heklu og barst það þangað með hraðanum 16–19 m s-1
. Opnunarfasinn árið
1845 náði hámarki í framleiðni skömmu eftir upphaf gossins, ákvarðað út frá lóðgreiningu
gjósku í nágrenni Heklu og breytingu í blöðruinnihaldi gjóskunnar með tíma (grein 3).
Heildarkornastærðin er tvítoppa. Kornastærðargreiningar sýna að tveir ferlar voru ráðandi
þegar gjóska féll úr mekkinum. Grófara gjósku-fylkið sýnir að stærstu korn falla hratt úr
gosmekkinum með flutningi. Fínna gjósku-fylkið sýnir mjög stöðuga stærðardreifingu óháð
fjarlægð frá upptökum og er best skýrt með samloðun fínna öskukorna. Slíkt samsafn agna
fellur fyrr og jafnar til jarðar en ella.
Í Grein 3 er blöðrumyndun í kvikunni í opnunarfasa gosanna 1991 og 1845 magngreind. Í
opnunarfasa beggja gosanna fækkar blöðrum og þær stækka með tíma. Í gosinu 1845 fækkar
blöðrum og þær stækka til jaðranna í gosrásinni. Þetta sýnir að gasið skilur sig hraðar frá
kvikunni þegar uppstreymishraðinn minnkar og verður til þess að gas fer að rísa upp í
gegnum kvikuna, sem að lokum leiðir til tveggja fasa flæðis og breytingar frá þeytigosi yfir í
flæðigos.
Niðurstöður rannsóknanna bæta við þá þekkingu sem nú er til staðar um blöðrumyndun og
sundrun kviku í þeytigosum í Heklu og skilgreint magnbundið lykil kennistærðir þessara
gosa. Breytingar í kornastærð með flutningi frá eldfjallinu og greining á
heildarkornastærðardreifingu gjóskunnar munu nýtast við gerð líkana á gjóskudreifingu og
bæta mat á vá frá þeytigosum.
