Ground deformation caused by viscoelastic relaxation and its role in the 2015-2021 post-eruptive period at the Bárðarbunga volcanic system, Iceland

Abstract

Post-eruptive deformation following volcanic eruptions may originate from continued magma movements, or reflect delayed and continued Earth adjustment due to co-eruptive events, often referred to as viscoelastic relaxation. Post-eruptive deformation can continue for years, and it is challenging to reveal the details of the underlying processes. In this PhD project, the ground deformation in a post-eruptive period at the Bárðarbunga volcanic system is mapped using Global Navigation Satellite System (GNSS) geodesy and Interferometric analysis of Synthetic Aperture Radar satellite images (InSAR).

The Bárðarbunga volcanic system is a laboratory area for this study because of the large-scale magma transfer during an eruption in 2014-2015, lasting six months. Magma flowed laterally along a 48-km-long dike from a magma body below the Bárðarbunga caldera. An eruption occurred at the northern end of the dike. During this time, the Bárðarbunga caldera collapsed 65 m.

Data collected using GNSS and InSAR techniques provide information on the post-rifting ground deformation both in the area near the Bárðarbunga caldera and the northernmost segment of the Bárðarbunga-Holuhraun dike north of the Vatnajökull ice cap. The background deformation signal in the area includes plate spreading (18-19 mm/yr in the horizontal direction) and glacial isostatic adjustment (GIA, less than 7 mm/yr in the horizontal direction and up to 33 mm/yr in the vertical direction). Velocities from the plate spreading and GIA are subtracted from the observed deformation field, to isolate the movements caused by other processes, referred to as corrected average velocity.

The corrected average velocity field has horizontal movements away from the caldera and the dike in the post-eruptive period. The surface close to the caldera and near the dike uplifted. Around the caldera, the GNSS station closest to the caldera has maximum corrected uplift velocity of about 20 mm/yr and maximum corrected horizontal velocity away from the caldera of about 111 mm/yr between 2015 and 2018. Other stations show smaller average velocities. A GNSS station 16 km away from the caldera shows corrected subsidence up to about 12 mm/yr. Around the dike, the maximum corrected uplift rate between 2015-2020 measured by InSAR is ~12 mm/yr. Two GNSS stations that are 20 km apart on different sides of the dike experience baseline lengthening at a corrected rate of ~19 mm/yr in the direction perpendicular to the strike of the dike.

A two-layer model with an elastic layer on top of a viscoelastic half-space is used to model viscoelastic relaxation. Three possible explanations are explored for the corrected post-eruptive deformation around the Bárðarbunga caldera: viscoelastic relaxation, renewed magma inflow, or a combination of the processes. Our study suggests that viscoelastic relaxation and/or renewed magma inflow can explain the observed deformation. It is hard to tell the difference between the processes by only comparing the average velocity field.

The post-eruptive deformation around the Bárðarbunga-Holuhraun dike is also modeled with the two-layer viscoelastic model. The best fitting model has a 4 x 10^18 Pa s viscoelastic half-space below 18 km thick elastic layer. A comparable fit is found for a 2 km thick elastic layer, underlain by a viscoelastic half-space with viscosity 12 x 10^18 Pa s.

The study of the deformation around the Bárðarbunga caldera suggests viscoelastic relaxation generates a similar average velocity field as magma inflow in the post-eruptive period. To better understand the difference between the two processes, it is explored if stress field and displacement time series differ. Modeling results suggest that the stress fields generated by these two processes are similar, and it is hard to distinguish them. The temporal variation of the horizontal surface displacement from the viscoelastic relaxation decays with time, comparable to exponential decay. The decay constant that describes the decay rate varies with distance from the source in the viscoelastic relaxation model. For magma inflow into a source of constant geometry, the rate of magma inflow may decay with time, causing time-dependent surface displacement. However, the decay constant is then the same over the study area. At the Bárðarbunga volcano, the continuous GNSS stations show decay of horizontal displacement. The decay constants differ somewhat at different locations but are all less than five years. A viscoelastic model with the viscosity 1-6 x 10^18 Pa s has a decay constant larger than ten years. Using a model with different source geometry or a different type of viscoelastic relaxation model may better explain the post-eruptive deformation at the Bárðarbunga volcano.

Jarðskorpuhreyfingar á eldfjöllum eftir eldgos geta orsakast af mörgum ferlum, m.a. áframhaldandi kvikuhreyfingum, eða verið svörun jarðar við fyrri atburðum og kvikhreyfingum í eldgosi, með taftíma. Slík síðbúin svörun jarðskorpunnar með taftíma getur orsakast af seigfjaðrandi efnishegðun jarðar. Jarðskorpuhreyfingar eftir eldgos geta varað árum saman og erfitt getur reynst að varpa skýru ljósi á ferlin sem stjórna slíkum hreyfingum. Í þessu doktorsverkefni eru jarðskorpuhreyfingar í eldstöðvakerfi Bárðarbungu eftir meiriháttar eldsumbrot metnar með GNSS (Global Navigation Satellite System) og InSAR (Interferometric analysis of Synthetic Aperture Radar satellite images) mælingum á jarðskorpuhreyfingum. Eldstöðvakerfið er valið sem rannsóknasvæði vegna mikillar tilfærslu kviku í eldgosi 2014-2015, sem stóð í 6 mánuði. Kvika streymdi lárett eftir um 48 km löngum kvikugangi úr kvikueiningu undir öskju Bárðarbungu, og eldgos varð við norðurenda gangsins. Bárðarbunguaskjan seig um 65 m. Gögn sem safnað var með GNSS og InSAR mælingum veita upplýsingar um jarðskorpuhreyfingar á árabilinu eftir eldgos og kvikuinnskot, bæði á svæðinu næst Bárðarbunguöskjunni og eins við norðurenda kvikugangsins, norðan Vatnajökuls. Bakgrunnsjarðskorpuhreyfingar á rannsóknarsvæðunum stafa af flekareki (18-19 mm/ári lárétt gliðnun) og vegna svörun jarðar við þynningu jökla (færslur minni en 7 mm/ári í lárétta stefnu, en allt að 33 mm/ári lóðrétt). Leiðrétt hraðasvið er metið því að draga frá færslur vegna þessara hreyfinga, til að meta jarðskorpuhreyfingar af öðrum ástæðum. Leiðrétt meðal-hraðasvið sýnir láréttar færslu í átt frá Bárðarbunguöskjunni og kvikuganginum á árunum eftir gos. Svæði næst öskjunni og ganginum rísa. GNSS stöð sem liggur næst öskjunni hefur hæstan meðalrishraða, eða um 20 mm/ári, og hæstan láréttan færsluhraða, eða um 111 mm/ári, á árunum frá 2015 til 2018. Aðrar stöðvar sýna miklu lægri meðalhraða. GNSS stöð 16 km frá öskjunni sýnir leiðréttan sighraða um 12 mm/ári. Í nágrenni kvikugangsins er leiðréttur meðalrishraði metin með InSAR um 12 mm/ári. Tvær GNSS stöðvar sitt hvoru megin við kvikuganginn sýna að leiðrétt fjarlægð milli þeirra lengist um 19 mm/ári. Tvískipt jarðlagalíkan, með láréttu lagi af fjaðrandi efni ofan á seigfjaðrandi undirlagi er notað til að líkja eftir seigfjaðrandi hreyfingum. Þrjár mögulegar orsakir hreyfinga í kringum Bárðarbunguöskjuna eru metnar: seigfjaðrandi efnishegðun, kvikuinnstreymi eftir eldgos, eða samblanda þessara ferla. Ef hreyfisviðið er skýrt sem afleiðing af seigfjaðrandi svörun, þá passar seigjan 3 × 1018 Pa s best við niðurstöður. Líkanreikningar sýna að seigfjaðrandi svörun og/eða kvikuinnflæði getur útskýrt niðurstöðurnar, en erfitt er að greina á milli þessara ferla eingöngu með því að nota meðalhraða. Jarðskorpuhreyfingar á tímabilinu eftir eldgos og kvikuinnskot í nágrenni við kvikuganginn voru notaðar til að skorða sambærilegt líkan fyrir það svæði. Það líkan sem v fellur best að mæligögnum þar er með 4 × 1018 Pa s seigju undir 18 km þykku lagi með fjaðrandi hegðun. Sambærilegt samræmi við mælingar fæst þó með líkani sem er með 2 km þykkt lag af fjaðrandi efni, með undirlagi með seigjuna 12 × 1018 Pa s. Rannsóknin á aflögun jarðskorpunnar í kringum Bárðarbunguöskjuna sýnir að seigfjaðrandi svörun jarðskorpunnar býr til meðal-hraðasvið mjög líkt því sem getur orsakast af kvikuinnstreymi í rætur eldstöðvar á árum eftir gos. Til að meta frekar mismuninn á þessum ferlum, þá voru kannaðar spennubreytingar samfara þeim, sem og hvernig færslur á yfirborði jarðar breytast með tíma. Líkanreikningar sýna að spennusvið vegna þessara ferla geta verið mjög sambærileg og erfitt að greina á milli þeirra. Láréttar færslur á yfirborði vegna seigfjaðrandi svörunar dvína með tíma líkt og veldisfall, og þá er stuðullinn sem lýsir dvínuninni breytilegur með fjarlægð frá uppsprettunni. Fyrir kvikuinnflæði í kvikueiningu sem breytir ekki um geometríu, þá kann kvikuinnflæði einnig að að dvína með tíma. Stuðull sem lýsir dvínandi jarðskorpuhhreyfingum verður í því tilviki hins vegar sá sami í öllum fjarlægðum frá uppsprettunni. Samfelldar GNSS stöðvar næst Bárðarbungu sýna dvínun hreyfinga sem hægt er að fella að veldisfalli. Dvínunarstuðlarnir eru aðeins breytilegir eftir fjarlægð, en í öllum tilvikum lægri en 5 ár. Seigfjaðrandi líkan með seigju 1-6 × 1018 Pa s seigju hefur hinsvegar dvínunarstuðla hærri en 10 ár. Líkan með annari geometríu fyrir uppsprettu hreyfinganna eða önnur tegund af seigfjaðrandi líkani en hér könnuð getur e.t.v. úskýrt betur færslur jarðskorpunnar á árunum eftir eldgos.