Thermal anomalies are observed at many volcanoes, resulting from geothermal and magmatic activity, and are usually difficult to quantify since the measurement of heat fluxes from the ground to the atmosphere is subject to large uncertainties. However, many of Iceland’s volcanoes are ice-covered, and this study exploits the special situation that the overlying ice acts as a calorimeter, where estimates of heat release can be made based on the volume of ice melted over a specified time period. This provides opportunities to estimate thermal signals to considerable accuracy. The general aim of this thesis is to advance the understanding and interpretation of thermal signals at ice-covered volcanoes in Iceland, and how they are linked to intrusive and volcanic activity. Three study areas are focused on: Grímsvötn, Bárdarbunga and Dyngjujökull.
Ice calorimetry is used to derive the heat output from Grímsvötn for 1998–2016, using annual mapping of ice surface, providing the most detailed study of the thermal output of Grímsvötn to date. The average heat released over the 18 year period is estimated to be 1.8 GW, whereof about 0.6 GW is composed of peaks above the base flux from melting during eruptions and associated geothermal anomalies. Peaks in geothermal activity were associated with all three eruptions which took place during the study period.
In August 2014, a period of seismic unrest began at the subglacial caldera of Bárdarbunga, and was followed by the propagation of a lateral dyke to the north, beneath the Dyngjujökull glacier, that resulted in a subaerial fissure eruption at Holuhraun. Ice surface depressions were observed above the path of the dyke beneath Dyngjujökull, and around the caldera rim at Bárdarbunga. Rates of heat transfer and duration of thermal signals show that subglacial eruptions rapidly generated the depressions at Dyngjujökull. The depressions around the Bárdarbunga caldera rim formed during and following an episode of caldera collapse, due to associated changes in permeability and possibly intrusive activity. In the two-year period following the onset of increased seismicity in the area, the total power from Bárdarbunga caldera cauldrons averaged ~270 MW.
The surface thermal signals produced by shallow intrusions were investigated with numerical modelling, using HYDROTHERM. Permeability was found to provide strong control on the surface heat flux, as was the initial temperature of the porous matrix. Lower initial temperatures result in buffering of the heat transfer to the surface, creating a muted thermal signal. High-permeability pathways were found to significantly increase the magnitude of the surface heat flux, and reduce the onset time for the signal.
Merki um útstreymi varma í eldfjöllum eru algeng, og geta stafað af eldgosum eða
jarðhitavirkni. Ef frá eru talin sjálf eldgosin, er oft erfitt að meta umfang og afl slíks
útstreymis til andrúmsloftsins þar sem óvissa í mælingum eru mikil. Þegar eldfjöll eru hulin
jökli gegnir þó öðru máli, þar sem ísinn getur virkað eins og varmamælir þar sem hægt er að
meta með þokkalegri nákvæmni bæði afl og orku út frá magni íss sem bráðnar yfir tiltekið
tímabil. Markmið þessa verkefnis er að auka skilning á eðli og umfangi varmaútstreymis
af þessu tagi í eldstöðvum undir jökli á Íslandi, einkum að varpa ljósi á hvernig slík
varmafrávik tengjast innskotum grunnt í jarðskorpunni og eldgosum undir jökli. Rannsóknin
beinist að þremur svæðum: Grímsvötnum, Bárðarbungu og Dyngjujökli.
Bræðsla íss í Grímsvötnum yfir tímabilið 1998 til 2016 er metin út frá árlegri kortlagningu
yfirborðs jökulsins. Með samanburði kortanna fæst nákvæmasta mat sem hingað til hefur
verið gert á varmaafli Grímsvatna. Rannsóknin leiðir í ljós að yfir þetta 18 ára tímabil var
varmaaflið um 1.8 GW, þar sem um þriðjungur eða 0.6 GW er meðaltal nokkurra toppa í
varmaflæði sem urðu í eldgosum og aukinni jarðhitavirkni, bæði fyrir gos og í kjölfar þeirra.
Slíkir toppar í jarðhitavirkni fylgdu öllum þremur eldgosunum sem urðu í
Grímsvatnaöskjunni á tímabilinu.
Um miðjan ágústmánuð 2014 hófst jarðskjálftavirkni í Bárðarbunguöskjunni og í kjölfar
hennar varð til berggangur í jarðskorpunni undir Dyngjujökli sem náði frá Bárðarbungu
norður í Holuhraun. Sigkatlar mynduðust í Dyngjujökli yfir ganginum og á nokkrum
stöðum á brúnum Bárðarbunguöskjunnar. Afl varmaflæðisins og tiltölulega skammur líftími
þess undir kötlunum í Dyngjujökli verður ekki skýrt nema með litlum eldgosum upp á
jökulbotninn. Aftur á móti benda líkanreikningar til þess að sigkatlar í brúnum Bárðarbungu
hafi orsakast af breytingum í berglekt samfara sigi öskjunnar auk þess sem grunn innskot
gætu hafa átt þátt í að auka jarðhitann. Á tveggja ára tímabili frá því að umbrotin í
Bárðarbungu hófust, er meðalafl jarðhitans þar um 270 MW.
Varmaflæði frá grunnum kvikuinnskotum var kannað með tölulegum reikningum með
forritinu HYDROTHERM. Niðurstöðurnar sýna að tveir þættir ráða mestu um hve mikið
varmaflæði verður upp til yfirborðs: Lekt bergsins og hiti bergs og grunnvatns áður en
innskotið verður til. Sé lektin mikil veldur það háu varmaflæði. Hár hiti fyrir innskot veldur
því að lítinn viðbótarvarma þarf til að auka mjög varmaflæðið. Ef hiti í berginu er lágur áður
en innskotið myndast, fer varmi innskotsins í að hita upp umhverfið, berg og grunnvatn, án
þess að verulega aukinn varmaflutningur verði til yfirborðs. Ef sprungur og/eða þröng svæði
með háa lekt myndast eða eru til staðar ofan við lóðrétt innskot verður öflugt varmaflæði um
þau sem skilar sér hratt upp til yfirborðs. Suma sigkatlana í Bárðarbungu virðist vera hægt
að skýra með slíkum hálektarsvæðum.
