The Influence of Pre-existing Fractures and Tectonic Stress on Magmatic Dikes

Abstract

Magmatic dikes form an integral part of volcanic systems and transport magma from depth towards the surface. Dike propagation through the Earth’s crust is affected by the mechanical properties of the crust, which is important to better understand potential effects on volcanic activity. This thesis investigates the influence of crustal heterogeneity on magmatic dikes, focusing specifically on the interaction between magma and pre-existing weaknesses and on the influence of tectonic stress. Basaltic dikes exposed in moderately fractured hyaloclastite in the extinct Dyrfjöll volcanic system, NE Iceland, showed that dikes can follow existing fractures, change strike when intersecting them without propagating into a fracture or be arrested in front of a fracture. Laboratory models of intrusions into pre-faulted crust demonstrate that the host rock cohesion and the strength contrast between intact and faulted host rock strongly control if and how faults affect intrusions. Faults additionally affect the amplitude and pattern of intrusion-associated surface deformation. Finite Element models simulated dike opening in a tectonic stress field. Comparison of these to surface deformation associated with the 2021 February-March Fagradalsfjall dike, SW Iceland, show that tectonic stress can be a sufficient driving mechanism for dike opening. The relative amount of predicted opening and shearing of the dike plane is consistent with expectations based on geological models and the area’s obliquely-spreading tectonic setting. This thesis demonstrates the complexity of dikes interacting with heterogeneous crust and the potential of considering multidisciplinary research as a key to advance understanding of such interactions.

Kvikugangar eru mikilvægir innviðir virkra eldstöðva og flytja kviku djúpt úr rótum eldstöðva til yfirborðs. Breytileiki i aflfræðilegum eiginleikum jarðskorpunnar hefur áhrif á hvernig kvikugangar myndast og þróast, og mikilvægt er að skilja betur hvernig þessi breytileiki getur haft áhrif á mögulega eldvirkni. Þetta doktorsverkefni kannar sérstaklega áhrif breytileika í gerð jarðskorpunnar á kvikuinnskot. Áhersla er lögð á að kanna samspil á milli innskota og misgengja og sprungna sem fyrir eru í berggrunninum og áhrif spennisviðs vegna flekahreyfinga. Basískir kvikugangar sem hafa skotist inn í móberg og sjá má í útkulnuðu eldstöðinni í Dyrfjöllum, Bogafirði eystra, voru kortlaggðir með gerð þrívíddarlíkana af svæðinu. Niðurstöðurnar sýna að kvikugangar geta fylgt sprungunum, þeir geta breytt stefnu sinni þegar þeir koma að sprungu eða þeir geta stoppað fyrir framan sprungu. Líkön voru gerð í tilraunastofu af myndun og þróun kvikuganga í jarðskorpu sem inniheldur sprungur og veikleika. Þau líkön sýna að munur á styrkleika jarðskorpu með og án sprungna, sem og samheldni (e. cohesion) jarðskorpunnar hefur mikil áhrif á hvort og hvernig misgengi hafa áhrif á kvikuganga. Misgengi í jarðskorpunni breyta líka munstri og stærð yfirborðshreyfinga samfara kvikuinnskotum. Þá voru gerð reiknilíkön með bútaaðferð (e. Finite Element Method) af myndun kvikuganga í spennusviði vegna flekahreyfinga. Slík líkön voru borin saman við jarðskorpuhreyfingar sem mældust þegar kvikugangur myndaðist í febrúar-mars 2021 við Fagradalsfjall. Niðurstaðan af þeim samanburði er að togspenna vegna flekahreyfinga getur verið megin drifkraftur kvikuinnskota. Opnun og skúfhreyfing á kvikugangsfletinum skv. reiknilíkönum er sambærileg við það sem má áætla út frá jarðfræðilegum aðstæðum á Reykjanesskaganum og skáreki flekahreyfinga (e. oblique spreading) þar. Þetta doktorsverkefni sýnir að samverkan kvikuganga og breytileika í aflfræðilegum eiginleikum jarðskorpunnar er mjög flókin og það að nota mismunandi rannsóknaraðferðir er lykill að auknum skilningi á slíkri samverkan.