Volcano-tectonic Controls on Ground Deformation across Temporal Scales: Insights from the Krafla Volcanic System, Iceland

Abstract

Measurements of ground movements in volcanic regions and interpretation of observed deformation is important for understanding of volcano behavior and their subsurface processes. Observed deformation often reflects the combined effects of multiple processes. The Krafla volcanic system in North Iceland lies at the divergent plate boundary between the North American and Eurasian plates. A rifting episode in 1975–1984, five decades of geothermal exploitation and extensive geodetic observations make Krafla an ideal natural laboratory to investigate volcano deformation across multiple temporal scales and explore underlying geophysical processes. For short-term deformation, a period of accelerated westward motion during 2014–2015 at Krafla is identified from Global Navigation Satellite System (GNSS) time series using Bayesian inference. These deformation anomalies occurred concurrently with the near-field precursors of the 2014 Bárdarbunga dike intrusion, ~120 km to the south, indicating potential coupling between volcanic systems along the rift. For the decadal deformation associated with the 1975–1984 rifting episode, a revised numerical model of repeated dike intrusions is developed to incorporate realistic dike geometries and crustal behavior. The model reproduces first-order regularities of the 1975–1984 dike sequence and highlights the critical role of tectonic stress and topography in driving lateral dike propagation, allowing magma flow into dikes or eruptions under low pressure. For long-term deformation, velocity fields derived from GNSS (2002–2024) and Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR; 2015–2023) constrain a six-segment plate boundary model for central Krafla. The inferred plate boundary central axis follows recent eruptive fissures and aligns with mapped fracture orientations. Locking depth variation along the fissure swarm implies a dome-shaped rheological transition. Residual velocities reveal three local deflation patterns related to geothermal activity and lava subsidence. Together, these results advance understanding of volcano-tectonic interactions at divergent plate boundaries, while the methodological developments have broader practical value.

Mælingar á jarðskorpuhreyfingum á eldvirkum svæðum og túlkun á mældri aflögun eru mikilvægar til að auka skilning á hegðun eldfjalla og ferlum sem eiga sér stað í rótum þeirra. Við túlkun á aflögun þarf að hafa í huga að mældar jarðskorpuhreyfingar stafa oft af samspili margra samverkandi ferla. Eldstöðvakerfi Kröflu liggur á flekaskilunum á milli Norður-Ameríku og Evrasíu flekanna í Norðurgosbelti Íslands. Sprungusveimur Kröflu og Kröfluaskjan, tvö jarðhitasvæði, gliðnunartímabil 1975–1984, jarðhitanýting í fimm áratugi og yfirgripsmiklar mælingar á jarðskorpuhreyfingum gera Kröflu að hentugu rannsóknarsvæði til að rannsaka þau ferli sem valda eldfjallaaflögun. Í þessari ritgerð eru rannsakaðar jarðskorpuhreyfingar í Kröflu yfir mismunandi tímaskala til að kanna þau ferli sem valda jarðskorpuhreyfingum. Fyrir aflögun á stuttum tímaskala, þá var rannsakað tímabil aukinnar tilfærslu til vesturs árið 2014-2015 í Kröflu sem greint var í tímaröðum jarðskorpuhreyfinga sem ákvarðaðar voru út frá GNSS (Global Navigation Satellite System) landmælingum og svokölluðu Bayesísku líkindamati (e. Bayesian inference). Þessi frávik í jarðskorpuhreyfingum byrjuðu fyrir myndun kvikugangs í eldstöðvakerfi Bárðarbungu árið 2014, um 120 km sunnan við Kröflu, og áttu sér stað á sama tíma og fyrirboðavirkni mældist í og við Bárðarbungu. Þetta bendir til mögulegrar tengingar milli eldstöðvakerfi í Norðurgosbelti Íslands. Fyrir aflögunartímabil sem nær yfir áratug, þá voru rannsakaðar jarðskorpuhreyfingar sem urðu á gliðnunartímabilinu 1975-1984. Endurbætt reiknilíkan af endurteknum kvikugöngum sem myndast við lárétt flæði bergkviku í jarðskorpunni var þróað til að taka tillit til raunsærrar lögunar kvikuganga og hegðunar jarðskorpunnar. Líkanið endurskapar helstu reglubundna eiginleika kvikuganganna sem mynduðust 1975–1984. Það dregur fram mikilvægt hlutverk tektónísks spennusviðs og landslags í að knýja áfram lárétta útbreiðslu kvikuganga, sem gerir kviku kleift að flæða inn í ganga eða valda eldgosum við lágan þrýsting – jafnvel undir bergþyngdarþrýstingi (e. lithostatic pressure). Þegar kemur að langtímabreytingum eru hraðasvið, metin út frá GNSS gögnum (2002–2024) og bylgjuvíxlmælingum með ratsjárgervitunglum (e. Interferometric analysis of synthetic aperture radar satellite images, InSAR) (2015–2023), notuð til að ákvarða líkan af flekaskilum fyrir miðhluta eldstöðvakerfis Kröflu, skipt upp í sex búta. Ályktað er að ás flekaskilanna liggi þar sem nýlegar gossprungur eru og stefna hans sé í samræmi við kortlagðar sprungur. Læsingardýpi (e. locking depth) flekaskilanna er minnst, eða um 3.5 km undir Kröfluöskjunni, og eykst í um 4,3 km til norðurs og í um 6.8 km til suðurs. Þessi breytileiki í læsingardýpi endurspeglar breytingar í efnishegðun jarðskorpunnar. Frávikshraðar sýna þrjú staðbundin samdráttarsvæði sem tengjast jarðhitavirkni og sigi hrauns. Niðurstöður ritgerðarinnar auka skilning á samspili eldvirkni og tektónískra ferla á flekaskilum, og þróun sem unnið var að í aðferðafræði hefur víðtækt hagnýtt gildi.