Eldgosið í Fagradalsfjalli ólíkt fyrri gosum í heiminum

Undanfari eldgossins í Fagradalsfjalli í fyrra var ólíkur undanfara margra gosa í heiminum og efnasamsetning hraunsins breyttist eftir því sem leið á gosið. Þetta er meðal niðurstaðna í tveimur vísindagreinum eftir fræðimenn við Háskóla Íslands og Veðurstofu Íslands og samstarfsfólk sem birtust í dag í nýjasta hefti vísindatímaritsins Nature. Frá þessu ver greint á vef Veðurstofu Íslands.

Vísindamenn hér á landi fylgdust afar náið með jarðhræringunum á Reykjanesi sem segja má að hafi hafist í desember 2019 en náðu ákveðnu hámarki í gosinu sem hófst 19. mars 2021 og stóð í um hálft ár. Þéttriðið net mælitækja og nánd við byggð á suðvesturhorninu gerðu vísindamönnum kleift að kortleggja ítarlega framvinduna en ekki hefur gosið á þessum slóðum í um 800 ár.

Dró úr skjálftavirkni skömmu fyrir gos

Önnur greinin sem birtist í Nature í dag ber yfirskriftina „Deformation and seismicity decline before the 2021 Fagradalsfjall eruption“ en þar er fjallað um aðdragandann að gosinu og hvernig hann greinir sig frá undanfara margra gosa í heiminum. Greinin var unnin undir forystu Freysteins Sigmundssonar, vísindamanns við Jarðvísindastofnun Háskólans, og Michelle Parks, sérfræðings í jarðskorpuhreyfingum við Veðurstofu Íslands, en að henni kom einnig fjöldi annarrra vísindamanna við stofnanirnar tvær og Íslenskar orkurannsóknir ásamt vísindafólki í Bretlandi, Nýja-Sjálandi og Tékklandi.

Eins og flestum landsmönnum er eflaust kunnugt skalf jörð töluvert á Reykjanesi og víðar vikurnar áður en gosið hófst. Tímabilið einkenndist af spennulosun í jarðskorpunni en síðustu dagana fyrir gosið dró hins vegar úr jarðskorpuhreyfingum og skjálftavirkni á svæðinu í kringum gosstöðvarnar. Þetta er ólíkt aðdraganda eldgosa víða í heiminum, sem einkennast oft af stigvaxandi jarðskorpuhreyfingum og jarðskjálftum skömmu fyrir gos þegar kvika þrýstir sér upp á yfirborðið.

Samspil kvikuhreyfinga og spennulosunar

Vísindamennirnir sem standa að greininni benda á að þessa ólíku hegðun eldstöðvarinnar í Fagradalsfjalli megi skýra með samspili kvikuhreyfinga og þeirra krafta sem finna megi í jarðskorpunni og tengjast hreyfingum jarðskorpuflekanna. Þegar kvika þrýsti sér upp í gegnum jarðskorpuna í aðdraganda eldgosa geti þessir kraftar losnað úr læðingi með tilheyrandi jarðskjálftum og jarðskorpuhreyfingum í upphafi. Ef dragi úr jarðhræringum bendi það mögulega til þess að þessu ferli sé að ljúka og að kvika muni komast upp á yfirborð jarðar.

Á rúmlega þriggja vikna tímabili fyrir gosið í Fagradalsfjalli varð bæði mikil aflögun á jörðu og margir jarðskjálftar. Hvort tveggja tengdist myndun lóðrétts kvikugangs sem náði frá yfirborði og niður á rúmlega 8 km metra dýpi. Um leið losnaði orka úr jarðskorpunni sem hafði byggst upp vegna  hreyfinga jarðskorpuflekanna. Jarðskjálftar urðu á nærliggjandi svæðum, þeir stærstu allt að 5,6 að stærð, sem einnig losuðu orku úr jarðskorpunni.

Vísindamennirnir benda einnig á í greininni að vægari skjálftavirkni síðustu dagana fyrir gosið megi mögulega rekja til þess að kvikan hafi þá verið komin nærri yfirborðinu, þar sem jarðskorpan er veikust og átökin í skorpunni því minni.

Jarðskorpuhreyfingar og jarðskjálftar í aðdraganda eldgossins sem hófst 19. mars 2021. (Smellið á mynd til að sjá hana stærri)

a) Líkan af jarðskorpuhreyfingum 24. febrúar – 19. mars sem sýnir láréttar færslur (horizontal displacements) sem örvar, og lóðréttar færslur (vertical displacements) með litaskala. Rauð lína sýndir hvar kvikugangurinn liggur og brotin svört lína hvar meginás flekaskilanna liggur b) Fjöldi jarðskjálfta á klukkustund sem fall af tíma (blátt) og heildarfjöldi skjálfta (rauð lína fyrir allt rannsóknasvæðið). c) Færslur á þremur landmælingapunktum sem fall af tíma. Eftir því sem líður á atburðarásina hægir á jarðskorpuhreyfingunum og jarðskjáltavirkni minnkar síðustu dagana áður en eldgos hefst. Úr grein Freysteins Sigmundssonar, Michelle Parks o.fl.

Rannsóknin nýtist stofnunum sem sinna vöktun víða um heim

„Niðurstaða rannsóknarinnar er mjög mikilvæg því að öllu jöfnu sjáum við stigvaxandi  jarðskjálftavirkni og stigvaxandi jarðskorpuhreyfingar áður en til eldgoss kemur, en síðustu dagana fyrir gosið við Fagradalsfjall 2021, dró hins vegar úr jarðskorpuhreyfingum og skjálftavirkni á svæðinu í kringum gosstöðvarnar“, segir Michelle Maree Parks, sérfræðingur í jarðskorpuhreyfingum á Veðurstofu Íslands og einn höfunda greinarinnar í Nature. „Niðurstöður rannsóknarinnar hafa þýðingu fyrir alþjóðasamfélagið og geta nýst stofnunum, sem sinna eldfjallavöktun víða um heim, við túlkun gagna tengdum jarðhræringum“, segir Michelle.

Rannsóknin sýnir jafnframt, að sögn vísindamannanna, að taka þurfi tilliti til samspils eldstöðva og krafta í jarðskorpunni sem tengjast flekahreyfingum þegar spáð er fyrir um möguleg eldgos. Spennulosun í jarðskorpuflekum og minnkandi aflögun og tíðni jarðskjálfta geti verið undanfari ákveðinna tegunda eldgosa.

Hraunið kom af miklu dýpi

Í hinni greininni, sem ber heitið „Rapid shifting of a deep magmatic source at Fagradalsfjall volcano, Iceland“, er fjallað um þær breytingar sem urðu á efnasamsetningu hraunsins sem kom upp í Geldingadölum og nágrenni eftir því sem leið á gosið. Sæmundur Ari Halldórsson, vísindamaður við Jarðvísindastofnun Háskólans, leiddi vinnuna við rannsóknina en að henni stendur stór hópur vísindamanna, bæði við Háskóla Íslands, Veðurstofuna og virtar vísindastofnanir í Frakklandi, Bandaríkjunum, Englandi, Svíþjóð og Ítalíu.

Vísindamenn tóku vikulega sýni úr hrauninu fyrstu 50 daga gossins en einnig fönguðu þeir agnir í loftinu í kringum gosstaðinn og rannsökuðu þær gastegundir sem streymdu upp úr gígum eldstöðvarinnar. Markmiðið með þessu var m.a. að leita svara við því hversu djúpt í möttli jarðar kvikan átti uppruna sinn, á hve miklu dýpi kvikuhólfið hefði verið fyrir gosið og hvaða ferli væru ríkjandi í hólfinu bæði fyrir og á meðan á gosinu stóð. Síðast en ekki síst var leitast við að svara þeirri spurningu hvort fleiri en eitt kvikuhólf ættu hlut að máli. Svörin við þessum spurningum má finna í samsetningu gosefnanna sem koma upp á yfirborðið en ítarleg greining á bæði efnasamsetningu hraunsins, kristallanna í því og eldfjallagösunum hefur þegar farið fram.

Greiningar vísindamannanna leiddu snemma í ljós að hraunið í Fagradalsfjalli átti uppruna sinn í kvikuhólfi á miklu dýpi á mótum jarðskorpu og möttuls. Gosið var því ólíkt flestum öðrum gosum sem rannsökuð hafa verið á jörðinni en þar hefur kvika í langflestum tilfellum komið úr kvikuhólfum á litlu dýpi í jarðskorpunni. Hingað til hefur því skort upplýsingar um dýpstu hluta eldstöðvarkerfa en með gosinu í Fagradalsfjalli öðlast vísindasamfélagið nýja þekkingu á ferlum sem eru þar að verki.

Fylgst með kvikusöfnun og kvikublöndun í rótum eldstöðvar í rauntíma

Í upphafi gossins reyndist hraunið t.d. tiltölulega magnesíumríkt í samanburði við hraun úr öðrum gosum á sögulegum tíma á Íslandi og þá reyndist mikið magn koltvíoxíðs í eldfjallagasinu sem streymdi úr gosopinu. Þetta bendir til þess, að sögn vísindamanna, að litlar breytingar hafi orðið á kvikunni á leið hennar upp í gegnum jarðskorpuna og upp á yfirborð jarðar. Samtúlkun ólíkra þrýstimæla, sem m.a. meta við hve mikinn þrýsting og hita hraunið og kristallar þess mynduðust, gaf til kynna að kvikan hafi komið úr kvikuhólfi neðst í jarðskorpunni, nánar tiltekið á um 15 km dýpi. Þannig má í raun líkja þessu við eins konar háhraðatengingu beint neðan úr möttli og að gosinu hafi verið viðhaldið í gegnum slíka tengingu.

Rannsóknin leiddi jafnframt í ljós að efnasamsetning hraunsins í Fagradalsfjalli breyttist eftir því sem leið á gostímabilið. Það bendir til þess að kvika hafi streymt inn í kvikuhólfið meðan á gosinu stóð og að hún hafi að öllum líkindum myndast dýpra í möttli en kvikan sem fyrir var í hólfinu.

Vísindamennirnir benda á að lengi hafi því verið haldið fram að mismunandi tegundir kviku geti blandast saman djúpt í eldstöðvakerfum fyrir eldgos en hér sé á ferðinni skýrasta rannsóknin á þessu ferli meðan á því stendur. Breytingarnar sem verði á efnasamsetningu gosefnanna sýni að ný kvika geti borist í djúpsætt kvikuhólf tiltölulega hratt, eða á 20 daga tímabili, og að hún geti blandast þeirri kviku sem fyrir er í hólfi á þessum sama tímabili. Niðurstöðurnar færi með sér aukinn skilning á hegðun eldstöðva og jarðefnafræði möttuls jarðar og geti stutt við þróun líkana fyrir eldstöðvarkerfi um allan heim.

Staða jarðvísindarannsókna sterk á Íslandi

Afar sjaldgæft er að tvær vísindagreinar eftir íslenska vísindamenn birtist í sama hefti Nature, enda samkeppni um birtingu efnis þar afar hörð og kröfur sem gerðar eru um efnið afar miklar.

„Birtingin undirstrikar vel sterka stöðu jarðvísindarannsókna á Íslandi í alþjóðlegu samhengi", segir Árni Snorrason, forstjóri Veðurstofu Íslands. "Þetta er jafnframt staðfesting á því hversu öflugt og gott samstarfið er á milli Háskóla Íslands og Veðurstofunnar þegar kemur að vöktun og rannsóknum á náttúruöflum landins,“ segir Árni.

Alls eru átta vísindamenn af Veðurstofu Íslands sem koma að greinunum tveimur, sjö í þeirri fyrri, en einn í seinni greininni sem má nálgast á þessum hlekkjum á vef Nature.

Deformation and seismicity decline before the2021 Fagradalsfjall eruption

Rapid shifting of a deep magmatic source at Fagradalsfjall volcano, Iceland

Myndir með grein: Jón Hilmarsson, Jón Steinar Sæmundsson, Hjálmar Árnason, Þór Magnússon og Hilmar Bragi Bárðarson.