Tímabil eldvirkni og jarðskorpuhreyfinga á Reykjanesskaganum frá 2019: yfirlit og hættur

Michelle Parks¹, Freysteinn Sigmundsson², Sara Barsotti¹, Halldór Geirsson², Kristín S. Vogfjörð¹, Benedikt Ófeigsson¹, Páll Einarsson²

26. febrúar 2024

¹ Veðurstofa Íslands.

² Norræna eldfjallasetrið, Jarðvísindastofnun og Jarðvísindadeild, Háskóli Íslands

Yfirlit og bakgrunnur

Umbrotatímabil byrjaði á Reykjanesskaganum í desember 2019, með jarðskjálftavirkni, neðanjarðar kvikuhreyfingum og eldgosum. Á Fagradalsfjallssvæðinu hafa orðið 4 gangainnskot og 3 eldgos, og einnig 4 gangainnskot og 3 eldgos í eldstöðvakerfi Svartsengis, á svæðinu í og við gígaröðina sem er kennd við Sundhnúk og nær undir Grindavík (mynd 1).

Umbrotatímabilið byrjaði árið 2019 með jarðskjálftavirkni á Fagradalsfjallssvæðinu, á um 3-7 km dýpi. Tímasetningin var ekki óvænt í ljósi vitneskju um fyrri umbrotatímabil, þar sem meðalhlé á milli eldgosatímabila er um 800-1000 ár. Síðasta virknitímabil, Reykjaneseldar, varði frá um 950 til 1240. Fyrstu skýru merkin um kvikuhreyfingar á Reykjanesskagnaum í yfirstandandi umbrotahrinu komu 21. janúar 2020: aukin jarðskjálftavirkni og aflögun jarðskorpunnar markaði fyrsta tímabil landriss á Svartsengissvæðinu. Slík ristímabil stafa af þrýstiaukningu í jarðskorpunni, hér túlkað sem afleiðing af kvikusöfnun. Myndun kvikugangs (gangainnskot) og eldgos áttu sér þó fyrst stað við Fagradalsfjall. Á tímabilinu frá febrúar 2021 til ágúst 2023 urðu þar 4 gangainnskot og 3 eldgos (mynd 1). Mælingar á jarðskjálftum og jarðskorpuhreyfingum hafa gefið lykilupplýsingar til að meta eðli umbrotanna og þá hættu sem af þeim stafar.

Fyrsta  gangainnskotið við Fagradalsfjall, frá 24. febrúar til 19. mars 2021, var stærst þeirra 4 gangainnskota sem þar hafa orðið til þessa. Þegar eldgos hófst lauk myndun kvikugangsins að mestu. Rannsóknir á jarðskorpuhreyfingum tengdum þessum kvikugangi voru birtar í tímaritsgrein Freysteins Sigmundssonar o.fl. (2022). Áætlað kvikuflæði inn í ganginn var 30-35 m³/s í upphafi, en minnkaði niður fyrir 10 m³/s áður en eldgosið hófst. Mælingar okkar og úrvinnsla hafa sýnt mikla fylgni milli áætlaðs kvikustreymis inn í kvikugang skömmu áður en að eldgos brýst út, og kvikustreymis í upphafi eldgosa, sem er mjög mikilvægt til að meta hættur tengdar hraunflæði.

Á eftir upphaflega ristímabilinu á Svartsengissvæðinu urðu þar 4 önnur ristímabil (tvö árið 2020 í mars-apríl og maí-júlí, eitt í maí-júní 2022 og loks frá 27. október til 10. nóvember 2023). Kvikusöfnun á síðasta tímbilinu byggði upp nægjanlegan þrýsting til að hleypa af stað kvikuganginum mikla þann 10. nóvember 2023 undir Sundhnúksgígaröðinni og Grindavík (mynd 2; Freysteinn Sigmundsson o.fl., 2024).

Mynd 1. Vestari hluti Reykjanesskagans og eldstöðvakerfin sem kennd eru við Svartsengi, Reykjanes (R), og Fagradalsfjall (F). Einnig eru sýnd misgengi (fractures and faults), sprungussveimar (fissure swarms), miðás flekaskila (blá brotin lína), hraun 2021-2023 við Fagradalsfjall, og hraun sem runnu á fyrra umbrotatímabili sem endaði á 13. öldinni (ljósbrún). Innskotsmynd sýnir Ísland með sprungusveimum (gulir) og megineldstöðvum (lokaðir ferlar). Einnig er sýnd stefna flekahreyfinga og svæðið sem teiknað er á meginmyndinni. Endurbirt með leyfi úr grein Freysteins Sigmundssonar o.fl. (2024)

Yfir 20 þúsund jarðskjálftar urðu á Reykjanesskagnum í tengslum við fyrsta gangainnskotið undir Fagradalsfjalli, þar af urðu yfir 60 skjálftar sem voru stærri en M_W4, og 6 skjálftar stærri en M_W5. Svo mikil skjálftavirkni nálægt byggð veldur umtalsverðri jarðskjáltahættu fyrir fólk og inniviði, sem og að valda grjóthruni úr fjallshlíðum. Flestir stærstu skjálftanna urðu nálægt kvikuganginum. Seinni kvikuinnskotin við Fagradalsfjall ollu minni skjálftavirkni og höfðu því minni áhrif á jarðskjálftahættu.

Yfir 20 þúsund jarðskjálftar urðu einnig í tengslum við fyrsta gangainnskotið undir Sundhnúksgígaröðinni og Grindavík. Þá urðu yfir 40 skjálftar stærri en M_W4, og 2 skjálftar stærri en M_W5. Eins og áður urðu flestir skjálftanna næst kvikuganginum. Í þetta sinn varð hins vegar mjög mikil jarðskjálftaáhætta fyrir fólk og innviði vegna hraða umbrotanna, yfir 25 M_W4 skjálftar og einn M_W5.2 skjálfti urðu á aðeins 8 tímum, nálægt Grindavík og nokkrir undir bænum og mikilvægum innviðum eins og orkuverinu í Svartsengi og Bláa lóninu. Jarðskjálftavirkni í tengslum við gangainnskotin sem fylgdu á eftir í desember 2023 og í janúar og febrúar 2024 var mun minni, og aðeins varð einn skjálfi af stærð M_W4. Áhrif á jarðskjálftahættu var því miklu minni. Hristingur vegna þessarar minni skjálfta hefur þó getað haft áhrif á hin mörgu misgengi og sprungur sem hafa myndast og/eða hreyfst í Grindavík og nærumhverfi vegna kvikuinnskotana á því svæði.

Mismunur á kvikukerfum undir Fagradalsfjalli og Sundhnúksgígaröðinni

Meginmunur á gangainnskotunum og eldgosunum við Fagradalsfjall og við Sundhnúksgígaröðina til þessa, felst í því hvernig kvikan safnast fyrir áður en til atburða kemur og hvernig kvikan ferðast í jarðskorpunni.

Við Fagradalsfjall flyst kvika frá um 10-15 km dýpi (Sæmundur Ari Halldórsson o.fl., 2022) inn í kvikuganga, þar sem kvika getur flætt lárétt í efri hluta jarðaskorpunnar á um 1 til 6 km dýpi. Þegar kvikugangur er hættur að lengjast í lárétta stefnu - vegna þess að hann hefur losað um togkrafta í jarðskorpunni - og ef kvika streymir enn inn í ganginn, þá getur orðið viðbótaropnun næst yfirborði og lokaferðalag kviku til yfirborðs hefst. Þegar þetta hefur gerst sést minnkandi aflögun og jarðskjálftavirkni. Efsti kílómetri jarðskorpunnar er veikari en sá sem neðar er og þess vegna veldur ferðalag kviku í gegnum þann hluta skorpunnar ekki endilega skjálftavirkni, eins og þegar kvika fer um þann hluta skorpunnar sem neðar er. Þetta er ástæða þess að hægt var að gefa út viðvaranir um upphaf eldgosanna í Fagradalsfjalli árið 2022 og 2023, með því að nota mælingar á jarðskorpuhreyfingum og jarðskjálftum, líkanreikninga af þróun og dýpi kvikugangs byggða á þessum gögnum, sem og mat á því hvort jarðskjálftavirkni fari minnkandi meðan á umbrotunum stendur (Michelle Parks o.fl, 2023).

Mynd 2. Aflögun jarðskorpunnar í tengslum við kvikuganginn mikla sem myndaðist 10. nóvember 2023 eins og hún birtist í bylgjuvíxlmynd sem búin er til með gögnum úr ítalska COSMO-SkyMed gervitunglinu. Hver heill litaskali svarar til um 1.5 cm breytingu í fjarlægð til gervitunglsins.

Á Svartsengissvæðinu liggur kvikusvæðið sem fæðir kvikuganga miklu grynnra en við Fagradalsfjall, eða á um 4-5 km dýpi skv. túlkun á mælingum á jarðskorpuhreyfingum. Kvika flæðir þaðan hratt inn í gangainnskot þegar nægum þrýsingi er náð til að jaðar kvikusvæðisins gefi sig. Mælingar á jarðskorpuhreyfingum og túlkun þeirra benda til að ristímabilin fimm sem urðu á Svartsengissvæðinu frá 21. janúar 2020 til 10. nóvember 2023 hafi stafað af streymi kviku inn í kvikusvæði sem var þar til staðar (mynd 3). Kvikusvæðið er í virknimiðju eldstöðvakerfisins sem kennt er við Svartsengi, en líklega nær kvikusvæðið yfir stórt svæði - frá Eldvörpum í vestri að Sundhnúksgígaröðinni í austri – og liggur þar með undir Bláa lóninu og orkuverinu í Svartsengi. Kvikan í jarðskorpunni á svæðunum bæði við Svartsengi og Fagradalsfjall á sér svo dýpri rætur í kviku sem streymir inn í jarðskorpunni frá mótum jarðskorpu og undirliggjandi jarðmöttuls, eða úr jarðmöttlinum sjálfum (Sæmundur Ari Halldórsson o.fl., 2022; Freysteinn Sigmundsson o.fl, 2022 og 2024).

Mynd 3. Skýringarmynd af kvikugangi undir Grindavík og kvikusvæði, þar sem kvika safnast fyrir áður en gangainnskoti verða. Kvikugangur myndaðist skyndilega 10. nóvember 2023, undir Sundhnúksgígaröðinni og Grindavík, þar sem misgengishreyfingar og sprunguopnun urðu. Rauða línan á yfirborðinu sýnir hvar gangurinn myndi skera yfirborð jarðar ef hann næði þangað.

Túlkun gagna og hættumat

Í kvikuinnskotinu þann 10. nóvember síðastliðinn var hámarkskvikustreymi um  7000 m³/s (Freysteinn Sigmundsson o.fl., 2024), tveimur stærðargráðum meir en hámarks-kvikustreymi í gangainnskotin við Fagradalsfjall. Þessar upplýsingar, ásamt staðfestingu frá mælingum á jarðskorpuhreyfingum og jarðskjálftavirkni, á að kvikugangurinn hafði náð undir Grindavík, leiddi til hinnar skyndilegum rýmingar í Grindavík að kvöldi 10. nóvember 2023. Þann 18. desember hafði svo þrýstingur í Svartsengis-kvikusvæðinu aftur byggst upp og náð krítískum þrýstingi sem þurfti til að brjótast aftur inn í kvikuganginn, svo viðbótar opnun varð á honum. Náði hann þá til yfirborðs og eldgos hófst. Byrjun þess var hröð – það hófst aðeins 1.5 klst eftir undanfarandi skjálfahrinu. Að þessu sinni var áætlað hámarks kvikuflæði um  ~800 m³/s. Svipaðir atburðir urðu í janúar og febrúar 2024. Í janúar 2023 náði kvikugangur aftur undir Grindavík. Að þessu sinni var leið gangsins aðeins austar en 10. nóvember og náði nú undir miðhluta bæjarins.  Þann 8. febrúar greindust skammtíma fyrirboðar eldgoss (jarðskjálftar), sem voru tilkynntir til almannavarna. Eldgos hófst aðeins 37 mínútum seinna. Ef gangainnskot verða á næstunni er talið líklegast að leið kvikunnar fylgi kvikurásum sem eru til staðar og þær rásir leiði gangainnskot inn í svæðið við Sundhnúksgígaröðina og Grindavík. Samt sem áður er ekki hægt að útiloka gangainnskot inn í aðra hluta eldstöðvakerfisins.

Ástæða þessa að yfirstandandi virkni er hættulegri en virknin við Fagradalsfjall er bæði nálægð hennar við Grindavík, Bláa lónið, orkuverið í Svartsengi og mikilvæga innviði, sem og miklu hraðara kvikustreymi og hraunflæði. Ástæða þess er talin vera sú að kvikurásin út úr Svartsengis-kvikusvæðinu hafi tiltölulega stórt þverskurðarflatarmál, sem gerir hratt kvikuflæði mögulegt inn í efsta hluta jarðskorpunnar og að gosstöðvum. Mynd 3 sýnir skematískt Svartsengis-kvikusvæðið og kvikuganginn sem myndaðist 10. nóvember síðastliðinn.

Hægt var að gefa út langtíma-viðvörun vegna atburðanna í janúar og febrúar 2024 með líkangerð af landrisi á svæðinu og gera ráð fyrir að það rúmmál kviku sem streymdi út úr Svartsengis-kvikusvæðinu í fyrri atburði þyrfti að safnast fyrir á ný áður en næsti atburður yrði.

Hafa verður þó í huga að,  i) það er óvissa í þessum viðvörnum, og ii) ekki er víst að forsendur þeirra gildi þegar virknin heldur áfram, bæði vegna mögulegra breytinga á aðstæðum í kvikusvæðinu og spennubreytinga í jarðskorpunni í kring um það.

Á síðustu þremur árum hefur virkni færst á milli eldstöðvakerfanna við Svartsengi og Fagradalsfjall. Í fyrri virknitímabili á Reykjanesskaga, sem endaði fyrir um 800 árum, færðist virkni líka á milli nærliggjandi eldstöðvakerfa. Þrátt fyrir að eldgosin á síðustu árum hafi verið frekar lítil að rúmmáli, þá benda eldgosin sem urðu á sögulegum tíma til þess að eldgos framtíðarinnar geti mögulega orðið stærri að rúmmáli en þau sem nú þegar hafa orðið.

Hættur í eldstöðvakerfi Svartsengis eru meðal annars eftirfarandi:

• Opnun á gossprungum
• Kvikustrókavirkni á gosstöðvum
• Hraunflæði
• Öskufall
• Gasmengun
• Jarðskjálftar af stærð um og yfir M_W5
• Opnun á gjám og hreyfingar á misgengjum
• Jarðfall ofan í sprungur
• Grjóthrun
• Aukin hætta á sjávarflóðum vegna landsigs í Grindavík

Veðurstofa Íslands, í samvinnu við ýmsar stofnanir á Íslandi, er með öfluga vöktun á kvikuhreyfingum og eldvirkni á svæðinu. Þrátt fyrir það er mögulegt að skammtíma viðvörun verði gefin út fyrir næstkomandi eldgos með minna en 30 mínútna fyrirvara áður en gos hefst, ef það byrjar á svæðinu á milli Sýlingarfells og Stóra-Skógfells, á svipuðu svæði og þann 8. febrúar. Þetta stafar af af mögulegum breytingum á aðstæðum í Svartsengis-kvikusvæðinu, kvikurásum og spennusviði jarðskorpunnar. Hratt kvikustreymi hefur átt sér stað til þessa inn í kvikurás þegar jaðar kvikusvæðisins hefur gefið sig, sem leiðir til gangainnskota og eldgosa. Uppsöfnuð togspenna í jarðskorpunni vegna flekahreyfinga auðveldar gangainnskot, en eftir því sem fleiri gangainnskot verða þá losnar um þessa spennu. Almennt séð líður lengri tími frá því að jaðar kvikusvæðis gefur sig og þar til eldgos verður, ef gangainnskot verður í millitíðinni. Ef gangainnskot fara minnkandi eða þeirra gerist ekki þörf til að losa spennur, þá er mögulegt að í framtíðinni byrji eldgos á svæðinu með minni fyrirvara. Ef gangainnskot verður utan svæðisins milli Sýlingarfells og Stóra-Skógfells – annaðhvort norðaustan við Sýlingafell eða til suðvesturs í átt að, eða undir Grindavík, þá er áætlað að viðvörunartíminn verði 1-5 klst.

Á meðan kvika getur fundið sér auðvelda leið um kvikurás sem tengdir saman Svartsengis-kvikusvæðið og fyrri gangainnskot á svæðinu, þá leiðir þessi kvikurás kvikuna inn á svipað svæði og í fyrri eldgosum. Þrátt fyrir það er ekki hægt að útiloka að öllu leyti að aðrar atburðarásir geti átt sér stað.

Tilvitnanir

Freysteinn Sigmundsson, Michelle Parks, Andrew Hooper, Halldór Geirsson, Kristín S. Vogfjörd, Vincent Drouin, ... & Þorbjörg Ágústsdóttir (2022). Deformation and seismicity decline before the 2021 Fagradalsfjall eruption. Nature, 609(7927), 523-528.

Freysteinn Sigmundsson, Michelle Parks, Halldór Geirsson, Andrew Hooper, Vincent Drouin, Kristín Vogfjörð, ... & Sara Barsotti (2024). Fracturing and tectonic stress drives ultrarapid magma flow into dikes. Science, eadn2838.

Michelle Parks, Freysteinn Sigmundsson, Vincent Drouin, Ásta Rut Hjartardóttir, Halldór Geirsson, Hooper, A., ... & Fridriksdóttir, H. M. (2023). Deformation, seismicity, and monitoring response preceding and during the 2022 Fagradalsfjall eruption, Iceland. Bulletin of Volcanology, 85(10), 60.

Sæmundur Ari Halldórsson, S. A., Marshall, E. W., Caracciolo, A., Matthews, S., Bali, E., Rasmussen, M. B., ... & Andri Stefánsson (2022). Rapid shifting of a deep magmatic source at Fagradalsfjall volcano, Iceland. Nature, 609(7927), 529-534.