Subsidence in rift zones : analyzing results from repeated precision leveling of the Vogar Profile on the Reykjanes Peninsula, Southwest Iceland

Abstract

The mid-Atlantic ridge connects with land at the Reykjanes peninsula, Southwest Iceland. Iceland extends well over the whole ridge and allows for representative surface observations of sea-floor processes. Across the Peninsula the plate boundary is characterized by a rift zone, which encompasses leaky transform fault zone characteristics. Across a fissure swarm, connected with the Reykjanes volcanic system, the Vogar leveling profile extends. Precision leveling was conducted along the line in 1966, 1968, 1969, 1971 and 1976. The profile was remeasured in 2004 and it was aimed to observe various aspects of subsidence in the rift zone.

Subsidence along the profile is the result of the effect of two main components. The first being influence from the central axis of the plate boundary causing the southeastern end of the profile to subside at a higher rate then the northwestern end, averaging 1.1mm/yr. The second being the influence from the local fissure swarm causing the central part of the profile to subside due to movement on two boundary faults.

Annual rates of subsidence are not constant but are related to the size of appreciable fault movements. 1966-1968 and 1971-1976, annual subsidence rates were higher and in 1976-2004 lower than average.

Prominent fault movements are earthquake related. 1976-2004 was a calm period following the stress release by several earthquake swarms between 1971 and 1976. One prominent, unconfirmed, fault movement occurred between 1976 and 2004, presumably triggered by the two large earthquakes in the South Iceland seismic zone in 2000.

At several faults local progressive faulting is occurring with subsidence of a single benchmark on the down-throw side of a fault. This occurs at most faults and is the result of movement of semi-detached fault blocks within the ‘disturbed’ zone sliding down along the fault plane.

Modeling the subsidence results for the Vogar profile in relation to the central plate axis proved too complex for the simple linear pressure decrease model when comparing with the GPS data obtained for a benchmark along the profile. This GPS data indicated a minimum subsidence of this benchmark of 3mm/yr. The best fit for points affected only by the regional component gave an annual subsidence at the rift of 5.5mm/yr and a locking depth of 3.8km, which did not correlate with GPS data. Presumably the effect of local component overprints the regional component or the GPS data for the last 11 years is not representative of the last 38 years.

Abstract (Swedish)

På Reykjaneshalvön i sydvästra Island får den mittatlantiska ryggen förbindelse med land.
Eftersom Island sträcker sig över hela ryggen kan man studera oceanbottenspridning på fast
mark. På halvön utgörs plattgränsen av en riftzon kombinerad med en transform rörelse.
Vogarprofilen utgörs av en precisionsavvägd profil som dragits över en sprickzon i rät vinkel mot plattgränsens centralaxel. Precisionshöjdmätningar längs denna profil gjordes 1966, 1968, 1969, 1971 och 1976. Mätningen upprepades 2004 för att studera hur jordskorpan sjunker i riftzonen.
De årliga nedsänkningshastigheterna är inte konstanta utan beror på storleken på
förkastningsrörelserna. 1966-1968 och 1971-1976 var den årliga hastigheten högre medan 1976-2004 var den lägre än normalt.
Större förkastningsrörelser sker på grund av jordbävningar. 1976-2004 var en lugn period
som följde på en period av strainutlösning kännetecknad av flera jordbävningssvärmar mellan 1971 och 1976. En stor, men obekräftad förkastningsrörelse skedde mellan 1976 och 2004, förmodligen utlöst av två stora jordbävningar i den sydisländska seismikzonen år 2000.
Vid flera av förkastningarna sker fortlöpande lokala förkastningsrörelser. Därvid sjunker en enskild mätpunkt på den nedförkastade sidan av förkastningslinjen. Detta sker vid de flesta förkastningarna och är ett resultat av att ett till hälften lösgjort block glider ner längs förkastningen i en störningszon.
Två komponenter påverkar hur jordskorpan sjunker. Den första är regional och orsakad av
plattgränsens centralaxel medan den andra är lokal orsakad av sprickzonen. Den regionala
komponenten medför att profilens sydöstra del sjunker med en hastighet som är 1,1 mm/år
högre än dess nordvästra. Den lokala komponenten gör att sprickzonens centrala del sjunker på grund av förkastningsrörelser på två av de avgränsande förkastningarna.
Det går inte att modellera nedsänkningen längs Vogarprofilen med enkel modell baserad på
en linjär tryckminskning från den centrala plattgränsen. Detta är tydligt då man tar hänsyn till GPS-data som erhållits för en av mätpunkterna längs profilen. GPS-data ger en
miniminedsänkning för denna punkt på 3 mm/år. Den bästa anpassningen för datapunkterna får
man för en nedsänkning vid plattgränsen uppgående till 5,5 mm/år och ett blockeringsdjup
uppgående till 3,8 km. Dessa data överensstämmer inte med erhållna GPS-data. Förmodligen
finns det en lokal nedsänkningskomponent som omfattar Reykjanessprickzonen och medför att
denna sänks ytterligare 2 mm/år. GPS har använts för att bestämma den absoluta
nedsänkningen. GPS-data finns endast från en elvaårsperiod medan avvägningsdata omfattar en period om 38 år. Det är klarlagt att rörelserna inte sker med jämn hastighet. Detta innebär att data från avvägningarna och GPS inte är helt jämförbara; bägge tidsperioderna är dessutom för korta för att ge säkra långtidstendenser.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Geologi är en ung gren av naturvetenskap. Det var inte förrän på 1800-talet som geologins ädla konst började diskuteras och detta trots att moral och religiös etik dikterade annat. Inte kunde väl jorden vara mer än 4000 år och borde inte Gud ha nämnt de där dinosaurierna i bibeln? Inte förrän mitten på 1900-talet började man till slut gräva fram ett och annat konkret svar inom plattektonik och jordens kontinuerliga gigantiska återvinningspussel.

Island existerar på grund av den lyckliga sammanslagning av den mittatlantiska ryggen, där den eurasiska plattan och den nordamerikanska dras isär, och en djupliggande hotspot, en plym av heta mantelbergarter från jordens inre. På 60-talet var plattektonik och dess relaterade deformation visserligen en ny teori, men desto mer intressant för forskare. Reykjaneshalvön, som ligger i sydvästra Island sågs som det perfekta undersökningsområdet för forskning. Här mötte den mittatlantiska ryggen land. Detta innebar att man kunde studera processer likvärdiga med dem på havsbotten, utan besväret av att behöva bli blöt och dyka ner ett par kilometer i ett kallt grumligt mörker. Därför förankrade man mätpunkter längs olika sträckor över halvön för att kunna mäta höjdskillnader över åren. En av dessa är Vogarprofilen, 4,2 km lång som sträcker sig över Reykjanessprickzonen. På Reykjaneshalvön är plattgränsen mellan den eurasiska och den nordamerikanska plattan en riftzon med läckande transform förkastningsdrag. På grund av plattgränsens orientering så både sprider sig plattorna och skaver mot varandra, vilket innebär både tension och skjuvning.

Efter att Vogarprofilen mättes på 60- och 70-talet har den inte mätts igen förrän mätningarna i maj 2004. Meningen med dessa mätningar var att se vad som hade hänt sedan dess; hur mycket marken hade sjunkit och om det hade skett rörelse vid någon av förkastningarna. Vogarprofilen korsar nämligen nio olika förkastningar, som bildar en så kallad grabenstruktur, d.v.s. förkastningarna vetter mot varandra för att bilda en sorts V-formad struktur, med maximal nedsjunkning i mitten. Den tension som nämndes är anledningen till förkastningarna och det faktum att marken sjunker. Vad som är intressant i detta fall är att utöver att Vogarprofilen korsar en sprickzon och graben, är den även vinkelrät mot plattgränsen. Plattgränsen, alltså riftzonen, påverkar nedsjunkningen som en regional komponent.

Efter att ha mätt vertikala höjdskillnader längs Vogarprofilen kan man jämföra dessa data med de mätningar som gjorts tidigare och beräkna nedsjunkningshastigheter och förkastningsrörelser. Före 2004 hade det skett en hel del längs profilen. Några exempel: mellan 1966 och 1968 skedde en rörelse på 6,8 mm på en förkastning och mellan 1971 och 1976 två större rörelser, 16 och 20 mm, på två andra förkastningar. En av dessa, förkastning 129-130, var revers, d.v.s. den rörde sig i motsatt riktning mot sin normala rörelseriktning. Dessutom kunde man se att området lutade mot sydöst.

Mellan 1976 och 2004 kunde man se en fortsatt lutning mot sydöst, dessutom en större rörelse på 24 mm på förkastning 129-130, och flera små lokala rörelser kring nästan alla andra förkastningar.

Denna stora rörelse vid förkastning 129-130 var svår att förklara. Troligtvis har rörelsen skett p.g.a. en jordbävning som återställde den reversförkastning som skedde mellan 1971 och 1976. Det kan även förklaras med att reversförkastningen var felaktigt uppmätt, eftersom, tyvärr, med de data som finns, kommer en felaktigt uppmätt revers förkastning, medföra att följande data innehåller en felaktigt uppmätt normal förkastning. När man jämför data utan 1976 data syns ingen av dessa rörelser alls, eftersom felaktigt uppmätt eller inte, så tar de två rörelserna ut varandra. Det gör det omöjligt att säga om ingen rörelse skett, eller om båda rörelserna skett.

När man tittar på vad som skett längs profilen mellan 1966 och 2004 kan man se tydligt att marken lutar mot sydöst, alltså mot plattgränsen. Dessutom har två förkastningsrörelser, den mellan 1966-1968 och den ena mellan 1971 och 1976, gjort att den centrala delen av profilen sjunkit. Vi kan alltså med hjälp av data från 2004 klarlägga att marken sjunker och påverkas både av den lokala komponenten vi nämnde, tension i sprickzonen, och den regionala påverkan från plattgränsen.

När man ser på årliga hastigheter av nedsjunkning kan man se att dessa påverkas av förkastningsrörelser. Förkastningsrörelser i sin tur påverkas av jordbävningar i det närliggande området. 1966-1968 var en aktiv period, med flera händelser. 1970 inträffade inga jordbävningar. 1971-1976 uppmättes så många som 25 jordbävningar med magnitud över 4 i området. Efter detta inträffade dock inga fram till 1990, och därefter bara fem fram till 2004. Men år 2000 skedde två stora jordbävningar bara ca 100km från Vogarprofilen. Dessa var kraftiga nog att kunna påverka rörelse längs profilen. Man kan därför dra slutsatsen att vissa perioder är mer aktiva gällande jordbävningar och alltså förkastningsrörelser och oftast även den genomsnittliga nedsjunkningshastigheten.

Vi nämnde ’lokala’ rörelser. Med det menas rörelser som endast påverkar en mätpunkt på den nedförkastade blocket. Eftersom detta kunde ses mellan nästan alla mättillfällen vid de flesta förkastningar tolkades detta som att de block som sjunkit antagligen ”fastnat” på vägen, och böjts, och sedan glidit ner längs förkastningsväggen så det hamnat i läge med resten av blocket.
Med hjälp av en enkel modell försökte vi modellera den nedsjunkning som sker i området. Vi modellerade de mätpunkter som tycktes påverkade bara av den regionala komponenten, som låg utanför det centrala område som sjunkit. Detta fungerade alldeles utmärkt om man bortsåg från GPS-data. GPS-data har mätts under några år på en av punkterna längs profilen, och de uppmätta GPS-data som erhållits visade sig inte överensstämma med den nedsjunkning som modellerats.

Vad framtiden har att vänta vet väl ingen förutom moder Natur. Och hur mycket vi än modellerar, analyserar, spekulerar och filosoferar så är det trots allt hon som klickar på fjärrkontrollen. Vad Island gäller kan det dock vara dags för henne att i all fall byta kanal. De senast årtusendet på Reykjanes har karakteriserats av en seismiskt aktiv period, mycket jordbävningar och lite vulkaner. Men Reykjanes har varit ganska periodiskt vad gäller seismiskt och vulkaniskt aktiva perioder ungefär vart tusende år. Detta innebär att efter all analys av Vogarprofilen kan den komma att fyllas igen av lava medan moder Natur glatt skrattande står och ser på medan allt arbete suddas ut.

• author: Anell, Ingrid
• supervisor: Anders Lindh; Freysteinn Sigmundsson
• organization: Department of Geology
• alternative title: Subsidens i riftzoner : analys av resultat från precisionshöjdmätningar längs Vogarprofilen på Reykjaneshalvön, sydvästra Island
• year: 2004
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: lceland, Reykjanes Peninsula, Vogar profile, precision leveling, faulting, subsidence, modeling subsidence, Mogi model, Island, Reykjaneshalvön, Vogarprofilen, precisionshöjdmätningar, nedsjunkning, förkastningsrörelser, modellering av nedsjunkning, Mogimodellen
• publication/series: Dissertations in Geology at Lund University
• report number: 178
• language: English
• additional info: Freysteinn Sigmundsson at Nordiskt vulkanologiskt institut (Nordvulk), Institute of Earth Sciences, University of Iceland, Reykjavik, Iceland.
• id: 2340216
• date added to LUP: 2012-12-28 12:59:16
• date last changed: 2012-12-28 13:02:31