Electrical Resistivity Structure of Eyjafjallajökull Volcanic System based on Electromagnetic Data

Abstract

The use of Electromagnetic (EM) methods to investigate the electrical resistivity structure of volcanic systems has increased in recent times. Resistivity is most sensitive to fluid distribution and hydrothermal alteration as compared to other geophysical methods. The application of EM methods has been limited, for the most part, to geothermal exploration. In this study, two common EM methods, Magnetotellurics (MT) and Transient Electromagnetics (TEM), are used to map the subsurface resistivity distribution around the volcanic system of Eyjafjallajökull in southwest Iceland.Data were acquired over the course of three campaigns in 2011, 2014 and 2016. The campaign of 2011 was carried out jointly by Iceland GeoSurvey (ISOR) and Dublin Institute of Advanced Studies (DIAS), collecting 26 MT and 25 TEM sounding data. In the 2014 and 2016 campaigns, data from 5 MT stations were collected by students at the University of Iceland together with their supervisor from ISOR. Here all the data have been processed and 1D jointly inverted, and the results presented as resistivity cross-sections, depth slices and phase tensor maps. From the 1D inversion models, a shallow conductor located between 1-3 km depth and a deep-seated conductor located between 9-20 km depth have been found. The shallow conductor is seen across most of the investigated area. It is interpreted to be basalts containing hydrothermal alteration minerals in the form of smectites. The deep-seated conductor is mostly constrained to the northeastern part and is a feature that has been identified across most of Iceland in previous MT studies. However, its nature is poorly understood and presently debated. The phase tensor analysis favors a 1D Earth model for short periods (<10 s) and deviates to a 3D Earth model for long periods (>10 s). Induction arrows infer a more pronounced conductive structure beneath Eyjafjallajökull at shallow depth. Furthermore, a well-defined geoelectrical strike in the N75oE direction is identified for long periods. This might be an indication of the dominant geological strike in the region and offers an interesting similarity to the orientation of geological features seen on the surface (E-W) and older dykes studied at the base of Eyjafjallajökull (NE orientation).

Aðferðum sem byggjast á rafsegulmælingum hefur verið beitt í auknum mæli á síðari árum til að ákvarða gerð og eiginleika jarðskorpunnar undir eldstöðvakerfum. Eðlisviðnám bergs er háð vökvainnihaldi og ummyndunarstigi þess. Notkun rafsegulmælinga hér á landi hefur að mestu verið bundin við jarðhitaleit. Í þessari rannsókn er beitt tveimur gerðum rafsegulaðferða, MT-mælingum (Magnetotelluric) og TEM-mælingum (Transient Electromagnetic), til að kanna grunn eldstöðvarkerfis Eyjafjallajökuls með tilliti til viðnámsdreifingar.Gögnum var safnað í þremur mælingaferðum árin 2011, 2014 og 2016. Mælingarnar 2011 voru gerðar í samvinnu milli Íslenskra orkurannsókna (ÍSOR) og Dublin Institute of Advanced Studies (DIAS) og var safnað MT mælingum á 26 stöðum og TEM mælingum á 25 stöðum. Árin 2014 og 2016 gerðu stúdentar frá Háskóla Íslands MT-mælingar á 5 stöðum undir handleiðslu kennara frá ÍSOR. Unnið hefur verið úr öllum þessum gögnum og gerð einvíð túlkun á þeim með tilliti til eðlisviðnáms. Niðurstöðurnar eru settar fram í formi dýptarsniða, láréttra sniða og korta sem sýna fasaþin.Einvíðu túlkunarlíkönin sýna vel leiðandi berglag á 1-3 km dýpi og annað á meira dýpi, 9-20 km. Grunnstæða lagið finnst undir meginhluta rannsóknarsvæðisins. Það er túlkað sem basaltlag þar sem jarðhiti hefur myndað ummyndunarsteindir, svo sem smektít. Djúpstæða lágviðnámslagið er einkum að finna undir norð-austurhluta svæðisins. Fyrri MT-mælingar hafa leitt í ljós svipað lag undir meginhluta Íslands. Eðli þessa lags hefur verið til umræðu lengi og umdeilt.Greining á fasaþin bendir til þess að einvíð túlkun sé viðeigandi fyrir stutta sveiflutíma (<10 s) en þrívíð túlkun sé heppilegri fyrir lengri sveiflutíma (>10 s). Stefna spanvigra bendir til þess að undir Eyjafjallajökli sé að finna grunnstæða, vel leiðandi bergmassa. Enn fremur má greina N75oA-læga stefnuvirkni rafsegulþátta fyrir lengri sveiflutíma. Þetta gæti bent til þess að ríkjandi stefnur í uppbyggingu jarðlaga á svæðinu hafi áhrif á leiðni jarðlaga, A-V sprungusveimur og gangar í rótum eldstöðvarinnar sem hafa NA strikstefnu.