The Explosive Phases of the 1210–38 CE Reykjanes Fires, SW-Iceland: Physical Volcanology and Shallow Conduit Processes

Abstract

The 1210-11 CE Younger Stampar eruption at Reykjanes started the 1211-1238 CE Reykjanes Fires. The fires featured up to five discrete events: the 1210-11 CE eruption, three offshore eruptions in 1223, 1226-7 and 1231 CE, and a possible fourth in 1238 CE. The 1226-7 eruption is considered the source of the Medieval tephra, a well-known marker layer in SW Iceland. The first phase of the 1210-11 CE eruption, a Surtseyan phase just offshore of Reykjanes, forming the Vatnsfell tuff cone, was followed by the second Surtseyan phase 500 m offshore, forming the larger Karlsgígur tuff cone, and then by a subaerial activity forming the 4-km-long Stampar spatter cone row and lava flow field. The two tuff cones consist of alternations of pyroclastic surge and tephra fall units, intercalated with units from simultaneous deposition from surge and fall and have volumes of ∼0.006 km3 and ∼0.044 km3. The Medieval tephra is the only widespread tephra layer from the 1210-1238 Reykjanes Fires inferred to be present in soil profiles in SW-Iceland. This inference is challenged by identification of two consecutive tephra layers from the 1210-1238 Fires in sediment cores from Lake Hestvatn, 100 km E of Reykjanes. The 0.2-cm thick upper layer is from 1226 CE and the 0.4 cm-thick lower layer from 1211 CE. Hence, it possible that what has been hitherto identified as a single tephra layer (i.e., the Medieval tephra) represents two tephra layers. Namely, one sector with an E-SE dispersal axis hugging the southern coast of the Reykjanes Peninsula (RP); another with a dispersal axis extending over the northern part of the RP. New dispersal maps for each sector indicate tephra fall volumes for the 1226 CE (Medieval tephra) eruption of ∼0.09 km3 and ∼0.11 km3 for the Surtseyan phases of the 1210-11 CE Younger Stampar eruption. This implies a total volume of 0.16 km3 for each event. Whilst these inferences require verification via further studies, they highlight the importance of such studies because events similar to those of the 1211 or 1226 CE Surtseyan eruptions could still unfold on the Reykjanes Peninsula, as was displayed by the 2021 Fagradalsfjall eruption. The erupted magma is tholeiitic basalt (MgO 6.0-7.5 wt%) with sporadic olivine phenocrysts (Fo78 to Fo84) and dispersed plagioclase macrocrysts with core composition of An87 to An91. Two compositionally distinct groups of plagioclase-hosted melt inclusions are identified: one with composition comparable to the host magma and another more primitive in composition with higher MgO, ranging from 9-11.5 wt%. With original mean sulfur content of 1430±150 ppm (N=6) and residual sulfur content ∼485 ± 70 ppm (N=51), imply that ∼ 0.7 ±0.03 Tg of SO2 were released into the atmosphere during these two early Surtseyan phases of the 1210-38 Reykjanes Fires. Similar sulfur mass was released by the 1226-7 CE eruption. In both cases the sulfur outgassing is on par with that of the 2021 Fagradals eruption, although it may have been released over shorter time interval. Clast vesicularity measurements reveal unimodal, left-skewed vesicularity distributions with modes of 90-95% and a range of ∼40% for the lapilli-pumices from the Younger Stampar phreatomagmatic eruption phases. These results indicate that magma had gone through vesicle nucleation to free growth and coalescence and probably initial dry (magmatic) fragmentation prior to contact with external water. The evidence strongly suggests that expansion of exsolved magmatic gases was the driver of explosivity and that the role of external water in these phreatomagmatic stages of the 1211 CE eruption was confined to secondary quench granulation.

Yngra Stampagosið árið 1210-11 á Reykjanesi markar upphaf Reykjaneselda sem stóðu yfir á árunum 1210-40. Reykjaneseldar samanstanda af allt að fimm eldgosum; Yngra Stampagosinu 1210-11, þremur neðansjávargosum á árunum 1223, 1226-7 og 1231, og það fjórða hugsanlega 1238. Gosið árið 1226-7 er almennt talið vera sá atburður sem myndaði gjóskulag sem finnst víða í jarðvegi á Suðvesturlandi og kallast Miðaldarlagið. Fyrsti fasi gossins 1210-11 var sprengigos við strönd Reykjaness sem myndaði gjóskukeiluna Vatnsfell. Annar fasi var einnig sprengigos sem kom upp um gíg um 500 m út frá ströndinni og myndaði gjóskukeilu sem kennd er við Karlinn. Þriðji fasi gossins var hraungosið á Stampagígaröðinni, sem er 4 km löng og myndaði yngsta hraunið á Reykjanesi. Innri lagskipting gjóskukeilanna sýnir að þær hafa hlaðist upp af gjóskuseti sem myndað var af margendurteknum gusthlaupum og gjóskufalli, sem stundum voru samtíma. Upphaflegt rúmmál Vatnsfells er metið um 0.006 km3, en rúmmál Karlsins er talið vera um 0.044 km3. Miðaldarlagið, sem er eina gjóskulagið frá Reykjaneseldum er talið hafa verulega útbreiðslu á landi og er rakið til gossins árið 1226-7. Nýlega fundust tvö gjóskulög sem eiga uppruna sinn í Reykjaneseldum í setkjarna frá Hestvatni, um 100 km austan við Reykjanes, sem vekja upp spurningar um þessa ályktun. Það efra er 0,2 sm þykkt og áætlaður aldur þess er 1226. Það neðra er 0,4 sm þykkt og er áætlaður aldur þess 1211. Það er hægt að skýra tilvist þessara tveggja gjóskulaga með því að skipta Miðaldarlaginu upp í tvo gjóskugeira; einn með austlæga útbreiðslu og útbreiðsluás sem liggur með suðurströnd Reykjanesskagans og annan með norðlægari útbreiðslu og ás í stefnu á Reykjavík. Ný útbreiðslukort byggð á þessari hugmynd gefa til kynna að rúmmál gjóskufallsins frá gosinu 1226-7 er um 0.09 km3 og það frá sprengifösum gossins árið 1210-11 (þ.e. Yngra Stampagosið) er um ∼0.11 km3. Heildarrúmál gjósku í hvorum atburði fyrir sig er þá um 0.16 km3. Þó að það þurfi að staðfesta þessa hugmynd með frekari rannsóknum þá sýnir hún fram á mikilvægi slíkra rannsókna, því ef gosið í Fagradalsfjalli 2021 hefði komið nokkrum kílómetrum sunnar, þá hefði gosstaðurinn verið í sjó. Kvikan sem kom upp í gosinu er þóleiít (MgO 6.0-7.5 wt%) og inniheldur stöku ólivín díla (Fo78 to Fo84) og plagíóklas stórdíla (An87 to An91). Glerinnlyksur í plagíóklasdílum skiptast í tvo samsetningarhópa; (1) innlyksuhópur sem hefur samsetningu sem samsvarar samsetningu hýsilbráðarinnar og (ii) hópur sem hefur mun frumstæðari samsetningu, með MgO styrk á bilinu 9-11.5 wt%. Samkvæmt (i) er upprunalegur brennisteinsstyrkur kvikunnar 1430±150 ppm (N=6), en styrkur gjóskunnar eftir afgösun er 485 ± 70 ppm S (N=51). Þetta gefur til kynna að 1210-11 gosið setti af sér ∼ 0.7 ±0.03 Tg af SO2 út í andrúmsloftið. Svipað magn leystist úr læðingi í gosinu 1226-7. Í báðum tilfellum var brennisteinslosunin svipuð og í gosinu í Fagradalsfjalli árið 2021, en þó líklega yfir styttri gostíma. Mælingar á basískum vikurkornum frá sprengigosunum 1210-11 sýna eintoppa, vinstri skekkta dreifingu með hágildi í blöðrumagni á bilinu 90-95% og spönn allt að 40%. Þessar niðurstöður benda eindregið til þess að blöðrumyndun hafði þróast frá kjarnamyndun yfir í óhindraðan blöðruvöxt og -samruna, sem líklega leiddi til magmatískrar sundrunar á kvikunni skömmu áður en hún komst í snertingu við utan-að-komandi vatn (þ.e. sjó). Með öðrum orðum, það var þensla kvikugasa sem orsakaði sprengivirknina og áhrif sjávarins á þessa sprengivirkni afmarkaðist við frekari sundrun vegna hraðkælingar á heitum og blöðróttum gjóskukornunum.