JARÐHITI, GOSSTÖÐVAR OG SKILYRÐI TIL VATNSSÖFNUNAR Í GRÍMSVÖTNUM 2001-2002 Magnús Tumi Guðmundsson Þórdís Högnadóttir Kirsty Langley Raunvísindastofnun Háskólans Febrúar 2003 RH-01-2003
1 ÁGRIP Í kjölfar gossins í Grímsvötnum 1998 urðu breytingar á legu jarðhitasvæða samfara því að aukning varð í jarðhita á svæðinu. Breytingar voru hraðar 1999 og fram á árið 2000. Milli áranna 2000 og 2001 hélt aukinn jarðhiti áfram að bræða burtu ís í grennd við gosstöðvarnar og í rás meðfram Grímsfjalli að norðan, í Grímsvatnaskarð en þar er ísstífla sú sem lokar Grímsvötnum að austan. Jarðhiti norðan vatnanna minnkaði hinsvegar töluvert. Árið 2002 bráðnaði nokkuð við gosstöðvarnar en verulega hægði á dýpkun rásarinnar meðfram Grímsfjalli að norðan. Afl jarðhita lækkaði milli ára, var 2500 MW 2000-2001 og 1400-2000 MW 2001-2002. Gæti jarðhitaafl nú verið komið niður í svipað gildi og var fyrir gosið 1998. Á gígsvæðinu frá 1998 urðu töluverðar breytingar milli 2001 og 2002 þegar vestasti hluti gjosefnahaugsins frá 1998 hrundi niður í lónið vestan gosstöðvanna. Jarðhiti í vesturhluta gígsvæðisins hefur lítið breyst frá því skömmu eftir gosið. Þar er víða mikill hiti og dýpi niður á 100 C virðist vera 0-3 m víðast hvar. Fyrstu merki um samlímingu gjóskunnar fundust í júní 2002 og virðist móbergsmyndun því vera komin nokkuð af stað, þremur og hálfu ári eftir gosið. Sumrin 2000, 2001 og 2002 voru gerðar mælingar á ísskriði við sigketlinn VG7 norðan til á Grímsvatnasvæðinu. Sýna mælingarnar að miklar breytingar urðu í bráðnun undir katlinum á tímabilinu, afl hans lækkar úr nokkrum tugum megawatta niður í örfá megawött á einu ári. Samfara lækkun í afli hækkaði botn ketilsins um 20 m því meiri ís skeið að katlinum en bráðnaði við botn hans. Ljóst er að samspil jarðhita, ísbráðnunar og vatnssöfnunar í Grímsvötnum getur verið flókið. Lega jarðhitasvæða er lykilatriði enda hefur aukinn jarðhiti undir ísstíflunni leitt til smáhlaupa, leka og lítillar vatnssöfnunar þó svo afl jarðhita á vatnasviði Grímsvatna hafi verið mun meira frá 1997 en var á tímabilinu 1960-1996. Vegna breytinganna á ísstíflunni eru ekki horfur á umtalsverðum hlaupum af völdum jarðhita í Grímsvötnum á næstu árum. Eldgos á vatnasviði Grímsvatna myndi að sama skapa varla valda jafnmiklu flóði og varð 1996, til þess eru möguleikar á vatnssöfnun of takmarkaðir.
2
3 Efnisyfirlit Ágrip.. 1 1. Inngangur.. 5 2. Yfirborð Grímsvatna. 7 3. Varmaafl.... 13 4. Breytingar á Gígsvæði... 15 4.1. Þróun gígsins... 15 4.2. Jarðhiti. 20 4.3. Lónið vestan gosstöðva... 20 5. Ísskrið inn að sigkatli. 21 6. Þróun jarðhita og horfur um vatnssöfnun.. 25 7. Samantekt.. 27 8. Heimildir... 27 Viðauki A. 29
4
5 1. INNGANGUR Í skýrslunni er fjallað um mælingar í Grímsvötnum árin 2001 og 2002 en þær eru liður í langtímarannsóknum á samspili eldvirkni, jarðhita og íss í vesturhluta Vatnajökuls, virkasta eldgosasvæði landsins. Mælingar á vatnshæð og vetrarafkomu í Grímsvötnum hafa staðið nær óslitið í hálfa öld auk þess sem margskonar athuganir hafa verið gerðar í ferðum Jöklarannsóknafélagsins gegnum árin. Tilgangur rannsóknanna er einkum sá að kanna áhrif eldgosa á jökla, ísbráðnun þeim samfara og hvernig breytingar á jarðhita í kjölfar eldgosa hefur áhrif á lón undir jöklum og líkur á jökulhlaupum frá þeim. Sá aukni skilningur sem þannig fæst nýtist m.a. við mat á líkum á vatnssöfnun í jöklum og hættu af jökulhlaupum í kjölfar eldgosa undir þeim, einkum hve lengi megi vænta bráðnunar frá kólnandi gosefnum og innskotum í slíkum gosum, ekki aðeins í Grímsvötnum heldur líka á stöðum eins og Kötlu eða Eyjafjallajökli. Töluverð vinna var unnin eftir hlaupið 1996 til að kanna breytingar vegna þeirra umbrota. Við gosið í Grímsvötnum í desember 1998 breyttust aðstæður enn og hafa rannsóknir staðið yfir á svæðinu síðan. Fyrstu árin eftir 1996 voru verkefni í Gjálp og Grímsvötnum kostuð með sérstakri fjárveitingu frá Alþingi. Eins og málum er nú háttað eru rannsóknirnar unnar af Raunvísindastofnun Háskólans en styrktar af Vegagerð Ríkisins. Einnig koma Jöklarannsóknafélag Íslands (JÖRFÍ) og að vinnunni með því að leggja til farartæki, aðstöðu og mannafla í ferðum JÖRFÍ. Niðurstöður rannsókna síðustu ára á gosstöðvum í Vatnajökli hafa birst í greinum og skýrslum (Hreinn Haraldsson, ritsj. 1997, margir höfundar; Guðrún Larsen og fl. 1998; Helgi Björnsson og fl. 2001; Sverrir Guðmundsson og fl. 2002; Magnús T. Guðmundsson og fl. 1997, 2000; 2001; 2002). Þessi skýrsla er framhald fyrri skýrslna (Magnús T. Guðmundsson og fl. 2000, 2001) enda að miklu leyti um samskonar mælingar að ræða frá ári til árs. Í þeim skýrslum voru raktar breytingar sem urðu á Grímsvötnum í kjölfar Gjálpar- og Grímsvatnagoss, auk þróunar í stærð vatnsgeymis, vatnshæð, hæð ísstíflu og afli jarðhita. Mælingar í Grímsvötnum voru svipaðar bæði árin og samanstóðu af eftirtöldum þáttum: - Yfirborð var kortlagt með DGPS. - Hraði ísskriðs var mældur á allmörgum stöðum í og við Grímsvötn. - Breytingar á gígsvæði frá fyrra ári voru kannaðar og hiti mældur á jarðhitasvæðinu vestan til á gígsvæðinu. - Breytingar á ísskriði inn að sigkatlinum VG7 á norðanverðu ísasvæði vatnanna voru mældar.
6 1. mynd. Grímsvötn yfirlitskort með merkingum katla (VG1-VG18). Gögnin voru nýtt til að vinna eftirtalin verkefni: 1. Gera kort af Grímsvötnum eins og þau voru í júní 2001 og 2002 og nýta þau til að skoða breytingar í massa íss á svæðinu. 2. Athuga þróun gígsvæðisins, hvernig gígurinn frá 1998 breytist, sígur til og hugsanlega ummyndast. 3. Meta varmaafl Grímsvatnasvæðins fyrir 2000-2002. 4. Meta þróun ísstíflunnar og hvaða áhrif jarðhitinn hefur á hana og möguleika á vatnssöfnun í Grímsvötnum. 5. Rannsaka samspil ísflæðis og jarðhita í einstökum sigkötlum. Rannsóknir á jökulhlaupum, vatnshæð og stærð vatnsgeymis á hverjum tíma tengjast þeim verkefnum sem hér er fjallað um. Þær rannsóknir eru á hendi Helga Björnssonar og Finns Pálssonar á Raunvísindastofnun. Samvinna hefur verið við Helga og Finn um gagnaöflun og frumúrvinnslu.
7 2. YFIRBORÐ GRÍMSVATNA Sigdæld Grímsvatna með hinni bröttu norðurhlíð Grímsfjalls er helsta landformið á svæðinu. Að auki einkennist það af mörgum sigkötlum, misstórum og djúpum (1. mynd). Til að auðvelda umræðu og tilvísanir til einstakra katla hefur þekktum kötlum verið gefið nafn, VG1-VG18. Er nafngiftin hugsuð á þann veg að fyrsti stafur vísar til Vatnajökuls en sá næsti til Grímsvatna. Síðan kemur hlaupandi númer (1. mynd). Þetta kerfi er einfalt og hefur þann kost að hægt er að nota það fyrir alla jökla landsins ef ástæða er til. Katlar í Kverkfjöllum gætu t.d. fengið auðkennið VK, M á Mýrdalsjökli M, E á Eyjafjallajökli o. s. frv. Mælilínur voru eknar á vélsleðum með GPS tæki en viðmiðunarstöð var á Grímsfjalli. Mælilínur eru í viðauka A en kortin sem byggð eru á mælingum 2001 og 2002 eru á 2. og 3. mynd. Breytingar milli 2000 og 2001 voru ekki áberandi. Vatnshæð var þó um 10 m hærri í júní 2001 en var árið áður sem kemur fram í því að yfirborð íshellunnar var um 1400 m yfir sjó en ekki 1390 m eins og 2000. Í júní 2002 var vatnsborð mjög lágt, um 1345 m y.s. en lítið hlaup kom úr vötnunum í apríl það ár. Á 4. mynd eru ljósmyndir sem sýna gígsvæðið undir Vestari Svíahnúk á ýmsum tímum. Tökustaðurinn er sá sami en myndaröðin sýnir þróun lónsins vestan gosstöðvanna frá 1999 en þar hafa orðið hvað mestar breytingar frá goslokum. Vatnsborð er nokkuð mishátt á myndunum (1345-1390 m) en að öðru leyti voru aðstæður svipaðar. Lónið myndaðist 1999-2000 en hefur síðan kólnað nokkuð án þess að minnka. Þróun sigketilsins VG7, 4 km norður af Eystri Svíahnúk, er athyglisverð (5. mynd). Ketillinn dýpkaði um 20-25 m milli 1997 og 1998 í aðdraganda Grímsvatnagossins. Hélst hann síðan nokkuð stöðugur fram til 2000 en grynnkaði þá aftur og var á árinu 2002 orðinn svipaður og var fyrir gosið. Endurspeglar þetta þróun jarðhitans. Katlar eins og VG7 og aðrir katlar norðan vatnanna eru það litlir að ósennilegt verður að teljast að að hækkunin stafi af vatnssöfnun undir þeim. Sennilegast er að hækkun þeirra sýni minnkun í jarðhita á þessum stöðum. Mestu breytingarnar eftir gosið hafa orðið á gosstöðvunum sjálfum og með norðausturhlíð Grímsfjalls þar sem aukinn jarðhiti hefur brætt rás gegnum ísstífluna sem heldur að vötnunum að austan (6. mynd). Greinilegt dýpkun var þar milli 2000 og 2001 en breytingar milli 2001 og 2002 eru ógreinilegri. Hæstur er þröskuldurinn nú á þeim stað sem merktur er með tölunni 5, um 1490 m y.s. Hefur hæsti punktur færst austur um 2 km frá 1998. Eins og 6. mynd sýnir hefur jökullinn lækkað þar um marga tugi metra. Á móti kemur að austan þessa svæðis, þar sem hitaaukningar gætir ekki, hefur ísskrið verið að loka hlauprásinni frá 1996.
8 2 mynd. Yfirborð 2001. 3. mynd. Yfirborð 2002.
9
10 5. mynd. Snið yfir jarðhitakatla norðan við Grímsvötn 1997-2002. Staðsetning, sjá 2. og 3. mynd.
11
12
13 Á 7. mynd er þróun yfirborðshæðar í Grímsvötnum milli 1997 og 2002 sýnd. Innan þess svæðis sem er á floti flöktir hæðin nokkuð og endurspeglar það breytilega vatnshæð. Utan þess svæðis sjást hæðarbreytingar sem tengjast að einhverju leyti breytilegri afkomu (1-2 m/ár) en þær eru ekki til umjöllunar hér. Breytingar eru mestar á þeim stöðum sem nefndir voru áðan, þ.e. á gosstöðvunum, rásinni meðfram norðaustanverðu Grímsfjalli, og í einstökum sigkötlum eins og VG7 norðan sjálfra vatnanna. Myndirnar sýna að fram til 2001 eru bráðnun og lækkun fyrirferðarmestar en breyting verður árið 2002. Bráðnun heldur að vísu áfram á gosstöðvum og meðfram Grímsfjalli en norðan vatnanna hækkar jökullinn. Svo virðist því sem svæðið hafi kólnað 2002. 3. VARMAAFL Varmafl Grímsvatna var metið á sama hátt og gert var fyrir árið 2000 (Magnús T. Guðmundsson og fl., 2001). Eins og áður hefur komið fram hefur frá 1996 ekki verið hægt að nýta vatnssöfnun milli hlaupa til að meta varmaafl eins og áður var gert (Helgi Björnsson, 1988; Helgi Björnsson og Magnús T. Guðmundsson, 1993) vegna þráláts leka úr Grímsvötnum. Sú aðferð sem nú er notuð byggist á því að hægt sé að greina aflið í þrjá þætti: Grunnafl (P 0 ) sem samsvarar því varmaafli var áður en umbrot hófust. Afl sem nýtist til bræðslu íss umfram grunnaflið (P i ), og varmaafl sem fer beint út í andrúmsloftið með gufu (P a ) og nýtist því ekki til bræðslu íss. Heildarafl er því (1) P = P 0 + P + P heild i a Umframaflið P i fæst með því að mæla breytingar í ísmagni, þ.e. með því að bera saman kort sem gerð eru á mismunandi tímabilum. Til að forðast áhrif sumarsbráðnunar á yfirborði er hér notuð sú aðferð að bera saman kort sem gerð eru á sama tíma ár hvert, þ.e. að vori áður en leysing hefst. Einnig verður hér að undanskilja þau svæði sem eru á floti, þ.e. íshellu Grímsvatna. Breytingar í þykkt hennar er hægt að mæla með endurteknum íssjármælingum. Aflið P i er þá P i ( Vi V = t h )ρ L i (2) Hér er V i rúmmálsbreyting íss utan íshellu (lækkun yfirborðs metin sem jákvæð stærð) V h er rúmmálsaukning íshellu vegna þykknunar (getur verið neikvæð stærð ef hellan þynnist), ρ i = 910 kg m -3 er eðlismassi íss, L=335 KJ kg -1 er bræðsluvarmi íss og t tími milli mælingar (1 ár). V i er reiknað sem rúmmál milli yfirborðs jökulsins á kortum fyrir 2001 og 2000 annarsvegar (mynd 7c) og 2001 og 2002 hinsvegar (mynd 7d). Í 1. töflu eru
14 8. mynd. Varmaafl Grímsvatna 1991-2002. rúmmálsbreytingar á tímabilinu. Niðurstaðan er V i = 55x10 6 m 3 fyrir 2001 en V i = - 58x10 6 m 3 fyrir 2002. Samkvæmt jöfnu (2) þýðir þetta að P i hafi numið um 550 MW frá júní 2000 til júní 2001. Á sama hátt fengist að jarðhitaafl hafi lækkað um 560 MW niður fyrir grunnafl milli 2001 og 2002. Þó mögulegt sé að þetta sé rétt niðurstaða er erfitt að samþykkja hana að svo stöddu. Rúmmálsbreyting svæðisins norðan og austan íshellu fæst með því að athuga 26 km 2 svæði norðan vatnanna. Breytingin nemur rúmlega 2 m hækkun svæðisins og gæti hún að verulegum hluta stafað af afkomubreytingum, þ.e. minni leysingu og eða auknu innskriði íss til Grímsvatnasvæðisins. Mælingar 2003 munu skera úr um hvað rétt er. 1.tafla. Rúmmálsbreytingar íss 2000-2002 Svæði 2001 2002 10 6 m 3 10 6 m 3 Norðan og norðaustan íshellu 13-59 Gígsvæði og norðurhlíð Grímsfjalls 42 1 Lón vestan gígs 0 0 Þykknun íshellu 0 0 Samtals (V i V b ) 55-58
15 Afl sem tapast til andrúmslofts hefur líklega haldist svipað og var árið 2000. Þennan þátt er ákaflega erfitt að áætla og varla nema um stærðargráðumat að ræða, gufa úr hömrum og sigkötlum á og við Grímsfjall var áberandi 2002 en lónið við gosstöðvarnar var ísi lagt að hluta. Hér er afl sem tapast til andrúmslofts ekki talið hafa breyst frá 2000 (Magnús T. Guðmundsson og fl. 2001) og að það sé því 150 MW. Grunnaflið er hér talið það sama og var að meðaltali 1991-1996 eða 1800 MW (Helgi Björnsson, 1997). Heildaraflið fyrir 2001 er því metið 2500 MW en 1400-2000 MW árið 2002. Varmafl sem fall af tíma er sýnt á 8. mynd. Ljóst er að eftir skyndilega aukningu í varmafli í gosinu 1998, hefur aflið lækkað á ný og virðist jarðhiti nú sækja í sama far og var fyrir gosið. 4. BREYTINGAR Á GÍGSVÆÐI Í júní 2001 voru gerðar hitamælingar á gígnum en aðeins takmarkaðar hæðarmælingar. Hæðarmælingar á gígnum voru ítarlegri 2002 og hitamælingar með svipuðum hætti og árin á undan. Ekki voru gerðar mælingar á ísskriði inn að gígsvæðinu, enda augljóst af aðstæðum að það var mjög lítið, svipað eða minna en 1999-2000 (Magnús T. Guðmundsson og fl., 2000, 2001). 4.1. Þróun gígsins Í meginatriðum urðu litlar breytingar á gígsvæðinu milli 2000 og 2001. Vatnsborð var 10 m hærra í júní 2001 en var á sama tíma árið áður. Allstaðar var bratt niður að lóninu vestast í júní 2001 og ekki hægt að komast að því svo vel væri. Vestari gígbarmurinn hélt áfram að síga (9.-12. mynd) og var sigið að mestu um misgengisflötinn sem leggur gegnum vestari barminn og allt til vesturenda gosstöðvanna. Litlar eða engar breytingar urðu á austurhluta gosstöðvanna. Allmikill skafl safnast nú fyrir í gígnum sjálfum, líklega mest snjór sem fýkur fram af Grímsfjalli og skríður niður hlíðarnar í snjóflóðum á vetrum. Töluvert umrót átti sér stað vestast á gosstöðvunum veturinn 2001-2002. Við austurströnd lónsins var á árunum 1999-2001 áberandi höfði, lóðréttur mót vestri. Hann samastóð af lítt samlímdri gjósku sem í gosinu hafði hlaðist upp að ísvegg við vesturenda gossprungunnar. Þegar að var komið í júní 2002 var höfðinn horfinn og brekkan niður að lóninu brattari en áður. Þarna hafði því stórt stykki hrunið niður í lónið. Ekki er vitað hvenær þetta gerðist en strandlínur í brekkunni niður að lóninu benda til að hrunið hafi orðið áður en fór að lækka að ráði í vötnunum í hlaupinu í apríl. Þá lækkaði vatnsborð um u.þ.b. 50 m. Snjóskaflinn sem tekinn er að myndast í megingígnum frá 1998 veldur því að eystri barmur gígsins gildnar til vesturs milli áranna 2001 og 2002 (12. mynd).
16
17
18
19
20 4.2. Jarðhiti Hitamælingar voru gerðar í gjóskunni í vesturhluta gosstöðvanna þar sem hita gætti á yfirborði. Staðið var að mælingunum á sama hátt og 2000. Staðsetningar mælinganna eru á 13. og 15. mynd en niðurstöður mælinganna á 14. og 16. mynd. 2001: Grafnar voru rúmlega 1 m djúpar holur og hiti mældur niður á 90 cm dýpi. Ein holan var þó 145 cm djúp (14. mynd). Á 13. mynd er hitasvæðinu skipt í þrennt. Á svæði A er hiti mun breytilegri en var árið 2000. Botnhitinn liggur á bilinu 10-93 C en var hvergi undir 80 C árið 2000. Á svæði B er hiti mjög svipaður og var árið áður og heldur hefur kólnað á svæði C. Í heildina eru breytingar þó ekki miklar og hitasvæðið svipað og var árið áður. Hiti við vatnsborð var allstaðar hár, en erfitt var að mæla vegna brattra bakka. Auk hitasvæðins vestan til á gosstöðvunum var einnig nokkur hiti við vatnborðið norður undan megingígnum og þar fyrir austan. Vök var beint norður af gígnum en ekki voru gerðar hitamælingar þar. Umfang og afl jarðhita á þessu slóðum er þó miklu minna en í vesturhlutanum. 2002: Vestast á gosstöðvunum fundust fyrstu merki um verulega samlímingu gjóskunnar. Erfiðara var en áður að grafa holur til hitamælinga. Virðist móbergsmyndun vera komin af stað á gígsvæðinu, þremur og hálfu ári eftir gosið. Breytingar milli 2001 og 2002 eru ekki áberandi (16. mynd). Hluti svæðis A hrundi niður í lónið og staðirnir þar sem mælt var lágu á 10-40 m dýpi í gosefnahaugnum árið áður. Í heildina virðist svæðið þó ívið kaldara en var árið áður. Í B hefur einnig kólnað dálítið. Þrír staðir hafa botnhita um eða undir 30 C en voru allir yfir þeim hita 2001. Í vestari gígbarmi megingígsins (svæði C) voru mun fleiri staðir mældir 2002 en árið áður. Þetta svæði virðist ekki hafa kólnað milli ára. Ef hitaferlarnir eru framlengdir niður ætti 100 C hiti að liggja á 2-3 m dýpi. 4.3. Lónið vestan gosstöðva Lónið við vesturenda gosstöðvanna var greinilega kaldara 2001 en árið áður. Stærð þess var svipuð en í júní þöktu ísrastir stóran hluta lónsins. Ekki voru tök á að fara út á lónið á gúmmíbát eins og gert var árið áður en augljóst var af ísþekjunni að hitastig vatns við yfirborð úti á lóninu var víðast hvar við frostmark. Ströndin árið 2002 lá innar en fyrri ár vegna hrunsins. Hiti við bakkann að austan var 40-60 C og vikurrastir áberandi. Hitastig vatnsins lækkaði út frá bakkanum og þegar komið var 100-150 m út var lónið ísi þakið eins og 2001.
21 5. ÍSSKRIÐ INN AÐ SIGKATLI Jarðhiti á Grímsvatnasvæðinu dreifist um nokkurt svæði. Sigkatlarnir marka uppstreymisstaði jarðhitans. Þeir eru misstórir og endurspeglar stærð þeirra að einhverju leyti afl jarðhitans. Samband þvermáls, dýptar, ísþykktar, hraða ísskriðs og afls jarðhita er illa þekkt og hefur ekki verið rannsakað. Til að afla upplýsinga um samspil þessara þátta hefur ísskrið inn að katli VG7 norðan til í Vötnunum (1. mynd) verið mælt í þrjú sumur, 2000, 2001 og 2002. Eins og áður hefur komið fram dýpkaði þessi ketill um 20-25 m 1998 þegar jarðhiti óx í undanfara gossins í desember það ár en dýpkunin gekk til baka milli 2000 og 2002. Þetta bendir til að jarðhiti hafi vaxið framan af en minnkað síðan aftur. Á 17. og 18. mynd sést ísskrið inn í ketilinn árin 2000-2002. Hraðar eru reiknaðir yfir í m/ár. Aðeins er mældur yfirborðshraði yfir sumarið og hér er gert ráð fyrir að ekki sé munur á ísskriði sumar og vetur. Það er sennilegt því mældir hraðar eru lágir og ólíklegt að ísskrið með botni sé verulegur þáttur í yfirborðshraða. Hraðinn vex mjög milli ára samfara því að ketillinn grynnkar. Það bendir til þess að grynnkunin sé vegna minnkandi varmastreymis, meiri ís berst inn í ketilinn en nær að bráðna við botninn. Annar möguleiki væri að vatn safnist fyrir undir katlinum. En við þær aðstæður mætti búast við að skriðhraði íss myndi standa í stað eða minnka, því mótstaða gegn skriði inn í ketilinn ætti að aukast eftir því sem hann hækkaði. Vatnssöfnun er því ólíkleg skýring. Hægt er að áætla afl ketilsins út frá þessum upplýsingum, ef afkoma á yfirborði er þekkt. Þá gildir að sá ís sem bráðnar (og hripar burtu sem bræðsluvatn) sé mismunur tveggja þátta: i) Summu ísskriðs inn í ketilinn og afkomu á yfirborði innan hans, og, ii) ísskriði út úr katlinum. Þessu má lýsa með því að setja upp samfellujöfnu fyrir flæði eftir straumlínu (t.d. Paterson, 1994): h q = b + b' + (3) t x h er hæð jökulyfirborðs, b er afkoma við yfirborð, b afkoma við botn (b neikvæð þar sem jarðhita gæti við botninn) og q er ísflæði. Almennt ætti að gilda að fyrir sigketil væri eðlilegast að reikna ísflæði úr öllum áttum inn í sívalning með ás í miðjum katlinum. Sigkatlarnir norðan til á Grímsvatnasvæðinu eru flestir frekar litlir og með radius af svipaðri stærð og ísþykktin. Þá standa þeir í brekku og niður hana skríður ísinn að vötnunum. Því leyfum við okkur að einfalda vandamálið og gera ráð fyrir að ketillinn hafi áhrif á ísskrið á svæði sem er jafnbreitt og nemur þvermáli ketilsins. Hér líður eitt ár milli mælinga þ.a. réttara er að setja jöfnuna upp sem
17. mynd. Ísskrið við ketilinn VG7 2000-2002 (a, b og c), 5 m hæðalínubil. d) hæðarbreyting milli 2000 og 2001, e) hæðarbreyting milli 2001 og 2002, 2 m hæðalínubil. Ketill VG8 hefur öfugt við VG7 dýpkað á tímabilinu. 22
23 h q = b + b' + (4) t x þar sem t = 1 ár, q er mismunur ísflæðis inn í ketilinn og út úr honum. x er bilið milli efra og neðra þversniðs þar sem ísflæði inn í og út úr katlinum er mælt. Mælingar á skriðhraða ofan og neðan ketils sýna heildaráhrif ketilsins á ísflæðið q, hæðarbreytingar ketlisins eru mældar og ef b er þekkt stendur aðeins eftir liðurinn b og má þá leysa jöfnu (4). Í 2. töflu eru liðir jöfnunnar metnir fyrir þau þrjú ár sem mælingar ná yfir. Fyrir 1999-2000 breyttist ketillinn nánast ekkert og gert er ráð fyrir að hraði frá miðju ári 1999 til miðs árs 2000 hafi verið sá sem mældist sumarið 2000. Fyrir 2000-2001 er notað meðaltal hraða 2000 og 2001. Gert er ráð fyrir að meðalhraði í þversniði sé 90% af yfirborðshraða (Paterson, 1994). Hér gildir að q = 0.9x(h inn U inn - h út U út ) og x =600 m. Ísþykktir eru h út =350 m og h inn =300 m. Mældur hraði inn í ketil var 18 m ár -1 og út úr honum 5 m ár -1 árið 2000, 23 m ár -1 og 15 m ár -1 2001 og 22 m ár -1 og 18 m ár -1 2002. Í 2. töflu eru mælingarnar frá 2000 notaðar fyrir 1999-2000, en meðaltal aðliggjandi mælinga fyrir hin árin. 2. Tafla. Ketill GV7: ísflæði og varmaafl tímabil U inn U út h/ t q/ x b b P m ár -1 m ár -1 m ár -1 m ár -1 m ár -1 m ár -1 MW 1999-2000 18 5 0 5.5 1.0-6.5 38 2000-2001 21 10 4.6 4.0 1.0-0.4 2 2001-2002 23 17 2.6 1.5 1.0 0.1 ~0 Breidd ísasvæðisins þarf að ákveða áður en gildin á b eru reiknuð yfir í varmaafl. Hún skilgreinist sem breidd þess svæðis sem hraðabreytingin nær yfir. Árið 2000 er það nærri 1000 m en virðist hafa minnkað 2001, í e.t.v. 500-700 m. Gildin á h/ t fyrir seinni tvö árin eru því fengin með því að gera ráð fyrir 600 m breiðu ísasvæði, þ.e. upplyfting ketilsins meðaltal hækkunar á svæði sem er 600x600m 2 að stærð. Aflið fyrsta árið fæst með því að reikna rúmmál íss sem bráðnar á tímaeiningu á 1000x600 m 2 svæði 2000 en 600x600 m 2 seinni tvö árin og margfalda þá tölu með eðlismassa og bræðsluvarma íss. Eins og við er að búast af fyllingu ketilsins milli 2000 og 2001 minnkar afl ketilsins um eina stærðargráðu, eða úr tæplega 40 MW 1999-2000 í 0-2 MW seinni árin. Munurinn á afli er ekki marktækur milli 2001 og 2002.
24 18. mynd. Lega sniðs sést á 17a). a) Hraði ísskriðs niður í átt að Grímsvötnum. b) Breytingar í hæð yfirborðs. c) Yfirborð og botn eftir sniðinu.
25 Þó svo hér sé beitt töluverðri einföldun með því að reikna flæði íss tvívítt, þ.e. eftir einni straumlínu samsíða meginskriðstefnu, benda niðurstöðurnar til þess að með einföldum mælingum sé hægt að áætla afl einstakra sigkatla (að því gefnu að ísþykkt sé þekkt). Óvissa í niðurstöðum er mikil en þær sýna þó ótvírætt að breytingar í afli jarðhita geta verið æði snöggar og að stærð ketils á hverjum tíma er ekki einhlítur mælikvarði á afl jarðhita undir honum. Þær aðferðir sem hér hafa verið notaðar gætu reynst gagnlegar við mat á sigkötlum í Mýrdalsjökli og víðar. 6. ÞRÓUN JARÐHITA OG HORFUR UM VATNSSÖFNUN Allt frá haustinu 1996 hefur verið uppi sú þversagnakennda staða að ísbráðnun á vatnasviði Grímsvatna hefur verið með mesta móti en jökulhlaup hafa verið lítil. Ástæður þessarar þróunar voru í fyrstu skemmdir sem urðu á ísstíflu Grímsvatna í stóra hlaupinu í nóvember 1996 (Helgi Björnsson, 1997). Frá Grímsvatnagosinu hefur jarðhiti undir ísstíflunni valdið lækkun hennar og skertri getu vatnanna til vatnssöfnunar. Á 19. mynd er sýnd þróun jarðhita á vatnasviði Grímsvatna, en afl Gjálpar er fengið úr skýrslu til Vegagerðarinnar (Magnús T. Guðmundsson og Þórdís Högnadóttir, 2003). Aflið 1997-2002 hefur verið miklu meira en var að jafnaði í Grímsvötnum á árabilinu 1960-1991 (Helgi Björnsson og Magnús T. Guðmundsson, 1993; Helgi Björnsson, 1997). Þessar niðurstöður sýna að aukinn jarðhiti á Grímsvatnasvæðinu er ekki nægileg forsenda vatnssöfnunar og stækkandi jökulhlaupa. Lega þeirra jarðhitasvæða sem færast í aukana er lykilatriði. T.d. hefði þróun vatnanna orðið með töluvert öðrum hætti síðustu ár ef jarðhitaaukningin hefði einkum orðið í vesturhluta Grímsvatnaöskjunnar. Jarðhiti á því svæði hefði valdið stækkun vatnsgeymisins og líklega stækkandi Skeiðarárhlaupum. Aukinn jarðhiti á svæði ísstíflunnar hefur þveröfug áhrif eins og þróunin frá 1998 sýnir. Aðstæður nú benda til þess að ekki sé að vænta umtalsverðra Skeiðarárhlaupa úr Grímsvötnum á allra næstu árum. Þó svo færi að drægi úr jarðhita við ísstífluna, en ekki hafa komið fram merki um það ennþá, tæki það nokkur ár að ná þeirri hæð sem var 1998. Enn lengri tíma tæki að ná stöðunni sem var fyrir umbrotin 1996. Einnig er sennilegt að ný eldsumbrot af svipaðri stærð og Gjálpargosið á vatnasviði Grímsvatna myndu varla valda jafn stórfenglegum atburðum og urðu haustið 1996, þ.e. mikilli vatnssöfnun í Grímsvötnum og stóru, snöggu hlaupi. Reikna má með að vatn ætti fremur auðvelda leið gegnum ísstífluna við núverandi aðstæður og hlaup sem af hlytist hefði líklega mun lægri flóðtopp, að því gefnu að bráðnun í eldgosi yrði ekki mikið meiri en var í Gjálp.
26 19. mynd. Afl Grímsvatna og Gjálpar 1991-2002.
27 7. SAMANTEKT 1. Jarðhiti hélt áfram að dýpka dældir á gosstöðvunum frá 1998 og í gegnum ísstífluna norðan Grímsfjalls. Verulega hægði þó á þeirri þróun 2002. Sigkatlar norðan vatnanna hafa sumir minnkað frá árinu 2000. Á þetta ekki síst við um ketilinn VG7. 2. Jarðhitaafl Grímsvatna fór lækkandi 2000-2002. Aflið var að meðaltali 2500 MW 2000-2001 og 1400-2000 MW fyrir 2001-2002. Er afl til ísbræðslu nú komið niður í það sem var fyrir Grímsvatnagosið 1998. 3. Á gosstöðvunum frá 1998 urðu verulegar breytingar 2002 þegar vestasti hluti gosefnahaugsins hrundi niður í lónið vestan þeirra. Jarðhiti í vesturhluta gígsvæðisins hélst töluverður á tímabilinu. Merki sjást nú um aukna samlímingu gjóskunnar, einkum vestast þar sem hiti hefur verið verulegur. 4. Mælingar á ísskriði til sigketils norðan vatnanna (VG7) sýna samhengi ísskriðs, dýptar ketils og jarðhita undir honum. Ketillinn grynnkaði mikið milli 2000 og 2001 og afl hans hrapaði úr tugum megawatta niður í örfá megawött á einu ári. Aðferðir af þessu tagi geta nýst við mat á sigkötlum víðar en í Grímsvötnum. 5. Þó jarðhitaafl síðustu síðustu 6 árin sé nú meira en verið hefur frá 1960 veldur dreifing jarðhita í Grímsvötnum því að vatnssöfnun er lítil, smáhlaup og leki eru ráðandi. Telja verður líklegt að þó svo jarðhiti kulnaði undir ísstíflunni myndu nokkur ár líða áður en hlaup sæktu í sama horf og var fyrir 1996. 8. HEIMILDIR Guðrún Larsen, Magnús T. Guðmundsson og Helgi Björnsson. 1998. Eight centuries of periodic volcanism at the center of the Iceland hot spot revealed by glacier tephrastratigraphy. Geology, 26, 943-946. Helgi Björnsson. 1997. Grímsvatnahlaup fyrr og nú. Í: Hreinn Haraldsson (ritstj.) Vatnajökull. Gos og hlaup 1996, Vegagerðin, Reykjavík, 61-78. Björnsson, H., Hydrology of ice caps in volcanic regions, Societas Scientiarum Islandica, 45, Reykjavík, pp. 1-139, 1988. Helgi Björnsson og Magnús T. Guðmundsson. 1993. Variations in the thermal output of the subglacial Grímsvötn Caldera, Iceland. Geophysical Research Letters, 20, 2127-2130. Helgi Björnsson, Helmut Rott, Sverrir Gudmundsson, Andrea Fischer, Andreas Siegel and Magnús T. Gudmundsson. 2001. Glacier-volcano interactions deduced by SAR interferometry. Journal of Glaciology, 47, 58-70.
28 Hreinn Haraldsson (ritstj.). 1997. Vatnajökull. Gos og hlaup 1996, Vegagerðin, Reykjavík. Magnús T. Guðmundsson, Freysteinn Sigmundsson og Helgi Björnsson. 1997. Icevolcano interaction of the 1996 Gjálp subglacial eruption, Vatnajökull, Iceland. Nature, 389, 954-957. Magnús T. Guðmundsson, Þórdís Högnadóttir, Finnur Pálsson og Helgi Björnsson. 2000. Grímsvötn: Eldgosið 1998 og breytingar á botni, rúmmáli og jarðhita 1996-1999. Raunvísindastofnun Háskólans RH-03-2000. 32 bls. Magnús T. Guðmundsson, Finnur Pálsson, Þórdís Högnadóttir, Kirsty Langley og Helgi Björnsson. 2001. Rannsóknir í Grímsvötnum árið 2000. Raunvísindastofnun Háskólans, RH-30-2001. 25 bls. Magnús T. Gudmundsson, Finnur Pálsson, Helgi Björnsson, og Þórdís. Högnadóttir. 2002. The hyaloclastite ridge formed in the subglacial 1996 eruption and Gjálp, Vatnajökull, Iceland: present day shape and future preservation, in Volcano-Ice Interaction on Earth and Mars, Geological Society London Spec. Publ., 202 ritstj: J.L. Smellie og M. Chapman, pp. 319-335. Magnús T. Guðmundsson og Þórdís Högnadóttir. 2003. Gjálp 1997-2002. Mælingar á ísskriði og varmaafli. Raunvísindastofnun Háskólans, RH-02-2003. Paterson W.S.B. 1994. The physics of glaciers. Pergamon/Elsevier, Kidlington, 480 bls.
29 Viðauki A: DGPS sniðmælingar vor og haust 2001.
30 Viðauki A: DGPS sniðmælingar vor og haust 2002.