Analysis of deformation and stress regimes associated with dike emplacement

During eruptive events, magma propagates vertically towards the surface through magma-filled fractures, referred to as dikes. However, in most cases dikes arrest in the crust, not leading to an eruption. In shallow settings, dike emplacement causes a concentration of tensile and shear stresses in the host rock, which can lead to brittle deformation at the topographic surface, with the formation of tension fractures and normal faults, often creating a graben. In the last decades, analytical, analogue and numerical models have been designed to analyze the relation between magma emplacement and dike-induced surface deformation, but mostly with an elastic half-space, homogeneous and isotropic, without taking into account the layering of the crust. Realistic field data should be considered to overcome this limitation, to avoid errors in the reconstruction of dike geometry. For this reason, in this project, I integrated realistic structural data with numerical modeling. Study areas are located on Mt. Etna (Italy), along the 1928 and 1971 eruptive fissures, and in SW Iceland, along the Younger Stampar eruptive fissure. These case studies were all affected by shallow dike emplacement. On Mt. Etna, this led to brittle surface deformation, which is nowadays still visible in plan view and, for the 1971 case study, also in section view. The main aim is to investigate the parameters that i) promote or inhibit dike-induced brittle deformation at the surface, ii) control the geometry of dike-induced graben faults, and iii) favor dike arrest at shallow depths. To collect new structural data, I integrated classical fieldwork with remote sensing analyses, thanks to high-resolution 2D and 3D models derived from drone-collected images and historical aerial photographs through Structure from Motion (SfM) techniques. All these data were then used as inputs for Finite Element Method (FEM) numerical modeling using the software COMSOL Multiphysics®, running sensitivity analyses to understand which parameters affect dike-induced surface deformation and dike propagation. This thesis confirms the role of dike overpressure and inclination on its propagation and on dike-induced stresses. Furthermore, it points out the effects of layering on the formation of stress barriers and on the distribution of dike-induced stresses, with stiffer materials that concentrate stresses and softer materials that suppress them. Shear stress distribution in the host rock also suggests that softer layers favor the formation of narrow grabens, whereas stiffer layers promote wider grabens. The role of topography is also investigated, confirming its influence on dike propagation path and on the geometry of graben faults. Finally, this thesis highlights the impact of lateral compression due to nearby previous intrusions, which can favor dike arrest and the absence of surface deformation. This result also validates conceptual models by previous authors, regarding the geometry of dike-induced grabens at slow and fast spreading ridges.

Durante gli eventi eruttivi, il magma si propaga verso la superficie attraverso dicchi verticali. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, questi dicchi si arrestano nella crosta, senza provocare un'eruzione. La messa in posto di dicchi nella parte più superficiale della crosta provoca una concentrazione di sforzi di trazione e taglio nella roccia incassante, che possono portare a deformazioni fragili sulla superficie topografica, con la formazione di fratture estensionali e faglie normali, spesso creando un graben. Negli ultimi decenni sono stati utilizzati modelli analitici, analoghi e numerici per analizzare la relazione tra l’intrusione di magma e la deformazione superficiale indotta dai dicchi; la maggior parte di questi modelli, però, utilizza uno semispazio elastico, omogeneo e isotropo, senza tenere conto delle eterogeneità della crosta. Per superare questa limitazione ed evitare errori nella ricostruzione della geometria del dicco, quindi, è necessario prendere in considerazione dati realistici raccolti sul campo. Per questo motivo, in questo progetto, ho integrato dati strutturali realistici con la modellazione numerica. Le aree di studio sono situate sull'Etna (Italia), lungo le fessure eruttive del 1928 e del 1971, e nel sud-ovest dell'Islanda, lungo la fessura eruttiva “Younger Stampar”. Questi casi di studio sono stati tutti interessati dalla messa in posto di dicchi a basse profondità. Sull'Etna, ciò ha portato ad una deformazione fragile della superficie, che oggi è ancora visibile in pianta e, per il caso di studio del 1971, anche in sezione. Lo scopo principale è quello di indagare i parametri che i) promuovono o inibiscono la deformazione fragile indotta dai dicchi in superficie, ii) controllano la geometria delle faglie del graben indotte dai dicchi e iii) favoriscono l'arresto dei dicchi a basse profondità. Per raccogliere nuovi dati strutturali, ho integrato il classico lavoro sul campo con analisi su modelli 2D e 3D ad alta risoluzione, derivati da immagini raccolte da droni e fotografie aeree storiche attraverso tecniche Structure from Motion (SfM). Tutti questi dati sono stati poi utilizzati come input per la modellazione numerica (metodo degli elementi finiti, FEM) utilizzando il software COMSOL Multiphysics, eseguendo analisi di sensibilità per comprendere quali parametri influenzano la deformazione superficiale indotta dai dicchi e la loro propagazione. Questa tesi conferma il ruolo della sovrappressione e dell'inclinazione del dicco sulla sua propagazione e sugli stress indotti dal dicco stesso. Inoltre, vengono evidenziati gli effetti della stratigrafia sulla formazione di stress barriers e sulla distribuzione degli stress indotti dai dicchi, con materiali con maggior modulo di Young (E) che concentrano gli stress e materiali con E minore che li sopprimono. La distribuzione dello stress di taglio nella roccia incassante suggerisce anche che gli strati con E più basso favoriscono la formazione di graben stretti, mentre gli strati con E maggiore promuovono graben più ampi. Viene inoltre studiato il ruolo della topografia, confermando la sua influenza sulla propagazione dei dicchi e sulla geometria delle faglie del graben. Infine, questa tesi evidenzia l'impatto della compressione laterale dovuta a vicine intrusioni precedenti, che possono favorire l'arresto del dicco e l'assenza di deformazione superficiale. Questo risultato convalida anche modelli concettuali di autori precedenti, riguardanti la geometria dei graben indotti dai dicchi lungo le dorsali lente e veloci.