background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 53, 4, BRATISLAVA, AUGUST  2002

215—221

TOPOGRAPHY EFFECTS ON THE DISPLACEMENTS

AND GRAVITY CHANGES DUE TO MAGMA INTRUSION

MARIA CHARCO

1

, LADISLAV BRIMICH

2* 

and JOSÉ FERNÁNDEZ

1

1

Instituto de Astronomía y Geodesia (CSIC-UCM), Facultad de Ciencias Matemáticas, Ciudad Universitaria, 28040 Madrid, Spain;

charco@mat.ucm.es,    jft@iagmat1.mat.ucm.es

2

Geophysical Institute, Slovak Academy of Sciences, Dúbravská cesta 9, 842 28 Bratislava, Slovak Republic;  geofbrim@savba.sk

*Corresponding author: Tel.: 421-7-59410603; Fax: 421-7-59410626

(Manuscript received June 13, 2001; accepted in revised form December 13, 2001)

Abstract: The paper describes a method for including topographic effects in a thermo-visco-elastic model. An approxi-
mate  methodology  for  the  consideration  of  topography  in  the  computation  of  thermo-viscoelastic  displacement  and
gravity changes was used. It gave us a relatively general and simple solution useful for solving the inverse problem. Our
results show that for volcanic areas with an important relief, the perturbation of the thermo-viscoelastic solution (defor-
mation and total gravity anomaly) due to topography can be quite significant. In consequence, neglect of topographic
effects can give a rise to significant errors in the estimation of surface displacements and gravity changes, and therefore
in the estimation of the intrusion characteristics obtained solving the inverse problem.

Key words:  ground deformation modelling, topographic effect.

Introduction

A magma intrusion in the Earth’s crust will cause effects (for
example deformation and gravity changes) related to its mass
as well to the pressurization of the chamber due to overfilling
or temperature changes. The deformation due to an expanding
or contracting magma chamber has frequently been modeled
as a dilatation source in an elastic halfspace. The simplest ex-
ample is the Mogi’s model (Mogi 1958). The source of defor-
mation is hypothesized as a hydrostatic pressure source, em-
bedded  in  a  homogeneous  elastic  half-space.  The  pressure
source  is  regarded  as  a  strain  nucleus,  that  is  a  point  like  a
source with radial expansion, that is similar to the inflation of
a spherical cavity. A finite source can be satisfactorily approx-
imated by a point source, provided that the source dimensions
are  small  with  respect  to  source  depth.  Other  models  have
been used to examine different types of deformation sources.
For instance, McTigue (1987) has derived an approximate ana-
lytical solution similar to the Mogi model that includes higher-
order terms to represent the finite shape of a spherical body;
Davis  (1986)  has  developed  approximate  solutions  for  ellip-
soidal magma chambers.

The theory of the thermoelastic phenomena shows that ther-

moelastic stresses and deformations can arise in an elastic con-
tinuum  if  an  inhomogeneous  temperature  field  exists  in  the
media (see e.g. Nowacki 1962). Thus we can expect various
thermoelastic phenomena to occur in some regions like volca-
nic areas, with an anomalous behaviour of the heat flow. In
the  geodynamic  theory,  it  is  well-known  that  thermo-elastic
strains and stresses play a considerable role in the stress state
of the lithosphere and its dynamics, specially in localities with
pronounced  geothermal  anomalies  (Combs  &  Hadley  1977;
Teisseyre  1986).  For  this  reason,  Hvoždara  &  Rosa  (1979,

1980) carried out a theoretical analysis of thermo-elastic de-
formations of a homogeneous half-space due to a point or lin-
ear  source  of  heat,  located  at  a  particular  depth  in  the  half-
space. They proved that thermo-elastic stresses are expansive
in type and that they considerably disturb the normal lithostat-
ic stress, specially near the surface of the half-space. Hvoždara
& Brimich (1991) presented basic formulae and the results of
numerical calculations for the simplified mathematical models
of two important effects due to magmatic bodies in the Earth’s
lithosphere: a) static thermoelastic deformations, b) static elas-
tic deformations due to upward pressure. The magmatic body
is approximated by a finite volume source of heat in the first
model and by a concentrated vertical force in the second one.
The formulae for gravity anomaly due to non-uniform exten-
sion connected with thermo-elastic deformations were derived
in Hvoždara & Brimich (1995).

The elastic and thermoelastic models described above have

allowed an explanation of the measured geodetic data in many
volcanic regions, particularly when movements occur on rela-
tively  short  timescales.  However,  in  many  cases  the  elastic
models  seem  to  be  unable  to  reproduce  the  observed  uplifts
unless  unrealistic  overpressures  are  considered  and  they  are
often unable to explain the simultaneously observed displace-
ment and gravity changes (see e.g. Berrino et al. 1984; Jentz-
sch et al. 2001). The presence of incoherent materials and high
temperatures produce a lower effective viscosity of the Earth’s
crust,  making  it  necessary  to  consider  inelastic  properties  of
the media (Bonafede et al. 1986; Bonafede 1990; De Natale &
Pingue  1993).  Bonafede  et  al.  (1986)  and  Bonafede  (1990)
worked out analytical solutions for the displacement and asso-
ciated stress fields induced by a pressure point source in a vis-
coelastic half-space and showed that the viscoelastic response
may  reproduce  the  observed  uplifts  with  plausible  overpres-

background image

216                                                                    CHARCO, BRIMICH

 

and FERNÁNDEZ

sure values. Several analytical models with inelastic properties
have  been  proposed  by  different  authors.  Hvoždara  (1992)
considered a model of a viscoelastic half-space of the Kelvin
type, with a point source of heat. This paper presents basic for-
mulae for the stress and strain components of the deformation
field.  The  thermo-viscoelastic  deformation  field  due  to  a
source of heat of prismatic shape embedded in a viscoelastic
half-space and the formulae for the gravity changes due to the
volume dilatation connected with the deformation field are de-
rived in Brimich (2000). Folch et al. (2000) obtained and com-
pared analytical and numerical solutions for ground displace-
ment caused by an overpressurized magma chamber placed in
a linear viscoelastic media composed by a layer over a half-
space. Different parameters such as the size, depth or shape of
the chamber, crustal rheologies or topography are considered
and discussed. The effect of the topography is also considered.
Fernández et al. (2001) presented a method extension of a de-
formation model previously developed to compute effects due
to  volcanic  loading  in  elastic-gravitational  layered  media
(Rundle 1982, 1983; Fernández & Rundle 1994; Fernández et
al. 1997), for the computation of time-dependent deformation,
potential  and  gravity  changes  due  to  magma  intrusions  in  a
layered viscoelastic medium. They assumed a plane Earth ge-
ometry  consisting  of  welded  elastic  and  viscoelastic  layers
overlying  a  viscoelastic  half-space.  They  found  that,  in  line
with prior results obtained by other authors (see e.g. Bonafede
et al. 1986), introducing viscoelastic properties in all of part of
the medium can extend the displacements and gravity changes
considerably,  and  therefore  lower  pressure  increases  are  re-
quired  to  model  given  observed  effects.  In  their  results,  the
viscoelastic effects seem to depend mainly on the rheological
properties  of  the  layer  (zone)  where  the  intrusion  is  located,
rather  than  on  the  rheology  of  the  whole  medium.  They  ap-
plied  the  model  to  the  1982—1984  uplift  episode  at  Campi
Flegrei modelling simultaneously observed vertical displace-
ment and gravity changes. Their results clearly showed that for
an  appropriate  interpretation  of  observed  effects,  it  is  neces-
sary to consider the gravitational field in the inelastic theoreti-
cal models. This consideration can change the value and pat-
tern  of  time-dependent  deformation  as  well  as  the  gravity
changes, allowing us to explain cases of displacement without
noticeable gravity changes or vice versa, cases with uplift and
increment of gravity values, and others.

Many of the models with inelastic properties considered so

far  are  analytical,  assume  point  source  of  deformation  and  a
flat, horizontal free surface. Volcanoes are commonly associat-
ed  with  significant  topographic  relief.  The  approximation  of
Earth’s surface as flat and use of half-space solutions can lead
to  erroneous  interpretation  of  the  deformation  data  (see  e.g.
Cayol & Cornet 1998; Williams & Wadge 1998, 2000; Folch
et  al.  2000).  Williams  &  Wadge  (1998,  2000)  and  Cayol  &
Cornet (1998) pointed out that topography has a significant ef-
fect on predicted surface deformation by elastic models in re-
gions of significant relief. Those authors pointed out that, in
the elastic case, the interpretation of ground-surface displace-
ments  with  half-space  models  can  lead  to  erroneous  estima-
tions. Cayol & Cornet (1998) found that the steeper the volca-
no,  the  flatter  the  vertical  displacement  field.  Folch  et  al.
(2000)  demonstrated  that  this  result  is  dramatically  empha-

sised in the viscoelastic case, where the topography changes in
a very important way both the magnitude and the pattern of the
displacement field. They also showed that neglect of the topo-
graphic effects may, in some cases, introduce an error greater
than that implicit in the point source hypothesis. These are the
reasons we want to study the effect of topography on the sur-
face displacements and gravity changes obtained by the ther-
mo-viscoelastic  model  described  by  Hvoždara  (1992,  1998)
and Brimich (2000).

Thus we can quantify the error produced in the thermo-vis-

co-elastic solution. The effect of the topography is represented
allowing point source depth to vary with the relief, thus we re-
laxed the restriction of a flat free surface. If the topographic
perturbation is due primarily to the distance of the free surface
from  the  magma  chamber  rather  than  the  local  shape  of  the
free surface this type of solution should give a reasonable ap-
proximation (Williams & Wadge 1998).

If we use this methodology to introduce the topographic ef-

fects in the thermo-elastic and thermo-viscoelastic models we
still get analytical solutions. The advantage of this assumption
is something very clear, it allows us to obtain a relatively gen-
eral and simple solution useful for solving the inverse problem
(see e.g. Michalewicz 1994; Yu 1995; Yu et al. 1998; Tiampo
et al. 2000). Numerical methods, such as the finite element or
boundary element methods may be used to include the topo-
graphic effects when an accurate solution is desired for a par-
ticular deformation model, but such methods can be time-con-
suming in the length of time required to design a mesh and in
the actual computation time.

Thermo-viscoelastic deformation model

Elastic and thermoelastic models have allowed an explana-

tion of the measured geodetic data in many volcanic regions,
particularly when movements occur on relatively short time-
scales. The time evolution of heating of the halfspace (lithos-
phere)  and  associated  deformation  with  it  can  be  mathe-
matically  calculated  by  means  of  the  theory  of  thermo-
viscoelastic  deformation.  We  consider  a  non-steady  point
source of heat located at depth x  in the viscoelastic halfspace
> 0.  For  the  uncoupled  thermo-viscoelastic  problem,  the
temperature  disturbance  field  T(x,y,z,t)  due  to  this  source
must obey the equation (Nowacki 1962):

where 

λ

T

  is  heat  conductivity,  c

p

  is  specific  heat  under  con-

stant pressure, 

ρ

 is the material  density, w is the power of the

heat  source, 

δ

  is  the  Dirac  function,  H(t)  is  Heavside’s  unit

step function:
(t) = 0   for  < 0,
(t) = 1   for  > 0

.

If the surface of the half-space is kept at a constant tempera-

ture, which can be taken to be zero, then we have the boundary
condition on the surface = 0:

0

)

(

0

=

=

z

x,y,z,t

T

Considering the initial temperature disturbance in all points of

the half-space as zero, we obtain the initial condition for = 0:

   (1)

 (2)

t

T

ρ

c

t

H

ζ

z

δ

y

δ

x

T

λ

p

T

=

+

)

(

)

(

)

(

)

(

2

background image

TOPOGRAPHY EFFECTS ON THERMO-ELASTIC                                                             217

0

)

(

0

=

=

t

x,y,z,t

T

                                                               (3)

Then,  the  solution  of  equation  (1)  under  the  boundary  and

initial  conditions,  is  obtained  in  the  form  (Carslaw  &  Jaeger
1959):









=

κt

R

erfc

R

κt

R

erfc

R

πλ

w

r,z,t

T

T

4

4

4

)

(

2

1

2

1

1

1

          (4)

where R

1

 = [r

2

  + (z — 

ξ

)

2

]

½

R

2

 = [r

2

  + (z + 

ξ

)

2

]

½

, with r = (x

2

 +

y

2

)

½

 being the horizontal distance from the polar axis z and

κ

 

=

 

λ

T

/(c

p

ρ

). The complementary error function erfc(s) is de-

fined by:

=

s

u

du

e

π

s

erfc

0

2

2

1

)

(

                                                    (5)

The time and space variable temperature disturbance causes

variable stresses and displacements. Since the process of tem-
perature change is much slower in comparison with the propa-
gation time of elastic waves, it is sufficient to consider the stat-
ic equilibrium equation for a viscoelastic body:

3

2

1

0

3

1

,

,

i

x

σ

j

j

ij

=

=

=

                                                        (6)

where 

σ

ij

 

is the viscoelastic stress tensor. In the purely elastic

case the components 

σ

ij 

are given by the Duhamel-Neumann

relation, but in the viscoelastic case the stress-strain relations
are given by more complicated formulae (Nowacki 1962).

In  order  to  obtain  the  actual  temporal  behaviour  of  the

displacements and stresses we have to Laplace transform these
quantities.  The  detailed  calculation  was  performed  in
Hvoždara (1992).

The calculation was performed for a Kelvin body, for which

the generalized Duhamel-Neumann relation has the form of:









+

+

+





+

=

)

(

3

)

Θ(

1

2

3

3

1

)

(

1

2

)

(

,t

x

T

,t

x

t

t

µ

K

δ

,t

x

e

t

t

µ

,t

x

σ

r

T

r

*

ij

r

ij

*

r

ij

           (7)

where e

ij

 is the strain tensor, 

µ

 is the modulus of rigidity (the

Lamé’s constant), K = 

λ

 + 2

µ

/3 is the bulk modulus, t* = 

η

/

µ

 is

decay time, 

η

 being the viscosity of material, 

α

T

 is the thermal

coefficient of the linear expansion and 

Θ

(x

r

,t) is dilatation.

For the time dependence of displacements u and stresses 

σ

on the surface of the viscoelastic half-space, we have the fol-
lowing formulae (Hvoždara 1992):

,

τ

r

S

τ

t

V

π

Qr

,t

r,

u

t

r

=

0

1

)

,

(

)

(

)

0

(

,

)

(

)

(

)

4

(

)

(

2

)

(

2

)

,

0

,

(

0

2

0

4

2

3

1

3

0

2

0



+

=





 −

t

t

κτ

R

z

r,t

S

τ

t

W

e

κτ

τ

τ

t

b

π

ζ

t

b

R

ζ

π

Q

t

r

u

,

τ

r

S

τ

t

U

τ

r

S

τ

t

B

π

Q

,t

r,

σ

t

t

rr

=

0

1

0

0

)

,

(

)

(

)

,

(

)

(

2

)

0

(

,

)

,

(

)

(

)

,

(

)

(

2

)

0

(

0

1

0

0

+

=

ϕϕ

t

t

τ

r

S

τ

t

U

τ

r

S

τ

t

N

π

Q

,t

r,

σ

where

,

ζ

r

R

,

λ

Q

/

T

2

1

2

2

0

)

(

+

=

=

,

t

N

t

B

t

U

)

(

)

(

)

(

=

,

t

M

t

B

t

V

)

(

)

(

)

(

=

,

µα

α

2

1

=

,

µ

K

/

α

T

)

4

3

(

9

2

+

=

,

µt

K/

α

*

)

2

(

9

3

=

,

µt

/

µ

K

κ

*

)

4

(

)

4

3

(

1

+

=

,

µt

/

µ

K

κ

*

)

(

)

4

3

(

3

+

=

,

t

κ

β

*

1

1

1

=

(

)

,

β

r

I

β

r

β

r

I

β

r

e

ζ

t

δ

R

ζ

R

r,t

S

β

ζ

R

+

=





+

2

2

1

2

2

2

2

0

2

2

2

4

2

0

2

3

0

0

2

2

1

2

)

(

1

3

)

(

2

2

2

0

,

β

r

I

β

r

I

e

ζ

t

δ

R

r,t

S

β

ζ

R

=





+

2

2

1

2

2

0

2

4

3

0

1

2

2

)

(

)

(

2

2

2

0

,

e

π

ζ

t

δ

ζR

r,t

S

β

R





=

2

2

0

3

3

0

2

2

)

(

)

(

ds

s

dI

I,

κt

β

)

(

4

0

1

=

=

 is a modified Bessel function of the first

kind, order 1, I

0

 is the same, order 0, 

δ

(t) is the Dirac function.

Stresses 

σ

zz

 and 

σ

rz

 are zero according to the known bound-

ary condition of the theory of elasticity. The heat flow anoma-
ly due to the temperature field is:





 −

+

=

=

=

=

κt

R

πκt

R

κt

R

erfc

πR

z

T

λ

,t

r,

q

z

T

z

4

exp

)

(

4

2

)

0

(

2

0

1

2

0

2

0

3

0

0

In addition we can calculate the perturbation of gravity due

to a point source of heat. There are two principal reasons for
the gravity changes. The first one is the change of density 

ρ

0

by the increment of 

∆ρ

 due to volumetric dilatation. The den-

(9)

(8)

,

t

M

t

B

t

W

)

(

2

)

(

)

(

=

(

)

[

]

b t

t

e

t

( )

,

=

α

κ

κ

2

1

1

1

1

(

)(

)

(

)

[

]

N t

t

e

e

e

t

t

t

( )

/

(

)

,

=

+

+

α α κ

κ

β κ

βκ κ κ κ

κ

κ

κ

1 3 3

1

3

1

1

1

1 3

1 3

1

2

1

1

3

1

3

(

)

[

]

B t

t

e

t

( )

,

=

α

βκ

κ

1

1 1

1

1

1

(

)(

)

(

)

[

]

M t

t

e

e

e

t

t

t

( )

(

)

,

=

+

+

α α κ

κ

κ

κ κ κ κ

κ

κ

κ

2 3 3

1

1

1

3

1

3

1 3

1

2

1

1

3

1

3

background image

218                                                                    CHARCO, BRIMICH

 

and FERNÁNDEZ

sity change 

∆ρ

 generates perturbation of the gravity potential,

which for z 

 0 obeys the Poisson equation. For < 0 this po-

tential satisfies the Laplace equation, that is, it is a harmonic
function. Brimich (1998) obtained the  following  formula  for
the gravity anomaly:

,

πκτ

κτ

e

τ

t

W

ζ

R

ζ

t

W

Q

,t

r,

∆g

t

κτ

/

R

TVE





+

=

0

3

)

4

(

2

3

0

0

4

)

2

(

)

(

2

)

(

2

1

)

0

(

2

0

where G = 6.67

×

10

11

 kg

—1

m

3

s

—2

 is the gravity constant and

[

]

.

-

e

-

κ

t

µ

K

t

W

t

κ

T

)

1

(

2

6

9

)

(

3

1

3

2

+

=

The formula given by (10) determines the integral effect of

the volumetric dilatation due to thermal expansion in a vis-
coelastic half-space.

The  second  reason  for  the  gravity  changes  is  the  free-air

change and Bouguer correction as an effect of vertical uplift of
the surface above the source of heat. The gravity effect due to
the upward doming of the surface of the Earth, that originally
was the plane z = 0, is given by the sum of the free-air change
of gravity and the Bouguer correction:

[

]

,

r

h

πGρ

γ

∆g

FA

FAB

)

(

2

0

+

=

where h(r) = —u

z

(0,r,t) is the doming, that is the vertical uplift,

γ

FA 

= 3.086

×

10

—6

  ms

—2

/m  is  the  vertical  gradient  of  normal

gravity and 2

π

G

ρ

0

 is the Bouguer correction.

The effect of topography

In  this  chapter  the  effect  of  the  topography  on  the  surface

displacements  and  gravity  changes  obtained  by  the  thermo-
viscoelastic  model  described  above  is  investigated.  We  pro-
pose a simple method of evaluating the topographic effects in
a three-dimensional deformation model which consists of as-
suming a different source depth at each point for which a solu-
tion  is  desired.  This    methodology    was  introduced  by  Will-
iams & Wadge (1998) and permits that we still have analytical
solutions even if we relax the restriction of a free flat surface.
The  analytical  solutions  are  useful  for  solving  the  inverse
problem and avoiding inclusion of numerical models that can
be  time  consuming.  Therefore,  we  allow  magma  chamber
depth to vary with topography, thus in the equations (8), (10)
and (11) 

ζ

 is replaced by 

ζ

ζ

 + H, where  is the point ele-

vation,  we  want  to  obtain  the  viscoelastic  deformation  and
gravity changes. If the topographic effect is due primarily to
the  distance  of  the  free  surface  from  magma  chamber  rather
than  the  local  shape  of  the  free  surface,  this  methodology
comes near the actual case (Williams & Wadge 1998, 2000).
To study the effect of the topography  the relief of an area  can
be represented by a volcanic cone with height H and average
slope of the flanks 

α

. We consider the surface displacements

and  respective  gravity  changes  caused  by  a  point  source  of
heat located beneath an axis-symmetric volcano with average
slopes  of  their  flanks  of  0°,  15°,  20°,  and  30°.  The  volcano
models with slopes of 15° and 20° are representative of basal-

Table  1:  Properties  of  the  homogeneous  half-space  considered  in
Figs. 2 to 4. Keys: 

λ

 and 

µ

 Lamé parameters, K Bulk modulus, 

ν

Poisson ratio, 

ρ

 density, 

λ

T

 coefficient of heat conductivity, c

p

 spe-

cific heat under constant pressure, 

α

T

 coefficient of linear thermal

expansion and 

κ

 coefficient of thermal conductivity.

λ

=

7.05 

× 10

10

 Pa

µ

=

6.075 

× 10

10

 Pa

K

=

1.11 

× 10

10

 Pa

ν

=

0.26857

ρ

=

3 000 kg m

–3

λ

T

=

3  Wm

–1

K

–1

c

p

=

840 Jkg

–1

K

–1

α

T

=

10

–6

 K

–1

κ

=

1.1905 

× 10

–6

 m

2

s

–1

Fig.  1.  Characteristics  of  the  model  used  to  determine  the  influ-
ence of the topography on the surface displacements.

tic shield volcanoes, whereas the volcano models with slopes
of 30° are representative of andesitic volcanoes (Cayol & Cor-
net  1998).  Schematic  illustration  of  the  problem  is  given  in
Fig. 1. The effect of the topography is neglected when 

α 

= 0

(H = 0). The rheological behaviour of the crust is represented
by a homogeneous half-space of Kelvin’s type with Lamé pa-
rameters 

λ

  and 

µ

  with  the  topography  characterized  by  the

same parameters. As a reference model we have used a point
source of heat at the depth 

ζ

 = 2 km, its intensity (power) w =

2.6384

×

10

7

  W  in  order  to  achieve  the  epicentral  heat  flow

anomaly q

z

(0) = 42 mW/m

2

, since q

z

(0) = w(2

π ζ

2

)

—1

. The den-

sity  and  elastic  parameters  of  the  half-space  and  the  thermal
parameters of the medium are shown in Table 1.

We set the decay time for the Kelvin’s type of the viscoelas-

tic body as   t* = 3.3

×

10

12

 s, where t* 

η/µ

 and 

η

 is the mean

viscosity of the crustal rocks. The time evolution of the hori-
zontal and vertical displacements u

r

, u

v

 and terms of total grav-

(11)

(10)

background image

TOPOGRAPHY EFFECTS ON THERMO-ELASTIC                                                             219

Fig. 3. Same as Fig. 2 but for radial displacements.

Fig. 4. Same as Fig. 2 but for total gravity changes. Units are m/s

2

.

Fig.  2.  Thermo-viscoelastic  vertical  displacement  in  meters  com-
puted  for  different  time  values,  the  source  described  in  Table  1
and considering (a) a flat surface, and (b)—(d)  axis-symmetric vol-
canic cone with an average slope of the flanks of 15°, 20° and 30°
respectively. t

κ

 is the decay time defined in the text.

ity anomaly 

g

sum

 

g

TVE 

+ 

g

FAB

 was calculated for various

times  using  multiples  of  the  characteristic  heat  disturbance
time t

κ

 = 

ζ

2

 (4

κτ

)

—1

, which corresponds to the value e

—1

 of the

known heat propagation factor exp(

ζ

2

/4

κτ

) in the epicentre of

the heat source. The results for the depth 

ζ

 = 2 km (t

κ

 = 8.37

×

10

9

 s) are presented in Figs. 2 to 4. The results are compared

with the flat-surface solution given by the analytical method.
The curves for  t/t

κ

 

= 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 5.0, 7.0 gradually ap-

proach the curves that were calculated by means of the formu-
lae  for  the  stationary  thermo-elastic  problem  (Hvoždara  &
Brimich 1991). We can see that the displacements and gravita-
tional anomalies approach their static values slowly, because
of the viscoelastic behaviour of the half-space, which is math-
ematically expressed by the convolution integrals in the previ-
ous chapter. As is pointed  out by other authors, the principal
effect  of  topography  is  a  reduction  of  vertical  displacement
and total gravity anomaly magnitudes due to the greater dis-
tance from the source to the free surface (the steeper the volca-
no, the flatter the displacement field and the gravity change).
In Fig. 2 the changes of the vertical displacements caused by
the topography are presented. Fig. 4 shows that the topography
effect  changes  the  pattern  of  the  total  gravity  anomaly,  too.
Vertical displacements and total gravity changes are mostly in-
fluenced by the topographic effect, thus neglecting the topog-

background image

220                                                                    CHARCO, BRIMICH

 

and FERNÁNDEZ

raphy may lead to a miss-interpretation of the volume change
of the source. We observe in our results that, as Folch et al.
(2000), the effects of the topography are dramatically empha-
sized in the viscoelastic case.

It is not the case for radial displacements (Fig. 3), where the

effects  of  the  considered  topography  obtained  with  the  used
approximate method are not very important. This result should
be tested by comparing with numerical methods as pointed out
by Williams & Wadge (1998) or similar to that used by Cayol
& Cornet (1998) and Folch et al. (2000).

We observe in our results, like Folch et al. (2000) for a pure-

ly viscoelastic medium, that neglecting the topography gener-
ates  distortions  in  a  viscoelastic  half-space  of    Kelvin  type,
which  would  lead  to  inaccuracies  in  the  predicted  displace-
ments and gravity changes.

Conclusions

The thermo-elastic models used to interpret the anomalous

behaviour  of  the  heat  flow  in  some  volcanic  regions,  can  be
used  particularly  when  movements  associated  with  volcanic
activity  occur  on  relatively  short  timescales.  However,  the
presence  of  incoherent  materials  and  high  temperatures  pro-
duce a lower effective viscosity of the Earth’s crust, making it
necessary to consider inelastic properties of the media. That is
the  reason  why  Hvoždara  (1992,  1998)  and  Brimich  (2000)
considered  a  thermo-viscoelastic  half-space  with  a  point
source  of  heat  to  model  displacements  and  gravity  changes
caused by a magma intrusion. The results show that the ther-
mo-viscoelastic solution gradually approachs the solution ob-
tained  for  the  stationary  problem  (thermo-elastic  solution).
The  models  used  to  interpret  the  geodetic  data  measured  in
volcanic  areas,  typically  compute  the  deformation  field  and
gravity changes at the surface of an elastic half-space due to a
point source at depth and assume that topography does not sig-
nificantly affect the results. Considering previous results ob-
tained by other authors for elastic (Williams & Wadge 1998,
2000; Cayol & Cornet 1998) and viscoelastic media (Folch et
al. 2000), we have included topographic effects in the thermo-
viscoelastic model. We have used an approximate methodolo-
gy. This methodology permits us to have an analytical solution
which allows us to solve the inverse problem. With the meth-
odology described above, we can observe the reduction of ver-
tical displacements in regions with higher topography due to
the greater distance from the source of heat to the free surface.
In volcanic areas of greater relief the perturbation of the ther-
mo-viscoelastic solution (deformation and total gravity anom-
aly) due to topography can be quite significant. Therefore we
have  demonstrated  that  the  topography  may  significantly  af-
fect the surface displacements and gravity changes computed
for a magma chamber represented by a heat point source. Thus
we can conclude that any model which neglects the topograph-
ic  effect  could  cause  a  significant  error  in  the  estimation  of
surface displacements and gravity changes, or in the determi-
nation of the characteristics of the intrusion if we use the mod-
el to solve the inverse problem.

Acknowledgments:  This  research  was  mainly  supported  by
funds from the Collaboration Project 98SK0003 and Grant No.
2/7059 of VEGA, the Slovak Grant Agency. The research by
María  Charco  and  José  Fernández  was  also  supported  with
funds from research project AMB99-1015-C02.

References

Berrino G., Corrado G., Luongo G. & Toro B. 1984: Ground defor-

mation  and  gravity  changes  accompaying  the  1982  Pozzuoli
uplift. Bull. Volcanol. 44, 187—200.

Bonafede  M.,  Dragoni  M.  &  Querini  F.  1986:  Displacements  and

stress  fields  produced  by  a  centre  of  dilatation  and  by  a  pres-
sure source in a viscoelastic half space: application to the study
of  ground  deformation  and  seismic  activity  at  campi  Flegrei,
Italy. Geophys. J. R. Astron. Soc. 87, 455—485.

Bonafede  M.  1990:  Axi-symmetric  deformation  of  a  thermo-poro-

elastic  half  space:  inflation  of  a  magma  chamber.  Geophys.  J.
Int.
 103, 289—299.

Brimich L. 1998: Study of the slow deformations of the earth’s crust

observed  at  the  Vyhne  tidal  station.  Contrib.  Geophys.  Geod.
28, 3, 147—160.

Brimich  L.  2000:  Thermoviscoelastic  models  of  the  deformations

and  gravity  changes  due  to  anomalous  source  of  heat.  Acta
Geod. et Geoph. Hung.
 35, 37—48.

Carslaw  H.S.  &  Jaeger  J.C.  1959:  Conduction  of  heat  in  solids.

Clarendon Press, Oxford, 1—510.

Cayol V. & Cornet F.H. 1998: Effects of topography on the interpre-

tation of the deformation field of prominents volcanoes: Appli-
cation to Etna. Geophys. Res. Lett. 25, 1979—1982.

Combs J. & Hadley D. 1977: Microearthquake investigations of the

Mesa  geothermal  anomaly.  Imperial  Valley,  Califonia.  Geo-
physics
 42, 17—15.

Davis  P.M.  1986:  Surface  deformation  due  to  inflation  of  an  arbi-

trarily  oriented  triaxial  ellipsoidal  cavity  in  an  elastic  half
space, with reference to Kiluaea volcano, Hawaii.  J.  Geophys.
Res.
 91, 7429—7438.

De Natale G. & Pingue F. 1993: Ground deformations in collapsed

caldera structures. J. Volcanol. Geotherm. Res. 57, 19—38.

Fernández J. & Rundle J.B. 1994: Gravity  changes and deformation

due  to  a  magma  intrusion  in  a  two-layered  crustal  model.  J.
Geopys. Res.
 99, 2737—2746.

Fernández J., Rundle J.B., Granell R.D.R. & Yu T.T. 1997: Programs to

compute deformation due to a magma intrusion in elastic-gravita-
tional layered Earth models. Comput. Geosci. 23, 231—249.

Fernández J., Tiampo K.F. & Rundle J.B. 2001: Viscoelastic displace-

ment  and  gravity  changes  due  to  point  magma  intrusions  in  a
gravitational layered solid Earth. Geophysical J. Int. (in press).

Folch A., Fernández J., Rundle J.B. & Marti J. 2000: Ground defor-

mation in a viscoelastic medium composed of a layer overlying
a half-space: a comparison between point and extended sourc-
es. Geophys. J. Int. 140, 37—50.

Hvoždara  M.  1992:  Thermo-viscoelastic  deformation  field  due  to

a point  source  of  heat  in  the  half-space.  Contr.  Geophys.  Inst.
Slov. Acad. Sci
. 22, 48—67.

Hvoždara  M.  1998:  Density  and  gravity  changes  due  to  point  heat

source  buried  in  the  viscoelastic  halfspace.  Contrib.  Geophys.
Geod.
 28, 123—137.

Hvoždara  M.  &  Brimich  L.  1991:  Thermoelastic  deformation  field

due to magmatic bodies. Contr. Geophys. Inst. Slov. Acad. Sci.
21, 59—79.

Hvoždara  M.  &  Brimich  L.  1995:  Theoretical  models  for  gravity

background image

TOPOGRAPHY EFFECTS ON THERMO-ELASTIC                                                             221

anomalies caused by thermoelastic deformations in the vicinity
of  magmatic  bodies.  Cahiers  du  Centre  Européen  de  Géody-
namique et Séismologie
 8, 337—349.

Hvoždara M. & Rosa K. 1979: Geodynamic effects of thermo-elas-

tic  stresses  due  to  a  linear  heat  source.  In:  Babuška  V.  &
Plančár  J.  (Eds.):  Geodynamic  Investigation  in  Czechoslova-
kia. Veda, Bratislava, 53—63.

Hvoždara M. & Rosa K. 1980: Stresses and displacements due to a

stationary  point  source  of  heat  in  an  elastic  half-space.  Studia
Geophys. Geod
. 24, 51—59.

Jentzsch G., Punongbayan R.S., Schreiberg U., Seeber G., Völksen

C.  &  Weise  A.  2001:  Mayon  Volcano,  Philippines:  change  of
monitoring strategy after microgravity and GPS measurements.
J. Volcanol. Geotherm. Res. (in press).

McTigue  D.F.  1987:  Elastic  stress  and  deformation  near  a  finite

spherical magma body: resolution of the point source paradox.
J. Geophys. Res. 92, 12931—12940.

Michalewizc Z. 1994: Genetic Algorithms + Data structures = Evo-

lution Programs. Springer, Berlin Heidelberg New York.

Mogi  K.  1958:  Relations  between  eruptions  of  various  volcanoes

and the deformations of the ground surfaces around them. Bull.
Earthquake Res. Inst. Univ. Tokyo
 36, 99—134.

Nowacki W. 1962: Thermoelasticity. Pergamon Press, Oxford, 1—430.
Rundle J.B. 1982: Deformation, gravity and potential changes due to

volcanic loading of the crust. J. Geophys. R. 87, 10729—10744.

Rundle  J.B.  1983:  Correction  to  “Deformation,  gravity,  and  poten-

tial changes due to volcanic loading of the crust”. J. Geophys.
Res.
 88, 10647—10652.

Teisseyre R. 1986: Thermal stresses. In: Teisseyre R. (Ed.): Contin-

uum theories in Solid Earth Physics. Elsevier, Amsterdam.

Tiampo  K.,  Rundle  J.B.,  Fernández  J.  &  Langbein  2000:  Spherical

and ellipsoidal volcanic sources at Long Valley Caldera, Cali-
fornia, using a Genetic Algorithm inversion tecnique. J. Volca-
nol. Geotherm Res.
 102, 189—206.

Williams C.A. & Wadge G. 1998: The effects of the topography on

magma chamber deformation models: Application to Mt. Etna
and radar interferometry. Geophys. Res. Lett. 25, 1549—1552.

Williams C.A. & Wadge G. 2000: An accurate and efficient method

for  including  the  effects  of  topography  in  three-dimensional
elastic  models  of  ground  deformation  with  applications  to  ra-
dar interferometry. J. Geophys. Res. 105, B4, 8103—8120.

Yu  T.T.  1995:  Crustal  deformation  due  to  dipping  fault  in  elastic

gravitational  layer  overlying  viscoelastic  gravitational  half
space: Models and applications. Ph.D. Thesis, Univ. Of Colo.,
Boulder.

Yu T.T., Fernández J. & Rundle J.B. 1998: Inverted the parameters

of an earthquake-ruptured fault with a genetic algorithm. Com-
pu. Geosci.
 24, 173—182.