ETD

• Computational fluid dynamics
• Cooling magma chamber
• Crystallization
• Krafla
• Numerical Modelling

The intersection of molten rhyolitic magma at 2.1 km depth by the IDDP-1 well in 2009 revealed the presence of an active shallow magmatic system beneath the Krafla caldera (NE Iceland). This
unexpected finding challenged the preexistent belief of rapid solidification of such bodies at shallow depths. The present thesis develops and applies a novel thermomechanical numerical framework to investigate the internal dynamics, longevity, and thermal evolution of this magmatic
pocket.
The numerical algorithm couples the steady, partially compressible Stokes flow equations with the heat transport equation, explicitly incorporating latent heat release during change of phase. Magma is treated as a multicomponent, single-phase mixture of melt, crystals, and gas, where the bulk thermomechanical properties—density, viscosity, compressibility, heat capacity, and thermal conductivity—evolve self-consistently with local temperature, pressure, and composition. The magma–host-rock coupling is realized through conductive heat flux continuity at the chamber boundaries. The algorithm is implemented within the finite-element software GALES, enabling parallelized two-dimensional simulations in complex geometries. Validation against classical convection and heat transfer benchmarks demonstrates the robustness and numerical stability of the scheme.
Applications to the Krafla system are based on the rhyolitic composition of the retrieved glass cuttings and physical parameters constrained by IDDP-1 glass cuttings and in situ conditions (initial temperature ≈ 900 °C, pressure ≈ 45 MPa). Simulations explore three chamber sizes and a
range of volatile contents (H₂O–CO₂ mixtures from 1.7 to 2.5 wt% water
and 85 ppm to 1.1 wt% carbon dioxide). The modeled systems initially undergo a
smooth conductive–convective cooling regime, followed—after approximately 50 years—by the emergence of a quasi-stationary, oscillatory behavior characterized by alternating cooling and heating episodes. These thermal oscillations arise from the latent heat released during crystallization, which partially remelts existing crystals and reabsorbs exsolved volatiles. This feedback delays solidification and sustains a largely molten state for several hundred years.
Convection plays a fundamental role in redistributing heat and material within the chamber. Vigorous internal circulation detaches protomush accumulations from the margins and transports them toward the hotter core, where they are remobilized and partially reabsorbed. The combined effect of latent heat buffering and convective remixing prevents the development of a stable crystal mush at the magma–rock interface. This mechanism provides a natural explanation for the absence of a gradational crystallinity transition in the IDDP-1 borehole and the direct encounter with molten magma. Parametric variations in chamber size, pressure, and volatile content alter cooling rates but do not suppress the stepped cooling regime, indicating that the feedback between crystallization and latent heat release is the principal control on chamber longevity.
The results support the hypothesis that small, shallow rhyolitic magma pockets can remain molten over century- to millennial-long timescales, consistent with either 18th-century or 20th-century emplacement of the Krafla magma. The model thus reconciles geophysical observations, petrological constraints, and drilling results within a unified thermomechanical framework.
Ultimately, this work establishes a robust numerical tool for investigating the coupled thermal, mechanical, and compositional evolution of shallow magmatic systems, contributing to the preparation of forthcoming projects such as the Krafla Magma Testbed, the world’s first in-situ
magma observatory.

L’intersezione di magma riolitico fuso a una profondità di 2,1 km tramite il pozzo IDDP-1 nel 2009 ha rivelato la presenza di un sistema magmatico superficiale attivo sotto la caldera di Krafla (NE Islanda). Questa scoperta inaspettata ha messo in discussione la convinzione preesistente secondo cui tali corpi magmatici solidificano rapidamente a profondità ridotte. La presente tesi sviluppa e applica un innovativo quadro numerico termomeccanico per investigare la dinamica interna, la longevità e l’evoluzione termica di questa tasca magmatica. L’algoritmo numerico accoppia le equazioni del flusso di Stokes stazionario, parzialmente comprimibile, con l’equazione di trasporto del calore, incorporando in maniera esplicita il rilascio di calore latente durante i cambiamenti di fase. Il magma è trattato come una miscela monofasica multicomponente di fusione, cristalli e gas, dove le proprietà termomeccaniche globali—densità, viscosità, comprimibilità, capacità termica e conducibilità termica—evolvono in maniera autoconsistente in funzione della temperatura locale, della pressione e della composizione. L’accoppiamento magma–roccia circostante è realizzato mediante la continuità del flusso termico conduttivo ai confini della camera. L’algoritmo è implementato nel software agli elementi finiti GALES, consentendo simulazioni bidimensionali parallele in geometrie complesse. La validazione rispetto a benchmark classici di convezione e trasferimento di calore dimostra la robustezza e la stabilità numerica dello schema. Le applicazioni al sistema di Krafla si basano sulla composizione riolitica dei frammenti vetrosi recuperati e sui parametri fisici vincolati dai campioni IDDP-1 e dalle condizioni in situ (temperatura iniziale ≈ 900°C, pressione ≈ 45 MPa). Le simulazioni esplorano tre dimensioni di camera e una gamma di contenuti volatili. I sistemi modellati attraversano inizialmente un regime di raffreddamento conduttivo–convettivo lineare, seguito—dopo circa 50 anni—dall’emergere di un comportamento quasi stazionario e oscillatorio caratterizzato da episodi alternati di raffreddamento e riscaldamento. Queste oscillazioni termiche derivano dal calore latente rilasciato durante la cristallizzazione, che parzialmente rimette in fusione i cristalli esistenti e riassorbe i volatili esolti. Questo feedback ritarda la solidificazione e mantiene lo stato largamente fuso perdiverse centinaia di anni. La convezione svolge un ruolo fondamentale nella ridistribuzione dicalore e materiale all’interno della camera. Circolazioni interne staccano accumuli proto-mush dai margini e li trasportano verso il nucleo più caldo, dove vengono rimobilizzati e parzialmente riassorbiti. L’effetto combinato del buffering del calore latente e del rimescolamento convettivo impedisce lo sviluppo di un mush cristallino stabile all’interfaccia magma–roccia. Questo meccanismo fornisce una spiegazione naturale per l’assenza di una transizione graduale nella cristallinità osservata nel pozzo IDDP-1 e per l’incontro diretto con magma fuso. Variazioni parametriche nella dimensione della camera, nella pressione e nel contenuto volatile modificano i tassi di raffreddamento ma non sopprimono il regime di raffreddamento a gradini, indicando che il feedback tra cristallizzazione e rilascio di calore latente costituisce il principale controllo sulla longevità della camera. I risultati supportano l’ipotesi secondo cui piccole tasche di magma
riolitico superficiale possano rimanere fuse su scale temporali da secoli a millenni, coerentemente con un’emissione del magma di Krafla risalente sia al XVIII sia al XX secolo. Il modello concilia quindi osservazioni geofisiche, vincoli petrologici e risultati di perforazione all’interno di un
quadro termomeccanico unificato.

In ultima analisi, questo lavoro stabilisce uno strumento numerico robusto per investigare l’evoluzione termica, meccanica e composizionale accoppiata dei sistemi magmatici superficiali, contribuendo alla preparazione di progetti futuri quali il Krafla Magma Testbed, il primo osservatorio di magma in situ al mondo.