Magnetotelluric Analysis for Greenland and Postglacial Isostatic Evolution (MAGPIE)

Nedsmeltingen av grønlandsisen har akselerert i løpet av det siste tiåret på grunn av klimaendringer. Smeltevannet anses nå som en viktig bidragsyter til den globale havnivåstigningen, og er en alvorlig trussel for mange kystnære områder. Det er viktig at vi nøye overvåker isen og volumene av nedsmelting. Tap av is overvåkes ved å måle tyngdekraften og bakkehøyden, men bevegelser i den faste jorden under isen påvirker også disse målingene. Under Grønland beveger den faste jorden seg når vekten av den smeltende isen reduseres, i en prosess som kalles isostatisk justering av isen (GIA). Hastigheten til GIA avhenger kritisk av hvor lett mantelbergarter flyter - det vil si deres viskositet. Viskositeten i mantelen under Grønland er dårlig kjent, men den er forventet å være kompleks. Usikkerheten i viskositet fører til usikkerhet i måling av tapet av is fra Grønland. Dette prosjektet søker etter å utvikle nye begrensninger på bergartens viskositet under Grønland ved å samle geofysiske data på isdekket. I løpet av sommeren 2019 reiste MAGPIE-teamet til EastGRIP-stasjonen i sentrum av Grønlandsisen og samlet inn magnetotelluriske (MT) data over isen innenfor 100 km fra stasjonen. Datainnsamling var ikke mulig i løpet av somrene 2020 og 2021, men sommeren 2022 kom vi tilbake for å samle inn MT-data fra Raven- og Summit-stasjonene, som er plassert sør for EastGRIP-stasjonen. Disse to kampanjene (2019 og 2022) ga utmerket MT-dekning over hele Grønlands indre. MT-dataene gir informasjon om jordens elektriske ledningsevne i dybden. På grunne dyp gir dette en begrensning på subglasial smelting, noe som er viktig for bredynamikken. På dypere dyp er MT-dataene følsomme for temperaturen og vanninnholdet i mantelbergarter. Fordi disse faktorene også kontrollerer mantelens viskositet, kan vi bruke MT-dataene til å kartlegge viskositetsvariasjoner under Grønland. En doktorgradsstudent har utviklet en metode som kombinerer MT-data med andre geofysiske begrensninger for å begrense mantelens viskositet. Vi har brukt denne metoden i Skandinavia i kombinasjon med eksisterende seismikk- og MT-begrensninger. Våre spådommer om mantelviskositet under Skandinavia sammenlignes godt med uavhengige begrensninger fra GIA-modellering og geologiske observasjoner av tidligere løft, noe som bekrefter nytten av vår nye metode. En postdoktor har utviklet modeller som utforsker samspillet mellom den varme islandske søylestrømmen og de kalde steinene under Grønland. Disse modellene viser at denne interaksjonen sannsynligvis fjernet noen av de kalde bergartene under Grønland, og introduserte mer varme under Grønland. Bergarter som ble smeltet av denne varmen kan ha ført enda mer varme mot overflaten. Disse prosessene introduserte sannsynligvis ekstra varme til bunnen av isdekket i enkelte deler av Grønland, og kan bidra til å forklare vulkanismemønstre rundt kantene av Grønland. Denne kunnskapen om hvordan en mantelsøylestrømmen påvirker bergartene under Grønland hjelper oss å forstå MT-dataene som vi samlet inn på isdekket. En annen doktorgradsstudent har utviklet en ny numerisk modelleringsteknikk for GIA som kan romme store viskositetsvariasjoner. Denne koden har blitt testet og benchmarked, og er nå tilgjengelig for forskere som studerer GIA-problemer over hele verden. Vi har allerede brukt det for å vise at et lavviskositetsområde under et smeltende isdekke betydelig akselererer og forsterker bakkeløft over et bredt område. Dette funnet er viktig for å forstå landhevingsmønstre rundt Grønland. Spesielt har vi utviklet nye GIA-modeller som inkluderer en lavviskøs søylestrømmebane over Grønland assosiert med Island Plume. Vi finner at nylig smelting av innlandsisen forårsaker mye raskere landheving langs det lavviskøs søylestrømmebanen sammenlignet med andre deler av Grønland. Spesielt forutsier våre beregninger raske løft i Sørøst-Grønland på grunn av nylig og rask deglasiasjon av Kangerlussuaq- og Helheimbreene, som ligger over de yngste delene av søylestrømmebanen . Faktisk er geodetiske observasjoner av bakkeløft i denne regionen raskere enn noe annet sted på Grønland, noe som bekrefter våre beregninger. Enda raskere løft bør følge av akselerert smelting i fremtiden. Slike endringer i bakkeoverflaten vil påvirke fremtidige mønstre for issmelting og havnivå over hele verden. MAGPIE-prosjektet har bidratt sterkt til vår forståelse av hvordan heterogeniteter i mantelstrukturen kan oppdages, og hvordan de påvirker mønstre av varmestrømning og bakkeløft i deglasierende områder. Vi har brukt denne kunnskapen på Sørøst-Grønland og oppdaget årsakene til rask bakkeløft der. MAGPIE-prosjektet etterlater seg en ny numerisk kode for å studere GIA-problemer, en ny metode for å estimere mantelviskositet fra geofysiske observasjoner, og uvurderlige MT-data fra Grønlandsisen. MAGPIE-funnene og arven vil være nyttige for fremtidige forskere som studerer komplekse interaksjoner mellom mantelstruktur, isdekkedynamikk og klimaendringer.

The computational aspects of the MAGPIE project resulted in the training of two PhD students (Maaike Weerdesteijn and Florence Ramirez) and provided postdoctoral opportunities for two PhD graduates (Björn Heyn and Florence Ramirez). These individuals gained critical expertise in numerical modelling, research project organization, and research skills such as oral presentation and scientific writing. The fieldwork components of the MAGPIE project also provided opportunities to gain polar field experience for two PhD students (Silje Smith-Johansen at UiB and Maaike Weerdesteijn at UiO) and for PI Clint Conrad. For Kate Selway, who organized and directed the fieldwork on the Greenland Ice Sheet, the project offered an opportunity to develop leadership and logistical skills for scientific research in polar regions. The scientific output of MAGPIE has resulted in several impacts that are important for society. First, the heat from the Iceland Plume is still emerging, which changes our understanding of the thermal structure at the base of parts of the Greenland Ice Sheet. Future glacial models should take in to account this excess heat. This finding will impact our understanding of glacial flow dynamics of the Greenland Ice Sheet, with consequences for predictions of future ice melting and associated sea level change. Second, the trace of the Iceland Plume should be associated with a path of low-viscosity mantle beneath Greenland. We have found that deglaciation above this path causes rapid uplift because of its thinner elastic lithosphere and lower upper mantle viscosities. This is important for two reasons. First, this uplift is used to measure the amount of ice melting – so rapid uplift will affect our estimates of melting rates. Second, the uplift itself may change the rate of future ice melting by lifting the remaining ice to higher elevations and by shifting the location where ice meets ocean (the grounding line). Understanding this process improves our ability to predict the consequences of future climate change on the ice sheet. This will in turn improve predictions of future ice melting and sea level rise, which is important for coastal regions worldwide. Third, we have developed a method for constraining large variations in mantle viscosity beneath the ice sheet, using seismic and magnetotellurics data. This capability to infer viscosity variations using geophysical measurements will improve our ability to understand geodynamic processes polar regions, where land is uplifting due to unloading of ice. It may also be important in non-polar regions because changes in lake levels and groundwater hydrology also impart loads on Earth’s surface. As future climate change affects hydrology worldwide, it may be important to understand viscosity variations outside of polar regions in order to understand and predict the Earth’s response. The MAGPIE method for constraining viscosity variations will provide a framework for developing this understanding.

Rising sea levels due to melting of the Greenland ice sheet threaten to drastically impact global environments. It is therefore vital to measure ice sheet melting, but this has proved challenging because measurements of the ice sheet’s mass and elevation, which both decrease as the ice melts, are also sensitive to movements of the Earth's ground surface. Greenland, and most of the Arctic, is still deforming in a viscous response to deglaciation since the last ice age. How much does this glacial isostatic adjustment (GIA) affect ice loss calculations? At present we do not know: both GIA and mantle viscosity are poorly constrained for Greenland. Furthermore, Greenland’s complex geologic history, with a recent passage over the Iceland Plume, probably created large lateral viscosity variations beneath Greenland that complicate the GIA response. In fact, the GIA correction has been called 'the largest source of uncertainty in [Greenland's] ice mass estimate' (Velicogna, 2009). In this project we aim to improve GIA models for Greenland. First, we will collect the first ever magnetotelluric data on the Greenland ice cap. We will use the resulting electrical conductivity models, together with other geological and geophysical data, to constrain mantle temperatures and compositions beneath Greenland. From these we will infer lateral viscosity variations and test for a hot, low-viscosity channel beneath the Iceland Plume track. Second, we will build a new set of GIA models for Greenland by repurposing a mantle flow code with adaptive mesh refinement to solve the GIA problem with 3D viscosity variations. This open-source code will be available to the geophysical community for solving similar problems, which are also vitally important in Antarctica. Using this code, we will generate the first GIA models for Greenland that include constrained 3D viscosity variations. These predictions of GIA uplift will enable us to greatly improve estimates for modern-day ice loss in Greenland.