Jarðhitavatn, ummyndun og útfellingar á yfirborði háhitasvæða á Íslandi

Transcription

1 Jarðhitavatn, ummyndun og útfellingar á yfirborði háhitasvæða á Íslandi Andri Stefánsson a Þráinn Friðriksson b Sigurður H. Markússon a Júlía K. Björke a a Jarðvísindastofnun Háskóla Íslands b Íslenskar orkurannsóknir Unnið fyrir Orkustofnun ÍSOR-2010/006, RH

2 ÍSLENSKAR ORKURANNSÓKNIR Reykjavík: Orkugarður, Grensásvegi 9, 108 Rvk. Sími: Fax: Akureyri: Rangárvöllum, P.O. Box 30, 602 Ak. Sími: Fax:

3 Verknr.: Jarðhitavatn, ummyndun og útfellingar á yfirborði háhitasvæða á Íslandi Andri Stefánsson a Þráinn Friðriksson b Sigurður H. Markússon a Júlía K. Björke a a Jarðvísindastofnun Háskóla Íslands b Íslenskar orkurannsóknir Unnið fyrir Orkustofnun ÍSOR-2010/006 RH Janúar 2010

4

5 Lykilsíða Skýrsla nr. Dags. Dreifing ÍSOR-2010/006, RH Janúar 2010 Opin Lokuð til Heiti skýrslu / Aðal- og undirtitill Jarðhitavatn, ummyndun og útfellingar á yfirborði háhitasvæða á Íslandi Höfundar Andri Stefánsson, Þráinn Friðriksson, Sigurður H. Markússon og Júlía K. Björke Upplag 25 Fjöldi síðna 67 Verkefnisstjórar Andri Stefánsson Þráinn Friðriksson Gerð skýrslu / Verkstig Verknúmer Unnið fyrir Orkustofnun Samvinnuaðilar Útdráttur Greint er frá niðurstöðum rannsókna á jarðefnafræðilegum ferlum sem leiða til ummyndunar og útfellinga á yfirborði jarðhitasvæða. Ítarlegar rannsóknir voru gerðar í Krýsuvík og á Torfajökulssvæðinu en sjö önnur svæði voru einnig skoðuð. Fjórar gerðir af jarðhitavatni finnast á yfirborði háhitasvæða og tengist einkennandi ummyndun og ásýnd þessum vatnsgerðum. Þær eru 1) súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn, 2) léttsúrt, kolsýruríkt jarðhitavatn, 3) basískt NaCl-jarðhitavatn og 4) blandað jarðhitavatn. Súru, brennisteinsríku jarðhitavatni fylgir yfirleitt mikil ummyndun á bergi á yfirborði en umhverfi kolsýruríkra og basískra hvera og lauga einkennist frekar af útfellingum. Ummyndun af völdum brennisteinsríks, súrs jarðhitavatns leiðir til útskolunar á mörgum efnum úr berginu. Einkennandi steindir sem verða til við ummyndun af völdum þessa vatns eru myndlaus kísill, anatas, kaólínít, brennisteinn, pýrít, kalsíumsúlföt (gifs og anhýdrít), smektít og ýmis járnoxíð. Léttsúru, kolsýruríku vatni og basísku NaCl-vatni fylgja útfellingar á yfirborði. Myndlaus kísill er áberandi hjá báðum flokkum en útfellingar sem tengjast kolsýruríku vatni einkennast gjarnan af rauðleitum járnútfellingum. Lykilorð Háhiti, yfirborðsummyndun, útfellingar, jarðhitavatn, Krýsuvík, Torfajökull ISBN-númer Undirskrift verkefnisstjóra Yfirfarið af ÞF, AS

6

7 Formáli Á undanförnum árum hefur verið unnið að Rammaáætlun um nýtingu vatnsafls og jarðvarma á Íslandi. Markmiðið er að leggja mat á og flokka virkjanakosti á Íslandi, bæði vatnsafl og háhita, með tilliti til orkugetu, hagkvæmni, náttúru og minja ásamt öðrum hagsmunum. Ýmis rannsóknarverkefni hafa verið unnin í tengslum við gerð Rammaáætlunar og hér er greint frá slíku verkefni sem miðar að því að skilgreina þau ferli sem leiða til yfirborðsummyndunar á háhitasvæðum og er bæði horft til áhrifa á vatn og berg. Markmið verkefnisins voru: Að skilgreina efnafræði yfirborðsvatns á völdum háhitasvæðum. Að skilgreina yfirborðsummyndun og útfellingar á völdum háhitasvæðum. Að átta sig á samspili gufu, vatns og bergs á yfirborði jarðhitasvæða og ummyndunarferlinu og hugsanlegrar áhrifa í tengslum við vinnslu á yfirborð háhitasvæða. Jarðhitasvæðin sem voru rannsökuð eru: Krýsuvík, Torfajökulssvæðið, Geysissvæðið, Hveravellir, Krafla, Námafjall og Bjarnarflag, Kerlingafjöll, Hveragerði og Ölkelduháls og Reykjanes. Verkefninu var stýrt af Andra Stefánssyni við Háskóla Íslands og Þráni Friðrikssyni hjá Íslenskum orkurannsóknum. Meginhluti verkefnisins var unninn af tveimur meistaranemum við Háskóla Íslands, sem hluti af þeirra rannsóknarverkefni, þeim Sigurði H. Markússyni og Júlíu K. Björke. Fjöldi annarra starfsmanna og nemenda við Jarðvísindastofnun Háskóla Íslands og hjá Íslenskum orkurannsóknum aðstoðuðu við verkefnið á ýmsum stigum. Þessi skýrsla inniheldur helstu niðurstöður verkefnisins. Þakkir Allmargir starfsmenn við Jarðvísindastofnun Háskóla Íslands (JHI) og hjá Íslenskum orkurannsóknum (ÍSOR) aðstoðuðu við ýmsa þætti verkefnisins. Níels Óskarsson (JHI), Hanna Kaasalainen (JHI), Ásgerður K. Sigurðardóttir (JHI), Stefán Arnórsson (JHI), Ingvi Gunnarsson (JHI), Jón Örn Bjarnason (JHI/ISOR), Sigurður Sveinn Jónsson (ÍSOR), Halldór Ármannson (ÍSOR) og Anette K. Mortensen (ÍSOR) fá sérstakar þakkir. Birgir Jóhannesson hjá Nýsköpunarmiðstöð Íslands aðstoðaði jafnframt við rafeindasmásjárgreiningar. 5

8 6

9 Efnisyfirlit 1 Gerð og flokkun jarðhitavatns og jarðhitaummerkja á yfirborði háhitasvæða og breytingar á virkni með tíma Jarðhiti og ummyndun á yfirborði á jarðhitasvæðinu í Krýsuvík Inngangur Efnasamsetning jarðhitavatns á yfirborði á Krýsuvíkursvæðinu Yfirborðsummyndun á Krýsuvíkursvæðinu Hreyfanleiki efna, ummyndunarferlið og virkni Torfajökull Inngangur Efnafræði jarðhitavatns á yfirborði á Torfajökulssvæðinu Ummyndun og útfellingar á yfirborði Samspil gufu, vatns og bergs Önnur jarðhitasvæði Inngangur Efnasamsetning jarðhitavatns á yfirborði Yfirborðsummyndun Heimildir Viðauki A: Sýnatöku og efnagreiningaaðferðir fyrir ummyndunarsýni Viðauki B: Efnasamsetning jarðhitavatns á yfirborði Viðauki C: Staðsetning sýna af yfirborðsummyndun Viðauki D: Efnasamsetning sýna af yfirborðsummyndun Töflur Tafla 1. Samantekt á helstu einkennum og ummyndunarsteindum á völdum háhitasvæðum Tafla 2. sdfasfasdfasdfsaasdsfdd Tafla 3. asdfasdfasdfasdf Tafla 4. safasfsfsdf Tafla 5. Samantekt á helstu einkennum jarðhitavatns á yfirborði háhitasvæða Tafla 6. Yfirborðsummyndun og útfellingar á nokkrum háhitasvæðum Myndir Mynd 1. Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn og einkennandi ummyndun Mynd 2. Léttsúrt, kolsýruríkt jarðhitavatn og einkennandi ummyndun Mynd 3. Basískt jarðhitavatn og einkennandi ummyndun

10 Mynd 4. Jarðhitasvæðið í Krýsuvík og sýnatökustaðir Mynd 5. Sýnatökustaðir af yfirborðsvatni og yfirborðsummyndun í Krýsuvík Mynd 6. Styrkur valinna efna á móti ph í jarðhitavatni á yfirborði í Krýsuvík Mynd 7. Samband SO4, Cl og ph í jarðhitavatni á yfirborði í Krýsuvík Mynd 8. Dæmigerð ásýnd sniða sem voru skoðuð á jarðhitasvæðinu í Krýsuvík Mynd 9. Myndir af helstu ummyndunarsýnum í Krýsuvík tekin með rafeindasmásjá Mynd 10. Dreifing ummyndunarsteinda í Krýsuvík Mynd 11. Afstæður hreyfanleiki efna í jarðhitavatni á yfirborði í Krýsuvík Mynd 12. Afstæður hreyfanleiki efna í yfirborðsummyndun í Krýsuvík Mynd 13. Mettunarstig algengra ummyndunarsteinda sem finnast á yfirborði jarðhitasvæðisins í Krýsuvík Mynd 14. Samantekt á þeim þáttum sem hafa áhrif á jarðhitaummyndun á yfirborði vegna samspils súrs, gufuhitaðs vatns og basalts Mynd 15. Dreifing jarðhita á Torfajökulssvæðinu og sýnatökustaðir Mynd 16. Einfaldað jarðfræðikort af Torfajökulssvæðinu Mynd 17. Styrkur valinna aðalefna á móti ph í jarðhitavatni á yfirborði á Torfajökulssvæðinu Mynd 18. Styrkur algengra anjóna, Cl, CO2 og SO4 í á móti ph í jarðhitavatni á yfirborði á Torfajökulssvæðinu Mynd 19. Stykur og hlutfall CO2 við H2S við innræna suðu við mismunandi hitastig Mynd 20. Samband blöndunar gufu og kalts yfirborðsvatns Mynd 21. Mettunarstig algengra ummyndunarsteinda á yfirborði á Torfajökulssvæðinu Mynd 22. Efnasamsetning jarðhitavatns á yfirborði á völdum háhitasvæðum

11 1 Gerð og flokkun jarðhitavatns og jarðhitaummerkja á yfirborði háhitasvæða og breytingar á virkni með tíma Birtingarmyndir jarðhitavirkni á háhitasvæðum eru mjög fjölbreytilegar og má t.d. nefna gufuaugu, leirhveri, vatnshveri og ölkeldur. Ásýnd svæðanna er að sama skapi fjölbreytileg eftir því hvernig virknin kemur fram. Í því verkefni sem hér greinir frá voru jarðhitaummerki á yfirborði nokkurra háhitasvæða á landinu könnuð með það fyrir augum að skilgreina efna og steindasamsetningu þeirra jarðmyndana sem gefa háhitasvæðum sína einkennandi ásýnd og skilgreina þau jarðefnafræðilegu ferli sem leiða til myndunar þeirra. Jarðhitasvæðin eru: Krýsuvík, Torfajökulssvæðið, Geysissvæðið, Hveravellir, Kerlingarfjöll, Krafla, Námafjall og Bjarnarflag, Hveragerði og Ölkelduháls og Reykjanes. Sýnum var safnað af jarðhitavatni á umræddum jarðhitasvæðum ásamt einkennandi yfirborðsummyndun og útfellingum. Helstu einkenni og ummyndunarsteindir á ofangreindum háhitasvæðum eru tekin saman í töflu 1. Út frá ítarlegum athugunum á útfellingum og ummyndun á yfirborði og jarðhitavatni í Krýsuvík og við Torfajökul var yfirborðsvirkni skilgreind og skipt í fjóra meginflokka. Flokkunin byggist á efnasamsetningu jarðhitavatnsins. Fjórar gerðir af jarðhitavatni finnast á yfirborði háhitasvæða og tengist einkennandi ummyndun og ásýnd þessum gerðum. Þær eru: (1) Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn (2) Léttsúrt, kolsýruríkt jarðhitavatn (3) Basískt NaCl jarðhitavatn (4) Blandað jarðhitavatn Súru, brennisteinsríku jarðhitavatni fylgir yfirleitt mikil ummyndun á bergi á yfirborði en umhverfi kolsýruríkra og basískra hvera og lauga einkennist frekar af útfellingum. Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn myndast þegar gufa rík af brennisteinsvetni (H2S) blandast súrefnisríku grunn og/eða yfirborðsvatni. Brennisteinsvetnið oxast yfir í brennisteinssýru (H2SO4) og ph vatnsins lækkar í <4. Blöndun á gufu og súrefnisríku grunnog/eða yfirborðsvatni leiðir til lækkunar á klóríðstyrk vatnsins. Brennisteinssýruríkt vatnið leysir bergið auðveldlega upp og leiðir til mikillar yfirborðsummyndunar sem einkennir yfirborð háhitasvæða þar sem gufuaugu og leirhverir eru ráðandi. Súrt jarðhitavatnið einkennist af miklum styrk margra efna eins og Al, Fe, Mn og ýmissa annarra málma og er styrkurinn því hærri sem ph gildi vatnsins er lægra. Jarðhitaummyndun sem fylgir súru brennisteinssýruríku jarðhitavatni einkennist af mikilli útskolun margra efna úr bergi. Helstu ummyndunarsteindir sem myndast við ummyndun á basalti og ríólíti við lágt ph eru myndlaus kísill, anatas, kaólínít, brennisteinn, pýrít, kalsíumsúlföt (gifs og anhýdrít), smektít og ýmis járnoxíð. Yfirborð svæðanna einkennist af litskrúðugum ummyndunarskellum og leir. Þessi brennisteinssýruummyndun kemur fyrir á flestum háhitasvæðum á Íslandi og veldur hinni dæmigerðu ásýnd háhitasvæða. Dæmigerð ásýnd er sýnd á mynd 1. Léttsúrt, kolsýruríkt jarðhitavatn myndast þegar CO2 rík gufa blandast grunn og/eða yfirborðsvatni. Uppruni CO2 getur verið af tvennum toga, annarsvegar getur það verið tilkomið vegna suðu og fasaaðskilnaðar djúpt í jarðhitakerfinu og hinsvegar vegna afgösunar kviku. Kolsýrða jarðhitavatnið hefur ph á bilinu 5 7, er ríkt af CO2 og styrkur Cl er fremur lítill. Kolsýruríku jarðhitavatni fylgir mjög einkennandi ásýnd á yfirborði. Umhverfi þeirra 9

12 einkennist af járnoxíðútfellingum (hematít, götít og myndlaust járnhýdroxíð) og myndlausum kísli, og stundum koma karbónöt einnig fyrir. Yfirborð svæðanna einkennist oft af útfellingastöllum þar sem vatnið flæðir upp og litsterkum járnútfellinum allt í kring. Kolsýruríkt jarðhitavatn er ekki ýkja algengt á íslenskum háhitasvæðum en kemur þó fyrir á nokkrum stöðum á Torfajökulssvæðinu, í Hveragerði og víðar. Dæmigerð ásýnd er sýnd á mynd 2. Basískt NaCl jarðhitavatn myndast þegar heitt djúpvatn rís til yfirborðs og sýður og kemur það gjarnan fram í sjóðandi hverum og laugum. Við suðuna rjúka CO2, H2S og önnur rokgjörn efni í gufuna og ph gildi vatnsins hækkar. Styrkur SiO2, Na, K, Cl og fleri efna er hár vegna samspils vatns og bergs við háan hita í jarðhitakerfinu. Styrkur annarra efna eins og Mg, Fe og Al er hins vegar mjög lágur af sömu ástæðum. Umhverfi basíkra hvera einkennist af kísilútfellingum sem oft hlaðast upp umhverfis þá. Kísilhrúðrið sem svo myndast er að uppistöðu myndlaus kísill en járnoxíð, smektít og jafnvel kalsít koma einnig fyrir. Basískt jarðhitavatn kemur ekki fram á nærri öllum íslenskum háhitasvæðum en þar sem svo háttar til setja kísilútfellingar iðulega mjög sterkan svip á umhverfið. Dæmigerð ásýnd er sýnd á mynd 3. Jarðhitavatn á yfirborði einkennist oft á tíðum af blöndun milli ofangreindra vatnsgerða og blöndun þeirra við kalt grunn og/eða yfirborðsvatn. Ekki verður gerð frekari grein fyrir mismunandi blöndun og hugsanlegum efnafræðilegum breytingum þeim samfara ásamt ummyndun. Þó ber að geta að laugar, volgar uppsprettur o.fl. eru dæmi um blandað vatn. Mynd 1. Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn og einkennandi ummyndun. Leirhverir og vatnshverir í Krýsuvík. 10

13 Virkni og ummyndun á yfirborði háhitasvæða getur verið mjög breytileg frá einum tíma til annars. Þeir þættir sem ráða hvað mestu er hlutfall gastegunda (CO2 og H2S) og gufu og súrefnisríks grunn og yfirborðsvatns og hversu mikil útskolun hefur átt sér stað (tími). Basískir hverir virðast hins vegar oft á tíðum vera mun stöðugra fyrirbæri. Yfirborðsvirkni getur breyst mikið ef jarðhitavirknin breytist. Það sem fyrst og fremst getur haft áhrif er aukning á suðu í jarðhitakerfinu. Slíkt gæti leitt til aukins gufustreymis til yfirborðs, súrnunar á yfirborðsvatninu, aukinnar útskolunar og einfaldari ummyndunar sem einkennist af myndlausum kísli, anatas, pýríti og brennisteini. Samfara þessu eykst leysanleiki margra þungmálma. Aukin suða í jarðhitakerfinu getur einnig leitt til aukinna útfellingar á ummyndunarsteindum í kerfinu og minni lektar. Útfellingar og minnkuð lekt getur einnig leitt til þess að vökvinn í jarðhitakerfinu sitji eftir vegna hárpípukrafta en gufan haldi áfram að streyma til yfirborðs. Hugsanleg afleiðing er að hlutfall gufu miðað við vatn á yfirborði eykst og að rennsli úr basískum hverum minnki og þeir þorni jafnvel alveg. Virkjun háhita getur leitt til þrýstifalls í jarðhitakerfum og aukinnar suðu. Við það getur gufustreymi til yfirborðs aukist, a.m.k. tímabundið. Þannig getur virkjun örvað yfirborðsvirkni á svæðum sem einkennast af gufuvirkni. Á hinn bóginn má búast við að þrýstilækkun í jarðhitakerfum vegna vinnslu dragi úr rennsli úr vatnshverum og taki jafnvel alveg fyrir það. Mynd 2. Léttsúrt, kolsýruríkt jarðhitavatn og einkennandi ummyndun. Ölstallar á Torfajökulssvæðinu. Mynd 3. Basískt jarðhitavatn og einkennandi ummyndun. Hverir á Geysissvæðinu. 11

14 Tafla 1. Samantekt á helstu einkennum og ummyndunarsteindum á völdum háhitasvæðum. Krýsuvík Torfajökull Geysir Hveragerði og Ölkelduháls Hveravellir Kerlingarfjöll Krafla, Námafjall og Bjarnarflag Reykjanes Yfirborðsummyndun Vatnsgerðir Helstu einkenni Algengar steindir: am SiO 2 +kaol+smec+ana+s+ hem+goh+pyr+gyp+anh Aðrar steindir:mg Si+mark+cov+antl+ broc+bon Algengar steindir: am SiO 2 +kaol+alu+ana+s+ hem+goh+pyr Aðrar steindir: qtz+cb+mg Si+Fe Si+am Fe(OH) 3 +roz+mark+gyp+bar+ill±mog± hall±smec±bru Algengar steindir: am SiO 2 +hem+goh Aðrar steindir: kaol+smec+ana+hem+ goh+pyr+am Fe(OH) 3 Algengar steindir: am SiO 2 + kaol+smec+ana+ S+hem+goh+pyr Aðrar steindir: cc±mg Si±Fe Si Algengar steindir: am SiO 2 +hem+goh Aðrar steindir: kaol+smec+ana+hem+ goh Algengar steindir: am SiO 2 + kaol+smec+alu+ ana+s+hem+goh+pyr Aðrar steindir: am Fe(OH) 3 ±Mg Si±Fe Si Algengar steindir: am SiO 2 + kaol+smec+ ana+s+hem+goh+pyr+gyp+anh Aðrar steindir:qtz+mark+pyrr+mt+am Fe(OH) 3 ±Mg Si±Fe Si±alg±bar Algengar steindir: am SiO 2 + kaol+smec+ ana+s +pyr+hem+goh+hal+sil Aðrar steindir:hall+alu+boe±alg±bar Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn Blandað jarðhitavatn Gufuaugu Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn Basískt NaCl jarðhitavatn Léttsúrt, kolsýruríkt jarðhitavatn Blandað jarðhitavatn Gufuaugu Basískt NaCl jarðhitavatn Blandað jarðhitavatn Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn Basískt NaCl jarðhitavatn Léttsúrt, kolsýruríkt jarðhitavatn Blandað jarðhitavatn Gufuaugu Basískt NaCl jarðhitavatn Blandað jarðhitavatn Gufuhitað, súrt vatn Blandað jarðhitavatn Gufuaugu Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn Blandað jarðhitavatn Gufuaugu Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn Salt vatn Blandað jarðhitavatn Gufuaugu Dæmigerð súr yfirborðsummyndun, einsleit Yfirborðsvirkni afmörkuð Mikið af koparsteindum Dæmigerð súr yfirborðsummyndun, misleit Basísk ummyndun og basískt, soðið jarðhitavatn Mjög útbreidd yfirborðsvirkni Allar vatnsgerðir Mjög útbreidd, basísk ummyndun og basískt, soðið jarðhitavatn Dæmigerð súr yfirborðsummyndun, misleit Basísk ummyndun og basískt jarðhitavatn Mjög útbreidd yfirborðsvirkni Allar vatnsgerðir Basísk ummyndun og basískt, soðið jarðhitavatn Dæmigerð súr yfirborðsummyndun, misleit Mjög útbreidd yfirborðsvirkni Dæmigerð súr yfirborðsummyndun, misleit Mjög útbreidd yfirborðsvirkni Dæmigerð súr yfirborðsummyndun Miklar kísilútfellingar og sölt Yfirborðsvirkni afmörkuð 12

15 2 Jarðhiti og ummyndun á yfirborði á jarðhitasvæðinu í Krýsuvík 2.1 Inngangur Til að átta sig á áhrifum nýtingar á jarðhitavirkni á yfirborði og þá sérstaklega gerð og dreifingu ummyndunarsteinda ásamt vatnshverum, leirhverum og gufuaugum er nauðsynlegt að átta sig á þeim ferlum sem stjórna ummynduninni. Má þar nefna samspil gufu, vatns og bergs, gufustreymis, blöndunarhlutfalls milli gufu og vatns, hita og tíma. Til að meta þessa þætti var yfirborðsjarðhitinn og yfirborðsummyndun í Krýsuvík skoðaður ítarlega. Verkefnið var hluti af meistaraprófsverkefni Sigurðar H. Markússonar við Háskóla Íslands. Jarðhitasvæðið í Krýsuvík var valið til ítarlegra rannsókna vegna nokkurra þátta. Svæðið er afmarkað og vel skilgreint, mikill fjölbreytileiki einkennir svæðið, það er í alfaraleið og jarðfræði og bergfræði vel þekkt. Krýsuvík var valin sem dæmi um yfirborðsjarðhita og yfirborðsummyndun á basísku bergi. Rannsóknir á jarðhita og ummyndun á Krýsuvíkursvæðinu eru nokkrar og er þeim gerð góð skil í skýrslu ÍSOR frá 2005 (Sverrir Þórhallsson o.fl., 2005). Stefán Arnórsson (1969) skoðaði ummyndunina í Krýsuvík. Niðurstöður hans sýna að margar algengar steindir sem tengjast ummyndun basalts við súrar aðstæður (Guðmundur E. Sigvaldason, 1959) finnast í Krýsuvík, m.a. leir, járnoxíð, anatas, kaólínít, pýrít og myndlaus kísill ásamt koparsteindum. Ýmsir málmar, eins og Zn, Ni og Co, voru hins vegar nokkuð hreyfanlegir miðað við Ti. Í heildarskýrslu um rannsókn jarðhitasvæðisins (Stefán Arnórsson o.fl., 1975) er efnafræði djúpvökvans í Krýsuvík gerð nokkur skil og síðar yfirlit um efnainnihald gas úr gufuaugum (Stefán Arnórsson, 1987). Síðan þá hafa rannsóknir á yfirborðsummyndun og jarðhitavökva í Krýsuvík verið frekar af skornum skammti. Jarðhitasvæðið í Krýsuvík er á Reykjanesskaganum (mynd 4). Svæðið liggur á miðjum Norður Atlandshafshryggnum og er talið að það hafi verið virkt síðustu 6 7 milljónir ára (Kristján Sæmundsson, 1979; Clifton og Schlische, 2003). Jarðfræði svæðisins samanstendur af basískum hraunlögum og móbergshryggjum (Jón Jónsson, 1978). 13

16 Mynd 4. Jarðhitasvæðið í Krýsuvík og sýnatökustaðir. Jarðfræði Krýsuvíkur er almennt skipt í þrjú svæði, Sveifluháls, Sandfell og Trölladyngju (Halldór Ármannsson og Sverrir Thórhallson, 1996). Meginvirknin er tengd tveimur móbergshryggjum, Sveifluhálsi og Vesturhálsi, og sprungu austan við Sveifluháls. Á grundvelli jarðeðlisfræðilegra mælinga og ummerkja á yfirborði er stærð virka jarðhitasvæðisins í Krýsuvík talið vera km 2. Sveifluháls myndaðist á síðasta jökulskeiði og samanstendur af móbergsmyndunum og basaltlögum af þóleiít bergröðinni (Jón Jónsson, 1978; Einar Gunnlaugsson, 1975; Páll Imsland, 1973). Svæðið er krosssprungið með stefnuna VNV ESE og tengist jarðhitinn þessum sprungum (Clifton og Schlische, 2003). Á yfirborði á Sveifluhálssvæðinu sjást jarðhitaummerki aðallega á þremur svæðum, við Austurengjahver, Seltún og Hveradali. Yfirborðsvirknin einkennist af leirhverum og gasríkum hverum og gufuaugum. Nokkrar holur hafa verið boraðar við Sveifluháls. Þær dýpstu eru um 1300 m og hámarkshiti mældist um 260 C. Efnasamsetning vatnsins ber einkenni íblöndunar saltvatns og inniheldur 760 ppm Cl (Stefán Arnórsson, 1969). Á grundvelli efnasamsetningar gufu og efnahitamæla komst Stefán Arnórsson (1987) að þeirri niðurstöðu að hiti djúpvatns í Krýsuvík væri á bilinu C. Gufan myndast við ákafa suðu í jarðhitakerfinu, er rík af CO2 ( mmól kg 1 ) en einnig af H2S (2,2 og 82,5 mmól kg 1 ) og H2 (0,3 30,9 mmól kg 1 ). 14

17 2.2 Efnasamsetning jarðhitavatns á yfirborði á Krýsuvíkursvæðinu Yfir 30 sýnum af jarðhitavatni á yfirborði var safnað í Krýsuvík á árabilinu Af þeim reyndist unnt að nota 25 sýni til frekari túlkunar. Sýnum var safnað af leirhverum, hverum og afrennslisvatni við Seltún og í Hveragili. Samantekt á vatnssýnatöku og efnastyrk í yfirborðsvatni í Krýsuvík má finna í viðauka A og B. Sýnatökustaðir eru sýndir á mynd 5. Efnainnihald jarðhitavatns á yfirborði í Krýsuvík einkennist af háum styrk brennisteinssýru (H2SO4) og margra málma og lágu ph gildi (myndir 6 og 7). Hins vegar er styrkur efna sem eru gjarnan í háum styrk í jarðhitavatni, eins og Na og Cl, lágur. ph vatnsins mældist á bilinu 1,69 7,94 (við ~25 C). Heildarstyrkur uppleystra efna var á bilinu ppm. Greinileg fylgni reyndist milli margra efna og ph gildi vatnsins. Þessu sambandi má skipta í þrjá flokka. Styrkur sumra efna vex með hækkandi ph gildi, t.d. Si, Fe, Al og SO4, styrkur annarra efna lækkar með lækkandi ph gildi, t.d. Cl og Na, og þá sýna sum efni litla fylgni við ph gildi vatnsins eins og Ca og K. Styrkur margra málma er mjög hár. Breytileiki á efnastyrk vatnsins er talinn tengjast blöndun á gufu og köldu, súrefnisríku grunn og/eða yfirborðsvatni. Gufan, sem myndast við suðu í jarðhitakerfinu, er rík af mörgum rokgjörnum efnum eins og CO2, H2S og H2 en snauð af órokgjörnum efnum eins og Cl. Hún stígur til yfirborðs og blandast við súrefnisríkt grunn og yfirborðsvatn sem inniheldur lítið af upplesytum brennisteini en nokkuð magn Cl. Við blöndun á gufu og yfirborðsvatni þéttist gufan og brennisteinsvetnið oxast yfir í brennisteinssýru samkvæmt efnahvarfinu H2S + 2O2 = 2H + + SO4 2 Því hærra sem hlutfall gufu er í yfirborðsvatninu því lægri verður styrkur Cl og hærri styrkur SO4. Brennisteinssýra er sterk sýra og aukinn styrkur hennar leiðir til lágs ph gildis vatnsins. Þessi einkenni blöndunar gufu og yfirborðsvatns sjást glögglega á mynd 7. Svo virðist sem sýnin spanni allan skalann. Sum sýni virðast vera nánast hrein, þétt gufa en önnur nánast hreint regnvatn með örlítilli gufu í sér. Lágt ph gildi eykur á uppleysingu bergsins og leysanleika margra málmjóna. Við þetta vex styrkur þessara efna mikið. Dæmi um þetta er styrkur járns og áls í vatninu en styrkur margra annarra málma vex með lækkandi ph gildi eins og Mn, Cr, Ni, Zn og V (mynd 6). Á grundvelli efnagreininganna hefur uppleystum efnum í jarðhitavatni á Krýsuvíkursvæðinu verið skipt í fjóra hópa. Efni með lægri styrk en 0,1 ppb eru Hf, Nb, Ta, Sb, Cd, W, Mo, U, Th, Cs og Os. Efni sem liggja á bilinu 0,1 10 ppb voru Zr, Tm, Sn, Pb, Be, Tb, Ho, Ge, Eu, Cu, As, Ga, Pr, Yb, Rb, Er, Sm, Co, Gd, La, Dy, Li, Nd, Ti, Ni, Ce, Y og Ba. Efni sem liggja á bilinu 10 ppb til 1 ppm voru Cr, Sr, Zn, P, V, B, Mn og K. Og efni sem fyrirfinnast í hærri styrk en 1 ppm voru H2S, Na, Cl, Mg, Al, Ca, Fe, SiO2 og SO4. 15

18 Mynd 5. Sýnatökustaðir af yfirborðsvatni og yfirborðsummyndun í Krýsuvík. 16

19 SiO 2 (ppm) Na (ppm) ph ph K (ppm) Ca (ppm) ph ph Mg (ppm) 40 Fe (ppm) ph ph Al (ppm) ph Mynd 6. Styrkur valinna efna á móti ph í jarðhitavatni á yfirborði í Krýsuvík. 17

20 SO 4 (ppm) 100 HSO4 4 /SO ph % 1% Cl (ppm) % % H 100% 50% 1000 SO4 (ppm) 10% 100 1% Cl (ppm) Mynd 7. Samband SO4, Cl og ph í jarðhitavatni á yfirborði í Krýsuvík. Línurnar sýna ph gildi fyrir hreina brennisteinssýru (HSO4 /SO4 2 ) og blöndunarhlutfall milli gufu og yfirborðsvatns í Krýsuvík. Prósentutölurnar sýna hlutfall gufu í blöndunni. 18

21 2.3 Yfirborðsummyndun á Krýsuvíkursvæðinu Yfirborðsummyndun, bæði efnasamsetning og steindasamsetning, var skoðuð í Krýsuvík. Áhersla var lögð á að skoða yfirborðsummyndun ítarlega í Hveradölum. Svæðið var valið fyrst og fremst þar sem það er vel afmarkað og allar ásýndir súrrar yfirborðsummyndunar koma fyrir. Gerðir ummynundarsteinda sem fundust og greindust í Krýsuvík eru gefnar upp í töflu 2. Dæmigerð ásýnd algengustu steindanna er sýnd á mynd 8. Þær algengstu voru myndlaus kísill, anatas, kaólínít, pýrít, brennisteinn, járnoxíð (hematít og götít) og leirsteindir. Á grundvelli jarðhitavirkni á yfirborði var ummynduninni skipt í þrjá hópa: Mikil virkni. Svæðin einkennast af áberandi gufuaugum, leirhverum og yfirborðsummyndun. Meðalvirkni. Svæðin einkennast af nokkuð heitu yfirborði og gufuaugu og leirhverir eru ekki áberandi. Lítil virkni. Svæði sem eru á jöðrum jarðhitavirkninnar á yfirborði. Dæmi um ummyndunarsteindir og þversnið má sjá á myndum Á svæðum með mikla og meðalyfirborðsvirkni er þykkt lag neðst sem samanstendur af myndlausum kísli, pýríti, anatas og oft kaólíníti. Þetta lag er gráleitt vegna pýrítsins. Nær yfirborði koma S og Fe fyrir á meira oxuðu formi, t.d. sem kristallaður brennisteinn, ýmis súlföt, hematít og götít. Efnið ofan þessa oxunarfronts er yfirleitt mun fjölskrúðugra á litinn en þar má sjá snjóhvítt, rjómagult, gult, rautt og svarblátt efni fléttast saman. Á jöðrum svæðisins þar sem yfirborðsvirkni er mun minni einkennist ummyndunin af leirsteindum og magnesíum og jafnvel járnríkum silikötum. Einkennandi gifshraukar sjást á útjöðrum svæðisins. Þar er lítil yfirborðsvirkni en svolítill ylur í jörð. Í hraukunum finnst nokkurt magn af anhýdríti, hematíti, götíti, kóvelíti og öðrum koparsteindum. Talið er að gifshraukarnir myndist við veðrun á gömlum brennisteinshraukum og tengist eldri virkni. Nokkrar tegundir koparsteinda fundust í Hveradölum. Algengast var kóvelít sem fannst í linsum ásamt brennisteini. Nær yfirborði virðist kóvelítið oxast yfir í koparsúlföt eins og antlerít, brochantít og bonatít. 19

22 Tafla 2. Ummyndunarsteindir á yfirborði á jarðhitasvæðinu í Krýsuvík. Steind Efnasamsetning Tákn Lýsing XRD SEM Á svæðum með mesta og miðlungs virkni, yfirliett saman með Kaólínít Al2Si2O5(OH)4 kaol myndlausum kísli, anatas og járni oxíðum X X Smektít Samsetning óviss smec Á jöðrum svæðisins þar sem virkni er lítil X X Hematít Fe2O3 hem Nálægt yfirborði og á jöðrum svæðisins X X Götít FeO(OH) goh Nálægt yfirborði og á jöðrum svæðisins X X Anatas TiO2 ana Mjög algengt, óháð virkni X X Pýrít FeS2 pyr Á svæðum með mesta og miðlungs virkni, neðan oxunarskila X X Kóvellít CuS cov Oft í samfloti með brennisteini X X Gifs CaSO4 3H2O gyp Á svæðum með litla virkni X X Anhýdrít CaSO4 anh Á svæðum með litla virkni X X Antlerít Cu3(SO4)(OH)4 antl Nálægt yfirborði á svæðum með litla virkni X (X) Brochantít Cu4SO4(OH)6 broc Nálægt yfirborði á svæðum með litla virkni X (X) Bonatít CuSO4 3H2O bon Nálægt yfirborði á svæðum með litla virkni X Myndlaus kísill SiO2 am-sio2 Mjög algengt, óháð virkni X X Mg-silikat Mg3Si2O5(OH)4 Mg-Si Á svæðum með litla virkni X 20

23 Mikil virkni Meðal virkni Brennisteinn Brennisteinn hematít/götít am-sio +anatas+kaólínít 2 am-sio +anatas+pýrít+kaólínít 2 am-sio +anatas+pýrít+kaólínít 2 Lítil virkni Lítil virkni Gifs Kovelít Brennisteinn Anhýdrít Smektít+Mg -Si steind Mynd 8. Dæmigerð ásýnd sniða sem voru skoðuð á jarðhitasvæðinu í Krýsuvík. 21

24 Mynd 9. Myndir af helstu ummyndunarsýnum í Krýsuvík tekin með rafeindasmásjá. 22

25 Mynd 10. Dreifing ummyndunarsteinda í Krýsuvík. 2.4 Hreyfanleiki efna, ummyndunarferlið og virkni Samspil gufu, vatns og bergs var skoðað á þrjá vegu: (1) út frá afstæðum hreyfanleika efna í vatni og ummyndun miðað við ferskt berg, (2) út frá mettunarástandi ummyndunarsteinda og (3) með jarðefnafræðilegum líkanreikningum þar sem gasvatn og berg var hvarfað saman. Afstæður hreyfanleiki efna (RM; relative mobility) gefur til kynna hvaða efni eru hreyfanleg og berast í vatnið við útskolun á bergi, og hvaða efni sitja eftir í ummyndunarsteindunum. Afstæður hreyfanleiki efna er reiknaður út frá ð ð ý ð ð þar sem mi er styrkur tiltekins efnis í sýninu og fersku bergi miðað við styrk viðmiðunarefnis í sýninu og fersku bergi. Fyrir afstæðan hreyfanleika efna í vatni var Mg notað sem viðmiðunarefni og fyrir afstæðan hreyfanleika efna í ummynundarsýnum var Ti notað sem viðmiðunarefni. Meðalefnasamsetning fersks basalts í Krýsuvík var fengin frá Peate o.fl. (2009). Niðurstöður fyrir afstæðan hreyfanleika efna í jarðhitavatni eru sýndar á mynd 11. Í súru vatni með ph<2,5 reiknast afstæður hreyfanleiki flestra efna nálægt 1, þ.e. þau eru í sömu hlutföllum í vatni og í fersku basalti. Undantekningin er efni eins og Ti og Zr, sem eru þekkt fyrir að hafa mjög lítinn hreyfanleika. Af þessu má draga þá ályktun að hlutföll efna í vatni séu mjög svipuð og í bergi og að frekar lítið hlutfall af því efni sem leysist upp falli út úr 23

26 vatninu. Við hækkandi ph gildi minnkar hreyfanleiki margra efna. Einna mest áberandi er minni hreyfanleiki Al við ph>3 en það er í góðu samræmi við að kaólínít og aðrar leirsteindir eru algengar ummyndunarsteindir þar sem gufuvirkni er ekki í hámarki. Þar sem kaólinít er til staðar stjórnast styrkur Al í vökvanum af útfellingu þess. Afstæður hreyfanleika efna í ummyndunarsýnum er sýndur á mynd 12. Fyrir mjög mörg efni er hann um eða rétt undir einum, t.d. Si. Þetta bendir til að hluti af þessum efnum fer í myndun ummyndunarsteinda og hluti skolast út með vatninu. Afstæður hreyfanleiki margra annarra efna í ummyndunarsýnunum er mun minni, þ.e. þau efni eru í lægri styrk í ummyndunarsýnunum en í fersku bergi miðað við Ti. Mettunarstig ummyndunarsteinda segir til um hvort tiltekin steind sé undirmettuð, þ.e. óstöðug, og hafi þar með tilheigingu til að leysast upp, mettuð eða yfirmettuð, og hafi því tilhneigingu til að myndast. Mettunarstig helstu ummyndunarsteindanna á yfirborði í Krýsuvík er sýnt á mynd 13. Þar kemur glöggt fram að algengar ummyndunarsteindir, eins og myndlaus kísill, anatas, kaólinít og aðrar leirsteindir, eru nálægt því að vera mettaðar og því líklega að myndast. Hins vegar er mettunarstig pýríts og járnoxíða eins og hematíts nokkuð óljóst, pýrít reiknast mjög yfirmettað og hematít mjög undirmettað í flestum sýnum. Ástæða þessa er talin vera fyrst og fremst óvissa í reikningum á dreifingu uppleystra efnasambanda sem fyrirfinnast í fleiri en einu oxunarstigi, í þessu tilfelli Fe 2+ og Fe 3+. Einnig getur oxunarstigið verið breytilegt á smáum skala og með tíma. Til að aðgreina áhrif mismunandi þátta í ummyndunarferlinu voru jarðefnafræðilegir líkanreikningnar gerðir á samspili gass, vatns og bergs. Líkt var eftir uppleysingu basalts í brennisteinsríku regnvatni og gerð og magn ummynundarsteinda ásamt efnasamsetningu vatnsins reiknað út. Niðurstöðurstöðunum er lýst ítarlega í MS ritgerð Sigurðar H. Markússonar (2009). Niðurstöðurnar ásamt innsýn í hreyfanleika efna, mettunarástand ummyndunarsteinda og dreifingu ummyndunarsteinda eftir yfirborðsvikni og dýpt gefa glögga mynd af ummyndunarferlinu við súrar aðstæður (mynd 14). Þeir þættir sem ráða þar mestu eru: Hlutfall gufu og yfirborðsvatns: Því hærra sem það er því súrara verður vatnið. Tími: mörg efni skolast út á frumstigum ummyndunarinnar, sérstaklega Na og K, á meðan önnur hlaðast upp, t.d. Ti og Si. Oxunarstig: Dýpt oxunarfronts ræður miklu um gerð ummyndunarsteinda. Við afoxandi aðstæður myndast pýrít en við oxandi aðstæður myndast brennisteinn, súlföt og járnoxíð. Dýpi oxunarfronts ræðst fyrst og fremst af gufuútstreymi við yfirborð þar sem mikið gufuútstreymi er en á nokkurra tuga sentímetra dýpi á svæðum með meðal og litla virkni. Af þessu má draga þá ályktun að breyting á gufustreymi til yfirborðs getur haft veruleg áhrif á gerð jarðhitavatns á yfirborði (ph), oxunarstig og þar með gerð og fjölbreytileika ummyndunarsteinda. 24

27 A ph< RM 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 Ti Zr Nb Cu Co Ni Ga Ba Cr P V Sr La Y Rb Zn Gd Ca Nd Al Sm Yb Mg Pr Dy Eu Er Mn Si Fe Na K B S B ph RM 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 Ti Zr Nb Cu Co Ni Ga Ba Cr P V Sr La Y Rb Zn Gd Ca Nd Al Sm Yb Mg Pr Dy Eu Er Mn Si Fe Na K B S C ph > RM 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 Ti Zr Nb Cu Co Ni Ga Ba Cr P V Sr La Y Rb Zn Gd Ca Nd Al Sm Yb Mg Pr Dy Eu Er Mn Si Fe Na K B S Mynd 11. Afstæður hreyfanleiki efna í jarðhitavatni á yfirborði í Krýsuvík. Mg var notað sem viðmiðunarefni. 25

28 A low activity 1 0,1 RM 0,01 0,001 0,0001 0, , , Si Al Fe MnMg Ca Na K Ti P Ba Co Cr Cu Ni Sc Sr V Y Zn Zr B Medium activity 1 0,1 RM 0,01 0,001 0,0001 0, , , Si Al Fe MnMg Ca Na K Ti P Ba Co Cr Cu Ni Sc Sr V Y Zn Zr C High activity 1 0,1 RM 0,01 0,001 0,0001 0, , , Si Al Fe MnMg Ca Na K Ti P Ba Co Cr Cu Ni Sc Sr V Y Zn Zr Mynd 12. Afstæður hreyfanleiki efna í yfirborðsummyndun í Krýsuvík. Ti var notað sem viðmiðunarefni. 26

29 Mynd 13. Mettunarstig algengra ummyndunarsteinda sem finnast á yfirborði jarðhitasvæðisins í Krýsuvík. 27

30 Mynd 14. Samantekt á þeim þáttum sem hafa áhrif á jarðhitaummyndun á yfirborði vegna samspils súrs, gufuhitaðs vatns og basalts. 28

31 3 Torfajökull 3.1 Inngangur Torfajökulssvæðið er stærsta jarðhitasvæðið á Íslandi, nær yfir meira en 140 km 2 (Gunnar Böðvarsson, 1961; Stefán Arnórsson o.fl., 1987). Hitagjafi jarðhitakerfisins er talinn vera súr og basísk innskot (Kristján Sæmundsson, 1972) og er talið að hitinn í kerfinu sé allt að 300 C. Á yfirborði einkennist svæðið af gufuaugum, leirhverum, hverum og uppsprettum ásamt fjölbreytilegri ummyndun og litadýrð. Útbreiðsla jarðhitans á yfirborði er sýnd á mynd 15. Jarðfræði Torfajökulssvæðisins einkennist af miklum fjölbreytileika. Svæðið liggur á suðurhluta rekbeltisins, á mörkum vestari og eystri hlutans (Jakobsson, 1979). Nokkrar berggerðir finnast á svæðinu frá basísku í súrt berg. Á grundvelli bergmyndana hefur jarðfræði svæðisins verið skipt í fjóra hluta (Gretar Ívarsson, 1992), Brandsgil, Jökulgil, Bláhnúk og jarðmyndanir tilkomnar eftir síðasta jökulskeið (mynd 16). Fjórar gerðir af jarðhitavatni hafa verið skilgreindar á Torfajökulssvæðinu, basískt NaClvatn, súrt, brennisteinsríkt vatn, kolsýrt vatn og blandað vatn (Stefán Arnórsson og Ivan Barnes, 1983; Stefán Arnórsson, 1985; Stefán Arnórsson o.fl., 1987; Jón Örn Bjarnason og Magnús Ólafsson, 2000). Basískt NaCl jarðhitavatn er aðallega að finna í nágrenni við Landmannalaugar og í Vondugiljum. Það er talið myndast við suðu og afgösun í jarðhitakerfinu. Súrt, brennisteinsríkt vatn einkennist af lágu ph gildi (<4), háum styrk súlfats og lágum styrk Cl. Vatnið er talið myndast við gufuhitun á köldu yfirborðs og/eða grunnvatni og oxun á brennisteinsvetni yfir í brennisteinssýru. Efnafræði og myndun slíks vatns hefur hins vegar ekki verið skoðuð að neinu ráði. Kolsýrt vatn er blanda af CO2 og köldu yfirborðsog grunnvatni og finnst aðallega á jöðrum svæðisins. Kolsýran er talin hafa myndast við afgösun kviku og/eða suðu í jarðhitakerfinu. Blandað vatn er skilgreint sem blanda af ofangreindum vatnsgerðum og er eins fjölbreytileg og möguleikarnir eru margir. 29

32 Mynd 15. Dreifing jarðhita á Torfajökulssvæðinu og sýnatökustaðir. Mynd 16. Einfaldað jarðfræðikort af Torfajökulssvæðinu. 30

33 3.2 Efnafræði jarðhitavatns á yfirborði á Torfajökulssvæðinu Sýnum var safnað af jarðhitavatni á yfirborði á jarðhitasvæðinu við Torfajökul á árunum , alls 67 sýnum. Sýnin voru af leirhverum, hverum og afrennslisvatni í Vondugiljum, Jökulgiljum, við Landmannalaugar, Hrafntinnusker og sunnan við Háskerðing. Samantekt á niðurstöðum um efnastyrk jarðhitavatns á yfirborði á Torfajökulssvæðinu eru sett fram í viðauka B. Efnainnihald jarðhitavatns á yfirborði á Torfajökulssvæðinu er mjög breytilegt (mynd 17 og 18). Heildarstyrkur uppleystra efna lá á bilinu ppm og ph vatnsins var á bilinu 2,1 9,8 við ~25 C. Styrkur einstakra efna er mjög breytilegur og ráða myndunaraðstæður og ph gildi vatnsins þar mestu um. Á grundvelli efnainnihalds var vatninu skipt í fernt: Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn Léttsúrt, kolsýruríkt jarðhitavatn Basískt NaCl jarðhitavatn Blandað jarðhitavatn Súrt, brennisteinssýruríkt jarðhitavatn einkennist af lágu ph gildi (<4), háum styrk SO4 og margra málma og lágum styrk af algengum söltum, eins og Na og Cl. Vatnið myndast þegar gufa, rík í brennisteinsvetni (H2S), blandast súrefnisríku grunn og/eða yfirborðsvatni. Brennisteinsvetnið oxast yfir í brennisteinssýru (H2SO4) og ph vatnsins lækkar í <4. Blöndun á gufu og súrefnisríku grunn og/eða yfirborðsvatni leiðir til lækkunar á Cl styrk vatnsins, þar sem gufan inniheldur <1 ppm Cl. Brennsiteinssýruríka vatnið leysir bergið auðveldlega upp og leiðir til mikillar yfirborðsummyndunar sem einkennir oft yfirborð háhitasvæða. Styrkur margra efna, eins og Al, Fe, Mn og ýmissa annarra málma, eykst með lækkandi phgilid vatnsins. Léttsúrt, kolsýruríkt jarðhitavatn einkennist af ph gildi á bilinu 5 7 og háum styrk CO2. Vatnið myndast þegar gas ríkt í CO2 blandast grunn og/eða yfirborðsvatni. Uppruni CO2 getur verið tvíþættur. Það getur annars vegar hafa losnað úr djúpvökva jarðhitakerfisins vegna suðu og fasaaðskilnaðar og hins vegar losnað við afgösun kviku. Styrkur sumra efna, eins og Mg, Ca og Fe, getur verið hár í kolsýrða vatninu, bæði vegna myndunar uppleystra tvígildra málm bíkarbónat og karbónatefnasambanda og vegna ph áhrifa á stöðugleika ummyndunarsteinda, þá aðallega leirsteinda sem innihalda Mg, Ca og Fe (Gysi og Stefánsson, 2008). Basískt NaCl jarðhitavatn einkennist af ph >8, háum styrk ýmissa salta eins og Na og Cl og uppleyst SiO2, lágum styrk Mg, Al og Fe. Vatnið er talið myndast þegar heitt djúpvatn rís til yfirborðs og sýður. Við það rjúka CO2, H2S og önnur efni yfir í gufuna og ph gildi vatnsins hækkar. Styrkur SiO2, Na, K, Cl og fleiri efna er hár vegna samspils vatns og bergs við háan hita í jarðhitageyminum. Styrkur annarra efna, eins og Mg, Fe og Al, er hins vegar mjög lágur vegna sömu ástæðna. Jarðhitavatn á yfirborði einkennist oft á tíðum af blöndun milli ofangreindra vatnsgerða og blöndun þeirra við kalt grunn og/eða yfirborðsvatn. Í raun má segja að mest af jarðhitavatninu á yfirborði á Torfajökulssvæðinu sé blanda tveggja eða fleiri þátta. Ekki verður gerð frekari grein fyrir mismunandi blöndun og hugsanlegum efnafræðilegum breytingum þeim samfara ásamt ummyndun. Þó ber að geta að laugar, volgar uppsprettur o.fl eru dæmi um blandað vatn. 31

34 SiO 2 (ppm) Na (ppm) Mg (ppm) Fe (ppm) Al (ppm) 20 F (ppm) ph ph Mynd 17. Styrkur valinna aðalefna á móti ph í jarðhitavatni á yfirborði á Torfajökulssvæðinu. 32

35 pco 2 =1 bar pco 2 =0.001 bar Cl 100 Uppleysing bergs Djúpvatn CO Innræn suða HSO 4 - /SO 4 2- SO ph Mynd 18. Styrkur algengra anjóna, Cl, CO2 og SO4 í á móti ph í jarðhitavatni á yfirborði á Torfajökulssvæðinu. Ferlarnir á myndinni sýna niðurstöður líkanreikninga. Klóríð (Cl) er óhvarfgjarnt efni og við uppleysingu bergs hækkar styrkur þess í vatninu. Aukinn styrkur Cl og hátt ph gildi (basískt) er talið merki um djúpvatn á yfirborði. Við suðu rýkur CO2 úr vatninu og ph gildi þess verður hærra. Í súru jarðhitavatni oxast H2S yfir í H2SO4 og ph vatnsins stjórnast fyrst og fremst af heildarstyrk SO4 og hlutfallinu milli HSO4 og SO

36 3.3 Ummyndun og útfellingar á yfirborði Yfirborðsummyndun og útfellingar tengdar jarðhita á Torfajökulssvæðinu voru athugaðar bæði m.t.t. steinda og efnasamsetningar. Gerð ummyndunar er gefin í töflu 3 og efnasamsetningin í viðauka D. Yfirborðsummyndun og útfellingum var skipt í þrjá flokka eftir vatnsgerð: Ummyndun tengd súru, brennisteinsríku jarðhitavatni Kísilútfellingar tengdar basísku jarðhitavatni Kísil og járnoxíðútfellingar tengdar kolsýrðu jarðhitavatni Það sem einkenndi yfirborðsummyndun á Torfajökulssvæðinu var fyrst og fremst mikill fjölbreytileiki á litlu svæði með súrum, basískum og kolsýrðum hverum, leirhverum og uppsprettum og einkennandi ummyndun. Mikill fjölbreytileiki tengdist ummyndun í nágrenni við súrt og brennisteinsríkt jarðhitavatn. Algengustu fasar voru myndlaus kísill, kaólínít, anatas, pýrít, brennisteinn, hematít og götít. Einnig fundust Na, K og Mg ál sílíköt, eins og alúnít og montmórillónít, og nokkur form af járnsúlfíðum, eins og markasít og rozenít. Einng er athyglisvert að nokkur form af kísiloxíði fundust, auk myndlauss kísils, m.a. kvars, kristóbalíts og hugsanlega móganíts. Ásýnd ummyndunarinnar var svipuð og lýst var fyrir yfirborðsummyndun í Krýsuvík, ljósar hveraskellur með gráum pýrítlit, gulum götítlit og kaólínítlit, rauðum hematítlit og síðan nánast hvítar skellur sem gerðar eru aðallega úr myndlausum kísli og anatas. Útfellingar tengdar basískum hverum voru mun einsleitari. Þær einkenndust aðallega af myndlausum kísli og kvarsi, montmórillóníti, anatas, pýríti og götíti. Einnig fannst illít og baríum súlfat en þær voru sjaldgæfar. Ásýnd útfellinga í tengslum við basíska hveri einkennist af kísilhrúðri og kísilstöllum. Útfellingar við kolsýrðar uppsprettur og hveri einkenndust af miklum, rauðum útfellingum. Þær samanstóðu af myndlausum kísli, myndlausu járnhýdroxíði og óskilgreindu Fe Mg silikati. Útfellingastallar setja mikinn svip á hveri og uppsprettur þar sem kolsýrða vatnið kemur fram. 34

37 Tafla 3. Ummyndunarsteindir á yfirborði á jarðhitasvæðinu við Torfajökul. Steind Formúla XRD SEM Ummyndun tengd súru, brennisteinsríku jarðhitavatni Myndlaus Kíslill SiO2 X X Kvars SiO2 X X Kristóbalít SiO2 X (X) Móganít SiO2 (X) Kaólínít Al2Si2O5(OH)4 X (X) Hallósít Al2Si2O5(OH)4 (X) Alúnít KAl3(SO4)2(OH)6 X X Magnesíum silikat Mg3Si2O5(OH)4 X (X) Montmorillónít Na0.3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2 4H2O (X) (X) Kaólínít-móntmorillónít Na0.3Al4Si6O15(OH)6 4H2O X Anatas TiO2 X X Brennisteinn S Pýrít FeS2 X X Rozenít FeS2 X Markasít FeS2 X (X) Hematít Fe2O3 X X Götít FeOOH X (X) Myndlaust járnhýdroxíð Fe(OH)3 X Gifs CaSO4 3H2O X Brúshít CaPO3(OH) 2H2O (X) Ummyndun tengd basísku jarðhitavatni Myndlaus kísill SiO2 X X Kvars SiO2 X X Montmorillónít Na0.3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2 4H2O X Illít (K,H3O)(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10(OH)2H2O (X) (X) Anatas TiO2 X X Pýrít FeS2 X X Markasít FeS2 X (X) Brennisteinn S X X Baríumsúlfat BaSO4 X Hematít Fe2O3 X X Götít FeOOH X Myndlaust járnhýdroxíð Fe(OH)3 X Ummyndun tengd kolsýruríku jarðhitavatni Myndlaus kísill SiO2 X Kvars SiO2 X Myndlaust járnsilikat (Fe,Mg)3Si4O10(OH)2 X Myndlaust járnhýdroxíð Fe(OH)3 X 35

38 3.4 Samspil gufu, vatns og bergs Aðaltilgangur athugana á yfirborðsjarðhita og ummyndun á Torfajökulssvæðinu var að skilgreina vatnsgerðir og efnafræði þeirra, yfirborðsummyndanir og útfellingar og þau ferli sem leiða til myndunar mismunandi jarðhitavatns og ummyndunar. Það sem veldur mismunandi yfirborðsummyndun er fyrst og fremst gerð jarðhitavatnsins á yfirborði. Það leysir upp bergið og fellir út ummyndunarsteindir sem eru stöðugar við tilteknar aðstæður. Mismunandi gerðir jarðhitavatns á yfirborði myndast hins vegar vegna suðu í jarðhitakerfinu, fasaaðskilnaðar gufu og vatns og blöndunar gufu, soðins jarðhitavatns við kalt yfirborðs og/eða grunnvatn. Því er mikilvægt að meta á magnbundinn hátt þessi ferli ásamt samspili vatnsins við bergið. Þetta var gert á þrjá vegu. Í fyrsta lagi var efnainnihald jarðhitavatns í jarðhitageyminum (djúpvatn) skilgreint út frá efnasamsetningu jarðhitavatns á yfirborði, suðulíkani og efnasamsetningu gastegunda í gufuaugum. Í öðru lagi voru efnabreytingar og samsetning gufu og soðins vatns reiknuð út og í þriðja lagi var yfirborðsvatni og gufu blandað saman við mismunandi skilyrði. Suða og blöndun Út frá niðurstöðum efnahitamæla hefur hitastig djúpvatns í Landmannalaugum verið metið og liggur á bilinu C (Stefán Arnórsson og Einar Gunnlausson, 1985; Stefán Arnórsson, 1985). Vegna eðlisþyngdarmunar stígur jarðhitavatnið í átt til yfirborðs. Við það lækkar þrýstingur vatnsins og það sýður. Rokgjörn efni eins og CO2, H2S og H2 leita í gufuna en órokgjörn efni eins og Si, Na, og Cl sitja eftir í soðna vatninu. Gufan og soðna jarðhitavatnið stíga síðan til yfirborðs, saman eða hvort í sínu lagi, þar sem fasarnir geta blandast köldu, súrefnisríku grunn og/eða yfirborðsvatni. Til að meta suðuferlið, samsetningu gufunnar og efnasamsetningu blöndu af gufu, gasi og grunn og yfirborðsvatni voru líkanreikningar gerðir með aðstoð WATCH forritsins (Jón Örn Bjarnason, 1994) og PHREEQC forritsins (Parkhurst og Appelo, 1999). Reikningarnir fólu í sér: (1) Að skilgreina samsetningu djúpvatns í jarðhitakerfinu út frá efansamsetningu basískra hvera og suðulíkans (Stefán Arnórsson o.fl., 2007). (2) Að reikna út samsetningu gufu og vatns við innræna og opna suðu í jarðhitakerfum. (3) Að reikna út samsetningu á blöndu af gasríkri gufu sem myndast hefur við mismunandi aðstæður (hitastig) og kalt, súrefnisríkt yfirborðsvatn. Tilgangurinn var tvíþættur, að átta sig á myndunaraðstæðum brennisteinsríks og kolsýruríks vatns og að meta blöndunarhlutfall milli gass, gufu og yfirborðsvatns. Fyrsta skrefið var að skilgreina efnasamsetningu djúpvatns. Sjóðandi basískir hverir á yfirborði eru taldir eiga uppruna sinn í djúpvatni sem hefur soðið á leið sinni til yfirborðs. Til að meta djúpvatnið þarf því að bæta við gufu og gasi sem nemur því sem tapast hefur við suðuna. Þetta var gert með aðstoð WATCH forritsins og suðulíkans fyrir hveri (Jón Örn Bjarnason, 1994; Stefán Arnórsson o.fl., 2007). Hitastig djúpvökvans var metið út frá efnahitamælum (Stefán Arnórsson og Einar Gunnlausson, 1985; Stefán Arnórsson, 1985) og innrænni suðu frá djúphita að 100 C á yfirborði. Meðalsamsetning djúpvatns er gefin í töflu 4. Út frá niðurstöðunum má telja mjög líklegt að nokkur efni eins og Si, Na og K hafi tapast á leið sinni til yfirborðs vegna myndunar ummyndunarsteinda. Þetta leiðir til þess að 36

39 erfitt getur reynst að nota algenga efnahitamæla til að skilgreina hitastig djúpvökvans, t.d. Na/K og kísilefnahitamælana. Annað skrefið fólst í reikningum á efnasamsetningu gufu og vatns samfara innrænni og opinni suðu. Við innræna suðu er soðna vatnið og gufan alltaf í jafnvægi en við opna suðu yfirgefur gufan soðna vatnið. Hið raunverulega ástand í náttúrulegum jarðhitakerfum er líklega einhvers staðar á milli þessara póla (Stefán Arnórsson o.fl., 2007). Reikningarnir voru gerðir með aðstoð WATCH forritsins. Styrkur CO2 og H2S í gufu vegna innrænnar suðu er sýndur á mynd 19. Við litla suðu er styrkur gastegunda mikill í gufunni. Við aukna suðu lækkar hins vegar styrkurinn ásamt hlutfalli milli CO2 og H2S. Þetta leiðir til þess að ef gufan skilst að við háan hita (opin suða) getur myndast mjög gasrík gufa með hátt CO2/H2S hlutfall. Þriðja skrefið fólst í því að blanda saman gasríkri gufu við kalt yfirborðsvatn á Torfajökulssvæðinu í nokkrum skrefum, frá hreinni gufu í hreint vatn. Útreikningarnir voru gerðir með aðstoð PHREEQC forritsins (Parkhurst og Appelo, 1999). Reikningarnir voru gerðir á tvo vegu; í fyrsta lagi með því að blanda saman gufu sem myndast við suðu að 100 C við kalt yfirborðsvatn og í öðru lagi með því að blanda saman gufu sem myndaðist og skildist frá vökvanum við 260 C við kalt yfirborðsvatn. Niðurstöðurnar eru sýndar á myndum 18 og 20. Fjórða skrefið fólst í að leysa upp ríólít í regnvatni við 265 C og ákveðinn hlutþrýsing CO2 og herma eftir myndun ummyndunarsteinda og efnasamsetningu jarðhitavatnsins. Reikningarnir voru gerðir með aðstoð PHREEQC forritsins (Parkhurst og Appelo, 1999) þar sem ríólíti frá Hrafntinnuskeri (Gretar Ívarsson, 1992) var leyst upp í regnvatni (Sigurður R. Gíslason, óbirt gögn) í 100 skrefum og algengum ummyndunarsteindum sem myndast í háhitakerfum var leyft að myndast við jafnvægisaðstæður. Niðurstöðurnar sjást á mynd 18 fyrir samband Cl og ph. Af niðurstöðunum má draga þá ályktun að (1) Súrt, brennisteinsríkt jarðhitavatn á Torfajökulssvæðinu myndast við blöndun H2S ríkrar gufu við kalt grunn og/eða yfirborðsvatn. Brennisteinsvetnið oxast síðan yfir í brennisteinssýru sem leiðir til lágs ph gildis vatnsins. Við lágt ph er leysni CO2 mjög takmörkuð og það leysist því aðeins að mjög litlu leyti upp í vatninu. Vatnið hefur lægri Cl styrk en úrkoma sem bendir til blöndunar milli yfirborðsvatns og Clsnauðrar gufu. (2) Léttsúrt, kolsýrt jarðhitavatn á Torfajökulssvæðinu myndast að öllum líkindum vegna suðu djúpt í jarðhitakerfinu og fasaaðskilnaðar gufu og soðins vatns. Gasrík gufan blandast síðan við kalt yfirborðs og/eða grunnvatn og myndar mjög CO2 ríkt vatn. Blöndunarhlutfall milli gufu og vatns er líklega mjög lágt (<5%) út frá hitastigi vatnsins. Til að mynda kolsýrða vatnið úr gufu sem myndast við 100 C þarf hins vegar blöndunarhlutfallið að vera >50% gufa sem leiðir til hitastigs sem er nokkuð hátt (>60 C). Slík suða og blöndun er hins vegar talin leiða til myndunar á súru, brennisteinsríku vatni. (3) Soðið jarðhitavatn einkennist af háum styrk Cl, lágum styrk CO2 og SO4 og basísku ph gildi. Hár styrkur Cl skýrist með uppleysingu frumbergs í djúpvatni við háan hita. Klóríð er óhvarfgjarnt og því vex styrkur þess með aukinni uppleysingu. phgildi vatnsins hækkar einnig þar sem bergið hagar sér sem eins konar basi. Við suðu lækkar einnig styrkur CO2 í vatninu og ph gildi þess vex enn frekar. 37

40 Tafla 4. Samsetning djúpvatns í Landmannalaugum. Nr Skýring Skriðuhver a Reiknað b Notað í útreikninga c t/ C ph 6,80 7,1 7,1 SiO Na K 4, Mg 0,013 < ,01 Ca 0,99 0,1 1 F 11,93-12 Cl SO4 37,4-37 Al 0,24 0,58 0,24 Fe 0,11-0,11 CO2 771 ~ H2S 106 ~60 92 a Reiknuð samsetning djúpvatns út frá efnasamsetningu Skriðuhvers á yfirborði (sýni ) með aðstoð suðulíkans fyrir hveri (Stefán Arnórsson o.fl., 2007). b Reiknuð samsetning út frá meðalhita á djúpvatni í Landmannalaugum og steindabúfferum sem taldir eru stjórna styrk efna í jarðhitavatni (Björn Þór Guðmundsson og Stefán Arnórsson, 2005). c Áætluð samsetning djúpvatns í Landmannalaugum. Vatnið var fengið með því að bæta við SiO2, Na og K í sýni skv. steindabúfferum og endurreikna samsetningu á sama hátt og áður. 38