[Folda] Meistaraprófsfyrirlestur/MS lecture

[Ásgerður Kr Sigurðardóttir]

Kæru félagar

Meistaraprófsfyrirlestur í stofu 130 Öskju kl: 10-12, þriðjudaginn 18 maí.

MS lecture in room 130 Askja at 10-12, Tuesday 18th May



Júlía Katrín Björke meistaranemi/MS student



Titill/title



Fluid-rhyolite interaction in geothermal systems, Torfajökull Iceland -
secondary surface mineralogy and fluid chemistry upon phase segregation and
fluid mixing



Leiðbeinandi: Andri Stefánsson



Útdráttur

Efnafræði jarðhitavatns hvera og yfirborðsummyndun tengd uppleysingu á súru
bergi í Torfajökli var rannsökuð. Jarðhitavirknin einkennist af gufuhituðu
súru súlfat vatni og ölkeldum, gufuaugum og sjóðandi klóríðvatni.
Einkennandi ummyndun fylgdi ákveðnum vatnsgerðum. Í jarðhitavatninu mældist
sýrustig á bilinu 2.14 til 9.77 (við ~ 20°C), hitastig á bilinu 12 til 98°C
og heildarmagn uppleystra efna á bilinu 97 til 1895 ppm. Ummyndun tengd súra
súlfat vatninu var myndlaus kísill, kvars, pýrít, anatas, smektít og alúnít.
Í kringum ölkeldurnar fannst myndlaus kísill, ferrihýdríð, myndlaus
járnsiliköt og kvars. Í kringum klóríðvatnið var kvars, pýrít, götít og
anatas algengast.

Byggt á efnafræði vatnsins og ummyndun, voru síðsteindir, mettun síðsteinda
og hermireikningar á samspili gas, vatns og bergs, jarðefnafræði frumefna og
hreyfanleiki þeirra skoðaður.

Na, K, Mg og Ca voru hreyfanleg og skoluðust þar með út við súrar aðstæður í
súlfat vatni. Hinsvegar sátu Fe, Ti og að einhverju leyti Si, eftir í
ummynduninni og mynduðu kísilsteindir, kaólín, anatas og pýrít, en einnig
eitthvað af smektíti og súlfati. Í ölkeldunum var Na og K hreyfanlegt en Fe
og Si sátu eftir í kísilsteindum, ferrihýdríðum og járn-ríkum silikötum.
Karbónöt reiknuðust ekki mettuð í hermilíkanareikningi og fundust ekki í
ummyndunarsýnum. Mg, Ca og K voru hreyfanleg í útreikningum að sýrustigi <6
en voru svo magnbundið tekin inn í smektít og að lokum í seólíta og karbónöt
með hækkandi sýrustigi. Af þessum sökum minnkaði hreyfanleiki Mg og K mjög
og Ca og Na að einhverju leyti í klóríðvatni við hærra sýrustig. Byggt á
þessu er áætlað að aðal breyturnar sem stýra samspili vatns og bergs við
jarðhitaaðstæður (~100°C) eru sýruvirkni, oxunarstig og hvarftími.
Samsetning djúpvatnsins var reiknuð út, byggt á efnafræði klóríðvatnsins,
suðulíkanareikningum og einnig efnavarmafræðilegu jafnvægi milli steinda og
vökva. Suða og fasaaðskilnaður djúpvatnsins og blöndun við súrefnisríkt
yfirborðsvatn myndaði fjölbreyttu vatnsgerðirnar sem finnast á
Torfajökulssvæðinu. Ölkeldurnar virðast myndast við  <10% gufumagn, myndað
við suðu og fasaaðskilnað við >200°C og blandað köldu yfirborðsvatni.
Hinsvegar er súra súlfat vatnið myndað við mikla suðu og gufuþéttingu sem
blandast við kalt yfirborðsvatn. Klóríðvatnið er soðið afgangs djúpvatn við
yfirborð.

Abstract

The surface hydrothermal water chemistry and alteration mineralogy
associated with rhyolitic rocks at Torfajökull Iceland was studied.  The
hydrothermal surface activity was characterized by acid sulphate and
carbonate steam heated waters, steam vents and boiling NaCl springs.
Distinguished alteration was observed associated with various types of
waters.  The pH and temperature of the waters ranged from 2.14 to 9.77 (at
~20°C) and 12 to 98°C, respectively, and total dissolved solids (TDS) were
between 97 and 1895 ppm. The alteration mineralogy associated with acid
sulphate waters was dominated by amorphous silica, quartz, kaolinite,
pyrite, anatase, smectite and alunite, whereas around carbonate springs
amorphous silica, ferrihydrite, amorphous iron silicates and quartz
predominated.  Around NaCl waters quartz, pyrite, goethite and anatase were
most common.  Based on the chemical composition of the waters and alteration
product, secondary mineralogy, mineral saturation and reaction path
modelling, elemental geochemistry and mobility was evaluated. Sodium, K, Mg
and Ca were observed to be mobile and leached out during acid sulphate
alteration whereas Fe, Ti and to a less extent Si, were retained in the
alteration product forming SiO2, kaolinite, anatase and pyrite as well as
some smectites and sulphates.   For carbonate waters, Na and K were observed
to be mobile whereas Fe and Si are retained in SiO2, ferrihydrites and iron
rich silicates. Carbonates were not calculated or observed to form
associated with carbonate springs.  Magnesium, Ca and K were observed to be
mobile at pH<6 whereas they are quantitatively retained into smectites and
eventually also zeolites and carbonates with increasing pH.  As a
consequence, the mobility of Mg and K and to a less extent Ca and Na are
greatly reduced in NaCl type waters under alkaline conditions.  Based on the
above, the key factors controlling the fluid-rhyolite interaction under
surface hydrothermal conditions (~100°C) are acid supply, oxidation state
and extent of reaction.  The aquifer fluid composition was reconstructed
based on the chemical composition of NaCl boiling hot springs and boiling
models as well as thermodynamic mineral-fluid equilibria.  Boiling and phase
segregation of the aquifer fluids and mixing with oxygenated surface waters
resulted in the various hydrothermal fluids observed at surface. Carbonate
waters seem to be formed from <10% steam by weight, formed upon boiling and
phase segregation at >200°C and mixed with non-thermal surface waters.  On
the other hand, acid sulphate waters are formed upon extensive boiling and
steam condensation and mixing with non-thermal surface waters. NaCl waters
are the residual boiled hydrothermal aquifer waters at surface.