Heat transfer in volcanic settings: Application to lava-ice interaction and geothermal areas

Abstract

Í ritgerðinni er fjallað um varmaflutning frá bergbráð eða heitu bergi þar sem hræring eða meðburður vatns, þar með talin bræðsla íss, er meginflutningsmáti varmans. Þrennar mismunandi aðstæður voru rannsakaðar: (1) bræðsla íss með bergbráð og kæling heits bergs á tilraunastofu, (2) framrás hrauns undir jökli, og (3) háhitasvæðið í Kverkfjöllum. 1. Mælingarnar á tilraunastofunni í Würzburg í Þýskalandi voru gerðar á sýnum úr benmoreite-hrauninu sem rann í gosinu í Eyjafjallajökli árið 2010. Líkt var eftir aðstæðum þar sem hraun rennur undir ís, hraun rennur ofan á ís og þegar hraun rennur meðfram eða nærri ísvegg. Hraðasti varmaflutningurinn varð þegar bráðið berg var lagt ofan á ís, allt að 900 kWm-2 í upphafi. Varmaflæðið lækkaði í <100 kWm-2 á 2-3 mínútum samhliða því að bráðin storknaði og kólnaði. Mun lægri gildi, 100-180 kWm-2 sem féllu í 50-80 kWm-2 á 2-3 mínútum fengust þegar nokkurra sentimetra bil var milli íss og bergbráðar. Einnig fengust úr þessum tilraunum gildi á sveimstuðli bergsins (9 10-7m2s-1) og varmaleiðnistuðli þess (1.2-1.7Wm-1K-1). 2. Framrás, ísbráðnun og myndunarhættir hins 3,2 km langa hrauns sem myndaðist í Gígjökli (Eyjafjallajökli 2010) var rannsakað. Hraunið rann að mestu fram í vatnsfylltum ísgöngum við botn jökulsins. Um það bil helmingur varmaorku hraunsins fór í að bræða ís, um 4% barst burtu með heitu vatni niður til Markarfljóts og af myndun gufumakka sem stigu upp af hrauninu tók um 1% varmaorkunnar. Rúmlega helmingur varmaorkunnar varð eftir í hrauninu þegar gosinu lauk. Hann tapaðist margfalt hægar en meðan á gosinu stóð. Varmaflæði frá hrauninu á meðan það var að myndast undir jöklinum var að meðaltali á bilinu 120-310 kWm-2. 3. Náttúrulegt varmatap frá jarðhitasvæði Kverkfjalla var metið með mælingu á útbreiðslu heitra svæða á yfirborði, hitastigli innan þeirra, varmatapi gufu og vatnshvera og ísbráðnun í Gengissigi og Galtarlóni. Varmaflæði innan heitra svæða var 120-330Wm-2 en náttúrulegt varmatap (afl) Kverkfjallasvæðisins (Vestari Kverkfjalla, Kverkjökuls og Hveragils) er 270+/-70 MW. Þessar tölur eru miklu lægri en þær sem fengust með skoðun hitamynda úr flugvél á 7. áratug 20. aldar. Sennilegast er að þær niðurstöður hafi verið verulegt ofmat. Þau gildi varmaflæðis sem rannsóknin náði til spanna þrjár stærðargráður (frá hundruðum Wm-2 til hundruð þúsundaWm-2). Þessi mikla breidd í gildum kemur ekki á óvart. Varmastraumur innan jarðhitasvæðisins ræðst m.a. af lekt jarðhitageymisins, þ.e. hversu hratt jarðhitavökvinn getur leitað upp til yfirborðs. Þær aðstæður eru mjög ólíkar þeim sem verða þegar bráðið berg og vatn eða ís snertast. Þá er varmaflutningur mjög hraður. Það styður niðurstöðurnar um varmaflæði að gott samræmi er milli tilraunanna og talnanna sem fengust fyrir framrás hraunsins í Eyjafjallajökli

The theme of this thesis is the study of heat transfer from lava or hot rocks where water, including ice melt, is the main medium transferring heat to the surroundings. This is done through (1) laboratory studies of lava-ice and rock-water interaction, (2) observations and analysis of the progression of lava under ice, and (3) measurements of heat loss from a high temperature geothermal area in its natural state. 1. The laboratory experiments were done on benmoreite samples from Eyjafjallajökull 2010, and involved both direct contact between ice and molten lava and settings where a small space existed between ice and melt. The direct contact experiments provided initial ice-melt contact temperature of 1100°C and heat flux of up to 900 kWm-2, declining to <100 kWm-2 and melt-ice contact temperature of 200-300°C in 2-3 minutes. The same heat flux values for the no contact experiments were 100-180 kWm-2, and 50-80 kWm-2. Experiments with cooling of initially hot rock cubes provided thermal conductivity values of 1.2-1.7 Wm-1K-1 and diffusivity of about 9 10-7m2s-1. 2. In the lava flow study data obtained during and after the formation of a 3.2 km long lava flow in the Eyjafjallajökull eruption in 2010 were used. The lava flow was mostly emplaced along water-filled meltwater tunnels under ice. About 50% of the thermal energy of the subglacial lava was used for ice melting, about 4% was lost with hot water and of order 1% was released as steam. The remaining heat (45%) was released after the eruption at a much longer timescale. Average heat fluxes of 125-310 kWm-2 were observed during advancement of the lava. 3. The natural heat output of the pristine Kverkfjöll high temperature geothermal area in central Iceland was estimated using mapping of geothermal features and surveys of surface temperatures, soil temperature gradients, steam and hot pool emissions, and icmelting. The heat flux values found for the active, hot areas was 120-330Wm-2 and the total natural heat loss for the whole area, including West Kverkfjöll, Kverkjökull and Hveragil, is 270+/-70 MW. The settings observed span three orders of magnitude in heat flow values, contrasting the heat transfer in geothermal areas, which happens mostly by flow of fluid through porous media, with the direct heat transfer from molten lava to ice or water. A good agreement is found between the laboratory values for heat flux and those observed from the advancing subglacial lava.