Natural State Excess Heat Flow from the Þeistareykir Geothermal Area, NE Iceland

Abstract

The high-temperature geothermal area of Þeistareykir volcanic system in NE Iceland shows thermal activity by several different heat flow processes. A distinct heat flow process is the transportation of heat through a large groundwater stream across the area. A highly transmissive aquifer is centered within the fractured Þeistareykir fissure swarm. The purpose of this thesis is to estimate the total excess heat flow and relative role of the different heat flow processes in the area, but previous studies on the geothermal system have mainly focused on resource assessments. The excess heat flow refers to heat flow originating from the geothermal system beyond the general ambient heat flow surrounding the area. Heat flow from Þeistareykir occurs by two main processes: heat flow through thermal groundwater, and heat flow through the surface, which is further divided into four different heat flow processes. Heat flow by groundwater streams is estimated using available groundwater model for NE Iceland, and observations and interpolation of temperature measurements of the aquifer, partly considering previously inferred ground resistivity anomalies in the area. For this purpose, results from local resistivity survey interpretations are used to better deduce the relative distribution of thermal groundwater. Along the main groundwater stream along the Þeistareykir fissure swarm, heat flow estimates are carried out at four cross-sections, estimating total excess heat flow and rate of heat loss along the fissure swarm. Next to the Þeistareykir geothermal area, total excess heat flow by groundwater is inferred to be 915 ± 75 MW, considering the methods used. Six km further north along the Þeistareykir fissure swarm, the excess heat flow is 640 ± 4 MW and still 14 km further, at the Lón estuary at the north coast of Iceland, the excess heat flow is estimated 51 ± 4 MW, showing an average heat loss of 43 ± 3 MW/km at the aquifer along the Þeistareykir fissure swarm. The surface heat flow estimates are based on previous work at locations of observed thermal surface activity. In this thesis, estimates are provided by heat flow through (i) thermal soil, (ii) steam, (iii) evaporation from surface water, and (iv) thermal streams. Different methods are used for each process and include interpolating soil temperature data points, predicting rate of evaporation from thermal surface water and review and interpretation of various data and research. With the approach presented here, the total heat flow by the four surface processes is estimated to be 57 ± 17 MW. The cumulative results show a total estimated excess heat flow of 970 ± 80 MW from the geothermal system, of which 4-8% is by surface processes. The total excess heat flow estimated here may be an underestimate due to groundwater temperature measurements not covering some areas, where increased thermal groundwater streams in transmissive aquifers may possibly be present. Further research on the lesser-studied parts of the fissure swarm, as well as some of the geothermal surface heat flow processes, will likely increase the certainty of total excess heat flow estimates, and eventually reveal other unknown locations of thermal groundwater.

Varmaflæði frá háhitasvæðinu á Þeistareykjum sem tengt er við samnefnda megineldstöð á sér stað í formi nokkurra mismunandi ferla. Stór þáttur í varmaflæði frá svæðinu er flutningur jarðvarma með heitum grunnvatnsstraumi eftir Þeistareykjasprungusveimnum, sem myndar einkar lekan grunnvatnsveiti. Tilgangur þessa verkefnis er að meta umfram heildar varmaflæði frá svæðinu og hlutfallslega dreifingu þess eftir mismunandi ferlum, en fyrri rannsóknir á varma jarðhitakerfisins hafa aðallega snúið að nýtingarmöguleikum. Með umfram heildarvarmaflæði, er átt við þann jarðvarma sem berst frá háhitasvæðinu með einhverskonar ferli, umfram umhverfisvarmaflæði frá berggrunni í kring. Tvö meginferli flytja jarðvarma frá svæðinu: annars vegar flutningur jarðvarma með grunnvatni og hins vegar flutningur jarðvarma í gegnum yfirborð, sem skipta má niður í fjögur mismunandi undirferli. Mat á umfram varmaflæði með grunnvatni byggist á fyrirliggjandi grunnvatnslíkani fyrir norðausturland og mati og brúun hitastigsmælinga úr borholum og lindum, m.a. með hliðsjón af túlkun á viðnámsmælingalíkönum sem ná yfir hluta svæðisins. Slíkar túlkanir eru notaðar til að meta og áætla mögulega dreifingu heits grunnvatns innan veitisins. Fjögur snið voru valin á viðeigandi stöðum eftir veitinum til að meta heildar umframvarmaflæði með grunnvatnsstraumnum, sem og rénun varma í straumnum með aukinni fjarlægð frá varmagjafa. Metið var með umræddum aðferðum að næst háhitasvæðinu sé umframvarmaflæði með grunnvatni 915 ± 75 MW. Sex km norðar er varmaflæði með grunnvatni innan sprungusveimsins 640 ± 4 MW og 14 km norðar, skammt frá ósinum í Lóni í Kelduhverfi er varmaflæði orðið 51 ± 4 MW. Af því leiðir að meðal varmatapsstigull eftir sprungusveimnum er 43 ± 3 MW/km. Mat á varmaflæði um yfirborð er byggt á mismunandi gögnum frá fyrri rannsóknum á svæðum þar sem ber á jarðvarma. Í þessu verkefni er þessu varmaflæði skipt niður á fjögur mismunandi ferli, (i) um heitan jarðveg, (ii) gufu, (iii) uppgufun frá heitum vatnsflötum og (iv) varmaburður með vatnsrennsli á yfirborði. Ólíkar aðferðir eru notaðar til að meta hvert og eitt ferli, má þar helst nefna brúun hitastigs í upphituðum jarðvegi, mat á hraða uppgufunar eftir mismunandi vatnsflötum á svæðinu og mat og túlkun á ýmsum fyrri rannsóknum og gögnum. Byggt á þessum aðferðum, er metið að heildarvarmaflæði um yfirborð á Þeistareykjum sé 57 ± 17 MW. Samanlagt er metið að heildar umfram varmaflæði frá háhitasvæðinu sé 970 ± 80 MW og að þar af sé um 4-8% af varmaflæðinu um yfirborð. Þetta kann að vera vanmat á heildar umfram varmaflæði, m.a. vegna skorts á hitastigsmælingum á svæðum þar sem mögulega má finna óstaðfesta, heita grunnvatnsstrauma í lekum hlutum sprungusveimsins. Frekari rannsóknir á óþekktari hlutum sprungusveimsins, sem og sumum yfirborðsvarmaferlum munu vafalaust draga úr óvissum á mati á varmaflæði frá svæðinu og mögulega leiða í ljós óþekkta, heita grunnvatnsstrauma frá svæðinu.