The geochemistry of geothermal fluids of Ölkelduháls and Hveragerði geothermal areas, SW Iceland

Abstract

The surface geothermal water and steam vent chemistry of the Hveragerði and Ölkelduháls geothermal areas SW Iceland were studied. In total 43 samples were collected of cold springs and rivers, hot springs, and steam vent discharges and their chemical composition analyzed. The chemical composition of geothermal waters at surface was characterized by mildly acid to alkaline pH of 6.06-8.69 and low Cl concentration of 3.32-7.34 ppm and with SiO2 and CO2 generally being the most important dissolved elements with concentration of 38.5-217 and 6.43-486 ppm, respectively. Surface geothermal fluids are considered to be sourced from three end-member waters and mixture of: (1) boiled reservoir liquid, (2) condensed steam and (3) non-thermal water. Relationship between Cl, CO2, SO4 and temperature show evident signatures that surface geothermal fluids in the area are dominantly steam-heated waters with variable mixing ratios between condensed steam and non-thermal waters. No boiled reservoir liquids were observed at surface, these considered to represent boiled liquid fraction of reservoir geothermal fluids. The chemical composition of steam vents was dominated by water (>99 mol%) followed by CO2 (499-6,587 µmol/mol), H2S (17.9-260.4 µmol/mol) and H2 (10.2-194.2 µmol/mol). The composition of steam vents produced upon depressurization boiling of geothermal reservoir fluids differ within the region with steam vent gases being enriched in CO2 and H2S at Ölkelduháls relative to the Hveragerði region, those differences may be related to different heat source for both regions, Hrómundartindur volcanic systems on Ölkelduháls and Grændalur extinct volcanic system in Hveragerði. Gas geothermometry of steam vents estimate temperatures between 230-280°C in Hveragerði and 280-300°C in Ölkelduháls. The surface manifestations were influenced by seismic events, the 2008 earthquake could either open and close fractures or faults rupture and affect the appearance of geothermal manifestations, especially alkaline hot springs reported on previous studies on Hveragerði town (boiled hot spring) and the vicinity of Varmá river that were not recognized during the 2020 survey; however, fumaroles keep the same characteristic in terms of CO2, H2S and H2 concentration.

Efnafræði jarðhitavatns og -gufu á yfirborði jarðhitasvæðanna í Hveragerði og á Ölkelduhálsi var rannsökuð. 43 vatns- og gufusýnum var safnað úr köldum lindum, ám, heitum laugum og gufuhverum, og efnasamsetning þeirra ákvörðuð. Vatn úr heitum laugum hafði sýrustig á bilinu 6,06-8,69 og lágan styrk Cl (3,32-7,34 ppm), en SiO2 (38,5-217 ppm) og CO2 (6, 43-486 ppm) höfðu yfirleitt hæstan styrk uppleystra efna. Líkan var sett fram til að lýsa efnasamsetningu jarðhitavatns á yfirborði sem blöndu þriggja frumþátta, sem voru (1) soðinn djúpvökvi, (2) þétt gufa, og (3) kalt vatn. Þetta líkan gaf skýrt til kynna að vatnið í þeim laugum sem skoðaðar voru reyndist blanda af þéttri gufu og köldu vatni, í ólíkum hlutföllum. Ekkert laugasýnanna innihélt soðinn djúpvökva úr jarðhitakerfunum. Gufa úr gufuhverum var að langstærstum hluta vatn (>99 mól-%) en aðrar helstu lofttegundir voru CO2 (499-6587 µmól/mól), H2S (17,9-260,4 µmól/mól) og H2 (10,2-194,2 µmól/mól). Svæðisbundinn munur sést á efnasamsetningu gufunnar, og er gufa á Ölkelduhálsi greinilega ríkari að CO2 og H2S en gufa í Hveragerði. Þessi munur kann að tengjast því að hitagjafar jarðhitakerfanna eru ólíkir; Ölkelduháls tengist eldstöðvakerfi Hrómundartinds en Hveragerði kulnuðu eldstöðinni í Grændal. Efnahitamælar sem nota efnasamsetningu gufunnar, gáfu djúphitastig á bilinu 230-280°C í Hveragerði og 280-300°C á Ölkelduhálsi.Yfirborðsvirkni á jarðhitasvæðunum breyttist nokkuð við jarðskjálftana árið 2008, enda getur jarðskjálftavirkni orðið til þess að sprungur opnist eða lokist, eða misgengi myndist, sem allt getur haft áhrif á ásýnd jarðhitavirkninnar. Sér í lagi fundust nú engir hverir með soðnu, basísku jarðhitavatni, en þá mátti áður finna í Hveragerði og við Varmá. Hins vegar virðist styrkur CO2, H2S og H2 í gufu úr gufuaugum ekki hafa breyst.