Jarðhiti

Jarðhiti er eftir bókstaflegri merkingu orðsins sá hiti í jörðinni sem er umfram þann hita er ríkir við yfirborð jarðar. Með aukinni nýtingu jarðhitans á tuttugustu öldinni hefur merking orðsins þrengst nokkuð og er það nú fyrst og fremst notað um það fyrirbæri er heitt vatn og gufa kemur upp úr jörðinni á svokölluðum jarðhitasvæðum. Þegar greina þarf á milli fyrirbærisins jarðhita og þeirrar orku sem berst með vatni og gufu upp til yfirborðs er orðið jarðvarmi notað um orkuna". Samkvæmt tilskipun Evrópusambandsins frá árinu 2009 telst jarðvarmi til endurnýjanlegrar orku.

Almennt.

Jarðhita má skilgreina sem varma sem berst til yfirborðs jarðar með varmaleiðni, rennandi vatni eða vatnsgufu. Varmi myndast í jarðmöttlinum og jarðskorpunni vegna geislavirkra efna. Varminn sem myndast streymir frá heitu bergi upp til yfirborðs jarðar þar sem berglög eru kaldari . Mælikvarðinn á þetta varmaflæði er kallaður hitastigull og er hann í raun mælikvarði á það hvernig hiti breytist á lengdareiningu, hann sýnir í flestum tilfellum hvað hitinn eykst eftir því hversu djúpt er farið niður í jörðina. Mæling á hitastigli er einhver mikilvægasta rannsóknaraðferð sem notuð er við jarðhitakönnun .

Berg er slæmur varmaleiðari og þess vegna myndast svokallað iðustreymi í möttlinum en það veldur uppstreymi efnis á rekbeltum undir plötuskilum. Grynnst er að bráðnu bergi á gos- og gliðnunarbeltunum og mjög grunnt á heit innskot . Þess vegna er jarðskorpan heitust þar og kólnar eftir því sem fjær dregur og berg verður eldra . Þar sem mikil eldvirkni er til staðar, eru berglögin ung, gropin og gegndræp. Það gerir það að verkum að vatnið á greiða leið niður í berglögin og flýtir það fyrir varmaflutningi frá heitum innskotunum til yfirborðsins .

Flekakenningin fjallar um jarðskorpuna sem skiptist niður í nokkra fleka sem hreyfast vegna hægfara efnisstrauma í möttlinum. Stærstu flekarnir eru 8 talsins en inn á milli eru fleiri minni . Minni flekarnir eru sífellt að myndast bæði á flekaskilum þar sem þeir eru að færast í sundur, og á flekamótum þar sem flekarnir eru að rekast saman. Flekaskil eru forsendan fyrir þeim mikla jarðhita sem finnst hér á landi. Ísland er einmitt á flekaskilum þar sem tveir meginlandsflekar, Evrasíu- og Norður-Ameríkuflekinn eru að reka í sundur og á milli þeirra flæðir því bergkvikan upp og veldur þeim miklu umbrotum og jarðhita sem á sér stað á þessu svæði . Heitir reitir tengjast einnig efnishreyfingum í möttli jarðar en þar stíga strókar úr möttulefni upp undir jarðskorpuna og hafa í för með sér aukna eldvirkni á yfirborðinu. Sérstaða Íslands í þessum málum felst í því að það er bæði staðsett á flekaskilum og einnig á heitum reit nánast á sama stað. Talið er að ef ekki væri fyrir þennan heita reit sem heldur landinu í þeirri hæð sem það er, væri Ísland líklega enn á hafsbotni .

Flokkun jarðhitasvæða.

Jarðhitasvæði á Íslandi voru áður fyrr aðallega flokkuð eftir útliti og yfirborðseinkennum. Virk jarðhitasvæði geta samt sem áður verið mjög ólík að útliti en útlit svæðanna ræðst yfirleitt mest af hita svæðanna og efnainnihaldi vökvans í jarðhitageyminum sem er undir jarðhitasvæðinu.

Sameiginlegt einkenni flestra jarðhitasvæða er að annað hvort gufa eða vatn stígur upp frá yfirborðinu. Flokkun eftir hitastigi hefur verið notuð en sú flokkun er ekki talin vera nógu skýr. Talað er um volgrur, laugar, vatnshveri, gufuhveri, leirhveri og brennisteinshveri. Volgrur sem eru með hita yfir meðallagi umhverfisins en fara samt ekki yfir 30-40°C, laugar eru aðeins heitari eða yfir 30-40°C, vatnshverir eru oftast nærri suðumarki eða sjóðandi. Að auki er talað um gufuhveri, leirhveri og brennisteinshveri en í þeim er lítið sem ekkert vatn en getur verið talsvert af gufu, útfellingum og leir, sem myndast hefur við ummyndun bergs sem af völdum lofttegunda koma upp á þessum svæðum. Vatnið og gufan á lauga- og vatnshverasvæðum er yfirleitt basískt en á jarðgufusvæðum er það yfirleitt súrt.

Skilgreiningin er þannig að háhitasvæði er þar sem hiti er yfir 200°C á 1000 m dýpi en önnur svæði flokkuðust þá undir lághitasvæði . Þetta er gert til að tengja þessar skilgreiningar frekar borholumælingum. Einnig er farið að skipta lághitasvæðum í tvo flokka, lághitasvæði og svo sjóðandi lághitasvæði þar sem hiti á minna en 1000 m dýpi er milli 100 og 200°C. Sjóðandi lághitasvæði eru mun verðmætari en hin þar sem hærri hiti gefur betri tækifæri til að fjölnýta vatnið. Þessi svæði eru svipuð og hin lághitasvæðin á yfirborðinu .

Vegna þess hve vatnið eða gufan er heit, er gróður og náttúrufar á jarðhitasvæðum oft mjög fjölskrúðugt. Við nýtingu á þessum svæðum getur yfirborð þeirra raskast en það er þó ekki alltaf. Svæðin eru yfirleitt mjög viðkvæm og því þarf að fara að þeim með gætni og hafa ýmsir merkir jarðfræðingar og vísindamenn bent á að huga þarf sérstaklega að verndun á þessum svæðum .

Háhitasvæði.

Háhitasvæðin liggja í gliðnunarbeltum landsins frá Reykjanesskaga og norður í Þingeyjarsýslu. Þessi svæði eru tengd megineldstöðvum, sem eru eldstöðvar sem hafa verið virkar í langan tíma. Þessar eldstöðvar eru tengdar sprungusveimum sem geta verið fleiri kílómetrar að lengd og eru megineldstöðvarnar þá oft þar á miðjunni. Bæði megineldstöðin og sprungusveimurinn hafa orðið til við gliðnun jarðskorpunnar og hreyfingu bergkviku sem henni fylgja. Þó eru til megineldstöðvar sem ekki eru tengdar háhitasvæði samanber Snæfellsjökul, Heklu og Snæfell. Undir þessum svæðum virðast ekki vera hagstæðar aðstæður fyrir myndun háhitasvæðis og telst það einna helst vera vegna þess hve lítil vatnsleiðni er í berglögunum og vegna þess að það vantar varmagjafa eða kvikuinnskot á nægilega litlu dýpi . Varmagjafar háhitasvæðanna eru í flestum tilfellum kólnandi kvikuþrær og heit innskot. Upp af þessum varmagjöfum myndar sjóðandi vatn og gufa iðustrók sem nær til yfirborðsins .

Lághitasvæði.

Lághitasvæðin liggja nær eingöngu á jöðrum gosbeltanna og eru flest vestan eystra gosbeltisins. Virðist sem þau séu sérstaklega tengd göngum, innskotum og virkum sprungum þar sem vatn nær að renna í strikstefnu jarðlaganna frá hálendinu og niður á láglendi. Svo virðist sem aflmestu svæðin tengist fornum gangasveimum og brotalínum, sérstaklega þar sem virkir sprungusveimar teygja sig inn á svæðin og víkka sprungurnar. Stærstu lághitasvæðin virðast vera á svæðum síð-plíósen og árkvarteru myndananna (0,8 – 3,3 milljón ár) og meðfram þeim á yngstu hlutum blágrýtismyndunarinnar . Lághitasvæðin eru talin vera í kringum 250 talsins. Þau eru misjöfn að stærð og eru allt frá einstökum volgrum upp í tugi uppsprettna .

Lághitasvæðin geta bæði verið ofan- og neðansjávar, þ.e. á grunnsævi eða í flæðarmáli. Þetta er þó algengast hér við strendur Vestfjarða og á Breiðarfirði eins og sést á jarðhitakorti . Einnig eru fundin svæði á botni Eyjafjarðar, í nágreni Grímseyjar, Kolbeinseyjar og á Reykjaneshrygg.

Ef náttúrulegt rennsli lághitasvæða hér á landi er tekið saman kemur í ljós að það er ekki svo ýkja mikið ef miðað er við úrkomuna sem jarðhitavatnið á uppruna sinn að rekja til. Rennslið er um 2.000 L/s og svarar til um meðalúrkomu á ári á um 34 km2 svæði eða um einn þrjúþúsundasti hluti af flatarmáli Íslands.

Varmagjafi lághitasvæðanna er talinn koma frá mismunandi stöðum og eru lághitasvæðin talin hafa myndast á mismunandi hátt. Flest lághitasvæðin er að finna þar sem grunnvatn frá hálendinu streymir um virk sprungukerfi á láglendi eða þar sem þau ganga þvert á dali. Einnig eru þau talin hafa orðið til úr gömlum háhitasvæðum sem rekið hafa frá virku gosbeltunum. Vatnið á lághitasvæðunum er talið fá varma sinn á langri leið um heit berglög djúpt í jörðu þar sem það seytlar um rætur útkulnaðra megineldstöðva eða með hræringu þegar kalt grunnvatn frá hálendinu sígur niður í lóðréttar sprungur þar sem staðbundið varmanám fer fram .

Jarðhitaleit.

Þegar leitað er að heitu vatni þurfa að fara fram ýmis konar athuganir og rannsóknir sem greina má í fjóra þætti. Fyrst má telja forrannsókn, svo rannsóknarboranir, því næst reynsluboranir og prófanir og að lokum vinnsluboranir. Í forrannsókn eru rannsökuð jarðfræði og vatnafar svæðisins. Þau atriði sem skipta mestu máli eru nákvæm jarðfræðikortlagning,úttekt á efnainnihaldi jarðhitavatnsins og ýmsar jarðfræðilegar mælingar.

Á jarðfræðikorti þarf að sýna hveri og laugar,helstu jarðmyndanir svo og öll brot,sprungur og misgengi er tengst gætu rennslisleiðum vatnsins. Gjarnan eru unnin tvenns konar kort. Í fyrsta lagi eru yfirlitskort, sem sýna jarðhitastaði og bergbyggingu í næstu nágrenni þeirra, jafnvel heilla landshluta. Í öðru lagi eru gerð nákvæm kort er sýna einstaka hveri og laugar innan eins jarðhitasvæðis og öll bort og jarðmyndanir er tengjast dreifingu þeirra. Jarðfræðikortlagning er ekki ýkja kostnaðarsöm en tímafrek. Oftast vinnur einn jarðfræðingur við kortalagninguna og getur útivinna tekið frá viku uppí marga mánuði.

Sú regla að hitaorka streymi frá heitum stað á kaldan gerir það að verkum að beinast liggur fyrir að rannsaka jarðhitasvæði með því að mæla hita í yfirborðsjarðlögum. Ýmsar fleiri mæliaðferðir eru samt sem áður til.

Ef notaðar eru viðnáms- eða rafleiðnimælingar er hægt að finna jarðhita en eðlisviðnám á jarðhitasvæðum er yfirleitt frekar lágt. Einnig er hægt að fá nokkurs konar mynd af jarðlögunum með því að mæla segulstefnuna í þeim. Þá er einnig hægt að bora niður í jörðina og mæla hitastigulinn. Þetta tilheyrir mest allt frumrannsóknum .

Við rannsóknarboranir eru boraðar grunnar holur til að halda kostnaði í lágmarki. Tilgangur þessara rannsóknarborana er sérstaklega að þrengja hringinn utan um heitar vatnsæðar og finna útfrá því hvar hentugast gæti verið að bora reynsluholur og svo vonandi vinnsluholur í framhaldinu. Með þessum rannsóknarborunum fæst einnig gleggri mynd af jarðlögunum og misfellum í jarðskorpunni. Á yfirborði jarðar eru laugar og hverir sem sýna hvar bresti er að finna í jarðlögunum og þar af leiðandi vottur um sýnilega leka á straumkerfi grunnvatnsins. Vatnið kemur upp eftir misgengissprungum í berglögum og göngum sem mynda lóðréttar rásir í gegnum þau. Þegar búið er að bora vinnsluholu á vatnið greiðari leið upp á yfirborðið heldur en áður og unnt er að koma því til notanda .

Nýtingarsvið.

Vatnsorku er eingöngu breytt í raforku og tapast mjög lítið af orku vatnsfallsins við þá umbreytingu. Nýtingu vatnsorku fylgir oft mikil landnotkun undir lón og vatnsvegi. Í nýjustu áætlunum er oftast gert ráð fyrir að veitur séu að mestu í jarðgöngum og oft er gert ráð fyrir stöðvarhúsi neðanjarðar. Til þess að koma raforku til notenda er háspennt raforka að mestu flutt eftir loftlínum, en lágspenntri í vaxandi mæli í jarðstrengjum. Þegar varmaorka er nýtt til að framleiða raforku nýtist aðeins um 10% varmans en 90% er skilað sem afgangsvarma við lægri hita. Þennan varma má nýta til hitunar ef markaður finnst en að öðrum kosti er honum dreift til umhverfis eða dælt aftur niður í jarðhitakerfið.

Um 90% af húsnæðum landsins er hitað með jarðvarma, aðallega frá lághitasvæðum. Önnur helstu nýtingarsvið eru iðnaður,ylrækt, sundlaugar og síðast en ekki síst raforkuframleiðsla, sem er hratt vaxandi. Á töflu 1 má sjá þá varmaorku sem nýtist en ekki þá frumorku sem tekin er úr auðlindinni.

Í nálægð við þéttbýli er oft völ á fjölþættri nýtingu, t.d. til upphitunar húsnæðis, ylræktar o.þ.h. eða til iðnaðar og skiptir þá lega jarðhitasvæðisins miklu máli. Nýting affallsvarma frá virkjunum á hálendinu væri hugsanleg til baða en tæplega til iðnaðar sökum fjarlægðar frá höfnum. Nýting lághita með dælingu úr borholum getur stöðvað sjálfrennsli úr hverum og laugum og eyðir í þeim tilfellum þegar til lengdar lætur ummerkjum um jarðhita á yfirborði. Á háhitasvæðum veldur blástur úr borholum þrýstingslækkun í heitu bergi og suða vatns í berginu verður víðtækari en áður. Vinnslan getur því allt eins orðið til þess að yfirborðsvirkni af völdum gufu aukist og þar með hveravirkni á sprungusvæðum. Gufuvirkni við Hverarönd í Námafjalli er að miklu leyti af völdum borana