• SDSN - Greece
• Publications close
• French close
• Opin visindi close

The electrical signature of volcanoes is affected by several characteristics of rocks: volume and salinity of pore fluid, abundance of conductive minerals, rock temperature and presence of molten crust (magma). Electromagnetic soundings are widely used to image the underground structure of volcanoes and look for high-temperature geothermal resources. However, the relative contribution of the above-mentioned elements to the measured resistivity is often an unsolved question when interpreting resistivity inversions. This thesis aims at improving the interpretation of electrical resistivity structures at active volcanoes, in order to develop innovative tools for the assessment of high-enthalpy geothermal resources. Focus is on conductive minerals, which can either be solid ionic conductors (clay minerals, in particular smectite) or electronic semi-conductors (pyrite and iron-oxides). Also investigated are the effects of porosity, salinity, temperature and melting. Iron-oxides are mostly formed during the primary crystallization of magma, while smectite and pyrite are formed upon hydrothermal alteration of volcanic rocks, thereby witnessing hydrothermal convections. Krafla volcano, Iceland, is used as a laboratory area, where extensive literature, borehole data, core samples, surface soundings and infrastructures are available. The contribution of smectite to the electrical conductivity of volcanic samples saturated with pore water at different salinity is first investigated in the laboratory (room temperature) by electrical impedance spectroscopy, also called complex resistivity. Non-linear variations of the conductivity at 1 kHz with salinity are observed and interfoliar conduction is suggested as an important mechanism by which smectite conducts electrical current. The influence of pyrite and iron-oxides on the charge-storage (capacitive) properties of the rock is then analyzed, using the frequency-dependent phase-angle of the impedance. Maximum phase-angle (MPA) higher than 20 mrad can be attributed to pyrite if the rock is conductive and to iron-oxides if the rock is resistive. Moreover, the MPA increases by about 22 mrad for each additional volumetric per cent of pyrite or iron-oxide. These laboratory frequency-domain findings are partly upscaled to interpret field time-domain complex resistivity tomography at Krafla: smectite, pyrite and iron-oxides can be identified down to about 200 m with the measurements carried out. The in-situ temperature, higher than in laboratory conditions, appears to significantly increase the conductivity associated to smectite. In general, time-domain complex resistivity measurements are recommended as a complementary method to electromagnetic soundings for geothermal exploration. Rafeiginleikar bergs, bæði eðlisviðnám og fasvik, á eldfjallasvæðum eru m.a. háðir póruhluta (holrýmd) bergs, styrk uppleystra jóna í póruvökvanum (seltu), magni rafleiðandi steinda í berginu, hita þess og hvort það er bráðið eða storkið. Rafsegulmælingar eru notaðar til þess að skoða innri gerð eldfjalla og kanna háhitasvæði með því að búa til viðnámslíkön af þeim. Túlkun þeirra er oft flókin og vandasamt er að greina á milli fyrrnefndra þátta sem hafa áhrif á eðlisviðnám og fasa. Þessari ritgerð er ætlað að auka skilning á eðlisviðnámi jarðlaga í virkum eldstöðvum í því skyni að þróa þá tækni sem notuð er til þess að meta stærð og eiginleika háhitasvæða. Ritgerðin fjallar einkum um rafleiðandi steindir, sem eru annað hvort málmleiðarar (leirsteindir, einkum smektít) eða hálfleiðarar (pýrít og járnoxíð). Einnig eru rannsökuð áhrif póruhluta, styrks jóna í póruvökva, hita og bráðnunar bergs. Járnoxíð eru að mestu frumsteindir, þ.e.a.s. þau kristallast þegar bergkvikan kólnar. Smektít og pýrít myndast hins vegar sem útfellingar eða við ummyndun og bera vitni um hringrás jarðhitavökva. Notuð eru gögn frá eldstöðvakerfi Kröflu en þar eru til miklar heimildir eins og borholugögn, borkjarnar og yfirborðsmælingar og góð aðstaða til rannsókna. Áhrif smektíts í bergi á eðlisviðnám bergsýna voru mæld við stofuhita í tilraunastofu. Pórur þeirra voru mettaðar vökva með breytilegum styrk jóna og áhrifin könnuð með litrófsmælingu á eðlisviðnámi og fasa (tvinntöluviðnám). Niðurstöður sýna ólínulegar breytingar í viðnámi við 1 kHz tíðni sem fall af seltu vökvans. Sú tilgáta er sett fram að leiðni milli atómlaga í kristöllum, interfoliar conduction, eigi mikilvægan þátt í rafleiðni smektíts. Áhrif pýríts- og járnoxíðsteinda á rafrýmd bergs var könnuð með því að skoða hvernig fasahorn tvinntöluviðnáms er háð tíðni. Ef hámark fasahornsins (MPA) er stærra en 20 mrad stafar það af tilvist pýríts ef bergið er velleiðandi en járnoxíða ef bergið er torleiðandi. Þá eykst MPA um 22 mrad við hverja prósentu-aukningu í rúmmáli pýrits- eða járnoxíðsteinda. Þessar niðurstöður úr tilraunastofumælingum á tíðniháðu tvinntöluviðnámi voru nýttar til þess að túlka yfirborðsmælingar á tvinntöluviðnámi á Kröflusvæðinu. Tvinntöluviðnámslíkan frá Kröflusvæðinu sýnir að greina má tilvist smektíts, pýríts og járnoxíðs niður á um 200 m dýpi í mælingunum sem gerðar voru. Hiti jarðlaga, sem er hærri en í tilraunastofumælingum, virðist hækka verulega leiðni bergs sem inniheldur smektít. Lagt er til að mælingar á tvinntöluviðnámi verði notaðar til viðbótar við hefðbundnar rafleiðnimælingar við jarðhitarannsóknir vegna þeirra viðbótarupplýsinga sem fást með slíkum mælingum. Paris Sciences et Lettres; IMAGE FP7 European Project (grant agreement 608553); GEMex H2020 European Project (grant agreement 727550). Final thesis