Doktorsvörn í jarðfræði - Deirdre Elizabeth Clark

Doktorsefni: Deirdre Elizabeth Clark

Heiti ritgerðar: Steinrenning kolefnis í basalti við háan hita. Rannsóknir á tilraunastofu og í náttúrunni.

Andmælendur:
Dr. Bjørn Jamtveit, prófessor við Háskólann í Ósló, Noregi
Dr. Gregory M. Dipple, prófessor við Háskólann í British Columbia í Kanada

Leiðbeinandi: Dr. Sigurður Reynir Gíslason, vísindamaður við Jarðvísindastofnun Háskóla Íslands

Einnig í doktorsnefnd:
Dr. Eric H. Oelkers, prófessor við University College London, Bretlandi, og rannsóknastjóri við Franska rannsóknarráðið í Toulouse í Frakklandi
Dr. Iwona M. Galeczka, nýdoktor við Jarðvísindastofnun Háskóla Íslands og jarðefnafræðingur  hjá  Íslenskum orkurannsóknum, ÍSOR
Dr. Domenik Wolff-Boenisch, lektor við Curtin-háskólann í Perth í Ástralíu

Doktorsvörn stýrir: Dr. Magnús Tumi Guðmundsson, prófessor og deildarforseti Jarðvísindadeildar Háskóla Íslands

Ágrip

Eitt af höfuðvandamálum þeim sem mannkynið stendur frammi fyrir um þessar mundir er hvernig draga megi úr losun koltvíoxíðs (CO2) til andrúmsloftsins. Ein lausnin væri að fanga koltvíoxíðið úr útblæstri iðju- og orkuvera, eða þá beint úr andrúmslofti, og binda það til frambúðar í bergi. Basalt er auðugt af tvígildum katjónum, Ca2+, Mg2+ og Fe2+, sem geta leyst úr bergi og hvarfast við koldíoxíð og myndað þannig stöðugar karbónatsteindir. Koldíoxíð sem leyst er upp í vatni og dælt niður í basaltsvæði steinrennur á innan við tveimur árum.

Í rannsókn þessari var gerð rennslistilraun í háþrýstihvarfasúlu, sem svo er kölluð, til að herma dælingu koltvíoxíðs í glerað basalt við 50°C. Var þetta gert í því augnamiði að kanna hver hlutföll koltvíoxíðsins og vatnsins, sem það væri leyst í, þyrftu að vera til þess að skapa kjöraðstæður til útfellingar karbónata, fremur en zeólíta eða leirsteinda, við 50°C og pH-gildi á bilinu 5,2 til 6,5. Allar þessar steindir keppa um tvígildar katjónir og holrými í berginu. Niðurstöðurnar sýna glöggt að upphaflegt pH-gildi og styrkur koltvíoxíðs í niðurdælingarvatninu skipta mestu um að þessar kjöraðstæður náist. Líkanreikningar sýna enn fremur að ef hlé er gert á innstreymi koltvíoxíðs en niðurdælingu vatns haldið áfram aukast líkur á myndun rúmmálsfrekra Ca-Na-zeólíta og Mg-Fe-leirsteinda, sem taka upp holrými í berginu.

Samhliða tilraunum á rannsóknarstofu hófst niðurdæling blöndu koltvíoxíðs og brennisteinsvetnis árið 2014 í svonefndu CarbFix2 verkefni við Hellisheiðarvirkjun. Í árslok 2017 hafði 23.200 tonnum af koltvíoxíði og 11.800 tonnum af brennisteinsvetni verið dælt niður á 750 m dýpi, í sprungið og ummyndað basalt, heitara en 250°C. Safnað var meira en 80 sýnum af vatni og gasi úr vöktunar- og niðurdælingarholum, bæði fyrir niðurdælingu og meðan á henni stóð. Styrkur aðal-, auka- og snefilefna var mældur í þeim tilgangi að leggja mat á hlut steinrunninna gasa, reikna mettunarstig frum- og ummyndunarsteinda í berginu og til að kanna hreyfanleika og upptöku snefilefna.

Í fyrsta áfanga CarbFix2 niðurdælingarinnar, frá júní 2014 til júlí 2016, steinrunnu meira en 50% af koltvíoxíðinu og 76% af brennisteinsvetninu á fjórum til níu mánuðum. Niðurdælingin var tvöfölduð í öðrum hluta verkefnisins, frá júlí 2016 til desember 2017 og jókst þá steinrenningin á fjórum mánuðum, þannig að 60% koltvíoxíðsins og meira en 85% brennisteinsvetnisins bundust í bergi. Tvöföldun innstreymis gass hafði þá lækkað pH-gildi vökvans og fært hann nær kjöraðstæðum útfellingar. Leysing Ca úr bergi er væntanlega sá þáttur sem takmarkar útfellingu kalsíts, en dólómít og uppleyst Mg skipta trúlega einnig máli fyrir steinrenningu koltvíoxíðsins. Hár hiti bergsins, yfir 250°C, flýtir steinrenningu, en hann er við efri mörk þess að leyfa steinrenningu koltvíoxíðs því karbónatsteindir vilja brotna niður við hærri hita. Ádælingarstuðull niðurdælingarholunnar hélst stöðugur á því hálfu fjórða ári sem tilraunin stóð yfir, sem sýnir að steinrenningin hefur enn ekki spillt lekt bergsins svo neinu nemi.

Uppleysing basalts losar einnig snefilefni, sem talsvert hafa verið rannsökuð í íslenskum jarðhitakerfum. Lítið er samt vitað um hreyfanleika þeirra í kjölfar niðurdælingar gasa í basalt. Niðurstöður þessa verkefnis sýna fram á losun og upptöku nokkurra snefilefna, einkum Ba, Sr, As og Mo. Þessi efni, og fleiri, eru væntanlega tekin upp af karbónötum, súlfíðum svo og ummyndunarsteindum eins og epídóti og aktínólíti. Þótt þessi jarðhitavökvi sé ekki ætlaður til drykkjar er engu að síður eftirtektarvert að styrkur snefilefna í honum er yfirleitt undir þeim mörkum sem neysluvatnsstaðlar Alþjóða heilbrigðismálastofnunarinnar, Evrópusambandsins og íslenskra stjórnvalda setja. Helsta undantekningin er þó styrkur arsens. Hann var umtalsvert hærri áður en niðurdæling hófst, svo og á fyrsta ári hennar, en lækkaði síðan mikið með tímanum, og það niður fyrir mörk téðra neysluvatnsstaðla.

Um doktorsefnið

Deirdre Elizabeth Clark fæddist 8. apríl 1988. Foreldrar hennar eru Deanna Borchers og Paul Chudleigh Clark. Hún ólst upp í Calgary í Alberta-fylki í Kanada og Scotch Plains í New Jersey-fylki í Bandaríkjunum. Deirdre lauk BS-námi í jarðfræði og BA í umhverfisfræðum frá George Washington University í Washington í Bandaríkjunum árið 2010. Hún lauk MS-námi í jarðefnafræði og vatnafræði frá Utrecht University í Hollandi árið 2013. Deirdre hóf doktorsnám sitt við Háskóla Íslands árið 2014.