Fluid-rock interaction in the vicinity of felsic and mafic intrusions

Abstract

This research deals with the thermal and geochemical evolution of the magmatic-hydrothermal transition within the Geitafell Central Volcano (GCV), SE Iceland, to provide critical insights for high-temperature geothermal exploration. By integrating petrography, bulk-rock geochemistry, micro-analytical techniques, and thermal modeling, this study establishes a framework for understanding how intrusions of different sizes drive high-enthalpy systems. The study reveals that geothermal maturation is sustained by a suite of heat sources. Small-scale basaltic dikes (0.5 m thick) generate high-temperature pulses, inducing localized cryptic partial melting (3–10%) and high-grade metamorphism (>800 °C). Although these dikes solidify in less than a day, their thermal impact elevates host-rock temperatures for up to three years; therefore, frequent injections maintain elevated temperatures for several decades. In contrast, the medium-scale (~782 m thick) Hoffell Granite Intrusion (HGI) functions as a sustained heat engine. The HGI formed via extreme fractional crystallization (>95%), where high magmatic halogen concentrations (F, Cl) depressed its solidus; this extended the cooling process and allowed the HGI to remain a viable heat source for over 7000 years. Analysis of quartz-hosted fluid inclusions within the HGI further tracks the chemical transition from metal-rich, salt-saturated magmatic brines to circulating meteoric fluids. Overall, these findings provide evidence of the geodynamic maturation of the GCV, documenting its transition from a rift-axis to a flank-zone environment. This integrated model provides essential tools for identifying deep heat sources and mitigating technical risks, such as halite scaling and chlorine-active corrosion, when drilling into the roots of high-temperature geothermal systems in active volcanic areas.

Verkefnið felur í sér rannsóknir á breytingum í hita og jarðefnafræði á mörkum kviku og jarðhitakerfis innan Geitafellseldstöðvarinnar á Suðausturlandi. Með því fást mikilvægar upplýsingar fyrir jarðhitaleit í háhitakerfum. Með samþættingu bergfræði, jarðefnafræði bergs, mismunandi örgreiningaraðferða og varmalíkana leggur þessi rannsókn grunn að aðferðum til skilnings á því hvernig innskot af mismunandi stærð knýja jarðhitakerfi með hátt vermi. Rannsóknin leiðir í ljós að þroskasaga jarðhitakerfa ræðst af mismunandi hitagjöfum. Smáir basaltgangar (0.5 m þykkir) gefa frá sér háhitapúlsa sem valda staðbundið torséðri hlutbráðnun (3–10%) og hárri myndbreytingu (>800 °C). Þótt slíkir gangar storkni innan sólarhrings valda þeir hærri hita í grannberginu í allt að þrjú ár. Þar af leiðir að tíð kvikuinnskot viðhalda háu hitastigi áratugum saman. Á hinn bóginn virkaði hið meðalstóra (~782 m þykkt) Hoffellsgranítinnskot sem langtíma varmagjafi. Hoffellsinnskotið myndaðist við mikla hlutkristöllun (>95%) þar sem hár styrkur halógena (F, Cl) í kvikunni lækkaði bræðslumark hennar. Þetta lengdi kælingarferlið og gerði það að verkum að Hoffellsinnskotið entist sem hitagjafi í yfir 7000 ár. Greining á vökvainnlyksum í kvarsi frá Hoffellsinskotinu leiðir í ljós breytingar í efnasamsetningu frá málmríkum, saltmettuðum kvikupæklum yfir í vökva sem var að uppruna grunnvatn í hringrásarkerfi. Í heildina gefa þessar niðurstöður vísbendingar um jarðfræðilega þróun Geitafells og sýna fram á hvernig það fór frá því að vera staðsett nærri rekás yfir í að vera innan hliðargosbeltis. Þetta samþætta líkan leggur grunn að aðferðafræði til að bera kennsl á djúpa hitagjafa og draga úr tæknilegri áhættu, svo sem saltútfellingum og klórtæringu, þegar borað er í rætur virkra eldfjalla.