Understanding Hydrogen Sulfide Mineral Storage: Joint Geophysical Surveying and Geochemical Modeling at the Nesjavellir Geothermal Site, Iceland

Abstract

The physical and chemical processes that occur in the subsurface as fluids and rocks interact play a central role in shaping subsurface geochemical systems. However, capturing these fluid-rock interactions in the field is difficult, as these processes occur hidden from direct observation. Both geochemical and geophysical methods provide complementary insights into the complex fluid-rock interactions, but the disciplines are not commonly used together. This thesis aims to integrate reactive transport geochemical modeling with time-lapse geophysical surveying to better understand and monitor fluid-rock interactions associated with hydrogen sulfide (H₂S) mineral storage in basalt, focusing on the Nesjavellir geothermal site (SW Iceland). In the mineral storage approach, injected H₂S reacts with basalt-sourced iron to form the mineral pyrite. The direct current and induced polarization (DCIP) geophysical method is sensitive to pyrite abundance through the chargeability parameter and is therefore evaluated as a novel monitoring tool for H₂S mineral storage. This research integrates DCIP surveying with reactive transport models that couple fluid flow and transport with geochemical reactions to predict the fluid-rock interactions and provide insight into geochemical processes controlling the DCIP response. Reactive transport models presented here show that H₂S mineral storage is effective under the current injection conditions, with up to 87% of the injected H₂S mineralizing as pyrite over 25 years of continuous injection. Consequently, H₂S contamination of the nearby Lake Thingvellir is expected to be minimal (<0.013 µmol/L). However, faults with high permeability pose a potential risk for contaminating the surface water. Lithologic and hydrologic controls strongly impact H₂S mineralization: it is greatest in high-permeability hyaloclastites with abundant basaltic glass and in fresh, olivine-rich lava flows; high porosity and temperature accelerate iron release and pyrite formation; and permeability governs the spatial distribution of pyrite precipitation, although high fluid flow in permeable zones can limit the fluid-rock interactions required for pyrite formation. H₂S mineralization is maximized in high-permeability hyaloclastites containing abundant basaltic glass and fresh lava flows containing abundant Fe-rich olivine. High porosity and elevated temperature accelerate basalt dissolution and iron release, enhancing H₂S mineralization. Permeability controls the spatial distribution of H₂S-rich water and subsequent pyrite precipitation. However, high fluid flow rates in permeable zones can limit fluid-rock interactions. Inversion of the 3D flow model constrained by borehole fluid temperature data reveals high permeabilities up to 9.7×10⁻¹¹ m² in hyaloclastite units. The permeability values agree with estimates derived from a petrophysical relationship linking permeability, changes in electrical resistivity between 1985 and 2020, and smectite abundance, as predicted by reactive transport simulations over the same period. Multiple-porosity models indicate that slow, diffusion-dominated transport in the rock matrix enhances fluid–rock interactions, with up to 97% of the total pyrite formation occurring within the rock matrix. This highlights the importance of considering diffusive processes in multiple-porosity frameworks to accurately simulate H₂S mineral storage in fractured basalt. Assessing DCIP monitoring capabilities at Nesjavellir shows increases in chargeability in wireline DCIP logs from injection wells injecting H₂S-rich water at rates of 12.5-149 L/s. The wireline measurements, taken 40 days apart, capture changes consistent with reactive transport model predictions of pyrite formation within 3.25 m of the borehole. In contrast, DCIP surface measurements show no significant change in chargeability following six months of continuous injection. Field-scale reactive transport models illustrate that low signal-to-noise ratios at the injection depths and small chargeability responses from dispersed pyrite mineralization limit the monitoring capability of surface DCIP. Synthetic DCIP datasets generated from reactive transport models show that cross-borehole DCIP surveying improves upon the surface DCIP approach by measuring chargeability changes at injection depths, but the method remains limited by data noise and weak chargeability signals. Overall, this thesis provides innovative ways of integrating geochemical and geophysical approaches and provides a comprehensive, non-invasive approach to enhance hydrogeological monitoring capabilities.

Eðlis- og efnafræðileg ferli sem eiga sér stað þegar vökvar og berg hvarfast hvert við annað gegna lykilhlutverki í mótun jarðefnafræðilegra kerfa í jarðskorpunni. Erfitt er að rannsaka samspil vökva og bergs með beinum athugum þar sem ferlin eiga sér stað neðanjarðar. Bæði jarðefna- og jarðeðlisfræðilegar aðferðir veita aukna innsýn í flókið samspil vökva og bergs, en þessar fræðigreinar eru almennt ekki nýttar saman. Þessi ritgerð miðar að því að samþætta jarðefnafræðileg líkön af grunnvatnsstreymi við tímaraðir jarðeðlisfræðilegra mælinga til að skilja betur og vakta víxlverkun vökva og bergs í tengslum við bindingu brennisteinsvetnis (H₂S) í steindir basalts, með áherslu á jarðhitasvæði Nesjavalla á Suðvesturlandi. Þar er dælt niður H₂S sem hvarfast við járn úr basalti og myndar pýrít. Jarðeðlisfræðilega aðferðin byggir á jafnstraumi og spanskautun bergs (e. direct current and induced polarization, DCIP) og er næm fyrir magni pýríts vegna hleðslugetu pýríts. Aðferðin gæti því verið nýstárlegt eftirlitstæki fyrir bindingu H₂S í pýrít. Í þessari rannsókn eru DCIP mælingar samþættar grunnvatnslíkönum sem tengja saman vökvaflæði og jarðefnafræðileg efnahvörf til að spá fyrir um samspil vökva og bergs og veita innsýn í þau jarðefnafræðilegu ferli sem stýra svörun DCIP-aðferðarinnar.Grunnvatnslíkön sem hér eru sett fram sýna að binding H₂S er árangursrík, þar sem allt að 87% af niðurdældu H₂S breytist í pýrít, miðað við 25 ára samfellda niðurdælingu. Því má gera ráð fyrir að mengun Þingvallavatns af H₂S verði óveruleg (<0,013 µmól/L), þó að misgengi með mikla lekt geti mögulega valdið mengun yfirborðsvatns. Jarðlagagerð og grunnvatnsfræðilegar aðstæður hafa afgerandi áhrif á bindingu H₂S: Pýrítmyndun H₂S er mest í mjög gegndræpu móbergi með miklu basaltsgleri og í ferskum hraunum sem innihalda mikið af járnríku ólivíni; hátt grophlutfall og hár hiti valda hraðari uppleysingu basalts, því verður losun járns og binding H₂S hraðari; Lekt ræður dreifingu H₂S-ríks vatns og þar af leiðandi hvar pýrít fellur út; hins vegar getur mikið vatnsrennsli á lekum svæðum takmarkað samspil vökva og bergs. Kvörðun á lekt í þrívíða straumlíkaninu með tilsjón af hitagögnum úr borholum gefur allt að 9,7×10⁻¹¹ m², sem telst há lekt. Þessi lekt er í samræmi við mat sem byggir á mun viðnámsmælinga 1985–2020 og líkönum af útfellingu smektíts frá því að losun fráveituvatns hófst á Nesjavöllum. Líkan með tvenns konar gropuhlutfalli sýnir að hægt, sveimstýrt flæði í berginu auki pýrítbindingu, þar sem allt að 97% af heildarútfellingu pýríts á sér stað innan bergmassans. Þessi niðurstaða undirstrikar mikilvægi þess að taka mið af sveimi í tvígropulíkönum sem herma bindingu H₂S í brotnu basalti.Mat á eftirlitshæfni DCIP leiðir í ljós mikilvægi borholumælinga, þar sem DCIP-borholumælingar með 40 daga millibili sýna aukna hleðslugetu, sem er í samræmi við spár grunnvatnslíkana um myndun pýríts innan 3.25 m frá borholum. Til samanburðar sýna DCIP-yfirborðsmælingar engar marktækar breytingar á hleðslugetu eftir sex mánaða niðurdælingu, sem er einnig í samræmi við niðurstöður grunnvatnslíkana og orsakast af fjarlægð mælitækja frá pýrítmynduninni. Hermd DCIP-gögn úr grunnvatnslíkönum benda til þess að DCIP-mælingar milli borhola geti umfram yfirborðs DCIP mælingar greint útfellingu H₂S, að því tilskildu að gögn séu af góðum gæðum og niðurdæling eigi sér stað yfir löng tímabil.Í þessari ritgerð eru lagðar fram nýstárlegar leiðir til að samþætta jarðefnafræðilegar og jarðeðlisfræðilegar nálganir á heildstæðan hátt til að bæta eftirlitshæfni með bindingu H₂S.