ZS-PMax-Fluoriet-1500-x-220-definitief_verdonkerd.jpg

College van de maand: Geisers op IJsland

Afb. 1. De Strokkur geiser terwijl deze uitbarst, september 2022. Foto: F. Verheij.

Afgelopen september ben ik op vakantie geweest naar IJsland en ben ik daar erg onder de indruk geraakt van de geisers die we hebben bezocht, (afb. 1). Ik was onmiddellijk geboeid door dit fenomeen en hoe het ontstaat. Graag zou ik dit verder onderzoeken en het lijkt mij een goed idee om dit via deze weg te doen en mijn verwondering met jullie te delen.

IJsland is één van de zes plaatsen ter wereld waar actieve geisers voorkomen en is ook de plek waar de allereerste geiser is ontdekt. Een geiser is een door aardwarmte verwarmde natuurlijke heetwaterbron, die op min of meer op regelmatige tijden een mengsel van heet water en stoom de lucht in spuit. Het is een vulkanisch verschijnsel en heeft een maximale levensverwachting van rond de 1.000 jaar. De benaming geiser is afgeleid van ‘geysir’, de naam van de geiser die als eerste ontdekt is. Het woord geysir komt weer van het IJslandse werkwoord gjósa, wat ‘spuiten’ betekent. De vorming van een geiser is afhankelijk van drie hydro geologische omstandigheden, deze drie omstandigheden worden hieronder beschreven.

Afb. 2 Kaart van IJsland met Geysir afgebeeld (beslog.nl).

De werking van een geiser
Een geiser ontstaat alleen wanneer er een combinatie van drie geologische condities plaatsvindt. Deze geologische condities komen voornamelijk in vulkanische gebieden voor en bestaan uit een warmtebron, water en een breukensysteem (afb. 3).

Afb. 3 Model van de werking van een geiser. Voor de vorming van een geiser zijn drie geologische condities nodig: een warmtebron (mantelpluim), water en een breukensysteem (Vulkansime.nl)

Warmtebron
Wanneer een geiser uitbarst wordt er een combinatie van water en stoom de lucht in gespoten. Om het water in de geiser te verwarmen is een warmtebron nodig. De warmtebron bestaat meestal uit een mantelpluim dicht aan het aardoppervlak. Een mantelpluim is een pluim van gesmolten gesteente die via de mantel en door een deel van de korst omhoogstijgt. Deze mantelpluim verwarmt het gesteente onder de geiser. Nu hebben we een warmtebron, maar nog geen water en een breukensysteem, snel door dus.

Water
Om verwarmd water te krijgen, moet er permanent water in de ondergrond aanwezig zijn. Het water kan ter plaatse aanwezig zijn maar het kan ook in de korst vanaf een andere plaats worden aangevoerd. Daarmee komen we aan bij het systeem van breuken.

Breukensysteem
Om van het warme water een geiser te vormen is een ondergronds systeem van breuken en scheuren nodig, waardoor het water zich kan bewegen. Daarnaast is er een waterreservoir nodig, om het water op te slaan terwijl het wordt verhit. Geisers komen dan ook meestal voor langs breuklijnen. Het breukensysteem bestaat uit een stelsel van breuken, scheuren, poreuze ruimten en holtes. Vernauwingen in het systeem zijn essentieel voor het opbouwen van de druk, die nodig is om een eruptie plaats te laten vinden.

De temperatuur van het water onderin de geiser stijgt door de verhitting van de warmtebron, tot dat het water kookt. De druk wordt opgebouwd waardoor het water samen met stoombubbels (gasbellen) in het water zich naar de top van de waterkolom verplaatsen. Wanneer het water door een opening in het aardoppervlak omhoog spuit, gaat er water verloren dat niet direct terug de geiseropening instroomt. Hierdoor wordt het gewicht van de waterkolom in de geiser (en dus de druk van het water in de geiser) verminderd. Naarmate er weer meer water terug de geiser instroomt en de temperatuur en druk van het water in de geiser weer stijgt, wordt toegewerkt naar een volgende uitbarsting.

Bij een eruptie van de geiser, daalt de druk vlakbij het aardoppervlak. Hierdoor gaat het kokende water sneller over in stoom. Dit komt doordat water bij een lagere druk al bij een lagere temperatuur kookt. Het resultaat is een mengsel van stoom (gas) en warm water dat uit de geiseropening spuit.

Het geiserwater reageert met het gesteente rondom de geiser, waardoor kwarts (siliciumdioxide, SiO2) oplost en wordt afgezet als silica op de wanden van de geiser en aan het oppervlak van de geiser. De silica zorgt ervoor dat de breuken in het gesteente een soort coating krijgen, waardoor het geiserwater niet door het gesteente kan ontsnappen. De breuk waardoor het water zich beweegt is daardoor druk bestendig. De druk is essentieel voor de eruptie van het water en de gasbellen. Het water dat achterblijft in de geiser koelt uiteindelijk af tot onder het kookpunt, waardoor de druk en hoeveelheid water afneemt. De eruptie houdt hierdoor op. Het verhitte grondwater sijpelt terug in het reservoir en de cyclus kan weer opnieuw beginnen. De lengte van de eruptie en de tijd tussen de erupties verschilt per geiser. Nu duidelijk is hoe een geiser in het algemeen werkt, zou ik toch graag nog meer willen weten over Geysir op IJsland.

Geschiedenis van Geysir
Geysir maakt onderdeel uit van het Geysir geothermische veld in Haukadalur, welke in het zuiden van IJsland ligt, in een ondiepe, lange vallei met een noord-zuid oriëntatie. Geysir zelf ligt aan de voet van de oostelijke flank van de heuvel Laugarfjall, die 187 m hoog is. Heetwaterbronnen op IJsland komen voor rond 6 km van de tektonische regio. De oudste vermelding van Geysir gaat terug naar 1294 na Chr., wanneer er meerdere aardbevingen in de regio plaatsvinden en Geysir hierdoor uitbarst. Als gevolg van de aardbevingen verdwijnen enkele heetwaterbronnen en ontstaan er ook nieuwe bronnen. Een of twee keer per eeuw zijn er hevige aardbevingen voorgekomen in zuid IJsland. Na een inactieve periode van 40 jaar is in 1630 is de Geysir in Haukadalur zo hevig uitgebarsten dat de omgeving beefde. Voordat deze hevige aardbeving van 1896 plaatsvindt, is de activiteit van Geysir enorm afgenomen waardoor deze alleen nog eens per maand uitbarst. Het is voorgekomen dat, tijdens een actieve periode, Geysir elk uur uitbarstte en de waterkolom tot wel 60 meter hoogte reikte. Na 1896 is de activiteit van Geysir wederom afgenomen, vermoedelijk doordat in de schacht van Geysir opgevuld is met silica, neergeslagen uit het bronwater. Hierna zijn er nog meerdere periodes van activiteit geweest.

Afb. 4. De Geysir op IJsland, deze 'slaapt', september 2022. Foto: R. Verheij.

Het ontstaan van Geysir
Om te begrijpen waarom Geysir op IJsland is ontstaan, is eerst een korte uitleg over het ontstaan van IJsland zelf nodig. IJsland ligt op de Mid-Oceanische Rug, daar waar de Amerikaanse en Euraziatische continentale platen uit elkaar bewegen en waardoor er continue nieuwe continentale korst wordt gevormd. De geothermische regio’s op IJsland zijn verdeeld in twee groepen, de regio’s met een lage temperatuur en de regio’s met een hoge temperatuur (afb. 5). De regio’s met een lage temperatuur zijn te vinden in Kwartaire (0 tot 2,59 miljoen jaar oud) en Tertiaire (2,59 tot 66 miljoen jaar oud) vulkanisch gesteente en hebben een temperatuur gelijk aan of onder de 150 graden Celsius op een kilometer diepte, alsnog erg warm als je het mij vraagt. Deze regio’s liggen verder van de Mid-Oceanische Rug af. De regio’s met een hogere temperatuur dan 150 graden zijn voornamelijk te vinden in het centrale gedeelte van de actieve vulkanische rift zone en krijgen hun warmte van de lokale ophopingen van stollingsgesteente die op een ondiep niveau in de korst liggen. De Mid-Oceanische Rug is daarmee de warmtebron die nodig is om het water van Geysir te laten uitbarsten. De watertemperatuur van Geysir heeft een minimale temperatuur van 240 graden Celsius, wat hoog is in vergelijking met andere velden. Chemische en isotopische studies van het hete water van de bronnen dicht bij Geysir laten zien dat de wateren oorspronkelijk een mix zijn van afgestroomd water van het Geysir geothermische veld en lokaal koud grondwater. In het begin van de 18e eeuw barste Geysir drie keer per dag uit, maar de activiteit van de geiser is afgenomen en barst tegenwoordig slechts eens in de paar dagen of weken uit. De erupties konden 70 tot 80 m hoog reiken, waarna er een dikke wolk met kleine waterdruppeltjes tien minuten bleef hangen.

Afb. 5. Het geothermische veld van IJsland met hoge en lage temperaturen (ÍSOR 2009).
Strokkur
Afb. 6. Dde Strokkur geiser terwijl deze uitbarst, september 2022. Foto: F. Verhey.
Naast de grote geiser Geysir zijn er nog meer kleinere geisers actief in Haukadalur, zoals Strokkur. Deze heb ik op mijn vakantie actief gezien, wat spectaculair was (afb. 6). Het mechanisme van de eruptie van de Strokkur geiser is vrij simpel. Het water in de ondergrond heeft een hogere temperatuur, maar ook een hoger kookpunt door de extra druk die er wordt uitgeoefend op het water in de diepere ondergrond. Rond 15 meter diepte komt de watertemperatuur dicht bij het kookpunt waardoor de waterkolom instabiel is. Door deze instabiliteit kan het water in delen van de pijp gaan koken. Het water zet uit, waardoor er druk in de pijp ontstaat en een eruptie kan worden veroorzaakt. De pijp van Strokkur wordt niet geleegd, zodat deze niet gevuld hoeft te worden met water voordat deze weer binnen enkele minuten uitbarst. Echter bij Geysir ligt het ingewikkelder (afb. 4). Een eruptie begint met gerommel, terwijl het water in de Geysir bron langzaamaan krachtiger wordt en water van 10 tot 20 meter in de lucht wordt geschoten. Dit houdt 10 tot 15 minuten aan. Een deel van het water stroomt uit de bron en een deel wordt uit de bron geschoten. Opeens wordt het water in de pijp gezogen en de geiser is voor 30 tot 60 seconde rustig. En dan ineens wordt het water krachtig uit de geiser gespuwd in een kolom van 60 tot 80 m hoog. Het water stroomt uit de pijp en verandert van een kolom naar een krachtige stroom. Deze fase houdt 5 tot 10 minuten aan. De kracht van de stroom neemt langzaamaan af en dooft uit wanneer de pijp zich weer met water vult.

Ik hoop dat jullie, na het lezen van deze tekst, net zo enthousiast zijn geworden over geisers als ik en Geysir en Strokkur eens gaan bezoeken op IJsland!
Bronnen
  • Jones, B., Renaut, R.W., Torfason, H. & Owen, R.B. (2007) The geological history of Geysir, Iceland: a tephrochronological approach to the dating of sinter. University of California-San Diego. Journal of the Geological Society, London, Vol 164, pp. 1241-1252.
  • Pasvanoğlu, S. (1998). Geochemical study of the Geysir geothermal fiels in Haukadalur, S-Iceland. Kocaeli University, Faculty of Engineering, Turkey.
  • Walter, T.R., Jousset, P., Allahbakhshi, M., Witt, T., Gudmundsson, M. T. & Páll Hersir, G. (2020). Underwater and drone based photogrammetry reveals structural control at Geysir geothermal field in Iceland. Journal of Volcanology and Geothermal Research, Volume 391.
  • http://www.vulkanisme.nl/vulkanische-verschijnselen/geiser.php
  • thinkgeoenergy.com