Numerische Modellierung des Fluidflusses im Kontext der CO2-Speicherung an den Flanken der mittelozeanischen Rücken

Die Mehrheit des basaltischen Vulkanismus der Erde findet an mittelozeanischen Rücken statt, wo neuer Ozeanboden entsteht. Besonders die junge ozeanische Kruste, die hochporös und durchlässig ist, unterliegt regionaler hydrothermischer Zirkulation abseits der Achse, die große Mengen Wärme extrahiert und globale Wasser- und chemische Flüsse zwischen dem Ozean und der Lithosphäre beeinflusst. Im Allgemeinen erfolgt die Wiederauffüllung mit Meerwasser und die Entladung hydrothermischer Flüssigkeiten, wo die basaltische Kruste dem Seeboden ausgesetzt ist. Diese Zirkulationsweise wird normalerweise als Fluss von Vorkommen zu Vorkommen bezeichnet. Basaltische Aquiferen, die von undurchlässigen sedimentären Schichten überlagert sind, können den Fluss von Vorkommen zu Vorkommen über Entfernungen von mehreren 10 Kilometern aufrechterhalten. Basaltische Gesteinsformationen werden auch auf ihr Potenzial hin untersucht, injiziertes CO2 zu speichern, wobei der zusätzliche Vorteil besteht, dass Karbonatisierungsreaktionen die sichere Langzeitspeicherung fördern. In diesem Zusammenhang ist ungewiss, ob der natürliche hydrothermische Fluss zwischen aus dem Wasser ragenden Seamounts eine Langzeitspeicherung gefährdet oder ob er dazu beiträgt, injiziertes CO2 kontinuierlich frischem reaktiven basaltischen Gestein auszusetzen. Die numerische Modellierung des Fluidflusses in unterschiedlichen Maßstäben ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die Beziehungen zwischen regionaler hydrothermischer Zirkulation und CO2-Speicherung zu verstehen. Einerseits können gekoppelte Wärmeübertragungs- und Fluidflussmodellierungen des regionalen Flussantriebs an den Rückenflanken im Kilometermaßstab durchgeführt und mit Wärmeflussbeobachtungen verglichen werden. Durch die Verwendung solcher regionaler Modelle stellen wir fest, dass ein Fluss von Vorkommen zu Vorkommen auftritt, wenn die Permeabilität des basaltischen Aquifers größer ist als 10-13 m². Diese regionale krustale Permeabilität kontrolliert hauptsächlich die Fließgeschwindigkeit und die Masseflüsse bei der Entladung. In Anwesenheit von Flüssen von Vorkommen zu Vorkommen bestimmen die Permeabilität und die geometrische Form der Vorkommen weiter die Flussrichtung. Zweitens werden die Flussraten und die Fluidtemperaturen im Aquifer von der Dicke des Sediments und der Entfernung zwischen den Vorkommen beeinflusst. Diese Ergebnisse, die auf regionalen Modellen basieren, helfen, die Fließmuster durch die basaltische Kruste anhand von Seebodenbeobachtungen einzuschränken, z. B. durch Wärmeflussmessungen im Sediment. Das Verständnis dieser regionalen Fließmuster ist eine zwingende Notwendigkeit im Kontext der CO2-Speicherung an den Flanken mittelozeanischer Rücken. Andererseits kann die in situ-Kohlenstoffmineralisierung in poröser basaltischer Kruste die krustalen Permeabilitäten auf lokaler und regionaler Ebene verändern und somit die regionalen Zirkulationsmuster beeinflussen. In diesem Zusammenhang verwenden wir numerische Fluidfluss-Simulationen im Mikroskalamäßstab auf der Grundlage von Kernproben in Kombination mit Laborexperimenten, um die Permeabilitätsentwicklung während der Karbonisierungsreaktionen zu parametrisieren. Ergebnisse der Modellierung auf Porebene können in die regionalen Flussmodelle integriert werden, um das Verständnis des Zusammenspiels zwischen hydrothermischer Zirkulation abseits der Achse und Kohlenstoffspeicherung in basaltischen Gesteinen der mittelozeanischen Rücken weiter zu verbessern.