Dispersive thermohaline convection near salt domes: a case at Napoleonville Dome, southeast Louisiana, USA

Abstract

Density-driven flow around salt domes is strongly influenced by salt concentration and temperature gradients. In this study, a thermohaline convection numerical modeling is developed to investigate flow, salinity, and heat transport around salt domes under the impact of fluid dispersivity and variable density and viscosity. ‘Dispersive fluid flux of total fluid mass’ is introduced to the density-driven flow equation to improve thermohaline modeling in porous media. The dispersive fluid flux term is derived to account for an additional fluid flux driven by the density gradient and mechanical dispersion. The model is first tested by a hypothetical salt-dome problem, where a circulation of flow is induced by an overpressure and density effect. The result shows a distinct salt-transport change due to the inclusion of the dispersive fluid flux and temperature effect. Then, the model is applied to investigate changes of groundwater flow, salinity, and heat transport near the west of Napoleonville salt dome, southeastern Louisiana, USA, due to a salt cavern failure. The result shows that an instant overpressure assumed to be created by the salt-cavern wall breach has little impact on salinity near the ground surface within a period of 3 months. However, salinity is significantly elevated near the breach area of the salt cavern, caused by strong flow velocities.

Résumé

Les écoulements sous l’effet de la densité autour des dômes salifères sont fortement influencés par la concentration de sel et par les gradients de température. Dans cette étude, un modèle numérique d’advection thermohaline est développé pour étudier les écoulements, la salinité et le transport de chaleur autour de dômes de sel sous influence de la dispersivité des fluides et la variabilité de la densité et de la viscosité. La notion d’ « écoulement dispersif de fluide de la masse total du fluide » est introduite dans l’équation d’écoulements sous l’effet de la densité afin d’améliorer la modélisation thermohaline en milieu poreux. Le terme d’écoulement dispersif du fluide est dérivé pour prendre en compte un écoulement fluidique additionnel influencé par le gradient de densité et par la dispersion mécanique. Le modèle a été tout d’abord testé sur un problème hypothétique de dôme de sel, où les écoulements sont induits par une surpression et par un effet de densité. Les résultats montrent une modification distincte du transport du sel due à l’intégration d’un écoulement dispersif du fluide et à un effet de température. Ensuite, le modèle est appliqué pour étudier les modifications d’écoulement d’eau souterraine, de salinité et de transport de chaleur à proximité occidentale du dôme de sel de Napoleonville, dans le Sud-Est de la Louisiane, Etats Unis d’Amérique, en raison d’une rupture de caverne de sel. Le résultat montre que la surpression instantanée supposée à l’origine de l’effondrement de la caverne de sel a peu d’impact sur la salinité près de la surface du sol au cours d’une période de 3 mois. Cependant, la salinité est élevée de manière significative à proximité de la zone d’effondrement de la caverne de sel, à cause des vitesses d’écoulement importantes.

Resumen

El flujo de densidad de impulso alrededor de los domos de sal está fuertemente influenciado por la concentración de sal y por los gradientes de temperatura. En este estudio, se desarrolla un modelo numérico de convección termohalina para investigar el flujo, salinidad y transporte de calor alrededor de domos salinos bajo el impacto de la dispersividad del fluido y de la viscosidad y densidad variables. Se introduce el ‘Flujo Dispersivo del fluido de la masa total del fluido’ a la ecuación de flujo de densidad de impulso para mejorar la modelación termohalina en el medio poroso. El término del flujo dispersivo del fluido se deriva para representar un flujo impulsado adicional del fluido por el gradiente de densidad y la dispersión mecánica. El modelo es primero testeado por un problema de domo salino hipotético, donde una circulación de flujo se induce por una sobrepresión y un efecto de la densidad. El resultado muestra un marcado cambio en el transporte salino debido a la inclusión del flujo dispersivo del fluido y al efecto de la temperatura. Luego, el modelo se aplica para investigar cambios del flujo de agua subterránea, salinidad y transporte de calor cerca del oeste del domo salino de Napoleonville, en sudeste de Louisiana, EEUU, debido a una falla en la caverna de sal. El resultado muestra que una sobrepresión instantánea supone crear una pared de ruptura en la caverna de sal que tiene poco impacto en la salinidad cerca de la superficie del suelo dentro de un plazo de 3 meses. Sin embargo, la salinidad es significativamente elevada cerca del área de ruptura de la caverna de sal, causado por las Fuertes velocidades de flujo.

摘要

圍繞在鹽丘附近的地下水流深受鹽水濃度和溫度梯度的影響。這項研究發展一個溫鹽對流數值模式,來探討流體分散性和水密度及粘度可變性的對鹽丘附近地下水流,鹽傳輸和熱傳導的影響。’總流體質量的分散流體流量’被引入到密度驅動的多孔介質流方程式,以改善對溫鹽對流的模擬。分散式流體流量是密度梯度和機械式分散驅動下所產生的額外流體流量。該數值模式首先被測試在一個假想的鹽丘問題上,去驗證過壓及密度效應是否引發循環流。結果顯示,考慮分散流體流量和溫度效應對鹽傳輸有顯著的改變。然後,該模式應用於研究美國路易斯安那州東南邊拿破崙維爾鹽丘,一座鹽穴崩壞產生對地下水流,鹽傳輸和熱傳導的改變。在鹽穴壁崩壞瞬間產生過壓的假設下,模擬結果顯示,瞬間過壓三個月內對地表附近鹽度的影響不大。然而,地下水鹽度在鹽穴崩壞附近有顯著上升,這是因為高流速所產生的結果.

چکیده

جریان با جرم مخصوص متغیر در اطراف گنبدهای نمکی متاثر از گرادیان غلظت نمک و گرادیان دما می باشد. در این تحقیق، مدل عددی پدیده ترموهالاین برای بررسی جریان سیال، انتقال نمک و انتقال حرارت در اطراف گنبدهای نمکی و تحت تاثیر شار پخشی سیال و تغییرات جرم مخصوص و لزجت سیال توسعه می یابد. افزودن شار پخشی سیال به معادله جریان در مدلسازی پدیده ترموهالاین، به نتایج بهتری منجر می شود. شار پخشی سیال در معادله جریان، ناشی از گرادیان جرم مخصوص و پخش مکانیکی می باشد. مدل توسعه یافته در این تحقیق ابتدا با مدلسازی یک گنبد نمکی فرضی آزمایش می شود. شکل گیری یک جریان چرخشی در اثر وجود ناحیه پرفشار در کف آبخوان و اختلاف جرم مخصوص موجود در نقاط مختلف آن مشاهده می شود. افزودن شار پخشی سیال به معادله جریان، و همچنین منظور نمودن تاثیر دما بر جرم مخصوص و لزجت آب، تاثیر زیادی بر نتایج عددی به دست آمده دارد. مدل توسعه یافته در این تحقیق برای بررسی تغییرات جریان آب زیرزمینی، انتقال نمک و انتقال حرارت ناشی از فروریختن حفره موجود در مجاور ضلع غربی گنبد نمکی ناپلئونویل در جنوب شرقی ایالت لویزیانا آمریکا به کار گرفته می شود. نتایج مدلسازی نشان می دهد که افزایش فشار ناگهانی فرضی در حفره فروریخته شده در داخل گنبد نمکی در دوره زمانی سه ماهه، تاثیر زیادی بر گسترش شوری در مجاورت سطح زمین ندارد. به هر حال شوری آب در اطراف حفره فرو ریخته شده در ضلع غربی گنبد نمکی افزایش قابل توجهی داشته که می تواند ناشی از سرعت های بالای جریان در اطراف حفره باشد.

Resumo

O escoamento causado por diferenças de densidade ao redor de domos de sal é fortemente influenciado pela concentração de sal e gradientes de temperatura. Neste estudo, um modelo numérico de convecção termohalina é desenvolvido para investigar o escoamento, salinidade e transporte de calor ao redor de domos de sal sob o impacto da dispersividade do fluido, variação de densidade e viscosidade. O “escoamento dispersivo de massa total de fluido” é introduzido na equação de escoamento por diferença de densidade para melhorar a modelagem termohalina em meios porosos. O termo de escoamento dispersivo de fluido é derivado para levar em conta um fluxo de fluido adicional, governado pelo gradiente de densidade e dispersão mecânica. O modelo é primeiramente testado no problema de um domo de sal hipotético, no qual a circulação do escoamento é causada por um excesso de pressão e efeito da diferença de densidade. O resultado mostra uma mudança distinta no transporte de sal causado pela inclusão do fluxo de escoamento dispersivo e do efeito da temperatura. Depois, o modelo é aplicado na investigação de mudanças de escoamento de água subterrânea, salinidade e transporte de calor, próximo a porção oeste do domo de sal de Napoleonville, sudeste da Louisiana, EUA, causadas por uma fratura em uma caverna de sal. O resultado mostra que um excesso instantâneo de pressão, supostamente criado pela fratura na parede da caverna de sal, tem um pequeno impacto na salinidade próxima à superfície do solo dentro do período de 3 meses. Entretanto, a salinidade é significativamente elevada próxima à região da fratura da caverna de sal, causada por grandes velocidades de escoamento.