Implémentation des isotopes dans un modèle hydrogéochimique couplé

Implementation of isotopes into coupled hydrogeochemical modeling

• Auteur / Autrice : Marianna Marinoni
• Direction : Philippe Ackerer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie
• Date : Soutenance le 03/05/2018
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Terre et Environnement (Strasbourg ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'hydrologie et de géochimie de Strasbourg (1997-2020)
• Jury : Président / Présidente : Monica Riva
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jésus Carrera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Bildstein, Yves Goddéris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Hydrologie

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Transport réactif

Séparation d’opérateur

Isotopes

Newton Raphson

Equilibre thermodynamique

Cinétique

3d

Reactive transport

Operator splitting

Isotopes

Newton Raphson

Thermodynamic equilibrium

Kinetics

3d

Résumé

Ce travail décrit le développement d’un outil de simulation du transport réactif, nommé SpeCTr (Spéciation Cinétique Transport), intégrant le fractionnement isotopique. Ce modèle est obtenu à travers le couplage d’un module décrivant le transport et d’un module décrivant les principales réactions chimiques (approche de séparation d’opérateur). Une grande partie du travail est dédiée à l’amélioration des algorithmes du module décrivant les réactions chimiques pour la résolution des équations de l’équilibre thermodynamique (méthode de Newton Raphson modifiée à travers les techniques du scaling et des Fractions Continues Positives) et du mélange de réactions cinétiques et à l’équilibre (étude sur la formulation et résolution des systèmes d’équations différentielles et différentielles-algébriques). L’outil est validé à travers la résolution de plusieurs tests (batch et transport réactif) et appliqué pour la simulation d’expériences de laboratoire en 1D, 2D et 3D portant sur la dissolution des cristaux de calcite dans une colonne de milieu poreux

The work describes the development of a reactive transport code named SpeCTr (Spéciation Cinétique Transport in French). The code, able to describe isotopic fractionation, is obtained through the coupling of a transport module and a reaction module that describes the main chemical reactions (operator splitting approach). A consistent portion of the work is dedicated to the improvement of the numerical methods employed in the reaction module for solving thermodynamic equilibrium (Newton Raphson method modified with scaling and Positive Continuous Fractions) and mixed equilibrium and kinetic reactions (formulation and solution of systems of differential and differential-algebraic equations). The code was verified through the solution of different benchmarks (batch and reactive transport simulations) and applied to perform 1D, 2D and 3D simulations of laboratory experiments dedicated to calcite crystals dissolution in a column of porous medium.