Experimentelle und numerische Untersuchungen zur dichtegetriebenen Einlösung von CO2 und damit verbundener Lösung von Karbonaten in Karstwasser

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Class; Dr. Martin Zimmer
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508470891

Die Rolle dichtegetriebener CO2-Einlösung in Karstsystemen ist bislang nicht gut verstanden. Es ist bekannt, dass in Wasser gelöstes CO2 die Verkarstung antreibt, und dass dieses CO2 zu einem wesentlichen Teil biogenen Ursprungs ist; produziert von Mikroorganismen im Boden oder durch Wurzelatmung. Karbonatlösung findet vorwiegend oberflächennah statt. Niederschlagswasser, welches durch die ungesättige Bodenzone sickert und mit CO2 angereichert wird, führt zu sogenannter Denudation (Absenkung der Landoberfläche). Aber warum wachsen Hohlräume auch tief im Innern des Gesteins? Der erste Erklärungsansatz ist die Mischungskorrosion, welche darauf beruht, dass beim Zusammentreffen zweier unterschiedlicher Wasserströme immer ein kalkaggressives Mischwasser entsteht. Der zweite Mechanismus beruht auf nichtlinearer Lösungskinetik, wobei angenommen wird, dass Wasser einen Teil seiner „Lösungskraft“ bis tief ins Gestein hinein behält. Unsere neue These behandelt einen zusätzlichen, dritten, und bislang unterschätzten Mechanismus, der Wasserkörper mit CO2 anreichern kann: dichtegetriebene Einlösung.In einem jüngst publizierten Artikel konnten wir zeigen, dass dichtegetriebene Einlösung am Karstwasserspiegel ruhende Wasserkörper mit CO2, und damit mit neuer „Lösungskraft“, anreichern kann, und zwar auf einer Zeitskala von Wochen bis Monaten. Was bislang aufgrund von enormer Komplexität nicht untersucht wurde, ist das reaktive Transportsystem infolge der Interaktion von dichtegetriebener CO2-Einlösung mit Kalkgestein. Dichtegetriebene CO2-Einlösung findet zum Beispiel in einer Kluft von gegebener Öffnungsweite statt. Diese Öffnungsweite beeinflusst die Strömung und wächst durch Karbonatlösung an, wodurch ein womöglich selbstverstärkender Prozess mit weiterer Einlösung in Gang kommt.Übergeordnet soll dieses Projekts dazu beitragen, die Rolle dichtegetriebener CO2-Einlösung im Vergleich zu bereits bekannten Mechanismen der Mischungskorrosion und der nichtlinearen Lösungskinetiken besser zu verstehen. Um deren Interaktion auf geologischen Zeitskalen zu verstehen, ist einzig die Modellierung zweckdienlich, validiert mit anspruchsvollen, gut kontrollierten Labor- und Feldexperimenten. Das numerische Modell löst die Navier-Stokes-Gleichungen, wobei die Dichte abhängig von den Konzentrationen der gelösten Komponenten ist. Die Validierung des Modells soll die Kopplung von reaktiver Strömung, angetrieben durch dichtegetriebene Lösung im Kalk-Kohlensäure-System, mit dadurch verursachter Morphologieänderung der Kalkgesteinsoberflächen berücksichtigen.Zusammengefasst sollen- numerische Modelle durch systematische Validierung der Simulationsplattform DuMux mit Daten aus kontrollierten Experimenten verbessert werden.- CO2-Eintragsraten in Karstwasser infolge von dichtegetriebener Einlösung und Reaktion an Kalkgesteinsoberflächen quantifiziert werden.- die entsprechenden Karbonatlösungsraten und die Veränderungen auf der Kalkgesteinsoberfläche quantifiziert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen