Original paper

Softwareentwicklung zur computerunterstützten Simulation frühdiagenetischer Prozesse in marinen Sedimenten

[Computer-software development for the simulation of early diagenetic processes in marine sediments.]

Landenberger, Holger; Hensen, Christian; Zabel, Matthias; Schulz, Horst D.

Kurzfassung

Das Softwarepaket CoTReM (Column Transport and Reaction Model), eine Weiterentwicklung des Transport- und Reaktionsmodells CoTAM (SIEGER 1993), ist in der Lage, eindimensionale Strömungs- und Transportvorgänge, Sorptions-Reaktionen, Redoxreaktionen und thermodynamische Gleichgewichtsprozesse zu modellieren. Bei dem Softwareentwurf wurde besonderer Wert auf Modularität und Benutzerfreundlichkeit gelegt. Dadurch ist es möglich, das Modell schnell und einfach an unterschiedliche Probleme anzupassen. Der diffusive Transport nicht reagierender, gelöster Stoffe ist heute weitgehend verstanden und kann durch numerische Verfahren hinreichend genau simuliert werden. Zur Lösung der hydrodynamischen Transportgleichung wird das Crank-Nicolsen-Differenzenschema benutzt, ein numerisches Verfahren aus der Klasse der finiten Differenzen. Zur Simulation der in marinen Sedimenten ablaufenden Redoxreaktionen dient das Teilmodell REDOX. Dieses Modell beruht auf einem Satz von Redox-Halbreaktionen, welche unter Beteiligung von Elektronen formuliert sind. Die Berechnung der thermodynamischen Gleichgewichtsreaktionen übernimmt das Teilmodell PHREEQC (PARKHURST 1995). Im Ergebnisteil soll gezeigt werden, wie die Simulation frühdiagenetischer Prozesse mit CoTREM durchgeführt wird. Anhand von Porenwasserdaten der Station GeoB 1711, gemessen während der METEOR-Expedition M 20/2 (1993) am Kontinentalhang vor Namibia, wird Schritt für Schritt die Vorgehensweise einer Simulation erläutert. Benutzt werden hauptsächlich die Konzentrationsprofile von Sauerstoff und Nitrat, zweier im Porenwasser gelöster und über eine Redoxreaktion verknüpfter Spezies. Angekoppelt als Gleichgewichtsreaktion ist das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht.

Abstract

This paper presents the computer model CoTReM (Column Transport and Reaction Model) to simulate one-dimensional transport of solutes, sorption, redox reactions, and thermodynamic equilibrium processes in porous media. The diffusive transport of non-reacting solutes is well known and can easily be simulated by numerical procedures. The present model uses the Crank-Nicolson scheme for the solution of the hydrodynamical equation. Early diagenetic redox reactions are calculated with the modul REDOX, which is based on a set of redox half-reactions. Thermodynamic equilibrium is calculated by the modul PHREEQC. The model is applied to porewater data of marine sediments of the slope off Namibia. The simulation results explain in a step by step mode the different tasks of the single moduls.