Kireçtaşının üç boyutlu kimyasal çözünme simülasyonu

Özet

Yeraltı boşluklarının kimyasal reaksiyon evrimine bağlı tahmintekniklerinin geliştirilmesi çökme tehlikeleri açısından önemli olupkireçtaslarında görülen çökme karmaşık çözünme işlevleri ilegerçekleşmektedir. Bu bağlamda, çoğu arastırmacı çözünmemekanizmasını arazi ve/veya küçük ölçekli laboratuvar deneyyaklaşımları ile anlamaya çalışmaktadır. Bilgisayar performanslarınıngelişmesiyle fazla sayıda büyük ölçekli sayısal simülasyonçalısmalarının yapılmasına rağmen, günümüze değin kireçtasında üçboyutlu matematiksel modelleme ve sayısal simülasyongerçekleştirilmemiştir. Bu çalısmada, yazar kireçtasındaki kalsiyumkarbonatın çözünme olayına odaklanmış ve adveksiyon-reaksiyon difüzyon ve Darcy kanununu temel alan matematiksel bir modelsunmuştur. Ayrıca, yazar modeli, sonlu farklar yöntemi CIP_CSL2düzenine uygulamıştır. Bu çalışmada, önerilen model ile belirlenenkalsiyum karbonatın bazı çözünme paternleri sunulmuştur. Sonuçolarak, kalsiyum karbonatın yeraltı suyu akışı ile doğrudan ilişkiliolarak çözündüğü ve gözenekler ile mağaraların yeraltı suyu akışıyönünde genişlediği ve çözünme miktarının yeraltı suyu ile kireçtaşıarasındaki temas alanına bağlı olduğu sayısal olarak gösterilmiştir.

Abstract

The development of prediction techniques for the evolution of karstic caves is essential for geohazard prevention because limestone collapse commonly accompanies their complex dissolution process. Previous studies to understand the dissolution mechanisms focus on field-based and/or small-scale experimental approaches. Although several largescale numerical simulations have been conducted due to improved computing capabilities, mathematical modelling and numerical simulation for the three-dimensional dissolution of limestone remains unavailable. In this study, we examine the three-dimensional dissolution phenomenon of calcium carbonate in limestone and propose mathematical and numerical models based on an advection, reaction, and diffusion system involving Darcy’s law. Additionally, we implement the models using a finite difference method involving the constrained interpolation profile with conservative semi-Lagrangian scheme, and dissolution patterns of the calcium carbonates obtained by the proposed model are presented. The simulation demonstrates that the dissolution of calcium carbonate is strongly related to the groundwater flow, with increasing pores and cavities toward the groundwater flow direction, and the dissolution rate depends on the contact area between the groundwater and limestone.