Reactive transport characteristics during precipitation and dissolution processes in rough rock fractures.
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| Title: | Reactive transport characteristics during precipitation and dissolution processes in rough rock fractures. |
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| Alternate Title: | Características de transporte reactivo durante los procesos de precipitación y disolución en fracturas de roca con textura rugosa. Caractéristiques du transport réactif lors des processus de précipitation et de dissolution dans les fractures de roches rugueuses. Características de transporte reativo durante processos de precipitação e dissolução em fraturas de rochas rugosas. 粗糙岩石裂隙中溶解–沉淀过程的反应运移特征. |
| Authors: | Qiao, Liping1,2 (AUTHOR) qiaoliping@mail.neu.edu.cn, Ren, Mengzi1,2 (AUTHOR), Ma, Guangyuan1 (AUTHOR), Wang, Zhechao1,2 (AUTHOR), Li, Bingyin1 (AUTHOR) |
| Source: | Hydrogeology Journal. Jun2026, Vol. 34 Issue 4, p895-913. 19p. |
| Subject Terms: | *Reactive flow, *Chemical kinetics, *Flow velocity, *Navier-Stokes equations, *Peclet number, *Structural geology, *Dissolution (Chemistry), *Precipitation (Chemistry) |
| Abstract (English): | Reactive transport in rough rock fractures is subject to continuous alteration in flow and mass transfer characteristics. A reactive transport model was developed to account for aperture variations induced by chemical reactions, with the flow field dynamically updated using the Navier–Stokes (NS) equations. The evolution characteristics of fracture aperture, solute concentration, and flow field were studied under different Péclet (Pe) and Damköhler (Da) number conditions. In addition, the effects of the joint roughness coefficient (JRC) and initial aperture on the reaction process were also analyzed. The results indicate that transport is dominated by advection and diffusion at low Da numbers, and fracture aperture changes are uniform. At high Da numbers, chemical reactions dominate, and fracture aperture changes become extremely nonuniform. The extent of the reaction increased with the initial aperture, and the post-reaction JRC of the fracture is related to the initial JRC. In the simulation of a precipitation reaction, the JRC decreased to 42.3, 60.1, and 64.1% of the initial values for typical Pe and low Da conditions, 86.7, 90.7, and 92.9% for typical Pe and typical Da conditions and 72.1, 80.7, and 83.4% for high Pe and typical Da conditions. In the simulation of a dissolution reaction, the JRC increased to 181.9, 156.5, and 153.8% of the initial value for typical Pe and low Da conditions, 126.0, 113.6, and 114.0% for typical Pe and typical Da conditions, 131.0, 121.5, and 120.7% for high Pe and typical Da conditions. [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
| Abstract (Spanish): | RESUMEN: El transporte reactivo en fracturas de roca con textura rugosa está sujeto a una alteración continua en las características de flujo y transferencia de masa. Se desarrolló un modelo de transporte reactivo para tener en cuenta las variaciones de apertura inducidas por reacciones químicas, actualizando dinámicamente el campo de flujo utilizando las ecuaciones de Navier-Stokes (NS). Las características evolutivas de la apertura de fractura, la concentración de soluto y el campo de flujo se estudiaron bajo diferentes condiciones de número de Péclet (Pe) y Damköhler (Da). Además, también se analizaron los efectos del coeficiente de rugosidad de la fractura (JRC) y la apertura inicial sobre el proceso de reacción. Los resultados indican que el transporte está dominado por la advección y la difusión a números Da bajos, y que los cambios de apertura de fractura son uniformes. A números altos de Da, dominan las reacciones químicas y los cambios de apertura de fractura se vuelven extremadamente desiguales. La extensión de la reacción aumentó con la apertura inicial, y el JRC post-reacción de la fractura está relacionado con el JRC inicial. En la simulación de una reacción de precipitación, el JRC disminuyó a 42.3, 60.1 y 64.1% de los valores iniciales para condiciones típicas de Pe y Da bajo, 86.7, 90.7 y 92.9% para condiciones típicas de Pe y Da típicas y 72.1, 80.7 y 83.4% para condiciones de Pe alto y Da típico. En la simulación de una reacción de disolución, el JRC aumentó a 181.9, 156.5 y 153.8% del valor inicial para condiciones típicas de Pe y Da bajo, 126.0%, 113.6% y 114.0% para condiciones típicas de Pe y Da típicas, 131.0, 121.5 y 120.7% para condiciones de Pe alto y Da típico. [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
| Abstract (French): | RESUME: Le transport réactif dans les fractures de roches rugueuses est soumis à une modification continue des caractéristiques d'écoulement et de transfert de masse. Un modèle de transport réactif a été développé pour prendre en compte les variations d'ouverture induites par les réactions chimiques, le champ d'écoulement étant mis à jour dynamiquement à l'aide des équations de Navier-Stokes (NS). L'évolution de l'ouverture des fractures, de la concentration en soluté et du champ d'écoulement a été étudiée pour différentes valeurs des nombres de Péclet (Pe) et de Damköhler (Da). De plus, l'influence du coefficient de rugosité des joints (JRC) et de l'ouverture initiale sur le processus de réaction a également été analysée. Les résultats indiquent que le transport est dominé par l'advection et la diffusion pour les faibles nombres de Da, et que les variations d'ouverture des fractures sont uniformes. Pour les nombres de Da élevés, les réactions chimiques deviennent prédominantes et les variations d'ouverture des fractures deviennent extrêmement hétérogènes. L'étendue de la réaction augmente avec l'ouverture initiale, et le JRC post-réaction de la fracture est lié au JRC initial. Dans la simulation d'une réaction de précipitation, le JRC diminue à 42.3 %, 60.1 % et 64.1 % des valeurs initiales pour des conditions typiques de Pe et de faible Da, à 86.7 %, 90.7 % et 92.9 % pour des conditions typiques de Pe et de Da, et à 72.1 %, 80.7 % et 83.4 % pour des conditions de Pe élevé et de Da typique. Dans la simulation d'une réaction de dissolution, le JRC augmente à 181.9 %, 156.5 % et 153.8 % de la valeur initiale pour des conditions typiques de Pe et de faible Da, à 126.0 %, 113.6 % et 114.0 % pour des conditions typiques de Pe et de Da, et à 131.0 %, 121.5 % et 120.7 % pour des conditions de Pe élevé et de Da typique. [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
| Abstract (Portuguese): | RESUMO: O transporte reativo em fraturas de rochas rugosas está sujeito a alterações contínuas nas características de fluxo e transferência de massa. Um modelo de transporte reativo foi desenvolvido para levar em conta variações de abertura induzidas por reações químicas, com o campo de fluxo atualizado dinamicamente usando as equações de Navier-Stokes (NS). As características evolutivas da abertura da fratura, concentração de soluto e campo de fluxo foram estudadas sob diferentes condições de número de Péclet (Pe) e Damköhler (Da). Além disso, os efeitos do coeficiente de rugosidade da junta (CRJ) e da abertura inicial no processo de reação também foram analisados. Os resultados indicam que o transporte é dominado por advecção e difusão em números Da baixos, e as mudanças de abertura das fraturas são uniformes. Em números altos de Da, reações químicas dominam, e as mudanças de abertura da fratura tornam-se extremamente não uniformes. A extensão da reação aumentou com a abertura inicial, e o CRJ pós-reação da fratura está relacionado ao CRJ inicial. Na simulação de uma reação de precipitação, o CRJ diminuiu para 42.3, 60.1 e 64.1% dos valores iniciais para condições típicas de Pe e Da baixo, 86.7, 90.7 e 92.9% para condições típicas de Pe e Da típicas e 72.1, 80.7 e 83.4% para condições de Pe alto e Da típico. Na simulação de uma reação de dissolução, o CRJ aumentou para 181.9, 156.5 e 153.8% do valor inicial para condições típicas de Pe e Da baixo, 126.0, 113.6 e 114.0% para condições típicas de Pe e Da típicas, 131.0, 121.5 e 120.7% para condições de Pe alto e Da típicas. [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
| Abstract (Chinese): | 摘要: 粗糙岩石裂隙中的反应运移过程会持续引起流动特征和质量传输行为的改变。本研究构建了一个反应运移模型，用于模拟化学反应导致的裂隙孔隙度变化，并基于Navier–Stokes（NS）方程对流场进行动态更新。在不同Péclet数（Pe）和Damköhler数（Da）条件下，系统研究了裂隙孔径、溶质浓度及流场的演化特征；同时分析了联合粗糙度系数（JRC）和初始孔径对反应过程的影响。研究结果表明：在Da数较低时，传输主要受对流和扩散控制，裂隙孔径变化较均匀；而在Da数较高时，化学反应占主导，孔径变化表现为高度非均匀性。反应程度随初始孔径的增大而增强，且反应后的裂隙JRC与其初始JRC具有相关性。在模拟沉淀反应过程中，典型Pe与低Da条件下的JRC分别降低至初始值的42.3%、60.1%和64.1%；典型Pe与典型Da条件下降至86.7%、90.7%和92.9%；高Pe与典型Da条件下降至72.1%、80.7%和83.4%。在模拟溶解反应过程中，典型Pe与低Da条件下的JRC分别升高至初始值的181.9%、156.5%和153.8%；典型Pe与典型Da条件下升高至126.0%、113.6%和114.0%；高Pe与典型Da条件下升高至131.0%、121.5%和120.7%。 [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
| Database: | Energy & Power Source |
| Abstract: | Reactive transport in rough rock fractures is subject to continuous alteration in flow and mass transfer characteristics. A reactive transport model was developed to account for aperture variations induced by chemical reactions, with the flow field dynamically updated using the Navier–Stokes (NS) equations. The evolution characteristics of fracture aperture, solute concentration, and flow field were studied under different Péclet (Pe) and Damköhler (Da) number conditions. In addition, the effects of the joint roughness coefficient (JRC) and initial aperture on the reaction process were also analyzed. The results indicate that transport is dominated by advection and diffusion at low Da numbers, and fracture aperture changes are uniform. At high Da numbers, chemical reactions dominate, and fracture aperture changes become extremely nonuniform. The extent of the reaction increased with the initial aperture, and the post-reaction JRC of the fracture is related to the initial JRC. In the simulation of a precipitation reaction, the JRC decreased to 42.3, 60.1, and 64.1% of the initial values for typical Pe and low Da conditions, 86.7, 90.7, and 92.9% for typical Pe and typical Da conditions and 72.1, 80.7, and 83.4% for high Pe and typical Da conditions. In the simulation of a dissolution reaction, the JRC increased to 181.9, 156.5, and 153.8% of the initial value for typical Pe and low Da conditions, 126.0, 113.6, and 114.0% for typical Pe and typical Da conditions, 131.0, 121.5, and 120.7% for high Pe and typical Da conditions. [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
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| ISSN: | 14312174 |
| DOI: | 10.1007/s10040-026-03032-3 |
