The potential for free and mixed convection in sedimentary basins

Abstract

 Free thermal convection and mixed convection are considered as potential mechanisms for mass and heat transport in sedimentary basins. Mixed convection occurs when horizontal flows (forced convection) are superimposed on thermally driven flows. In cross section, mixed convection is characterized by convection cells that migrate laterally in the direction of forced convective flow. Two-dimensional finite-element simulations of variable-density groundwater flow and heat transport in a horizontal porous layer were performed to determine critical mean Rayleigh numbers for the onset of free convection, using both isothermal and semi-conductive boundaries. Additional simulations imposed a varying lateral fluid flux on the free-convection pattern. Results from these experiments indicate that forced convection becomes dominant, completely eliminating buoyancy-driven circulation, when the total forced-convection fluid flux exceeds the total flux possible due to free convection. Calculations of the thermal rock alteration index (RAI=q·∇T) delineate the patterns of potential diagenesis produced by fluid movement through temperature gradients. Free convection produces a distinct pattern of alternating positive and negative RAIs, whereas mixed convection produces a simpler layering of positive and negative values and in general less diagenetic alteration.

Résumé

La convection thermale libre et la convection mixte sont considérées comme les mécanismes potentiels de transport de matière et de chaleur dans les bassins sédimentaires. La convection mixte se produit lorsque des écoulements horizontaux (convection forcée) se surimposent à des écoulements commandés par les températures. En section transversale, la convection mixte est caracterisée par des cellules de convection qui se déplacent latéralement dans la direction de l'écoulement convectif forcé. Des simulations 2D par éléments finis de l'écoulement d'eaux souterraines de densités variables et du transport de chaleur dans une couche poreuse horizontale ont été réalisées afin de déterminer les valeurs moyennes critiques du nombre de Rayleigh dans le cas de la convection libre, en utilisant des limites à la fois isothermes et semi-perméables. Des simulations supplémentaires ont imposé un flux latéral variable de fluide sur un fonctionnement d'ensemble en convection libre. Les résultats de ces expériences indiquent que la convection forcée devient prédominante, éliminant complètement l'écoulement commandé par les différences de densité, lorsque le flux total de fluide soumis à la convection forcée devient supérieur au flux total possible dûà la convection libre. Les calculs d'indice d'altération thermal de la roche (RAI=qT) définissent les grandes lignes de la diagenèse potentielle produite par les mouvements du fluide sous l'effet des gradients de température. La convection libre produit une distribution particulière de valeurs de RAI alternativement positives et négatives, alors que la convection mixte produit une simple succession de couches positives et négatives, et en général une moindre altération diagénétique.