Interplay between fracture network arrangement and efficiency of CO2 mineralization in basaltic aquifers

Recent accelerating rise of atmospheric CO₂ concentrations has highlighted the need for sustainable energy resecures, as well as permanent carbon sequestration solutions beyond emission reduction strategies. Among the available options, in-situ CO₂ mineralization in basaltic formations is one of the most promising, due to the abundance of reactive divalent cations (Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺) that enable rapid conversion of CO₂ into stable carbonates. Besides the environmental conditions of the sequestration site, the efficiency of this process is strongly controlled by the geometry and connectivity of natural fracture networks, which can govern fluid flow, provide reactive surface area, and permeability evolution across sequestration spatial domain. Present thesis tries to develop a numerical workflow of integrating stochastic characterization of discrete fracture network (DFN) within hydro–chemo–mechanical (HCM) simulations of CO₂ mineralization in basalt-hosted aquifers. A suite of fracture network geometry realizations generated (randomly) within FracSim2D toolkit, incorporating geological constraints and statistical distributions for fracture length, spacing, buffer distance, orientation, and intensity (P21). We advantaged from classical Monte Carlo (MC) technique to obtain multiple realizations of DFN fields, capturing variability in fracture network arrangement configurations. Those DFNs are then converted into high-fidelity numerical finite element mesh grids; to be used for the simulations in TerraFERMA environment, an open-source Multiphysics toolkit adapted for reactive poroelastic simulations. The model explicitly resolves interplay between fluid flow, mineral precipitation, rock porosity evolution, and rock deformation. Our obtained results demonstrate that DFN arrangement exerts a decisive control on both the rate and spatial distribution of CO₂ carbonation in basaltic rocks. Assessment of the representative realizations of reservoir simulations illustrated how fractures initially act as preferential fluid pathways but progressively clog as carbonate minerals precipitate, leading to near-complete porosity loss. Uncertainty assessment across multiple realization results reveals that porosity (φ) of the host rock consistently decreases, yielding to near-zero values within one year of simulations, with limited variability among realizations. Simultaneously, volume of carbonate product (φ_B) increases, representing a robust mineralization trend and accumulation of secondary carbonates. Evaluation of the coefficient of variation (CV) shows that φ_B exhibits greater variability than φ across the simulation realization results. This indicates that carbonate precipitation is more sensitive to DFN connectivity and flow pathways than average porosity of the simulation rock domain. In terms of the Damköhler number, this behavior corresponds to 1 < Da < 3, where reaction rates slightly dominate over transport, making precipitation efficiency strongly controlled by DFN architecture. This study highlights a critical role of DFN arrangement architecture in controlling long-term CO₂ mineralization performance in basaltic aquifers. By combining stochastic technique of DFN modelling with reactive hydro-mechanical (poroelastic) simulations, our research can provide a framework for the assessment of uncertainties associated with (i) CO₂ mineral trapping in basaltic aquifers and (ii) the associated temporal evolution of fracture/matrix porosity. The findings of our work are expected to contribute to advancing the design and optimization of large-scale basalt carbonation projects as a secure pathway for permanent CO₂ sequestration.

Il recente aumento accelerato delle concentrazioni atmosferiche di CO₂ ha evidenziato la necessità di risorse energetiche sostenibili, nonché di soluzioni di sequestro permanente del carbonio oltre alle strategie di riduzione delle emissioni. Tra le opzioni disponibili, la mineralizzazione in-situ della CO₂ in formazioni basaltiche è una delle più promettenti, grazie all’abbondanza di cationi bivalenti reattivi (Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺) che permettono la rapida conversione della CO₂ in carbonati stabili. Oltre alle condizioni ambientali del sito di sequestro, l’efficienza di questo processo è fortemente controllata dalla geometria e connettività delle reti di fratture naturali, che possono governare il flusso dei fluidi, fornire superficie reattiva e l’evoluzione della permeabilità attraverso il dominio spaziale del sequestro. La presente tesi cerca di sviluppare un workflow numerico integrando la caratterizzazione stocastica delle reti di fratture discrete (DFN) all’interno di simulazioni idro–chemo–meccaniche (HCM) della mineralizzazione della CO₂ in acquiferi ospitati da basalti. Un insieme di realizzazioni geometriche di reti di fratture è stato generato (in modo casuale) tramite il toolkit FracSim2D, incorporando vincoli geologici e distribuzioni statistiche per lunghezza, spaziatura, distanza di buffer, orientazione e intensità (P21) delle fratture. Si è fatto uso della tecnica classica Monte Carlo (MC) per ottenere molteplici realizzazioni di campi DFN, catturando la variabilità nelle configurazioni di disposizione delle reti di fratture. Queste DFN sono poi convertite in griglie numeriche a elementi finiti ad alta fedeltà; da utilizzare per le simulazioni nell’ambiente TerraFERMA, un toolkit open-source Multiphysics adattato per simulazioni poroelastiche reattive. Il modello risolve esplicitamente l’interazione tra flusso dei fluidi, precipitazione minerale, evoluzione della porosità della roccia e deformazione della roccia. I risultati ottenuti dimostrano che la disposizione delle DFN esercita un controllo decisivo sia sulla velocità sia sulla distribuzione spaziale della carbonatazione della CO₂ nelle rocce basaltiche. La valutazione delle realizzazioni rappresentative delle simulazioni di serbatoio ha mostrato come le fratture inizialmente agiscano come percorsi preferenziali per i fluidi, ma si ostruiscano progressivamente man mano che precipitano i minerali carbonatici, portando a una perdita quasi totale di porosità. La valutazione dell’incertezza tra i risultati di più realizzazioni rivela che la porosità (φ) della roccia ospite diminuisce costantemente, raggiungendo valori prossimi allo zero entro un anno di simulazioni, con una variabilità limitata tra le realizzazioni. Contemporaneamente, il volume del prodotto carbonatico (φ_B) aumenta, rappresentando una tendenza di mineralizzazione robusta e un accumulo di carbonati secondari. La valutazione del coefficiente di variazione (CV) mostra che φ_B presenta una maggiore variabilità rispetto a φ nei risultati delle realizzazioni di simulazione. Ciò indica che la precipitazione carbonatica è più sensibile alla connettività delle DFN e ai percorsi di flusso rispetto alla porosità media del dominio roccioso della simulazione. In termini di numero di Damköhler, questo comportamento corrisponde a 1 < Da < 3, dove i tassi di reazione dominano leggermente rispetto al trasporto, rendendo l’efficienza della precipitazione fortemente controllata dall’architettura delle DFN. Questo studio evidenzia il ruolo critico dell’architettura della disposizione delle DFN nel controllo delle prestazioni di mineralizzazione della CO₂ a lungo termine negli acquiferi basaltici. Combinando la tecnica stocastica della modellazione DFN con simulazioni idro-meccaniche (poroelastiche) reattive, la nostra ricerca può fornire un quadro per la valutazione delle incertezze associate a (i) intrappolamento minerale della CO₂ negli acquiferi basaltici e (ii) l’evoluzione temporale associata della porosità frattura/matrice. I risultati del nostro lavoro si prevede possano contribuire a far progredire la progettazione e l’ottimizzazione di progetti su larga scala di carbonatazione del basalto come percorso sicuro per il sequestro permanente della CO₂.