Numerical models have become indispensable tools for investigating submarine hydrothermal systems and for relating seafloor observations to physicochemical processes at depth. Particularly useful are multiphase models that account for phase separation phenomena, so that model predictions can be compared to observed variations in vent fluid salinity. Yet, the numerics of multiphase flow remain a challenge. Here we present a novel hydrothermal flow model for the system H 2 O–NaCl able to resolve multiphase flow over the full range of pressure, temperature, and salinity variations that are relevant to submarine hydrothermal systems. The method is based on a 2-D finite volume scheme that uses a Newton–Raphson algorithm to couple the governing conservation equations and to treat the non-linearity of the fluid properties. The method uses pressure, specific fluid enthalpy, and bulk fluid salt content as primary variables, is not bounded to the Courant time step size, and allows for a direct control of how accurately mass and energy conservation is ensured. In a first application of this new model, we investigate brine formation and mobilization in hydrothermal systems driven by a transient basal temperature boundary condition—analogue to seawater circulation systems found at mid-ocean ridges. We find that basal heating results in the rapid formation of a stable brine layer that thermally insulates the driving heat source. While this brine layer is stable under steady-state conditions, it can be mobilized as a consequence of variations in heat input leading to brine entrainment and the venting of highly saline fluids.

中文翻译：

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海底热液系统中的盐水形成和流动：系统 H2O-NaCl 中新型多相热液流动模型的见解

数值模型已成为研究海底热液系统和将海底观测与深度物理化学过程联系起来的不可或缺的工具。特别有用的是考虑相分离现象的多相模型，因此可以将模型预测与观察到的排放流体盐度变化进行比较。然而，多相流的数值仍然是一个挑战。在这里，我们为系统 H 2 O-NaCl 提供了一种新的热液流模型，能够解决与海底热液系统相关的整个压力、温度和盐度变化范围内的多相流。该方法基于二维有限体积方案，该方案使用 Newton-Raphson 算法来耦合控制守恒方程并处理流体特性的非线性。该方法使用压力，特定流体焓和整体流体盐含量作为主要变量，不受 Courant 时间步长的限制，并允许直接控制质量和能量守恒的准确程度。在这个新模型的首次应用中，我们研究了由瞬态基础温度边界条件驱动的热液系统中的盐水形成和流动——类似于在大洋中脊发现的海水循环系统。我们发现基础加热导致快速形成稳定的盐水层，该层使驱动热源隔热。虽然该盐水层在稳态条件下是稳定的，但由于热量输入的变化导致盐水夹带和高盐度流体的排放，它可以被动员。不受 Courant 时间步长的限制，并允许直接控制质量和能量守恒的准确程度。在这个新模型的首次应用中，我们研究了由瞬态基础温度边界条件驱动的热液系统中的盐水形成和流动——类似于在大洋中脊发现的海水循环系统。我们发现基础加热导致快速形成稳定的盐水层，该层使驱动热源隔热。虽然该盐水层在稳态条件下是稳定的，但由于热量输入的变化导致盐水夹带和高盐度流体的排放，它可以被动员。不受 Courant 时间步长的限制，并允许直接控制质量和能量守恒的准确程度。在这个新模型的首次应用中，我们研究了由瞬态基础温度边界条件驱动的热液系统中的盐水形成和流动——类似于在大洋中脊发现的海水循环系统。我们发现基础加热导致快速形成稳定的盐水层，该层使驱动热源隔热。虽然该盐水层在稳态条件下是稳定的，但由于热量输入的变化导致盐水夹带和高盐度流体的排放，它可以被动员。在这个新模型的首次应用中，我们研究了由瞬态基础温度边界条件驱动的热液系统中的盐水形成和流动——类似于在大洋中脊发现的海水循环系统。我们发现基础加热导致快速形成稳定的盐水层，该层使驱动热源隔热。虽然该盐水层在稳态条件下是稳定的，但由于热量输入的变化导致盐水夹带和高盐度流体的排放，它可以被动员。在这个新模型的首次应用中，我们研究了由瞬态基础温度边界条件驱动的热液系统中的盐水形成和流动——类似于在大洋中脊发现的海水循环系统。我们发现基础加热导致快速形成稳定的盐水层，该层使驱动热源隔热。虽然该盐水层在稳态条件下是稳定的，但由于热量输入的变化导致盐水夹带和高盐度流体的排放，它可以被动员。我们发现基础加热导致快速形成稳定的盐水层，该层使驱动热源隔热。虽然该盐水层在稳态条件下是稳定的，但由于热量输入的变化导致盐水夹带和高盐度流体的排放，它可以被动员。我们发现基础加热导致快速形成稳定的盐水层，该层使驱动热源隔热。虽然该盐水层在稳态条件下是稳定的，但由于热量输入的变化导致盐水夹带和高盐度流体的排放，它可以被动员。