"Advanced Earth System Modelling Capacity" (ESM) ist ein vom Helmholtz-Impuls und Vernetzungsfonds gefördertes Verbundprojekt im Forschungsbereich "Erde & Umwelt". Das Projekt zielt darauf ab, eine weltweit führende, modulare und flexible Modellierungsinfrastruktur zu entwickeln und zu etablieren, um ein tieferes Verständnis der komplexen Dynamik des Systems Erde unter verschiedenen Einflüssen zu fördern. Dies erfordert sowohl Fortschritte in der Modellierung einzelner Modellkompartimente als auch deren skalenübergreifenden Interaktionen.

In enger Zusammenarbeit mit internen und externen Partnern des ESM-Konsortiums streben wir eine Weiterentwicklung unserer derzeitigen Modellierungsmethoden an, um Georeservoire unter natürlichen Bedingungen und anthropogener Beeinflussungen  zu beschreiben und die nachhaltige Nutzung des geologischen Untergrunds zu unterstützen.

Das Hauptziel, eine flexible, leistungsfähige und massiv-parallele Simulationsumgebung bereitzustellen, wurde bereits erreicht: es wurden drei Open-Source-Codes (MESHIT, GOLEM, LYNX) entwickelt, die inzwischen für die Gemeinschaft verfügbar sind (siehe unten unter Software). Damit lassen sich Details der komplexen und inhärent nicht-linearen Dynamik gekoppelter thermischer, hydraulischer und mechanischer Prozesse beschreiben und entschlüsseln. Durch den Einsatz modernster Rechenkonzepte können nun skalenübergreifende Rückkopplungen zwischen diesen Prozessen auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen untersucht werden. Das schließt Prozesse auf  der menschlichen Zeitskala (Sekunden bis Jahre) ebenso ein wie längere geologische Zeitskalen (Tausende  bis Millionen Jahre) und räumlichen Skalen von Prozessen, die an der Kern-Mantel-Grenze auftreten, bis hin zur km-Längenskala von  Georeservoiren oder von Scherzonen in der Lithosphäre.

In einer zweiten Phase des Projektes wurde die Integration des entwickelten Modellierungskerns in einen größeren Geosphären-Kontext (Frontier Simulations) mit dem endgültigen Ziel der Modularität umgesetzt. Erstmalig gelang es uns in diesem Modellierungsrahmen die feste tiefe Erde und den geologischen Untergrund mit anderen Erdsystemmodulen zu verbinden. Der Schwerpunkt liegt hier auf der Bereitstellung eines effizienten Werkzeugs zur Simulation  der Auswirkungen von sich stetig verändernden natürlichen Bedingungen (einschließlich extremer Ereignisse) auf die Nutzung von Georessourcen und damit verbundener Gefahren.

Erste Ergebnisse beziehen sich auf die Auswirkungen der vergangenen Eiszeiten und hier insbesondere die Auswirkung der Eisauflast auf die Entwicklung der Temperatur und des Porendrucks im Untergrund im nördlichen Zentraleuropa.

Das Projekt wird als Cross-Topic Aktivität fortgesetzt, die fast alle Topics des neuen Programms für Erde und Umwelt in POF IV "Die Erde im Wandel - unsere Zukunft erhalten" verbindet und die auch zur Entwicklung der nationalen Strategie für die Erdsystemmodellierung und mehrerer digitaler Zwillinge beiträgt.

ESM Projekt Webpage: http://www.esm-project.net/

Partner:

Prof. Olaf Kolditz (UFZ)
Dr. Thomas Kallbacher (UFZ)
Dr. Denise Degen (RWTH Aachen University)
Prof. Florian Wellmann (RWTH Aachen University)
Dr. Oliver Heidbach (GFZ Section 2.6)
Prof. Maik Thomas and Dr. Volker Klemann (GFZ Section 1.5)

Veröffentlichungen:

Papers

Frick, M., Cacace, M., Klemann, V., Tarasov, L., Scheck-Wenderoth, M. (2022): Hydrogeologic and Thermal Effects of Glaciations on the Intracontinental Basins in Central and Northern Europe. - Frontiers in Water, 4, 818469. https://doi.org/10.3389/frwa.2022.818469

Degen, D., Cacace, M. (2021): Effects of transient processes for thermal simulations of the Central European Basin. - Geoscientific Model Development, 14, 1699-1719. https://doi.org/10.5194/gmd-14-1699-2021

Jacquey, A. B., Cacace, M. (2020): Multiphysics Modeling of a Brittle‐Ductile Lithosphere Part II ‐Semi‐Brittle, Semi‐Ductile Deformation and Damage Rheology. - Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125, 1, e2019JB018475. https://doi.org/10.1029/2019JB018475

Jacquey, A. B., Cacace, M. (2020): Multiphysics Modeling of a Brittle‐Ductile Lithosphere Part I ‐Explicit Visco‐Elasto‐Plastic Formulation and its Numerical Implementation. - Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125, 1, e2019JB018474. https://doi.org/10.1029/2019JB018474

Cacace, M., Jacquey, A. B. (2017): Flexible parallel implicit modelling of coupled thermal–hydraulic–mechanical processes in fractured rocks. - Solid Earth, 8, 921-941. https://doi.org/10.5194/se-8-921-2017

Software

Jacquey, A. B., Regenauer-Lieb, K., Cacace, M. (2021): Thermomechanics for Geological, Civil Engineering and Geodynamic Applications: Numerical Implementation and Application to the Bentheim Sandstone. - Rock Mechanics and Rock Engineering, 54, 5337-5354. https://doi.org/10.1007/s00603-021-02582-0

Cacace, M., Blöcher, G.(2020): MeshIt 2020, Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.4327281

Jacquey, A. B., Cacace, M. (2017): GOLEM, a MOOSE-based application v1.0. https://doi.org/10.5281/zenodo.999400

Meeßen, C.(2019): VelocityConversion, Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.3338156

Meeßen, C. (2018): VeloDT: Fast Conversion of Upper Mantle Seismic Velocities to Density and Temperature (Version v1.0). https://doi.org/10.5281/zenodo.1172629

Data

Frick, M., Cacace, M., Klemann, V., Tarasov, L., Scheck-Wenderoth, M. (2021): 3D-CEBS-TTH: transient thermohydraulic model of the Central European Basin System (CEBS).
https://doi.org/10.5880/GFZ.4.5.2021.003

Die Veränderungen der Eismächtigkeit im nördlichen Zentraleuropa hat auch die Temperaturentwicklung im Untergrund beeinflusst und ist auch heute noch nicht ganz im Gleichgewicht.