Modelowanie geochemiczne

Modelowanie geochemiczne lub geochemia teoretyczna to praktyka wykorzystywania termodynamiki chemicznej , kinetyki chemicznej lub obu do analizy reakcji chemicznych , które wpływają na systemy geologiczne , zwykle za pomocą komputera. Jest on używany w geochemii wysokotemperaturowej do symulacji reakcji zachodzących głęboko we wnętrzu Ziemi, na przykład w magmie , lub do modelowania reakcji niskotemperaturowych w roztworach wodnych w pobliżu powierzchni Ziemi, o czym jest ten artykuł.

Zastosowania w systemach wodnych

Modelowanie geochemiczne jest wykorzystywane w różnych dziedzinach, w tym w ochronie i rekultywacji środowiska , przemyśle naftowym i geologii gospodarczej . Modele można konstruować na przykład w celu zrozumienia składu wód naturalnych; mobilność i rozkład zanieczyszczeń w płynących wodach podziemnych lub powierzchniowych ; specjacja jonowa składników pokarmowych roślin w glebie i metali regulowanych w składowanych odpadach stałych ; powstawanie i rozpuszczanie skał i minerałów w formacjach geologicznych w odpowiedzi na wtłaczanie odpadów przemysłowych, pary wodnej lub dwutlenku węgla ; rozpuszczanie dwutlenku węgla w wodzie morskiej i jego wpływ na zakwaszenie oceanów ; oraz powstawanie kwaśnych wód i wypłukiwanie metali z odpadów kopalnianych.

Rozwój modelowania geochemicznego

Garrels i Thompson (1962) po raz pierwszy zastosowali modelowanie chemiczne do geochemii w temperaturze 25°C i całkowitym ciśnieniu jednej atmosfery. Ich obliczenia, obliczone ręcznie, są obecnie znane jako model równowagi , który przewiduje rozmieszczenie gatunków, stany nasycenia minerałami i lotność gazów na podstawie pomiarów składu roztworu w masie. Usuwając małe porcje rozpuszczalnikowej ze zrównoważonej wody źródlanej i wielokrotnie przeliczając rozmieszczenie gatunków, Garrels i Mackenzie (1967) symulowali reakcje zachodzące podczas odparowywania wody źródlanej. To sprzężenie przenoszenia masy z modelem równowagi, znanym jako model ścieżki reakcji , umożliwiło geochemikom symulowanie procesów reakcji.

Helgeson (1968) przedstawił pierwszy program komputerowy do rozwiązywania modeli równowagi i ścieżki reakcji, których on i współpracownicy używali do modelowania procesów geologicznych, takich jak wietrzenie , diageneza osadów , parowanie , przemiany hydrotermalne i depozycja rudy . Późniejsze zmiany w modelowaniu geochemicznym obejmowały przeformułowanie rządzących równań, najpierw jako równania różniczkowe zwyczajne , a później jako równania algebraiczne . Ponadto składniki chemiczne zaczęły być reprezentowane w modelach przez gatunki wodne, minerały i gazy, a nie przez pierwiastki i elektrony, które składają się na gatunki, co upraszcza rządzące równania i ich rozwiązanie numeryczne.

Niedawne ulepszenia mocy komputerów osobistych i oprogramowania do modelowania sprawiły, że modele geochemiczne stały się bardziej dostępne i bardziej elastyczne w ich wdrażaniu. Geochemicy mogą teraz konstruować na swoich laptopach złożone modele ścieżek reakcji lub modeli transportu reaktywnego , które wcześniej wymagałyby superkomputera.

Konfigurowanie modelu geochemicznego

System wodny jest jednoznacznie zdefiniowany przez jego skład chemiczny, temperaturę i ciśnienie . Tworzenie modeli geochemicznych takich układów rozpoczyna się od wyboru podłoża, zestawu związków wodnych , minerałów i gazów , które służą do zapisywania reakcji chemicznych i wyrażania składu. Liczba wymaganych wpisów bazowych jest równa liczbie elementów w systemie, która jest ustalona przez zasadę fazową termodynamiki. Zazwyczaj podstawa składa się z wody, każdego minerału w równowadze z systemem, każdego gazu o znanej lotności i ważnych związków wodnych. Po zdefiniowaniu podstawy modelarz może znaleźć stan równowagi , który jest opisany przez równania działania masy i bilansu masy dla każdego składnika.

Znajdując stan równowagi, modelarz geochemiczny rozwiązuje rozkład masy wszystkich gatunków, minerałów i gazów, które mogą powstać z podstawy. Obejmuje to aktywność , współczynnik aktywności i stężenie związków wodnych, stan nasycenia minerałów i lotność gazów. Mówi się, że minerały o wskaźniku nasycenia (log Q/K) równym zeru znajdują się w równowadze z płynem. Te z dodatnimi wskaźnikami nasycenia są określane jako przesycone , co wskazuje, że są preferowane do wytrącania się z roztworu. Minerał jest nienasycony, jeśli jego wskaźnik nasycenia jest ujemny, co wskazuje, że rozpuszcza się.

Modelarze geochemiczni często tworzą modele ścieżek reakcji, aby zrozumieć, w jaki sposób systemy reagują na zmiany składu, temperatury lub ciśnienia. Konfigurując sposób określania wymiany masy i ciepła (tj. systemy otwarte lub zamknięte), modele mogą być używane do reprezentowania różnych procesów geochemicznych. Ścieżki reakcji mogą zakładać równowagę chemiczną lub mogą uwzględniać prawa szybkości kinetycznej do obliczania czasu reakcji. Aby przewidzieć rozkład w czasie i przestrzeni reakcji chemicznych zachodzących na ścieżce przepływu, modele geochemiczne są coraz częściej łączone z hydrologicznymi modelami transportu masy i ciepła, tworząc modele transportu reaktywnego . Specjalistyczne programy do modelowania geochemicznego, które są zaprojektowane jako sieciowalne obiekty oprogramowania typu re-entrant, umożliwiają konstruowanie reaktywnych modeli transportu o dowolnej konfiguracji przepływu.

Rodzaje reakcji

Modele geochemiczne są w stanie symulować wiele różnych rodzajów reakcji . Zalicza się do nich:

Do zilustrowania takich reakcji geochemicznych powszechnie stosuje się proste diagramy lub wykresy fazowe . Na przykład diagramy Eh-pH (Pourbaix) są specjalnym rodzajem diagramów aktywności, które graficznie przedstawiają chemię kwasowo-zasadową i redoks.

Niepewności w modelowaniu geochemicznym

Różne źródła mogą przyczynić się do szeregu wyników symulacji. Zakres wyników symulacji określa się jako niepewność modelu. Jednym z najważniejszych źródeł, których nie da się skwantyfikować, jest model konceptualny, który jest opracowywany i definiowany przez modelarza. Dalszymi źródłami są parametryzacje modelu pod kątem właściwości hydraulicznych (tylko przy symulacji transportu) i mineralogicznych. Parametry użyte do symulacji geochemicznych również mogą przyczynić się do niepewności modelu. Są to zastosowana termodynamiczna baza danych oraz parametry kinetycznego rozpuszczania minerałów. Różnice w danych termodynamicznych (tj. stałe równowagi, parametry korekcji temperatury, równania aktywności i współczynniki) mogą powodować duże niepewności. Ponadto duże rozpiętości stałych szybkości uzyskanych eksperymentalnie dla praw szybkości rozpuszczania minerałów mogą powodować duże różnice w wynikach symulacji. Chociaż jest to dobrze znane, niepewność nie jest często brana pod uwagę podczas prowadzenia modelowania geochemicznego.

Zmniejszenie niepewności można osiągnąć poprzez porównanie wyników symulacji z danymi eksperymentalnymi, chociaż dane eksperymentalne nie istnieją w każdych warunkach temperatura-ciśnienie i dla każdego układu chemicznego. Chociaż takiego porównania lub kalibracji nie można przeprowadzić, to jednak kody geochemiczne i termodynamiczne bazy danych są najnowocześniejszymi i najbardziej użytecznymi narzędziami do przewidywania procesów geochemicznych.

Programy w powszechnym użyciu

Witryna USGS zapewnia bezpłatny dostęp do wielu programów wymienionych powyżej.

Zobacz też

Dalsza lektura

  •   Appelo, CAJ i D. Postma, 2005, Geochemia, wody gruntowe i zanieczyszczenia. Taylor i Francis, 683 s. ISBN 978-0415364287
  •   Bethke, CM, 2008, Modelowanie reakcji geochemicznych i biogeochemicznych. Cambridge University Press, 547 s. ISBN 978-0521875547
  •   Merkel, BJ, B. Planer-Friedrich i DK Nordstrom, 2008, Geochemia wód gruntowych: praktyczny przewodnik po modelowaniu naturalnych i zanieczyszczonych systemów wodnych. Springera, 242 s. ISBN 978-3540746676
  •   Oelkers, EH i J. Schott (red.), 2009, Termodynamika i kinetyka interakcji woda-skała. Recenzje w Mineralogy and Geochemistry 70 , 569 s. ISBN 978-0-939950-84-3
  •   Zhu, C. and G. Anderson, 2002, Środowiskowe zastosowania modelowania geochemicznego. Cambridge University Press, 300 s. ISBN 978-0521005777
Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Geochemical_modeling&oldid=1125785773 ”