Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Геохимическое моделирование - это практика использования химической термодинамики , химической кинетики или того и другого для анализа химических реакций , влияющих на геологические системы , обычно с помощью компьютера. Он используется в высокотемпературной геохимии для моделирования реакций, происходящих глубоко в недрах Земли, например, в магме , или для моделирования низкотемпературных реакций в водных растворах вблизи поверхности Земли, что является предметом данной статьи.

Приложения к водным системам [ править ]

Геохимические моделирование используется в различных областях, включая охрану окружающей среды и реабилитации , [1] в нефтяной промышленности и экономической геологии . [2] Модели могут быть построены, например, для понимания состава природных вод; подвижность и разложение загрязняющих веществ в проточных грунтовых или поверхностных водах ; образование и растворение горных пород и минералов в геологических формациях в ответ на закачку промышленных отходов, пара или углекислого газа ; и образование кислых вод и выщелачивание металлов из шахтных отходов.

Развитие геохимического моделирования [ править ]

Гаррелс и Томпсон (1962) впервые применили химическое моделирование к геохимии при 25 ° C и общем давлении в одну атмосферу. Их расчет, выполненный вручную, теперь известен как модель равновесия , которая предсказывает распределение частиц, состояния минеральной насыщенности и летучесть газа на основе измерений объемного состава раствора. Удаляя небольшие аликвоты воды с растворителем из уравновешенной родниковой воды и неоднократно пересчитывая распределение видов, Гаррелс и Маккензи (1967) моделировали реакции, происходящие при испарении родниковой воды. [3] Эта связь массопереноса с моделью равновесия, известной как модель пути реакции , позволила геохимикам моделировать процессы реакции.

Helgeson (1968) представил первую компьютерную программу для решения моделей равновесия и пути реакции [4], которые он и его коллеги использовали для моделирования геологических процессов, таких как выветривание , диагенез отложений , испарение , гидротермальные изменения и отложения руды . [5] Более поздние разработки в области геохимического моделирования включали переформулировку основных уравнений, сначала в виде обыкновенных дифференциальных уравнений , а затем в виде алгебраических уравнений . Дополнительно химические компонентыстали представлены в моделях водными веществами, минералами и газами, а не элементами и электронами, составляющими эти частицы, что упростило основные уравнения и их численное решение. [2]

Недавние усовершенствования возможностей персональных компьютеров и программного обеспечения для моделирования сделали геохимические модели более доступными и более гибкими в их реализации. [6] Теперь геохимики могут создавать на своих портативных компьютерах сложные модели реактивного пути или реактивного транспорта, для которых раньше требовался суперкомпьютер. [7]

Создание геохимической модели [ править ]

Водная система однозначно определяется своим химическим составом, температурой и давлением . [8] Создание геохимических моделей таких систем начинается с выбора основы, набора водных частиц , минералов и газов, которые используются для записи химических реакций и выражения состава. Количество требуемых базовых записей равно количеству компонентов в системе, которое фиксируется правилом фаз термодинамики. Обычно основу составляют вода, каждый минерал находится в равновесии с системой, каждый газ имеет известную летучесть., и важные водные виды. Как только базис определен, разработчик модели может найти состояние равновесия , которое описывается уравнениями действия масс и баланса масс для каждого компонента. [2]

При нахождении состояния равновесия разработчик геохимических моделей решает вопрос о распределении масс всех видов, минералов и газов, которые могут быть образованы из основы. Это включает активность , коэффициент активности и концентрацию водных частиц, состояние насыщения минералами и летучесть газов. Минералы с индексом насыщения (log Q / K), равным нулю, считаются находящимися в равновесии с жидкостью. Те с положительными индексами насыщения называются перенасыщенными , что указывает на то, что они склонны осаждаться из раствора. Минерал является недонасыщенным, если его индекс насыщения отрицательный, что указывает на то, что он склонен к растворению. [8]

Разработчики геохимических моделей обычно создают модели пути реакции, чтобы понять, как системы реагируют на изменения в составе, температуре или давлении. Настраивая способ задания массы и теплопередачи (например, открытые или закрытые системы), модели можно использовать для представления множества геохимических процессов. Пути реакции могут предполагать химическое равновесие, или они могут включать законы кинетической скорости для расчета времени реакций. Чтобы предсказать распределение в пространстве и времени химических реакций, которые происходят вдоль пути потока, геохимические модели все чаще объединяются с гидрологическими моделями переноса массы и тепла для формирования моделей реактивного переноса . [2]Специализированные программы геохимического моделирования, разработанные как перекрестно-связываемые реентерабельные программные объекты, позволяют создавать модели реактивного переноса любой конфигурации потока. [9]

Типы реакций [ править ]

Геохимические модели могут моделировать множество различных типов реакций . Среди них:

  • Кислотно-основные реакции
  • Водное комплексообразование
  • Растворение минералов и осаждение
  • Реакции восстановления и окисления ( окислительно-восстановительные ), в том числе катализируемые ферментами , поверхностями и микроорганизмами.
  • Сорбция , ионный обмен и поверхностное комплексообразование
  • Растворение и выделение газа
  • Фракционирование стабильных изотопов
  • Радиоактивный распад

Для иллюстрации таких геохимических реакций обычно используются простые фазовые диаграммы или графики. Например, диаграммы Eh-pH (Pourbaix) представляют собой особый тип диаграмм активности, которые графически представляют кислотно-щелочной и окислительно-восстановительный химические процессы.

Неопределенности в геохимическом моделировании [ править ]

Различные источники могут способствовать ряду результатов моделирования. Диапазон результатов моделирования определяется как неопределенность модели. Одним из наиболее важных источников, которые невозможно определить количественно, является концептуальная модель, которая разрабатывается и определяется специалистом по моделированию. Дополнительными источниками являются параметризация модели в отношении гидравлических (только при моделировании транспорта) и минералогических свойств. [10] Параметры, используемые для геохимического моделирования, также могут вносить вклад в неопределенность модели. Это прикладная термодинамическая база данных и параметры кинетического растворения минералов. [11]Различия в термодинамических данных (т.е. константах равновесия, параметрах температурной коррекции, уравнениях активности и коэффициентах) могут привести к большим погрешностям. Кроме того, большой диапазон экспериментально полученных констант скорости для законов скорости растворения минералов может вызвать большие вариации в результатах моделирования. Несмотря на то, что это хорошо известно, при проведении геохимического моделирования не всегда учитываются неопределенности. [12]

Уменьшение неопределенностей может быть достигнуто путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными, хотя экспериментальные данные существуют не для всех условий температуры и давления и для каждой химической системы. [12] Хотя такое сравнение или калибровка не может быть проведена, следовательно, геохимические коды и термодинамические базы данных являются современными и наиболее полезными инструментами для прогнозирования геохимических процессов.

Программное обеспечение общего пользования [ править ]

  • ChemEQL [13]
  • ChemPlugin
  • ШАХМАТЫ , [14] HYTEC
  • ЧИЛЛЕР, [15] CHIM-XPT
  • CrunchFlow [16] [17]
  • EQ3 / EQ6 [18]
  • ГЕОХИМ-ЭЗ [19]
  • Верстак геохимика [20]
  • GWB Community Edition
  • GEMS-PSI [21]
  • ГИДРОГЕОХИМА [22]
  • MINEQL + [23] [24]
  • MINTEQA2 [25]
  • PHREEQC [26] [27]
  • Reaktoro [28]
  • SOLMINEQ.88, GAMSPATH.99 [29]
  • ЖЕСТКИЙ РЕАКТ [30]
  • Визуальный MINTEQ [31]
  • WATEQ4F [32]
  • WHAM [33]

Веб- сайт USGS предоставляет бесплатный доступ ко многим из перечисленных выше программ. [34]

См. Также [ править ]

  • Химическая термодинамика
  • Химическая кинетика
  • Геохимия
  • Геомикробиология
  • Гидрогеология
  • Модель грунтовых вод
  • Модель реактивного транспорта
  • Моделирование коллектора
  • Моделирование химических процессов
  • Модель химического транспорта

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Аппело, CAJ и Д. Постма, 2005 г., Геохимия, подземные воды и загрязнение. Тейлор и Фрэнсис, 683 стр. ISBN  978-0415364287
  • Бетке С.М., 2008 г., Моделирование геохимических и биогеохимических реакций. Cambridge University Press, 547 стр. ISBN 978-0521875547 
  • Меркель, Б.Дж., Б. Планер-Фридрих и Д.К. Нордстром, 2008 г., Геохимия подземных вод: Практическое руководство по моделированию природных и загрязненных водных систем. Springer, 242 стр. ISBN 978-3540746676 
  • Элкерс, Э. Х. и Дж. Шотт (ред.), 2009 г., Термодинамика и кинетика взаимодействия воды и горных пород. Обзоры по минералогии и геохимии 70 , 569 стр. ISBN 978-0-939950-84-3 
  • Чжу, К. и Дж. Андерсон, 2002, Экологические приложения геохимического моделирования. Cambridge University Press, 300 стр. ISBN 978-0521005777 

Ссылки [ править ]

  1. ^ Чжу, К. и Г. Андерсон, 2002, Экологические приложения геохимического моделирования . Издательство Кембриджского университета, 300 стр.
  2. ^ a b c d Бетке, CM, 2008 г., Моделирование геохимических и биогеохимических реакций . Издательство Кембриджского университета, 547 стр.
  3. ^ Гаррелс, Р. М. и Ф. Т. Маккензи, 1967, Происхождение химического состава некоторых источников и озер. Концепции равновесия в природных водах, Успехи в химии, серия 67 , Американское химическое общество, Вашингтон, округ Колумбия, стр. 222-242.
  4. ^ Helgeson, HC, 1968, Оценка необратимых реакций в геохимических процессах с участием минералов и водных растворов, I. Термодинамические соотношения. Geochemica et Cosmochimica Acta 32 , 853-877
  5. ^ Helgeson, HC, RM Garrels и FT Mackenzie, 1969, Оценка необратимых реакций в геохимических процессах с участием минералов и водных растворов, II. Приложения. Geochemica et Cosmochimica Acta 33 , 455-481
  6. ^ Чжу, К., 2009, Геохимическое моделирование реакционных путей и геохимических реакционных сетей. В EH Oelkers и J. Schott (ред.), 2009, Термодинамика и кинетика взаимодействия воды и горных пород. Обзоры в Минералогии и геохимии 70 , 533-569
  7. ^ Брейди, П.В. и С.М. Бетке, 2000, За пределами подхода Kd. Грунтовые воды 38 , 321-322
  8. ^ a b Андерсон, GM 2009, Термодинамика природных систем . Издательство Кембриджского университета, 664 стр.
  9. ^ Бетке, С.М., Руководство пользователя ChemPlugin, выпуск 15 . A Water Solutions LLC, Шампейн, Иллинойс, США https://www.chemplugin.gwb.com/documentation.php
  10. ^ Детлефсен, Франк; Хаазе, Кристоф; Эберт, Маркус; Дамке, Андреас (01.01.2011). «Влияние вариаций входных параметров на взаимодействие воды и минералов при моделировании секвестрации CO2» . Энергетические процедуры . 10-я Международная конференция по технологиям контроля парниковых газов. 4 : 3770–3777. DOI : 10.1016 / j.egypro.2011.02.311 .
  11. ^ Хаазе, Кристоф; Детлефсен, Франк; Эберт, Маркус; Дамке, Андреас (01.06.2013). «Неопределенность в геохимическом моделировании растворения CO2 и кальцита в растворах NaCl из-за различных кодов моделирования и термодинамических баз данных». Прикладная геохимия . 33 : 306–317. DOI : 10.1016 / j.apgeochem.2013.03.001 .
  12. ^ a b Хаазе, Кристоф; Эберт, Маркус; Детлефсен, Франк (2016-04-01). «Неопределенности геохимических кодов и термодинамических баз данных для прогнозирования воздействия углекислого газа на геологические образования». Прикладная геохимия . 67 : 81–92. DOI : 10.1016 / j.apgeochem.2016.01.008 .
  13. ^ Muller, B., 2004, CHEMEQL V3.0, Программа для расчета равновесия химического состава, титрования, растворения, осаждения, адсорбции, кинетики, диаграмм pX-pY, диаграмм растворимости. Лимнологический исследовательский центр EAWAG / ETH, Кастаниенбаум, Швейцария
  14. ^ van der Lee, J., and L. De Windt, 2000, CHESS, другой компьютерный код видообразования и комплексообразования. Технический отчет № LHM / RD / 93/39, Ecole des Mines de Paris, Фонтенбло
  15. ^ Рид, М. Х., 1982, Расчет многокомпонентных химических равновесий и реакционных процессов в системах, включающих минералы, газы и водную фазу. Geochimica et Cosmochemica Acta 46 , 513-528.
  16. ^ Steefel, CI и AC Lasaga, 1994, Совместная модель для переноса множества химических веществ и кинетических реакций осаждения / растворения с применением к реактивному потоку в однофазных гидротермальных системах. Американский журнал науки 294 , 529-592
  17. ^ Steefel, CI, 2001, GIMRT, Version 1.2: Программное обеспечение для моделирования многокомпонентного, многомерного реактивного транспорта, Руководство пользователя. Отчет UCRL-MA-143182, Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, Ливермор, Калифорния.
  18. ^ Wolery, TJ, 1992a, EQ3 / EQ6, программный пакет для геохимического моделирования водных систем, обзор пакета и руководство по установке (версия 7.0). Отчет Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора UCRL-MA-110662 (1).
  19. ^ Шафф, JE, Б. Шульц, EJ Craft, RT Кларк, Л. Kochian, 2010, Геохимия-EZ: химическая программа видообразование с большей силой и гибкостью. Почва для растений 330 (1) , 207-214
  20. ^ Bethke, СМ, Б. Фаррелл, М. Sharifi, 2021, Workbench Release 15 (пять томов) Геохимик в . ООО «Водные растворы», Шампейн, Иллинойс, США
  21. ^ Кулик, Д.А., 2002, Подход к минимизации энергии Гиббса для моделирования сорбционных равновесий на границе раздела минеральная вода: термодинамические соотношения для многоузлового поверхностного комплексообразования. Американский журнал науки 302 , 227-279
  22. ^ Cheng, HP и GT Yeh, 1998, Разработка трехмерной модели подземного потока, теплопередачи и химического переноса в реакциях: 3DHYDROGEOCHEM. Журнал гидрологии загрязнителей 34 , 47-83
  23. ^ Westall, JC, JL Zachary и FFM Morel, 1976, MINEQL, компьютерная программа для расчета химического равновесного состава водных систем. Техническая записка 18, Лаборатория Р. М. Парсонса, Департамент гражданской и экологической инженерии, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс.
  24. ^ Шерер, В. Д. и Д. К. МакЭвой, 1994, MINEQL +, Программа химического равновесия для персональных компьютеров, Руководство пользователя , версия 3.0. Программное обеспечение для экологических исследований, Inc., Хэллоуэлл, Мэн.
  25. ↑ Allison, JD, DS Brown и KJ Novo-Gradac, 1991, MINTEQA2 / PRODEFA2, модель геохимической оценки экологических систем, руководство пользователя версии 3.0. Отчет Агентства по охране окружающей среды США EPA / 600 / 3-91 / 021.
  26. ^ Parkhurst, DL, 1995, Руководство пользователя PHREEQC, компьютерной модели для видообразования, пути реакции, адвективного переноса и обратных геохимических расчетов. Отчет об исследованиях водных ресурсов Геологической службы США 95-4227.
  27. ^ Parkhurst, DL и CAJ Appelo, 1999, Руководство пользователя PHREEQC (версия 2), компьютерной программы для видообразования, периодической реакции, одномерного переноса и обратных геохимических расчетов. Отчет об исследованиях водных ресурсов Геологической службы США 99-4259.
  28. ^ Leal, AMM, Kulik, DA, Smith, WR и Saar, MO, 2017, Обзор вычислительных методов для химического равновесия и кинетических расчетов для моделирования геохимического и реактивного переноса. Чистая и прикладная химия. 89 (5), 145–166.
  29. ^ Perkins, EH, 1992, Интеграция интенсивных диаграмм переменных и фазовых равновесий с SOLMINEQ.88 pc / shell. В YK Kharaka и AS Maest (ред.), Water-Rock Interaction , Balkema, Rotterdam, p. 1079-1081.
  30. ^ Xu, T., EL Sonnenthal, N. Spycher и K. Pruess, 2004, Руководство пользователя TOUGHREACT: программа моделирования неизотермического многофазного реактивного геохимического переноса в геологических средах с переменной насыщенностью. Отчет LBNL-55460, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния.
  31. ^ hem.bredband.net/b108693/-VisualMINTEQ_references.pdf
  32. ↑ Ball, JW и DK Nordstrom, 1991, Руководство пользователя WATEQ4F, с пересмотренной базой термодинамических данных и тестовыми примерами для расчета видообразования основных, следовых и окислительно-восстановительных элементов в природных водах. Отчет открытого файла Геологической службы США 91-183.
  33. ^ Типпинг Э., 1994, WHAM - модель химического равновесия и компьютерный код для вод, отложений и почв, включающий дискретную локальную / электростатическую модель связывания ионов гуминовыми веществами. Компьютеры и науки о Земле 20 , 973-1023.
  34. ^ "Водные ресурсы геохимического программного обеспечения" . water.usgs.gov . Проверено 25 сентября 2020 .