Геохимическое моделирование
Геохимическое моделирование или теоретическая геохимия — 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 у поверхности Земли, что является предметом этой статьи.
Применение в водных системах
[ редактировать ]Геохимическое моделирование используется в различных областях, включая охрану окружающей среды и восстановление окружающей среды . [ 1 ] нефтяная промышленность и экономическая геология . [ 2 ] Модели могут быть построены, например, для понимания состава природных вод; подвижность и распад загрязняющих веществ в текущих грунтовых или поверхностных водах ; ионное образование питательных веществ для растений в почве и регулируемых металлов в хранящихся твердых отходах ; образование и растворение горных пород и минералов в геологических формациях в результате закачки промышленных отходов, пара или углекислого газа ; растворение углекислого газа в морской воде и его влияние на закисление океана ; образование кислых вод и выщелачивание металлов из отходов шахт.
Разработка геохимического моделирования
[ редактировать ]Гаррелс и Томпсон (1962) впервые применили химическое моделирование к геохимии при температуре 25 °C и общем давлении в одну атмосферу. Их расчет, рассчитанный вручную, теперь известен как модель равновесия , которая предсказывает распределение видов, состояние насыщения минералами и летучесть газа на основе измерений общего состава раствора. Удаляя небольшие порции растворяющей воды из уравновешенной родниковой воды и неоднократно пересчитывая распределение видов, Гаррелс и Маккензи (1967) смоделировали реакции, происходящие при испарении родниковой воды. [ 3 ] Такое сочетание массопереноса с равновесной моделью, известной как модель пути реакции , позволило геохимикам моделировать реакционные процессы.
Хельгесон (1968) представил первую компьютерную программу для решения моделей равновесия и путей реакции. [ 4 ] которую он и его коллеги использовали для моделирования геологических процессов, таких как выветривание , диагенез отложений , испарение , гидротермальные изменения и отложение руды . [ 5 ] Более поздние разработки в области геохимического моделирования включали переформулирование основных уравнений, сначала в виде обыкновенных дифференциальных уравнений , а затем в виде алгебраических уравнений . Кроме того, химические компоненты стали представляться в моделях водными частицами, минералами и газами, а не элементами и электронами, из которых состоят эти частицы, что упростило основные уравнения и их численное решение. [ 2 ]
Недавние усовершенствования в возможностях персональных компьютеров и программного обеспечения для моделирования сделали геохимические модели более доступными и более гибкими в их реализации. [ 6 ] Геохимики теперь могут строить на своих ноутбуках сложные пути реакций или модели реактивного транспорта, для чего раньше требовался суперкомпьютер. [ 7 ]
Настройка геохимической модели
[ редактировать ]Водная система однозначно определяется ее 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 необходимых базисных элементов равно количеству компонентов в системе, которое определяется правилом фаз термодинамики. Обычно основа состоит из воды, каждого минерала, находящегося в равновесии с системой, каждого газа с известной фугитивностью и важных водных частиц. После определения основы 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 рассчитывает распределение массы всех видов, минералов и газов, которые могут образоваться из основы. Сюда входят активность , коэффициент активности и концентрация водных частиц, состояние насыщения минералов и летучесть газов. Говорят, что минералы с индексом насыщения (log Q/K), равным нулю, находятся в равновесии с жидкостью. Те, у кого индексы насыщения положительные, называются перенасыщенными , что указывает на то, что они склонны выпадать в осадок из раствора. Минерал считается недонасыщенным, если его индекс насыщения отрицательный, что указывает на его склонность к растворению. [ 8 ]
Разработчики геохимического моделирования обычно создают модели путей реакций, чтобы понять, как системы реагируют на изменения состава, температуры или давления. Путем настройки способа задания массо- и теплопереноса (т.е. открытые или закрытые системы) модели можно использовать для представления различных геохимических процессов. Пути реакций могут предполагать химическое равновесие или включать законы кинетической скорости для расчета времени реакций. Чтобы предсказать распределение в пространстве и времени химических реакций, происходящих 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, выполненные в виде сшиваемых реентерабельных программных объектов, позволяют строить модели реактивного переноса любой конфигурации потока. [ 9 ]
Типы реакций
[ редактировать ]Геохимические модели способны моделировать множество различных типов реакций . В их число входят:
- Кислотно-основные реакции
- Водное комплексообразование
- минералов Растворение и осаждение , включая оствальдовское созревание.
- Реакции восстановления и окисления ( окислительно-восстановительные ), в том числе катализируемые ферментами , поверхностями и микроорганизмами.
- Сорбция , ионный обмен и поверхностное комплексообразование.
- Растворение и растворение газа
- Фракционирование стабильных изотопов
- Радиоактивный распад
простые фазовые диаграммы Для иллюстрации таких геохимических реакций обычно используются Eh-pH (Пурбе) или графики. Например, диаграммы представляют собой особый тип диаграмм активности, которые графически представляют кислотно-основную и окислительно-восстановительную химию.
Неопределенности в геохимическом моделировании
[ редактировать ]Различные источники могут способствовать получению различных 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 разработчиком модели. Дальнейшими источниками являются параметризация модели относительно гидравлических (только при моделировании транспорта) и минералогических свойств. [ 10 ] Параметры, используемые для геохимического моделирования, также могут способствовать неопределенности 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 неопределенностям. Кроме того, большие диапазоны экспериментально полученных констант скорости для законов скорости растворения минералов могут вызвать большие различия в результатах моделирования. Несмотря на это хорошо известно, неопределенности не часто учитываются при проведении геохимического моделирования. [ 12 ]
Уменьшения неопределенностей можно добиться путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными, хотя экспериментальные данные существуют не для каждого режима температуры-давления и для каждой химической системы. [ 12 ] Хотя такое сравнение или калибровка не могут быть проведены, геохимические коды и термодинамические базы данных являются современными и наиболее полезными инструментами для прогнозирования геохимических процессов.
Программное обеспечение общего пользования
[ редактировать ]- ChemEQL [ 13 ]
- ХимПлагин
- ШАХМАТЫ , [ 14 ] ХАЙТЕК
- ЧИЛЛЕР, [ 15 ] ХИМ-XPT
- CrunchFlow [ 16 ] [ 17 ]
- эквалайзер3/эквалайзер6 [ 18 ]
- ГЕОХЕМ-ЭЗ [ 19 ]
- ГиббсСтудия
- Верстак геохимика [ 20 ]
- Издание сообщества GWB
- ГЕМС-ПСИ [ 21 ]
- ГИДРОГЕОХИМ [ 22 ]
- МИНЕЛА+ [ 23 ] [ 24 ]
- МИНТЕКА2 [ 25 ]
- ОРКЕСТР [ 26 ]
- PHREEQC [ 27 ] [ 28 ]
- Реактор [ 29 ]
- SOLMINEQ.88, GAMSPATH.99 [ 30 ]
- ЖЕСТКОРЕАКТ [ 31 ]
- Визуальный МИНТЕК [ 32 ]
- WATEQ4F [ 33 ]
- БАМ [ 34 ]
Веб -сайт Геологической службы США предоставляет бесплатный доступ ко многим из перечисленных выше программ. [ 35 ]
См. также
[ редактировать ]- Химическая термодинамика
- Химическая кинетика
- Геохимия
- Геомикробиология
- Гидрогеология
- Модель подземных вод
- Реактивная транспортная модель
- Моделирование резервуара
- Моделирование химических процессов
- Модель химического транспорта
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Аппело, CAJ и Д. Постма, 2005 г., Геохимия, подземные воды и загрязнение. Тейлор и Фрэнсис, 683 стр. ISBN 978-0415364287
- Бетке, К.М., 2008, Моделирование геохимических и биогеохимических реакций. Издательство Кембриджского университета, 547 стр. ISBN 978-0521875547
- Меркель Б.Дж., Б. Планер-Фридрих и Д.К. Нордстрем, 2008 г., Геохимия подземных вод: Практическое руководство по моделированию природных и загрязненных водных систем. Спрингер, 242 стр. ISBN 978-3540746676
- Олкерс, Э.Х. и Дж. Шотт (ред.), 2009, Термодинамика и кинетика взаимодействия воды и горных пород. Обзоры по минералогии и геохимии 70 , 569 с. ISBN 978-0-939950-84-3
- Чжу К. и Г. Андерсон, 2002 г., Экологические применения геохимического моделирования. Издательство Кембриджского университета, 300 стр. ISBN 978-0521005777
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чжу, К. и Г. Андерсон, 2002, Экологические применения геохимического моделирования . Издательство Кембриджского университета, 300 стр.
- ^ Перейти обратно: а б с д Бетке, К.М., 2008, Моделирование геохимических и биогеохимических реакций . Издательство Кембриджского университета, 547 стр.
- ^ Гаррелс, Р.М. и Ф.Т. Маккензи, 1967, Происхождение химического состава некоторых источников и озер. Концепции равновесия в природных водах, Достижения в химии, серия 67 , Американское химическое общество, Вашингтон, округ Колумбия, стр. 222-242.
- ^ Хельгесон, Х.К., 1968, Оценка необратимых реакций в геохимических процессах с участием минералов и водных растворов, I. Термодинамические отношения. Geochemica et Cosmochimica Acta 32 , 853-877.
- ^ Хельгесон, Х.К., Р.М. Гаррелс и Ф.Т. Маккензи, 1969, Оценка необратимых реакций в геохимических процессах с участием минералов и водных растворов, II. Приложения. Geochemica et Cosmochimica Acta 33 , 455-481.
- ^ Чжу, К., 2009, Геохимическое моделирование путей реакций и сетей геохимических реакций. В Э. Х. Олкерсе и Дж. Шотте (ред.), 2009 г., Термодинамика и кинетика взаимодействия воды и горных пород. Обзоры по минералогии и геохимии 70 , 533-569.
- ^ Брэди, П.В. и К.М. Бетке, 2000, За пределами подхода Kd. Грунтовые воды 38 , 321-322
- ^ Перейти обратно: а б Андерсон, GM 2009, Термодинамика природных систем . Издательство Кембриджского университета, 664 стр.
- ^ Бетке, CM, Руководство пользователя ChemPlugin, выпуск 15 . Aqueous Solutions LLC, Шампейн, Иллинойс, США https://www.chemplugin.gwb.com/documentation.php
- ^ Детлефсен, Франк; Хаазе, Кристоф; Эберт, Маркус; Дамке, Андреас (1 января 2011 г.). «Влияние вариаций входных параметров на водно-минеральные взаимодействия при моделировании секвестрации CO2» . Энергетическая процедура . 10-я Международная конференция по технологиям контроля парниковых газов. 4 : 3770–3777. дои : 10.1016/j.egypro.2011.02.311 .
- ^ Хаазе, Кристоф; Детлефсен, Франк; Эберт, Маркус; Дамке, Андреас (01 июня 2013 г.). «Неопределенность геохимического моделирования 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 .
- ^ Перейти обратно: а б Хаазе, Кристоф; Эберт, Маркус; Детлефсен, Франк (01 апреля 2016 г.). «Неопределенности геохимических кодов и термодинамических баз данных для прогнозирования воздействия углекислого газа на геологические формации». Прикладная геохимия . 67 : 81–92. doi : 10.1016/j.apgeochem.2016.01.008 .
- ^ Мюллер, Б., 2004, CHEMEQL V3.0, Программа для расчета равновесия химического образования, титрования, растворения, осаждения, адсорбции, кинетики, диаграмм pX-pY, диаграмм растворимости. Лимнологический исследовательский центр EAWAG/ETH, Кастаниенбаум, Швейцария
- ^ ван дер Ли, Дж., и Л. Де Виндт, 2000, ШАХМАТЫ, еще один компьютерный код видообразования и комплексообразования. Технический отчет №. LHM/RD/93/39, Парижская горная школа, Фонтенбло
- ^ Рид, М.Х., 1982, Расчет многокомпонентного химического равновесия и реакционных процессов в системах, включающих минералы, газы и водную фазу. Geochimica et Cosmochemica Acta 46 , 513-528.
- ^ Стифель, К.И. и А.С. Ласага, 1994, Совместная модель переноса нескольких химических веществ и кинетических реакций осаждения/растворения с применением к реактивному потоку в однофазных гидротермальных системах. Американский журнал науки 294 , 529-592.
- ^ Стифель, CI, 2001, GIMRT, Версия 1.2: Программное обеспечение для моделирования многокомпонентного, многомерного реактивного транспорта, Руководство пользователя. Отчет UCRL-MA-143182, Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, Ливермор, Калифорния.
- ^ Волери, TJ, 1992a, EQ3/EQ6, пакет программного обеспечения для геохимического моделирования водных систем, обзор пакета и руководство по установке (версия 7.0). Отчет Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса UCRL-MA-110662(1).
- ^ Шафф, Дж. Э., Б. А. Шульц, Э. Дж. Крафт, Р. Т. Кларк и Л. В. Кочиан, 2010, GEOCHEM-EZ: программа химического анализа с большей мощностью и гибкостью. Растительная почва 330(1) , 207-214
- ^ Бетке, К.М., Б. Фаррелл и М. Шарифи, 2021, The Geochemist's Workbench, выпуск 15 (пять томов) . Aqueous Solutions LLC, Шампейн, Иллинойс, США
- ^ Кулик, Д.А., 2002, Подход к минимизации энергии Гиббса для моделирования сорбционного равновесия на границе раздела минерал-вода: Термодинамические соотношения для многоцентрового поверхностного комплексообразования. Американский журнал науки 302 , 227–279.
- ^ Ченг, Х.П. и Г.Т. Йе, 1998, Разработка трехмерной модели подземного потока, теплопередачи и реактивного химического транспорта: 3DHYDROGEOCHEM. Журнал загрязняющей гидрологии 34 , 47-83.
- ^ Весталл, Дж. К., Дж. Л. Захари и FFM Морель, 1976, MINEQL, компьютерная программа для расчета химического равновесного состава водных систем. Техническое примечание 18, Лаборатория Р.М. Парсонса, Департамент гражданского строительства и экологического строительства, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс.
- ^ Шерер, WD и DC McAvoy, 1994, MINEQL+, Программа химического равновесия для персональных компьютеров, Руководство пользователя , версия 3.0. Environmental Research Software, Inc., Хэллоуэлл, Мэн.
- ^ Эллисон, Дж.Д., Д.С. Браун и К.Дж. Ново-Градак, 1991, MINTEQA2/PRODEFA2, модель геохимической оценки экологических систем, руководство пользователя версии 3.0. Отчет Агентства по охране окружающей среды СШАa EPA/600/3-91/021.
- ^ «ОРКЕСТР | Геохимическое и транспортное моделирование» . Проверено 29 сентября 2022 г.
- ^ Паркхерст, Д.Л., 1995, Руководство пользователя по PHREEQC, компьютерной модели для видообразования, пути реакции, адвективного переноса и обратных геохимических расчетов. Отчет об исследованиях водных ресурсов Геологической службы США 95-4227.
- ^ Паркхерст, Д.Л. и CAJ Appelo, 1999, Руководство пользователя по PHREEQC (версия 2), компьютерной программе для видообразования, пакетных реакций, одномерного переноса и обратных геохимических расчетов. Отчет об исследованиях водных ресурсов Геологической службы США 99-4259.
- ^ Леал, АММ, Кулик, Д.А., Смит, В.Р. и Саар, М.О., 2017, Обзор вычислительных методов химического равновесия и кинетических расчетов для геохимического моделирования и моделирования реактивного переноса. Чистая и прикладная химия. 89 (5), 145–166.
- ^ Перкинс, Э.Х., 1992, Интеграция диаграмм интенсивных переменных и равновесий жидкой фазы с помощью SOLMINEQ.88 шт./оболочка. В книге Ю.К. Харака и А.С. Маэст (ред.), «Взаимодействие воды и горных пород» , Балкема, Роттердам, с. 1079-1081.
- ^ Сюй, Т., Э. Л. Зонненталь, Н. Спайчер и К. Прюсс, 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.
- ^ hem.bredband.net/b108693/-VisualMINTEQ_references.pdf
- ^ Болл, Дж. В. и Д. К. Нордстром, 1991, Руководство пользователя для WATEQ4F, с пересмотренной базой термодинамических данных и тестовыми примерами для расчета состава основных, микроэлементов и окислительно-восстановительных элементов в природных водах. Отчет об открытом файле Геологической службы США 91-183.
- ^ Типпинг Э., 1994, WHAM - модель химического равновесия и компьютерный код для воды, отложений и почв, включающий дискретную/электростатическую модель связывания ионов гуминовыми веществами. Компьютеры и науки о Земле 20 , 973-1023.
- ^ «Геохимическое программное обеспечение для водных ресурсов» . www.water.usgs.gov . Проверено 25 сентября 2020 г.