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Modelado geoquímico

El modelado geoquímico o geoquímica teórica es la práctica de utilizar la termodinámica química , la cinética química o ambas para analizar las reacciones químicas que afectan a los sistemas geológicos , comúnmente con la ayuda de una computadora. Se utiliza en geoquímica de alta temperatura para simular reacciones que ocurren en las profundidades del interior de la Tierra, en el magma , por ejemplo, o para modelar reacciones de baja temperatura en soluciones acuosas cerca de la superficie de la Tierra, el tema de este artículo.

Aplicaciones a sistemas acuosos

El modelado geoquímico se utiliza en una variedad de campos, incluyendo la protección y remediación ambiental , [1] la industria petrolera y la geología económica . [2] Los modelos se pueden construir, por ejemplo, para entender la composición de las aguas naturales; la movilidad y descomposición de contaminantes en aguas subterráneas o superficiales que fluyen ; la especiación iónica de nutrientes vegetales en el suelo y de metales regulados en desechos sólidos almacenados ; la formación y disolución de rocas y minerales en formaciones geológicas en respuesta a la inyección de desechos industriales, vapor o dióxido de carbono ; la disolución de dióxido de carbono en agua de mar y su efecto en la acidificación de los océanos ; y la generación de aguas ácidas y lixiviación de metales de desechos mineros.

Desarrollo de modelos geoquímicos

Garrels y Thompson (1962) aplicaron por primera vez el modelado químico a la geoquímica a 25 °C y una atmósfera de presión total. Su cálculo, realizado a mano, se conoce ahora como modelo de equilibrio , que predice distribuciones de especies, estados de saturación de minerales y fugacidades de gases a partir de mediciones de la composición de la solución a granel. Al extraer pequeñas alícuotas de agua solvente de un agua de manantial equilibrada y recalcular repetidamente la distribución de especies, Garrels y Mackenzie (1967) simularon las reacciones que ocurren a medida que el agua de manantial se evapora. [3] Este acoplamiento de la transferencia de masa con un modelo de equilibrio, conocido como modelo de trayectoria de reacción , permitió a los geoquímicos simular procesos de reacción.

Helgeson (1968) introdujo el primer programa informático para resolver modelos de equilibrio y de trayectorias de reacción, [4] que él y sus colaboradores utilizaron para modelar procesos geológicos como la meteorización , la diagénesis de sedimentos , la evaporación , la alteración hidrotermal y la deposición de minerales . [5] Los desarrollos posteriores en el modelado geoquímico incluyeron la reformulación de las ecuaciones rectoras, primero como ecuaciones diferenciales ordinarias y luego como ecuaciones algebraicas . Además, los componentes químicos pasaron a representarse en los modelos por especies acuosas, minerales y gases, en lugar de por los elementos y electrones que forman las especies, lo que simplificó las ecuaciones rectoras y su solución numérica. [2]

Las recientes mejoras en la potencia de las computadoras personales y el software de modelado han hecho que los modelos geoquímicos sean más accesibles y más flexibles en su implementación. [6] Los geoquímicos ahora pueden construir en sus computadoras portátiles modelos complejos de trayectorias de reacción o de transporte reactivo que antes habrían requerido una supercomputadora. [7]

Configuración de un modelo geoquímico

Un sistema acuoso se define de forma única por su composición química, temperatura y presión . [8] La creación de modelos geoquímicos de tales sistemas comienza eligiendo la base, el conjunto de especies acuosas , minerales y gases que se utilizan para escribir reacciones químicas y expresar la composición. El número de entradas de base necesarias es igual al número de componentes en el sistema, que se fija mediante la regla de fases de la termodinámica. Normalmente, la base está compuesta de agua, cada mineral en equilibrio con el sistema, cada gas con fugacidad conocida y especies acuosas importantes. Una vez definida la base, un modelador puede resolver el estado de equilibrio , que se describe mediante ecuaciones de acción de masas y balance de masas para cada componente. [2]

Para encontrar el estado de equilibrio, un modelador geoquímico resuelve la distribución de masa de todas las especies, minerales y gases que se pueden formar a partir de la base. Esto incluye la actividad , el coeficiente de actividad y la concentración de especies acuosas, el estado de saturación de los minerales y la fugacidad de los gases. Se dice que los minerales con un índice de saturación (log Q/K) igual a cero están en equilibrio con el fluido. Aquellos con índices de saturación positivos se denominan sobresaturados , lo que indica que son favorecidos para precipitar de la solución. Un mineral está subsaturado si su índice de saturación es negativo, lo que indica que es favorecido para disolverse. [8]

Los modeladores geoquímicos suelen crear modelos de trayectorias de reacción para comprender cómo responden los sistemas a los cambios en la composición, la temperatura o la presión. Al configurar la manera en que se especifica la transferencia de masa y calor (es decir, sistemas abiertos o cerrados), los modelos se pueden utilizar para representar una variedad de procesos geoquímicos. Las trayectorias de reacción pueden suponer un equilibrio químico o pueden incorporar leyes de velocidad cinética para calcular el tiempo de las reacciones. Para predecir la distribución en el espacio y el tiempo de las reacciones químicas que ocurren a lo largo de una trayectoria de flujo, los modelos geoquímicos se están acoplando cada vez más con modelos hidrológicos de transporte de masa y calor para formar modelos de transporte reactivo . [2] Los programas de modelado geoquímico especializados que están diseñados como objetos de software reentrantes reticulables permiten la construcción de modelos de transporte reactivo de cualquier configuración de flujo. [9]

Tipos de reacciones

Los modelos geoquímicos son capaces de simular muchos tipos diferentes de reacciones . Entre ellas se incluyen:

Los diagramas de fases o gráficos simples se utilizan comúnmente para ilustrar dichas reacciones geoquímicas. Los diagramas Eh-pH (de Pourbaix) , por ejemplo, son un tipo especial de diagrama de actividad que representa gráficamente la química ácido-base y redox.

Incertidumbres en el modelado geoquímico

Varias fuentes pueden contribuir a una variedad de resultados de simulación. La variedad de los resultados de simulación se define como incertidumbre del modelo. Una de las fuentes más importantes que no se puede cuantificar es el modelo conceptual, que es desarrollado y definido por el modelador. Otras fuentes son la parametrización del modelo con respecto a las propiedades hidráulicas (solo cuando se simula el transporte) y mineralógicas. [10] Los parámetros utilizados para las simulaciones geoquímicas también pueden contribuir a la incertidumbre del modelo. Estos son la base de datos termodinámica aplicada y los parámetros para la disolución cinética de minerales. [11] Las diferencias en los datos termodinámicos (es decir, constantes de equilibrio, parámetros para la corrección de la temperatura, ecuaciones de actividad y coeficientes) pueden dar lugar a grandes incertidumbres. Además, los grandes intervalos de constantes de velocidad derivadas experimentalmente para las leyes de velocidad de disolución de minerales pueden causar grandes variaciones en los resultados de la simulación. A pesar de que esto es bien conocido, las incertidumbres no se consideran con frecuencia al realizar modelos geoquímicos. [12]

La reducción de las incertidumbres se puede lograr mediante la comparación de los resultados de la simulación con los datos experimentales, aunque no existen datos experimentales en todas las condiciones de temperatura y presión y para todos los sistemas químico. [12] Aunque dicha comparación o calibración no se puede realizar, en consecuencia, los códigos geoquímicos y las bases de datos termodinámicas son herramientas de última generación y las más útiles para predecir los procesos geoquímicos.

Programas de software de uso común

El sitio web del USGS proporciona acceso gratuito a muchos de los programas enumerados anteriormente. [35]

Véase también

Lectura adicional

Referencias

  1. ^ Zhu, C. y G. Anderson, 2002, Aplicaciones ambientales del modelado geoquímico . Cambridge University Press, 300 págs.
  2. ^ abcd Bethke, CM, 2008, Modelado de reacciones geoquímicas y biogeoquímicas . Cambridge University Press, 547 págs.
  3. ^ Garrels, RM y FT Mackenzie, 1967, Origen de las composiciones químicas de algunos manantiales y lagos. Conceptos de equilibrio en aguas naturales, Advances in Chemistry Series 67 , American Chemical Society, Washington, DC, págs. 222-242
  4. ^ Helgeson, HC, 1968, Evaluación de reacciones irreversibles en procesos geoquímicos que involucran minerales y soluciones acuosas, I. Relaciones termodinámicas. Geochemica et Cosmochimica Acta 32 , 853-877
  5. ^ Helgeson, HC, RM Garrels y FT Mackenzie, 1969, Evaluación de reacciones irreversibles en procesos geoquímicos que involucran minerales y soluciones acuosas, II. Aplicaciones. Geochemica et Cosmochimica Acta 33 , 455-481
  6. ^ Zhu, C., 2009, Modelado geoquímico de caminos de reacción y redes de reacción geoquímica. En EH Oelkers y J. Schott (eds.), 2009, Termodinámica y cinética de la interacción agua-roca. Reseñas en mineralogía y geoquímica 70 , 533-569
  7. ^ Brady, PV y CM Bethke, 2000, Más allá del enfoque Kd. Ground Water 38 , 321-322
  8. ^ ab Anderson, GM 2009, Termodinámica de sistemas naturales . Cambridge University Press, 664 págs.
  9. ^ Bethke, CM, Guía del usuario de ChemPlugin, versión 15. Aqueous Solutions LLC, Champaign, IL, EE. UU. https://www.chemplugin.gwb.com/documentation.php
  10. ^ Dethlefsen, Frank; Haase, Christoph; Ebert, Markus; Dahmke, Andreas (1 de enero de 2011). "Efectos de las variaciones de los parámetros de entrada en las interacciones agua-minerales durante el modelado del secuestro de CO2". Energy Procedia . 10.ª Conferencia internacional sobre tecnologías de control de gases de efecto invernadero. 4 : 3770–3777. doi : 10.1016/j.egypro.2011.02.311 .
  11. ^ Haase, Christoph; Dethlefsen, Frank; Ebert, Markus; Dahmke, Andreas (1 de junio de 2013). "Incertidumbre en el modelado geoquímico de la disolución de CO2 y calcita en soluciones de NaCl debido a diferentes códigos de modelado y bases de datos termodinámicas". Geoquímica Aplicada . 33 : 306–317. doi :10.1016/j.apgeochem.2013.03.001.
  12. ^ ab Haase, Christoph; Ebert, Markus; Dethlefsen, Frank (1 de abril de 2016). "Incertidumbres de los códigos geoquímicos y bases de datos termodinámicas para predecir el impacto del dióxido de carbono en las formaciones geológicas". Geoquímica aplicada . 67 : 81–92. doi :10.1016/j.apgeochem.2016.01.008.
  13. ^ Muller, B., 2004, CHEMEQL V3.0, Un programa para calcular equilibrios de especiación química, titulaciones, disolución, precipitación, adsorción, cinética, diagramas pX-pY, diagramas de solubilidad. Centro de Investigación Limnológica EAWAG/ETH, Kastanienbaum, Suiza
  14. ^ van der Lee, J. y L. De Windt, 2000, CHESS, otro código informático de especiación y complejación. Informe técnico núm. LHM/RD/93/39, Escuela de Minas de París, Fontainebleau
  15. ^ Reed, MH, 1982, Cálculo de equilibrios químicos multicomponentes y procesos de reacción en sistemas que involucran minerales, gases y fase acuosa. Geochimica et Cosmochemica Acta 46 , 513-528.
  16. ^ Steefel, CI y AC Lasaga, 1994, Un modelo acoplado para el transporte de múltiples especies químicas y reacciones cinéticas de precipitación/disolución con aplicación al flujo reactivo en sistemas hidrotermales monofásicos. American Journal of Science 294 , 529-592
  17. ^ Steefel, CI, 2001, GIMRT, versión 1.2: software para modelar el transporte reactivo multidimensional y multicomponente, Guía del usuario. Informe UCRL-MA-143182, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Livermore, California.
  18. ^ Wolery, TJ, 1992a, EQ3/EQ6, un paquete de software para el modelado geoquímico de sistemas acuosos, descripción general del paquete y guía de instalación (versión 7.0). Informe del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore UCRL-MA-110662(1).
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  20. ^ Bethke, CM, B. Farrell y M. Sharifi, 2021, The Geochemist's Workbench Release 15 (cinco volúmenes) . Aqueous Solutions LLC, Champaign, IL, EE. UU.
  21. ^ Kulik, DA, 2002, Enfoque de minimización de energía de Gibbs para modelar los equilibrios de sorción en la interfaz agua-mineral: relaciones termodinámicas para la formación de complejos en superficies de múltiples sitios. American Journal of Science 302 , 227-279
  22. ^ Cheng, HP y GT Yeh, 1998, Desarrollo de un modelo tridimensional de flujo subterráneo, transferencia de calor y transporte químico reactivo: 3DHYDROGEOCHEM. Journal of Contaminant Hydrology 34 , 47-83
  23. ^ Westall, JC, JL Zachary y FFM Morel, 1976, MINEQL, un programa informático para el cálculo de la composición de equilibrio químico de sistemas acuosos. Nota técnica 18, RM Parsons Laboratory, Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Instituto Tecnológico de Massachusetts, Cambridge, MA.
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