G7501 Fyzikální geochemie 11. Geochemické modelování Josef Zeman Programy pro geochemické modelování • software: příklady • Geochemist‘s Workbench https://www.gwb.com/ • PHREEQC https://www.usgs.gov/software/phreeqc-version-3 • EQ3/6 https://www.osti.gov/biblio/1231666 • Visual MINTEQ https://vminteq.lwr.kth.se/download/ Princip geochemického modelování Principiálně založeny na minimalizaci hodnoty Gibbsovy funkce modelového systému • řešení systému nelineárních rovnic • rovnice působení hmotnosti • rovnice hmotových bilancí • rovnice elektroneutrality • numerické řešení – Newtonova-Raphsonova metoda C D A B c d a b a a K a a = C D A B 0 c d a b a a K a a − = X X i i M m=  X X 0i i m M− = i i i i i i z m z m+ − =  0i i i i i i z m z m+ − − =  Terminologie • složky celková koncentrace daného prvku • specie konkrétní forma prvku v roztoku • aktivity hodnota koncentrace, jakou by měla látka, kdyby se chovala ideálně ( ) ( ) 22 3 0 4Fe , Fe OH , Fe , Fe OH , FeSO , + ++ +                 A Aa cg±= ( ) ( ) 22 2 3 0 4Fe Fe Fe OH Fe Fe OH FeSO složka + ++ + +          = + + + + + +               ( )2 3 2 2 3 3 3 4HCO CO ( ) H CO HCO CO CH složka aq aq− − −      = + + + + + +        Speciace karbonátové látky ve vodě 0 2 4 6 8 10 12 14 0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1 1.1 pH Somespeciesw/HCO3 - (mmoles) CO2 (aq) CO3 -- HCO3 - 0 2 4 6 8 10 12 14 1e–4 .01 1 100 pH Somespeciesw/HCO3 - (mmoles) CO2 (aq) CO3 -- HCO3 normální logaritmický Speciace U+IV U+VI uran ve vodě za přítomnosti síranů a uhličitanů Stabilitní diagramy pH-Eh Fe bez minerálů Fe s minerály Stabilitní diagramy pH-Eh se S se S a C Stabilitní diagramy pH-Eh se S se S a C Distribuční a stabilitní diagramy U – silně redukční podmínky Distribuční a stabilitní diagramy U – silně redukční podmínky ~ 17,6 pg/l U Rozpustnost U – silně redukční podmínky ~ 6,53 µg/l U~ 17,6 pg/l U Stabilitní diagramy U – přechodné podmínky U – přechodné podmínky Stabilitní diagramy Rozpustnost U – přechodné podmínky ~ 0,5 mg/l U ~ 0,417 µg/l U ~ 23,5 pg/l U ~ 0,368 µg/l U Reakční cesta U – oxidace uraninitu v přítomnosti karbonátový látek (CO2(g) + kalcit) Reakční cesta U – oxidace uraninitu v přítomnosti karbonátový látek (CO2(g) + kalcit) Reakční cesta U – oxidace uraninitu v přítomnosti karbonátový látek (CO2(g) + kalcit) Reakční cesta U – porovnání oxidace uraninitu v různých prostředích čistá voda rovnováha s CO2(g) nasycení vůči kalcitu ~ 46,8 mg/l U~ 1,11 mg/l U~ 0,55 mg/l U Transportně-reakční modelování • doména a intervaly • „lag“ fáze: 5 let • oxidace: 85 let • redukce: 100 let • „flush“ fáze: 10 let kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % Transportně-reakční modelování pHEh Transportně-reakční modelování goethitpyrit Geochemické modelování • model sám o sobě nic nevyřeší • je potřeba mít nějakou představu o systému, který je modelován • je třeba klást otázky, na které je požadována odpověď (jinak není možné se něco dozvědět, nebo se získají údaje, které nejsou pro řešení problému významné) • je třeba začínat od nejjednodušší představy Geochemické modelování • model nemůže postihnout a popsat realitu v její úplnosti a komplexní složitosti • model slouží ke zkoumání a je cestou k porozumění určitým stránkám reality, které nás bezprostředně zajímají • neexistuje ideální nebo nejlepší program • pozorování, fyzikálně-chemické parametry a analýzy ukazují „vnější tvář“ systému, geochemické modelování umožňuje pochopit, co je děje „uvnitř“ systému • geochemické modelování ukazuje, co je třeba na reálném systému sledovat, čeho si všímat