Modélisation géochimique - Geochemical modeling

La modélisation géochimique consiste à utiliser la thermodynamique chimique , la cinétique chimique ou les deux pour analyser les réactions chimiques qui affectent les systèmes géologiques , généralement à l'aide d'un ordinateur. Il est utilisé en géochimie à haute température pour simuler des réactions se produisant profondément à l'intérieur de la Terre, dans le magma par exemple, ou pour modéliser des réactions à basse température dans des solutions aqueuses proches de la surface de la Terre, objet de cet article.

Applications aux systèmes aqueux

La modélisation géochimique est utilisée dans divers domaines, notamment la protection et l' assainissement de l'environnement , l' industrie pétrolière et la géologie économique . Des modèles peuvent être construits, par exemple, pour comprendre la composition des eaux naturelles ; la mobilité et la décomposition des contaminants dans les eaux souterraines ou de surface qui coulent ; la formation et la dissolution de roches et de minéraux dans les formations géologiques en réponse à l'injection de déchets industriels, de vapeur ou de dioxyde de carbone ; et la génération d' eaux acides et le lessivage des métaux des déchets miniers.

Développement de la modélisation géochimique

Garrels et Thompson (1962) ont d'abord appliqué la modélisation chimique à la géochimie à 25 °C et à une pression totale d'une atmosphère. Leur calcul, calculé à la main, est maintenant connu sous le nom de modèle d'équilibre , qui prédit les distributions d'espèces, les états de saturation des minéraux et les fugacités de gaz à partir de mesures de la composition de la solution en vrac. En retirant de petites aliquotes d' eau solvantée d'une eau de source équilibrée et en recalculant à plusieurs reprises la répartition des espèces, Garrels et Mackenzie (1967) ont simulé les réactions qui se produisent lorsque l'eau de source s'évapore. Ce couplage du transfert de masse avec un modèle d'équilibre, appelé modèle de chemin de réaction , a permis aux géochimistes de simuler des processus réactionnels.

Helgeson (1968) a introduit le premier programme informatique pour résoudre les modèles d'équilibre et de chemin de réaction, que lui et ses collègues ont utilisés pour modéliser des processus géologiques tels que l' altération , la diagenèse des sédiments , l' évaporation , l' altération hydrothermale et le dépôt de minerai . Les développements ultérieurs de la modélisation géochimique comprenaient la reformulation des équations principales, d'abord sous forme d' équations différentielles ordinaires , puis plus tard sous forme d' équations algébriques . De plus, les composants chimiques ont été représentés dans les modèles par des espèces aqueuses, des minéraux et des gaz, plutôt que par les éléments et les électrons qui composent les espèces, simplifiant les équations gouvernantes et leur solution numérique.

Les améliorations récentes de la puissance des ordinateurs personnels et des logiciels de modélisation ont rendu les modèles géochimiques plus accessibles et plus flexibles dans leur mise en œuvre. Les géochimistes sont désormais capables de construire sur leurs ordinateurs portables des modèles de chemins réactionnels complexes ou de transport réactif qui auraient auparavant nécessité un supercalculateur.

Mise en place d'un modèle géochimique

Un système aqueux est uniquement défini par sa composition chimique, sa température et sa pression . La création de modèles géochimiques de tels systèmes commence par le choix de la base, l'ensemble des espèces aqueuses , des minéraux et des gaz qui sont utilisés pour écrire les réactions chimiques et exprimer la composition. Le nombre d'entrées de base nécessaires est égal au nombre de composants du système, qui est fixé par la règle de phase de la thermodynamique. Typiquement, la base est composée d'eau, chaque minéral en équilibre avec le système, chaque gaz à fugacité connue , et des espèces aqueuses importantes. Une fois la base définie, un modélisateur peut résoudre l' état d'équilibre , qui est décrit par des équations d' action de masse et de bilan de masse pour chaque composant.

En trouvant l'état d'équilibre, un modélisateur géochimique résout la distribution de masse de toutes les espèces, minéraux et gaz qui peuvent être formés à partir de la base. Cela comprend l' activité , le coefficient d'activité et la concentration des espèces aqueuses, l' état de saturation des minéraux et la fugacité des gaz. Les minéraux ayant un indice de saturation (log Q/K) égal à zéro sont dits en équilibre avec le fluide. Ceux avec des indices de saturation positifs sont appelés sursaturés , indiquant qu'ils sont favorisés pour précipiter à partir de la solution. Un minéral est sous-saturé si son indice de saturation est négatif, indiquant qu'il est favorisé pour se dissoudre.

Les modélisateurs géochimiques créent généralement des modèles de chemin de réaction pour comprendre comment les systèmes réagissent aux changements de composition, de température ou de pression. En configurant la manière dont les transferts de masse et de chaleur sont spécifiés (c.-à-d. systèmes ouverts ou fermés), les modèles peuvent être utilisés pour représenter une variété de processus géochimiques. Les chemins de réaction peuvent supposer un équilibre chimique, ou ils peuvent incorporer des lois de vitesse cinétique pour calculer le moment des réactions. Afin de prédire la distribution dans l'espace et dans le temps des réactions chimiques qui se produisent le long d'un écoulement, les modèles géochimiques sont de plus en plus couplés avec des modèles hydrologiques de transport de masse et de chaleur pour former des modèles de transport réactif . Des programmes de modélisation géochimique spécialisés qui sont conçus comme des objets logiciels réentrants réticulables permettent la construction de modèles de transport réactifs de n'importe quelle configuration d'écoulement.

Types de réactions

Les modèles géochimiques sont capables de simuler de nombreux types de réactions . Parmi eux figurent :

Des diagrammes de phases simples ou des tracés sont couramment utilisés pour illustrer de telles réactions géochimiques. Les diagrammes Eh-pH (Pourbaix) , par exemple, sont un type spécial de diagramme d'activité qui représente graphiquement la chimie acide-base et redox.

Incertitudes dans la modélisation géochimique

Diverses sources peuvent contribuer à une gamme de résultats de simulation. La plage des résultats de simulation est définie comme l'incertitude du modèle. L'une des sources les plus importantes qu'il n'est pas possible de quantifier est le modèle conceptuel, qui est développé et défini par le modélisateur. D'autres sources sont le paramétrage du modèle concernant les propriétés hydrauliques (uniquement lors de la simulation du transport) et minéralogiques. Les paramètres utilisés pour les simulations géochimiques peuvent également contribuer à l'incertitude du modèle. Il s'agit de la base de données thermodynamique appliquée et des paramètres de dissolution cinétique des minéraux. Les différences dans les données thermodynamiques (c'est-à-dire les constantes d'équilibre, les paramètres de correction de température, les équations d'activité et les coefficients) peuvent entraîner de grandes incertitudes. De plus, les grandes étendues de constantes de vitesse dérivées expérimentalement pour les lois de vitesse de dissolution des minéraux peuvent entraîner de grandes variations dans les résultats de simulation. Bien que cela soit bien connu, les incertitudes ne sont pas souvent prises en compte lors de la réalisation de la modélisation géochimique.

La réduction des incertitudes peut être obtenue en comparant les résultats de simulation avec les données expérimentales, bien que les données expérimentales n'existent pas dans toutes les conditions de température-pression et pour chaque système chimique. Bien qu'une telle comparaison ou un tel étalonnage ne puisse être effectué, les codes géochimiques et les bases de données thermodynamiques sont à la pointe de la technologie et les outils les plus utiles pour prédire les processus géochimiques.

Logiciels d'usage courant

Le site Web de l'USGS offre un accès gratuit à la plupart des logiciels répertoriés ci-dessus.

Voir également

Lectures complémentaires

  • Appelo, CAJ et D. Postma, 2005, Géochimie, eaux souterraines et pollution. Taylor & Francis, 683 pages ISBN  978-0415364287
  • Bethke, CM, 2008, Modélisation des réactions géochimiques et biogéochimiques. Cambridge University Press, 547 pages ISBN  978-0521875547
  • Merkel, BJ, B. Planer-Friedrich et DK Nordstrom, 2008, géochimie des eaux souterraines : un guide pratique pour la modélisation des systèmes aquatiques naturels et contaminés. Springer, 242 pages ISBN  978-3540746676
  • Oelkers, EH et J. Schott (eds.), 2009, Thermodynamics and Kinetics of Water-Rock Interaction. Revues de Minéralogie et Géochimie 70 , 569 pp. ISBN  978-0-939950-84-3
  • Zhu, C. et G. Anderson, 2002, Applications environnementales de la modélisation géochimique. Cambridge University Press, 300 pages ISBN  978-0521005777

Les références