Modelo geoquímico

El modelado geoquímico es la práctica de utilizar la termodinámica química, la cinética química, o ambas, para analizar las reacciones químicas que afectan 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, incluida la protección y remediación ambiental, la industria petrolera y la geología económica. Se pueden construir modelos, por ejemplo, para comprender la composición de las aguas naturales; la movilidad y descomposición de los contaminantes en las aguas subterráneas o superficiales que fluyen; la formación y disolución de rocas y minerales en formaciones geológicas en respuesta a la inyección de desechos industriales, vapor o dióxido de carbono; y la generación de aguas ácidas y lixiviación de metales de los desechos mineros.

Desarrollo de modelado geoquímico

Garrels y Thompson (1962) aplicaron por primera vez modelos químicos a la geoquímica a 25 °C y una atmósfera de presión total. Su cálculo, calculado a mano, ahora se conoce como modelo de equilibrio, que predice distribuciones de especies, estados de saturación de minerales y fugacidades de gas a partir de mediciones de la composición de la solución a granel. Mediante la extracción de pequeñas alícuotas de agua solvente de un agua de manantial equilibrada y recalculando repetidamente la distribución de especies, Garrels y Mackenzie (1967) simularon las reacciones que ocurren cuando el agua de manantial se evapora. Este acoplamiento de transferencia de masa con un modelo de equilibrio, conocido como modelo de ruta de reacción, permitió a los geoquímicos simular procesos de reacción.

Helgeson (1968) introdujo el primer programa de computadora para resolver modelos de ruta de reacción y equilibrio, que él y sus compañeros de trabajo utilizaron para modelar procesos geológicos como la meteorización, la diagénesis de sedimentos, la evaporación, la alteración hidrotermal y la deposición de minerales. Los desarrollos posteriores en el modelado geoquímico incluyeron la reformulación de las ecuaciones gobernantes, primero como ecuaciones diferenciales ordinarias y luego como ecuaciones algebraicas. Además, los componentes químicos pasaron a estar representados en los modelos por especies acuosas, minerales y gases, en lugar de por los elementos y electrones que componen las especies, simplificando las ecuaciones rectoras y su solución numérica.

Las mejoras recientes en el poder de las computadoras personales y el software de modelado han hecho que los modelos geoquímicos sean más accesibles y más flexibles en su implementación. Los geoquímicos ahora pueden construir en sus computadoras portátiles rutas de reacción complejas o modelos de transporte reactivo que anteriormente habrían requerido una supercomputadora.

Configuración de un modelo geoquímico

Un sistema acuoso se define únicamente por su composición química, temperatura y presión. La creación de modelos geoquímicos de dichos sistemas comienza con la elección de la base, el conjunto de especies acuosas, minerales y gases que se utilizan para escribir las reacciones químicas y expresar la composición. El número de entradas de base requeridas es igual al número de componentes en el sistema, que está fijado por la regla de fase de la termodinámica. Típicamente, la base se compone de agua, cada mineral en equilibrio con el sistema, cada gas en fugacidad conocida y especies acuosas importantes. Una vez que se define la base, un modelador puede resolver el estado de equilibrio, que se describe mediante ecuaciones de acción de masa y balance de masa para cada componente.

Al 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 las 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. Los que tienen índices de saturación positivos se denominan supersaturados, lo que indica que se favorecen para precipitar de la solución. Un mineral está subsaturado si su índice de saturación es negativo, lo que indica que se favorece su disolución.

Los modeladores geoquímicos suelen crear modelos de rutas de reacción para comprender cómo responden los sistemas a los cambios en la composición, la temperatura o la presión. Al configurar la forma en que se especifica la transferencia de masa y calor (es decir, sistemas abiertos o cerrados), los modelos se pueden usar para representar una variedad de procesos geoquímicos. Las rutas de reacción pueden asumir el 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 un flujo, los modelos geoquímicos se combinan cada vez más con modelos hidrológicos de transporte de masa y calor para formar modelos de transporte reactivo.Los programas especializados de modelado geoquímico que están diseñados como objetos de software de reentrada reticulables permiten la construcción de modelos de transporte reactivo de cualquier configuración de flujo.

Tipos de reacciones

Los modelos geoquímicos son capaces de simular muchos tipos diferentes de reacciones. Se incluyen entre ellos:

• Reacciones ácido-base
• Complejización acuosa
• Disolución y precipitación de minerales.
• Reacciones de reducción y oxidación (redox), incluidas las catalizadas por enzimas, superficies y microorganismos
• Sorción, intercambio iónico y complejación superficial.
• Disolución y exsolución de gases
• Fraccionamiento de isótopos estables
• Desintegración radioactiva

Los diagramas o diagramas de fase simples se usan comúnmente para ilustrar tales reacciones geoquímicas. Los diagramas Eh-pH (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. El rango de los resultados de la simulación se define como incertidumbre del modelo. Una de las fuentes más importantes que no es posible 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. Los parámetros utilizados para las simulaciones geoquímicas también pueden contribuir a la incertidumbre del modelo. Estos son la base de datos de termodinámica aplicada y los parámetros para la disolución de minerales cinéticos.Las diferencias en los datos termodinámicos (es decir, constantes de equilibrio, parámetros para la corrección de la temperatura, ecuaciones y coeficientes de actividad) pueden generar 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 cuando se realizan modelos geoquímicos.

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

Programas de software de uso común

• ChemEQL
• ChemPlugin
• AJEDREZ, HYTEC
• ENFRIADOR, CHIM-XPT
• CrunchFlow
• EQ3/EQ6
• GEOCHEM-EZ
• El banco de trabajo del geoquímico
• Edición de la comunidad de GWB
• GEMS-PSI
• HIDROGEOQUÍMICA
• MINEQL+
• MINTEQA2
• PHREEQC
• Reaktoro
• SOLMINEQ.88, GAMSPATH.99
• REACCIÓN DURO
• Visual MINTEQ
• AGUAQ4F
• ¡GUAU!

El sitio web de USGS brinda acceso gratuito a muchos de los programas mencionados anteriormente.