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地球化学モデリングまたは理論地球化学は、化学熱力学、化学反応速度論、またはその両方を使用して、地質系に影響を与える化学反応を分析する実践であり、通常はコンピューターの助けを借ります。これは、高温地球化学で使用され、たとえば地球の深部、マグマで発生する反応をシミュレートしたり、この記事の主題である地球表面近くの 水溶液での低温反応をモデル化したりします。
水系への応用
地球化学モデリングは、環境保護と修復、[1]石油産業、経済地質学など、さまざまな分野で使用されています。[2]たとえば、天然水の組成、流下する地下水や表層水における汚染物質の移動性と分解、土壌中の植物栄養素と貯蔵された固形廃棄物中の規制金属のイオン種分化、産業廃棄物、蒸気、または二酸化炭素の注入に対する地層中の岩石と鉱物の形成と溶解、海水への二酸化炭素の溶解と海洋酸性化への影響、鉱山廃棄物からの酸性水の生成と金属の浸出などを理解するためにモデルを構築できます。
地球化学モデリングの開発
ギャレルズとトンプソン（1962）は、25℃、全圧1気圧の環境下で初めて化学モデリングを地球化学に適用しました。手作業で行われた彼らの計算は、現在では平衡モデルとして知られており、バルク溶液組成の測定値から化学種の分布、鉱物飽和状態、ガスの揮発性を予測します。ギャレルズとマッケンジー（1967）は、平衡化した湧き水から溶媒水を少量ずつ取り除き、化学種の分布を繰り返し再計算することで、湧き水が蒸発するときに起こる反応をシミュレートしました。 [3]この物質移動と平衡モデル（反応経路モデルと呼ばれる）の組み合わせにより、地球化学者は反応プロセスをシミュレートできるようになりました。
ヘルゲソン（1968）は、平衡および反応経路モデルを解く最初のコンピュータプログラムを導入し、[4]彼と同僚はそれを使用して、風化、堆積物の続成作用、蒸発、熱水変質、鉱石の堆積などの地質学的プロセスをモデル化しました。[5]その後の地球化学モデリングの発展には、支配方程式の書き直しが含まれ、最初は常微分方程式として、その後は代数方程式として再定式化されました。さらに、化学成分は、種を構成する元素や電子ではなく、水性種、鉱物、ガスによってモデルで表されるようになり、支配方程式とその数値解が簡素化されました。[2]
近年のパソコンやモデリングソフトウェアの性能向上により、地球化学モデルはより利用しやすくなり、実装の柔軟性も向上しました。[6]地球化学者は、以前はスーパーコンピュータが必要だった複雑な反応経路や反応輸送モデルをラップトップで構築できるようになりました。 [7]
地球化学モデルの設定
水系は、その化学組成、温度、圧力によって一意に定義されます。[8] このような系の地球化学モデルの作成は、化学反応を記述して組成を表すために使用される基底、つまり水性種、鉱物、ガスのセットを選択することから始まります。必要な基底エントリの数は、熱力学の相律によって固定されるシステム内の成分の数に等しくなります。通常、基底は水、システムと平衡状態にある各鉱物、既知のフガシティーの各ガス、および重要な水性種で構成されます。基底が定義されると、モデラーは各成分の質量作用と質量収支方程式によって記述される平衡状態を解くことができます。[2]
平衡状態を見つけるために、地球化学モデラーは、基礎から形成できるすべての種、鉱物、ガスの質量分布を解きます。これには、活性、活性係数、水性種の濃度、鉱物の飽和状態、ガスのフガシティが含まれます。飽和指数（log Q/K）がゼロに等しい鉱物は、流体と平衡状態にあると言われています。飽和指数が正のものは過飽和と呼ばれ、溶液から沈殿しやすいことを示しています。飽和指数が負の場合、鉱物は不飽和であり、溶解しやすいことを示しています。[8]
地球化学モデラーは、一般的に、反応経路モデルを作成して、システムが組成、温度、または圧力の変化にどのように反応するかを理解します。質量と熱の移動を指定する方法 (つまり、オープンシステムまたはクローズドシステム) を構成することにより、モデルを使用してさまざまな地球化学プロセスを表すことができます。反応経路は化学平衡を想定することも、反応のタイミングを計算するために運動速度法則を組み込むこともできます。流路に沿って発生する化学反応の空間的および時間的分布を予測するために、地球化学モデルは、質量および熱輸送の水文学的モデルと結合して、反応輸送モデルを形成することが増えています。[2]クロスリンク可能な再入可能なソフトウェアオブジェクトとして設計された特殊な地球化学モデリングプログラムにより、あらゆるフロー構成の反応輸送モデルを構築できます。[9]
反応の種類
地球化学モデルは、さまざまなタイプの反応をシミュレートできます。その中には次のようなものが含まれます。
- 酸塩基反応
- 水性錯体形成
- 鉱物の溶解と沈殿、オストワルド熟成を含む
- 還元および酸化（レドックス）反応（酵素、表面、微生物によって触媒されるものを含む）
- 吸着、イオン交換、表面錯形成
- ガス溶解とガス放出
- 安定同位体分離
- 放射性崩壊
このような地球化学反応を説明するために、単純な相図やプロットがよく使用されます。たとえば、Eh-pH (プールベ)図は、酸塩基および酸化還元化学をグラフで表す特殊なタイプの活性図です。
地球化学モデリングにおける不確実性
さまざまな原因が、シミュレーション結果の範囲に影響を及ぼす可能性があります。シミュレーション結果の範囲は、モデルの不確実性として定義されます。定量化できない最も重要な原因の 1 つは、モデル作成者によって開発および定義される概念モデルです。その他の原因としては、水力学的特性 (輸送をシミュレートする場合のみ) と鉱物学的特性に関するモデルのパラメータ化があります。[10]地球化学シミュレーションに使用されるパラメータも、モデルの不確実性に寄与する可能性があります。これらは、適用された熱力学データベースと、鉱物の溶解速度のパラメータです。[11]熱力学データ (平衡定数、温度補正パラメータ、活性方程式、係数など) の違いにより、大きな不確実性が生じる可能性があります。さらに、鉱物の溶解速度法則について実験的に導出された速度定数の範囲が広いと、シミュレーション結果に大きなばらつきが生じる可能性があります。これはよく知られていることですが、地球化学モデリングを行う際に不確実性は考慮されることはあまりありません。[12]
実験データはすべての温度・圧力条件やすべての化学システムに存在するわけではないが、シミュレーション結果と実験データを比較することで不確実性を減らすことができる。[12]このような比較や較正は実施できないが、地球化学コードと熱力学データベースは最先端のものであり、地球化学プロセスを予測するための最も有用なツールである。
一般的に使用されているソフトウェアプログラム
- ケムEQL [13]
- ケムプラグイン
- チェス、[14]ハイテック
- チラー、[15] CHIM-XPT
- クランチフロー[16] [17]
- EQ3/EQ6 [18]
- ジオケムイージー[19]
- ギブススタジオ
- 地球化学者の作業台[20]
- GWB コミュニティエディション
- GEMS-PSI [21]
- 水文地球化学[22]
- マインクラフト+ [23] [24]
- ミンテQA2 [25]
- オーケストラ[26]
- PHREEQC [27] [28]
- リアクトル[29]
- SOLMINEQ.88、GAMSPATH.99 [30]
- タフリアクト[31]
- ビジュアルMINTEQ [32]
- ワテQ4F [33]
- ワム[34]
USGSのウェブサイトでは、上記のソフトウェアの多くを無料で提供しています。[35]
参照
さらに読む
- Appelo、CAJ および D. Postma、2005、地球化学、地下水、および汚染。テイラー & フランシス、683 ページISBN 978-0415364287
- Bethke, CM、2008、「地球化学および生物地球化学反応モデリング」、ケンブリッジ大学出版、547 ページ、ISBN 978-0521875547
- Merkel, BJ、B. Planer-Friedrich、DK Nordstrom、2008、「地下水地球化学：自然および汚染された水系モデリングの実践ガイド」、Springer、242 ページ、ISBN 978-3540746676
- Oelkers, EH および J. Schott (編)、2009、「水と岩石の相互作用の熱力学と速度論」、鉱物学および地球化学のレビュー 70、569ページ。ISBN 978-0-939950-84-3
- Zhu, C. および G. Anderson、2002、「地球化学モデリングの環境への応用」、ケンブリッジ大学出版局、300 ページ、ISBN 978-0521005777
参考文献
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