地球化学モデリング

地球化学モデリング、あるいは理論地球化学とは、化学熱力学、化学反応速度論、あるいはその両方を用いて、地質系に影響を与える化学反応を分析する手法であり、一般的にはコンピュータの助けを借りて行われる。高温地球化学においては、例えばマグマなど地球内部深部で起こる反応をシミュレートするために用いられ、また、本稿の主題である、地表付近の水溶液における低温反応をモデル化するためにも用いられる。

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^{[ 2 ]}など、さまざまな分野で使用されています。モデルは、たとえば、天然水の組成、流れる地下水または地表水中の汚染物質の移動と分解、土壌中の植物栄養素と貯蔵固体廃棄物中の規制金属のイオン種、産業廃棄物、蒸気、または二酸化炭素の注入に応じた地質構造における岩石と鉱物の形成と溶解、海水中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を理解するために構築できます。

例えば、水系に関する地球化学的モデリングでは、大規模なアンモニア地中貯留のための地下条件下では、岩盤に通常大きな変化は生じないことも示されています。特定の温度と圧力の条件下で深部の多孔質岩にアンモニアを注入しても、溶解効果はごくわずかです。地球化学的シミュレーションとモデリングによって得られたこの知見は、研究分野におけるその可能性を示しています。^{[ 3 ]}

ガレルズ とトンプソン（1962）は、25 °C および 1 気圧の全圧で地球化学に化学モデリングを初めて適用しました。手計算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種の分布、鉱物の飽和状態、およびガスのフガシティを予測します。ガレルズとマッケンジー（1967）は、平衡状態にある湧水から少量の溶媒水を取り出し、種の分布を繰り返し再計算することで、湧水が蒸発する際に起こる反応をシミュレートしました。 ^{[ 4 ]}この物質移動と平衡モデルの組み合わせは、反応経路モデルとして知られており、地球化学者が反応プロセスをシミュレートすることを可能にしました。

ヘルゲソン（1968）は、平衡および反応経路モデルを解くための最初のコンピュータプログラムを導入し、^{[ 5 ]}彼と共同研究者は、風化、堆積物の続成作用、蒸発、熱水変質、鉱石沈殿などの地質学的プロセスをモデル化するためにそれを使用した。^{[ 6 ]}地球化学モデリングのその後の発展には、支配方程式の再定式化が含まれ、最初は常微分方程式として、その後代数方程式として行われた。さらに、化学成分は、構成元素や電子ではなく、水溶液種、鉱物、ガスによってモデルで表現されるようになり、支配方程式とその数値解法が簡略化された。^{[ 2 ]}

パーソナルコンピュータとモデリングソフトウェアの最近の性能向上により、地球化学モデルはより利用しやすく、実装もより柔軟になった。^{[ 7 ]}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、今ではラップトップ上で構築できるようになった。^{[ 8 ]}

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。^{[ 9 ]}このようなシステムの地球化学モデルの作成は、化学反応を記述し、組成を表現するために使用される水種、鉱物、ガス のセットである基底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、システムのコンポーネントの数に等しく、これは熱力学の相律によって固定されます。通常、基底は、水、システムと平衡している各鉱物、既知のフガシティの各ガス、および重要な水種で構成されます。基底が定義されると、モデラーは、各コンポーネントの質量作用と質量バランス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 ]}

平衡状態を求める際、地球化学モデルでは、基底から形成され得るすべての種、鉱物、ガスの質量分布を解きます。これには、活性、活性係数、水溶液種の濃度、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）がゼロの鉱物は、流体と平衡状態にあると言われます。飽和指数が正の鉱物は過飽和と呼ばれ、溶液から沈殿しやすいことを示しています。飽和指数が負の鉱物は不飽和であり、溶解しやすいことを示しています。^{[ 9 ]}

地球化学モデル作成者は、組成、温度、圧力の変化に対するシステムの応答を理解するために、反応経路モデルを作成するのが一般的です。質量と熱の移動を指定する方法（つまり、開放系または閉鎖系）を設定することで、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仮定することも、反応のタイミングを計算するために速度論的法則を組み込むこともできます。流れ経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、質量と熱の輸送の水理モデルとますます結合され、反応輸送モデルを形成しています。^{[ 2 ]}相互リンク可能な再入可能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、あらゆる流れ構成の反応輸送モデルを構築できます。^{[ 10 ]}

地球化学モデルは、さまざまな種類の反応をシミュレートすることができます。その中には以下のようなものがあります。

• 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反応を含む）
• 吸着、イオン交換、および表面錯体形成
• ガスの溶解と脱溶
• 安定同位体分別
• 放射性崩壊

このような地球化学反応を説明するために、単純な相図やグラフがよく用いられます。例えば、Eh-pH （プールベ）図は、酸塩基反応や酸化還元反応をグラフィカルに表す特殊な活性図です。

さまざまな要因がシミュレーション結果のばらつきに寄与する可能性があります。シミュレーション結果のばらつきは、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要因の 1 つは、モデラーによって開発および定義される概念モデルです。その他の要因としては、水力学的特性 (輸送をシミュレーションする場合のみ) および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。^{[ 11 ]}地球化学シミュレーションで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、適用される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。^{[ 12 ]}熱力学データ (平衡定数、温度補正のパラメータ、活量方程式、および係数) の違いは、大きな不確実性をもたらす可能性があります。さらに、鉱物の溶解速度法則の実験的に導出された速度定数の大きな範囲は、シミュレーション結果に大きなばらつきをもたらす可能性があります。これはよく知られているにもかかわらず、地球化学モデリングを行う際に不確実性が考慮されることはめったにありません。^{[ 13 ]}

シミュレーション結果を実験データと比較することで不確実性を低減できますが、すべての温度圧力条件およびすべての化学システムについて実験データが存在するわけではありません。^{[ 13 ]}このような比較や較正は実施できませんが、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す。

• アクイオン
• ChemEQL ^{[ 14 ]}
• ケムプラグイン
• チェス、^{[ 15 ]}ハイテック
• チラー、^{[ 16 ]} CHIM-XPT
• CrunchFlow ^{[ 17 ] [ 18 ]}
• EQ3/EQ6 は、 2013年6月27日にWayback Machineにアーカイブされました^{[ 19 ]}
• GEMS-PSI ^{[ 20 ]}
• GEOCHEM-EZ はWayback Machineに 2021-11-29 にアーカイブされました^{[ 21 ]}
• 地球化学者の作業台^{[ 22 ]}
• ギブススタジオ
• GWBコミュニティ版
• 水地球化学^{[ 23 ]}
• MINEQL+ ^{[ 24 ] [ 25 ]}
• MINTEQA2 ^{[ 26 ]}
• オーケストラ^{[ 27 ]}
• PHREEQC ^{[ 28 ] [ 29 ]}
• Reaktoro (無料のオープンソース ソフトウェア) ^{[ 30 ]}
• SOLMINEQ.88、GAMSPATH.99 2016年3月4日にWayback Machineにアーカイブされました^{[ 31 ]}
• タフリアクト^{[ 32 ]}
• ビジュアルMINTEQ ^{[ 33 ]}
• WATEQ4F ^{[ 34 ]}
• 水・有機物・岩石・微生物（WORM）ポータル^{[ 35 ]}
• ワム^{[ 36 ]}

USGSのウェブサイトでは、上記に挙げたソフトウェアの多くに無料でアクセスできます。^{[ 37 ]}

• 化学熱力学
• 化学反応速度論
• 地球化学
• 地質微生物学
• 水文地質学
• 地下水モデル
• 反応性輸送モデル
• 貯留層シミュレーション
• 化学プロセスモデリング
• 化学物質輸送モデル

• 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年、『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局、547ページ、ISBN 978-0521875547
• Merkel, BJ、B. Planer-Friedrich、DK Nordstrom、2008年、『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年、「水と岩石の相互作用の熱力学と速度論」、Reviews in Mineralogy and Geochemistry 70、569ページ、ISBN 978-0-939950-84-3
• Zhu, C. および G. Anderson、2002年、『地球化学モデリングの環境応用』、ケンブリッジ大学出版局、300ページ、ISBN 978-0521005777