地球化学模型的应用现状及发展趋势

J OU RNAL O F CH I NA COAL SOC I E T Y 1997 年 4 月 Ap r . 1997

地球化学模型的应用现状及发展趋势

王广才 卢晓霞 陶 澍 ( 北京大学) 王伟黎 ( 中国国际经济技术交流中心) 李竞生

( 煤炭科学研究总院西安分院)

摘要 地球化学模型是定量研究地球化学系统中水 - 岩 - 气相互作用的新方法. 根据其研

究内容 、理论依据和结构方法的不同 , 现有的地球化学模型可分为 3 类 : 即组分分布模型 、物

质平衡模型和物质迁移或反应路径模型. 它们被广泛地应用于地质学 、材料学和环境学等领域

中 . 地球化学模型新的发展方法表现为 : 模型中输入变量 ( 参数) 的不确定性及灵敏度分析 、 模型的有效性分析及地下水流与化学反应的耦合等.

关键词 地球化学模型 分类 应用现状 发展趋势

中图分类号 P 59

地球化学模型是国外近年来发展起来的地球化学定量研究方法 , 它把地球化学从传统的定性解释引 入到定量描述 , 从宏观的现象描述引入到微观机理探索 , 充实和发展了研究问题的深度与广度 , 是近年 来地球化学研究的重大进展之一 . 它的产生和发展 , 已经并将继续对地球化学及相关学科的理论研究 , 尤其是实际应用带来深刻的影响 .

地球化学模型的实质是化学热力学在地球化学系统中的应用 , 换句话说 , 是把热力学模型应用到对 地球化学过程的调查中 . 它的基础是与地质环境无关的化学和热力学原理 , 而这些原理可以等同地应用 于各种水 - 岩反应系统中 .

天然水 中 地 球 化 学 模 型 ( 化 学 模 型 ) 的 概 念 最 早 见 之 于 G arrels 和 Tho m p s o n 的 一 篇 论 文 中 (1962) . 这篇论文讨论了海水中化学组分的分布 , 提出了一个海水中水相组分分布的热力学模型 , 该模 型考虑了 17 个组分 , 温度为 25 ℃. 这个模型首次定量地计算了水溶液中主要的离子和离子对的分布 , 以及预测矿物的饱和状态 . 这个工作为今天的地球化学模型建立了最初的轮廓1 .

几十年来 , 地球化学模型沿着两个方向同时进展 , 一是对大量矿物和水相溶液的热力学数据的不断 测试 、评价和总结 ; 二是将这些数据适时地应用于复杂的水 - 岩系统中的计算化数学描述中 . 不断发展 的热力学理论及实验数据充实或改进了地球化学模型的模拟范围或准确性 , 促进了许多地球化学模型的 版本改进和升级 ; 而地球化学模型的发展对热力学数据的需求又促进了基础实验工作的进展. 就地球化 学模型本身的发展而言 , 在 60 年代初期到 80 年代初期 , 是模型开发的活跃时期 , 这期间模型的数量取 得了迅速的增加 , 这些模型集中于平衡模拟及模型中组分的扩大 , 同时很少文件化 . 而近 10 a 来 , 更

地球化学模型的研究内容和划分

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111 几个基本概念

组分存在形式: 在自由离子和离子对或络合物之间水相组分的平衡分布.

物质迁移: 在两个或更多相之间的简单物质转移, 例如, 可溶矿物的溶解或沉淀.

物质传输: 随水流运动的物质运移.

地球化学模型( G eochemical Mo d el )、水化学模型( Hydrochemical Mo d el) 和水文地球化学模型( Hydrogeochemical Mo d el) : 地球化学模型是指基于化学热力学原理而建立的、用于模拟不同类型地球化学过程的模型; 水化学模型是指耦合了地球化学反应和物质传输的模型, 在地球化学模型中也将这类模型称为“反应- 传输模型”; 水文地球化学模型一词在国外文献中也偶见使用, 其含义似应包括前两者.

112 地球化学模型的分类

在开发地下水的地球化学模型时, 地球化学家们感兴趣于了解沿着已知的或假设的流线地下水的化学成分演化的定量细节. 他们想要(1) 识别沿着这些流线哪些矿物正在溶解或沉淀; ( 2) 确定每一个进入或离开地下水的矿物的摩尔数的空间变化; ( 3) 预测在还未研究的系统中水的成分和质量转移. Plummer (1983 , 1984) 详细地讨论了已有的各种地球化学模型的研究内容、理论依据和结构方法, 认为地球化学模型被以下几个方面所推动: (a) 地下水组分存在形式的计算; ( b) 物质平衡计算; (c) 物质迁移和反应途径计算. 它们基本上对应于上述的(1) ～(3) . 这也是目前已见诸于报道的60 多个地球化学模型分别研究的主要目标.换句话说, 地球化学模型可以被划分为以上3 类.

地下水组分分布模型用来计算地下水中各种组分存在形式的浓度和热力学活度; 确定水相对于各种组分和矿物的饱和状态; 同时为物质平衡、物质迁移及反应途径计算提供基础数据.组分分布模型一般包括离子缔合模型和专门反应模型.

物质平衡模型用来确定在地下水系统中, 沿着每个流线不同两点(已知有关水的成分数据) 之间矿物沉淀或溶解的数量, 即应用水和岩石的成分识别和定量地球化学反应, 从而解释地下水的形成和演化.物质平衡与组分分布计算结合的方法称为“反向模拟”.

物质迁移或反应路径模型是在假设的不可逆反应和热力学约束条件的情况下, 预测水的化学成分和在液、气、固相之间矿物的转移量, 即利用假设的地球化学反应来预测水和岩石的成分. 这种方法也称为“正向模拟”. 正向模型的其它应用是: ( 1) 测试物质平衡计算所获得的反应模型的热力学可行性;

(2) 估计沿着同一流线, 在已知化学成分的井之间的点水的成分和质量转移.

地球化学模型的应用实例

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自从最初的地球化学模型的建立, 至今40 多年的时间中, 尤其是最近10 多年来, 随着化学、化学热力学理论和实验以及计算机软、硬件技术的进展, 各种地球化学模型的开发和改进取得了相当大的进展. 到目前为止, 已建立的60 多个地球化学模型可用来模拟在较大温度、压力变化范围中的水- 岩- 气系统的多种物理化学作用, 它们被广泛地应用于生物学、环境学和材料学的有关领域中, 例如进行有机、无机污染物的迁移, 核、石油废料贮存场址评价, 以及对水文地质条件的了解等.

211 组分的分布模拟

Plummer 等人(1990) 应用组分的分布模型对马德逊含水层进行了研究2 . 该含水层主要为灰岩含水层, 方解石、白云石和硬石膏为主要矿物. 研究者们应用WA T EQ F 对所取水样的饱和指数进行了计算.方解石的饱和指数略大于0 . 0 , Plummer 等人认为这受控于如下因素: 去白云石化作用; 压力对组