Гидрохимия - Крайнов С.Р.
ISBN 5-247-01293-3
Скачать (прямая ссылка):
16.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИИ И ПРОЦЕССОВ, ОСНОВАННОЕ HA ПРИНЦИПАХ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
*
Такое моделирование в дальнейшем будем называть термодинамическим. Его теоретические основы заложены Р. В. Гаррел-сом, Г. .Хелгесоном, Б. Н. Рыженко, И. К. Карповым, Ю. В. Шваровым, Г. А. Соломиным и др. Такое моделирование позволяет вполне корректно рассматривать и учитывать геохимические процессы как в гомогенных системах подземных вод, так и в гетерогенных с любыми фазовыми состояниями. Важное преимущество термодинамического моделирования заключается в возможности рассчитывать предельные концентрации химических элементов в' подземных водах любого химического состава - при их взаимодействии с породами. При этом достигается вполне адекватное реальности описание физико-химической сущности этих взаимодействий. Этому способствует прогрессирующее в последние годы познание физико-химйче-ской сущности процессов, составляющих основу формирования химического состава подземных вод. Хорошо разработанный аппарат химической .термодинамики Гиббса позволяет давать формализованное описание таких процессов и выражать их в соответствующих физико-химических моделях гидрогеохимических явлений. **
421
15.4.1. Гидрогеодинамические условия приближения реальных гидрогеохимических систем к состояниям химического равновесия
?
Методологической основой моделирования гидрогеохимических явлений, основанного на методах химической термодинамики, является положение о возникновении и существовании в гидрогеохимических системах частичных или локальных химических равновесий. Их характеристика дана в разделе 2.3. Здесь рассмотрим те гидрогеодинамические ситуации, которые ведут к возникновению таких равновесий.
Среди гидрогеодинамических условий важнейшим фактором, влияющим на приближение гидрогеохимических систем к состояниям химического равновесия, является скорость движения подземных вод. Если, в частной закрытой гетерогенной системе отсутствует движение воды, или и-»-0, то равновесное состояние является обязательным конечным состоянием этой системы. В этом случае единственным фактором, определяющим приближение системы к равновесному состоянию, является скорость реакции. Продукты реакции при этом из системы не удаляются и существующий в этой системе градиент химического потенциала ликвидируется только вследствие перехода в раствор или осаждения в твердую фазу компонентов системы. В итоге происходит насыщение водной фазы по каким-либо соединениям, градиент ликвидируется и система становится равновесной.
В реальных же гидрогеохимических системах, в которых существует движение подземных вод, приближение системы "к равновесному состоянию или ее удаление от этого состояния определяется соотношением- скорости реакций, приближающей систему к равновесию, и скоростью движения подземных вод, регулирующей возникновение и сохранение градиента химического потенциала в системе. Сущность здесь заключается в том, что скорость движения подземных вод является тем фактором, который определяет отвод продуктов реакции. Чем меньше будет скорость движения подземных вод, т. е. чем меньшим будет отвод продуктов от поверхности взаимодействия в системе «твердая фаза — водная фаза», тем большими будут концентрации компонентов в водной фазе. В результате градиент химического потенциала в такой гетерогенной системе всегда уменьшается по мере снижения скорости движения подземных вод. Поэтому при определенной минимальной скорости движения подземных вод уменьшение отвода продуктов реакции приводит к равенству химического потенциала каждого компонента в системе «водная фаза — твердая фаза» и в этой системе наступает состояние химического равновесия. Покажем динамику такого приближения и его геохимические последствия на
422
2/7 /5 ^> 7.? •*
Cx4 5 4 <7 CJ X? * - J
4-' 1 73 СП I * JZT — /
2?JD1I-W1 1?7(J2
Рис. 15.1. Динамика изменения содержаний фтора и произведения [Ca2+]X X[F-)2 при взаимодействии растворов HCO3-Na(Z), SO4-Na(Z/) и Cl-Na(Z//) состава с флюоритом при различной скорости фильтрации растворов (концентрация растворов 0,1 моль/кг). Расчетные равновесные концентрации в каждой системе показаны горизонтальной линией
Рис. 15.2. Зависимость расстояния х, «а котором достигается равновесная с CaF2 концентрация фтора в подземных водах от скорости фильтрации v и удельной поверхности s контакта флюорита с водой (результаты моделирования на ЭВМ Е. В. Добровольского)
-2 -3 -* ЫО ЫО 6•JO
1•7O2V1CMfC
S=-OJcM~1
0 12 3 1дг*,см/сут
примере фторидной системы. Из рис. 15.1, составленного на основе специальных экспериментальных исследований, видно, что уменьшение скорости фильтрации, т. е. скорости отвода продуктов растворения от поверхности реакции, приводит к увеличению концентраций фтора и кальция в растворе и достижению ими стадии насыщения. Соответственно, чем выше скорость фильтрации подземных вод, тем большее, расстояние должна пройти подземная вода, чтобы достичь равновесного состояния в частной гетерогенной системе (рис. 15.2). Как только раствор при данной скорости фильтрации становится насыщенным, дальнейшего растворения не происходит и концентрации компонентов при последующем уменьшении скорости становятся постоянными, соответствующими расчетным равновесным. Таким образом, с определенного предела скорости фильтрации концентрации фтора и кальция достигают на-
