Reakčně transportní modelování podmínek v horninovém prostředí. Die reaktive Transportmodellierung in Bedingungen des Grundgesteins

Transkript

1 podmínek v horninovém prostředí (současný stav, problémy a perspektiva) Die reaktive Transportmodellierung in Bedingungen des Grundgesteins (gegenwärtiger Stand, Probleme und Perspektive) Josef Zeman Technická univerzita v Liberci

2 Modelování model sám o sobě nic nevyřeší je třeba mít nějakou představu o systému, který je modelován je třeba klást otázky, na které je požadována odpověď (jinak není možné se něco dozvědět, nebo se získají údaje, které nejsou pro řešení problému významné) je třeba začínat od nejjednodušší představy Josef Zeman 2

3 Horninové prostředí Horniny chemické složení fázové složení geotechnické vlastnosti Podzemní vody fyzikálně chemické parametry chemické složení charakteristiky proudění vnější obálka nevíme, co se uvnitř odehrává, zda dojde ke změnám a kam budou směřovat Josef Zeman 3

4 Transport advekce disperze difuze reakce + transport Chemické interakce kontrola analýz speciace rozpouštění a srážení redox reakce reakční cesta Josef Zeman 4

5 Minimalizace Gibbsovy funkce Řešení chemických interakcí například pro reakci HCO 3 H + + CO 2 3 odpovídá rovnovážná konstanta minimu Gibbsovy funkce Josef Zeman 5

6 Modelování Řešení systému vysoce nelineárních rovnic ( stiff rovnice) rovnice působení hmoty K aa c d c d C D aa C D aa a b a b A B A B K aa 0 rovnice hmotnostní bilance M X m m i X MX 0 i i X i rovnice elektroneutrality i zm zm i i i i i 0 Numerické řešení: Newton Raphsonova metoda Josef Zeman 6

7 Vyhodnocení analýz The Geochemist s Spreadsheet: vyhodnocení/grafy Other Na + Ca ++ Al +++ Other -- SO -- HPO I HCO 3 - OH - F - Cl Other Na + Ca ++ Other -- SO 4 HCO 3 - OH - F - Cl Other Na Mn ++ + Mg ++ Fe H K + ++ Ca ++ Other -- SO 4 -- HPO I - 4 HCO Cl Other Na + K + Ca ++ Al +++ Other -- SO 4 HCO 3 - OH - F - Cl - 07MI MI MSB B-WR Josef Zeman 7

8 Vyhodnocení analýz The Geochemist s Spreadsheet: Stiffovy diagramy Josef Zeman 8

9 Vyhodnocení analýz The Geochemist s Spreadsheet: Piperůvdiagram Josef Zeman 9

10 Mg ++ % SO 4 -- % TDS (mg/l) ph Vyhodnocení analýz Josef Zeman 10 The Geochemist s Spreadsheet: Piperůva Durovůvdiagram Ca Cl -

11 Geochemické modelování Stabilita vody H +I 2O II ½ O e + 2 H + 2 H e H Josef Zeman 11

12 Geochemické modelování Distribuce specií Stabilitní diagram CO 2 (aq) CO 3 -- HCO 3 - Some species w/ HCO 3 - (mmolal) ph Josef Zeman 12

13 Stabilitní diagramy Geochemické modelování Josef Zeman 13

14 Geochemické modelování Stabilitní diagram s reakční cestou Josef Zeman 14

15 Geochemické modelování Reakční cesta Josef Zeman 15

16 Geochemické modelování Reakční cesta Josef Zeman 16

17 Jednoduchý model Horninové prostředí pyrit FeS 2 FeS 2 (pyrit) + H 2 O Fe ,25 SO ,75 HS + 0,25 H + kalcit CaCO 3 CaCO 3 (kalcit) + H + Ca 2+ + HCO 3 (alternativně: CaCO 3 (kalcit) + H 2 O = Ca 2+ + HCO 3 + OH ) uraninit UO 2 UO 2 (uraninit) + 2 H 2 O U(OH) 4 organický detrit CH 2 O 0,5 CH 4 (aq) + 0,5 CO 2 (aq) Josef Zeman 17

18 pyrit kalcit Josef Zeman 18

19 uraninit organická hmota CH 2 O (glukóza C 6 H 12 O 6 ) Josef Zeman 19

20 Josef Zeman 20

21 Josef Zeman 21

22 Otevření ložiska a těžba 65 infiltračních vrtů s vodou nasycenou kyslíkem Čerpání důlní vody 2 čerpací vrty Uzavření a zatopení dolu 65 infiltračních vrtů s anoxickou vodou a organickými látkami Výtok důlních vod 2 čerpací vrty Josef Zeman 22

23 Lag období: 5 let (interval 0 5 let) Oxidační období: 85 let (interval 6 90 let) Redukční období: 100 let (interval let) Flush období: 10 let (interval let) Josef Zeman 23

24 ph po 85 letech oxidace kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % po 100 letech redukce Josef Zeman 24

25 Eh po 85 letech oxidace kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % po 100 letech redukce Josef Zeman 25

26 TDS po 85 letech oxidace kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % po 100 letech redukce Josef Zeman 26

27 pyrit po 85 letech oxidace kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % po 100 letech redukce Josef Zeman 27

28 goethit po 85 letech oxidace kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % po 100 letech redukce Josef Zeman 28

29 1 kalcit po 85 letech oxidace kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % po 100 letech redukce m Calcite (volume%).5 m Year m/yr Calcite (volume%).5 m Year m m/yr Josef Zeman 29

30 uraninit po 85 letech oxidace kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % po 100 letech redukce Josef Zeman 30

31 kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % kalcit + goethit goethit + pyrit Josef Zeman 31

32 Fe 2+ kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % po 85 letech oxidace po 100 letech redukce Josef Zeman 32

33 SO 2 kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % 4 po 85 letech oxidace po 100 letech redukce Josef Zeman 33

34 ph po 85 letech oxidace kalcit: 1 obj. %, pyrit: 0,5 obj. %, uraninit: 0,45 obj. % kalcit: 0,1 obj. % kalcit: 5 v obj. % Josef Zeman 34

35 Časový vývoj buňka minerály Josef Zeman 35

36 Časový vývoj ph Eh Josef Zeman 36

37 Časový vývoj TDS složky Josef Zeman 37

38 Prostorový vývoj minerály ph, Eh, TDS, složky Josef Zeman 38

39 animace vrstva časový vývoj Josef Zeman 39

40 animace Eh ph Josef Zeman 40

41 animace pyrit goethit Josef Zeman 41

42 Problémy přírodních systémů: v databázích chybí mnoho minerálů minerály nejsou čisté sloučeniny (často pevné roztoky) v přírodních systémech je jen zřídka dosaženo termodynamické rovnováhy (častěji se jedná o stacionární stavy) často metastabilní stavy způsobené postranními a konkurenčními reakcemi Problémy transportně reakčního modelování: desítky až stovky tisíc buněk (nodálních bloků) potřebných k popisu reálného prostředí tisíce chemických interakcí v každém elementu (buňce) modelu Josef Zeman 42

43 Děkuji za pozornost Josef Zeman 43