MODELACIÓN HIDROGEOQUÍMICA PRESENTA: M.C. J. ALFREDO OCHOA G. UNIVERSIDAD DE SONORA División de Ciencias Exactas y Naturales Departamento de Geología MATERIA.

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1 MODELACIÓN HIDROGEOQUÍMICA PRESENTA: M.C. J. ALFREDO OCHOA G. UNIVERSIDAD DE SONORA División de Ciencias Exactas y Naturales Departamento de Geología MATERIA HIDROGEOLOGIA II

2 LAMODELACIÓNHIDROGEOQUÍMICATRATATRATADEINTERPRETARY/O PREDECIRLASREACCIONESENTREMINERALES,GASESYMATERIA ORGÁNICACONSOLUCIONES HIPOTÉTICOS) AGUA – ROCA. ACUOSASENSISTEMAS(REALESO MODELOS DE ESPECIACIÓN ACUOSA MODELOS DE ASOCIACIÓN DE IONES: Consideran que las soluciones NO son ideales (calcula coeficientes de actividad e incluye formación de complejos) MODELOS DE INTERACCIÓN ESPECIFICA: Definen el exceso de energía libre de las soluciones y consideran coeficientes de actividad en un amplio rango de concentraciones por medio de la aproximación de Pitzer. MODELACIÓN HIDROGEOQUÍMICA

3 CALCULA COEFICIENTES DE ACTIVIDAD A PARTIR DE LA TEORÍA DE DEBYE-HÜECKEL. EL CÁLCULO DE COMPLEJOS SE REALIZA A PARTIR DE RELACIONES DEFINIDAS A PARTIR DE LEY DE ACCIÓN DE MASAS. I) Consisten de: ECUACIONESDE ELEMENTO BALANCEDEMASAPARACADA II)CONSTANTESDEEQUILIBRIOPARACADAUNODELOS COMPLEJOS POSIBLES ECUACIONES PARA DEFINIR COEFICIENTES DE ACTIVIDAD III) MODELOS DE ASOCIACIÓN DE IONES

4 LA MODELACIÓN DE TRANSPORTE – REACCIÓN ACOPLA LA MODELACIÓN HIDROGEOQUÍMICA DE REACCIONES CON ECUACIONES QUE DESCRIBEN LA FÍSICA DEL FLUJO DE FLUIDO Y LOS PROCESOS DE TRANSPORTE DE SOLUTOS CHMTRN (Miller y Benson, 1983) SATRA-CHEM (Lewis et al. 1986) MST1D (Engesgaard y Kipp, 1992) HIDROGEOCHEM (Yeh y Trpathi, 1989) MODELACIÓN DE TRANSPORTE-REACCIÓN

5 PHREEQM (APPELO et al. 1990). SIMULA TRANSPORTE EN UNA DIMENSIÓN DIVIDIENDO EL MEDIO EN UNA SERIE DE CELDAS DE MEZCLA. LA ADVECCIÓN ES SIMULADA CAMBIANDO EL CONTENIDO DE UNA CELDA A OTRA, MIENTRAS QUE LA DISPERSIÓN Y DIFUSIÓN POR MEZCLA UNA FRACCIÓN DEL CONTENIDO DE UNA CELDA CON LAS ADYACENTES. Actualmente existe una versión más completa que se denomina PHREEQC (Parkhurst, 1995), que cada día modifica la versión. Este programa está disponible en una versión para Windows y puede descargarse en la dirección: http://www.geo.vu.nl/users/posv/phreeqc/download.html MODELACIÓN DE TRANSPORTE - REACCIÓN

6 MODELACIÓN INVERSA. Combina la información de índices de saturación con relación a varios minerales, para cuantificar las reacciones en el sistema agua-roca. (BALANCE, NETPATH, PHREEQC en sus varias versiones). PHREEQC actualmente ha hecho que los otros modelos sean obsoletos. MODELACIÓN TEÓRICA O DE PREDICCIÓN. Utiliza un modelo de especiación para predecir los resultados de reacciones hipotéticas. (PATH1, EQ3/6, PHREEQC, CHILLER) MODELACIÓN HIDROGEOQUÍMICA

7 DEFINICIÓNCUANTITATIVA INTERACCIÓN AGUA-ACUÍFERO DELASREACCIONESDE COMO APOYO EN LA DEFINICIÓN DEL MODELO CONCEPTUAL DELFLUJO DE AGUA SUBTERRÁNEA DISPOSICIÓN DE AGUA POR MEDIO DE POZOS DE INYECCIÓN EFECTOSDEDESECHOSINORGÁNICOSENELAGUA SUBTERRÁNEA DEFINICIÓN DE CAMBIOS EN LA CALIDAD DEL AGUA POR EFECTO DE BOMBEO EN DONDE ES NECESARIO APLICAR MODELACIÓN HIDROGEOQUÍMICA?

8 PARA ALIMENTAR EL MODELO, SE UTILIZAN DOS CLASES DE DATOS: DATOS DE LABORATORIO: Concentraciones de especies disueltas DATOS DE CAMPO:Temperatura,pH,Eh,oxígenodisuelto, conductividad eléctrica, sólidos totales disueltos. EL PROGRAMA CALCULA: ESPECIACIÓN,osealasconcentracionesdetodaslas especies en solución ACTIVIDAD Y COEFICIENTES DE ACTIVIDAD ÍNDICES DE SATURACIÓN CON RELACIÓN A DIFERENTES MINERALES INTRODUCCIÓN AL USO DE MODELOS GEOQUÍMICOS DE ESPECIACIÓN

9 LA CONCENTRACIÓN DE LOS DIVERSOS ELEMENTOS QUE RINDE EL LABORATORIO ES SU CONCENTRACIÓN TOTAL, EN LA QUE NO SE INDICANESPECÍFICAMENTETODASLASESPECIES(COMPLEJOS) PRESENTES POR EJEMPLO: (Ca) total = Concentración total de calcio (LABORATORIO) (Ca +2 )(CaHCO + ), (CaCO 0 ), (CaSO 0 ), Concentración del ión libre 334 y sus complejos (se calculan con el modelo) INTRODUCCIÓN AL USO DE MODELOS GEOQUÍMICOS DE ESPECIACIÓN

10 LAS ACTIVIDADES Y COEFICIENTES DE ACTIVIDAD DE TODAS LAS ESPECIES DISUELTAS ai  m  i LA ACTIVIDAD ES LA CONCENTRACIÓN QUE REALMENTE PARTICIPA EN LA REACCIÓN, DESDE EL PUNTO DE VISTA TERMODINÁMICO. LA ACTIVIDAD SE CALCULA A PARTIR DE MODELOS NO TERMODINÁMICOS Y DE LA FUERZA IÓNICA (I) I  0.5  m i z i INTRODUCCIÓN AL USO DE MODELOS GEOQUÍMICOS DE ESPECIACIÓN

11 ESTADO DE SATURACIÓN DE LA SOLUCIÓN CON RESPECTO A VARIAS FASES SÓLIDAS aA  bB  cC  dD Por la ley de acción de masa, si el sistema está en equilibrio: Keq = [C] c [D] d /[A] a [B] b Si la reacción no está en equilibrio, entonces el lado derecho de la ecuación no es igual a Keq por lo que se denomina PRODUCTO DE ACTIVIDAD IÓNICA (PAI), que se utiliza para conocer el estado de saturación de la solución, con relación a la fase (mineral) analizada PAI/Keq<1log PAI/Keq<0SUBSATURADA PAI/Keq>1log PAI/Keq>0SOBRESATURADA PAI/Keq=1log PAI/Keq=0EQUILIBRIO INTRODUCCIÓN AL USO DE MODELOS GEOQUÍMICOS DE ESPECIACIÓN

12 COMO FUNCIONA EL PROGRAMA UN AGUA NATURAL CONTIENE CA, Mg, Cl, SO 4, ADEMÁS DE H + Y OH -, IONES QUE SIEMPRE ESTÁN PRESENTES EN CUALQUIER AGUA. DATOS: (Ca) T (Mg) T (Cl) T (SO 4 ) T PARAESACOMPOSICIÓN ESTARÁN PRESENTES: MEDIDOS EN LABORATORIO LASSIGUIENTESESPECIES QUÍMICAS Ca +2, CaSO 0, Mg +2, MgSO 0, Cl -, H +, OH -, SO -2,HSO - 4444 EN TOTAL SE TIENEN NUEVE INCÓGNITAS, POR LO QUE ES NECESARIO PLANTEAR UN SISTEMA DE NUEVE ECUACIONES LINEALMENTE INDEPENDIENTES. INTRODUCCIÓN AL USO DE MODELOS GEOQUÍMICOS DE ESPECIACIÓN

13 BALANCE DE MASA (Ca +2 ) = (Ca) T - (CaSO 4 0 ) (Mg +2 ) = (Mg) T - (MgSO 4 0 ) (Cl - ) = (Cl) T (SO 4 -2 ) = ((SO 4 ) T ) - (CaSO 4 0 ) - (MgSO 4 0 ) - (HSO 4 - ) REACCIONES DE DISOCIACIÓN (CaSO 4 )   Ca (Ca)  SO 4 (SO 4 ) /(  CaSO 4 K1) (MgSO 4 )   Ca (Mg)  SO 4 (SO 4 ) /(  MgSO4 K 2) EQUILIBRIO ÁCIDO – BASE (HSO 4 )   H (H)  SO4 (SO 4 ) /(  HSO4 K 3) (OH)  Kw /  H (H)  OH 0202 22 0202 22 22   INTRODUCCIÓN AL USO DE MODELOS GEOQUÍMICOS DE ESPECIACIÓN

14 ÚNICAMENTE ES POSIBLE CONJUNTAR 8 ECUACIONES, POR LO QUE LA CONCENTRACIÓN DE H + DEBE MEDIRSE. SI SE MIDE EL pH DEL AGUA SUBTERRÁNEA EN CAMPO, SE TIENE LA CONCENTRACIÓN FALTANTE, YA QUE POR DEFINICIÓN: (H  )   10  pH H CUANDODEAÑADENALASOLUCIÓN ESPECIESQUESE PRESENTAN EN MÁS DE UN ESTADO DE OXIDACIÓN (HIERRO POR EJEMPLO) SE PRESENTAN LAS SIGUIENTES ESPECIES: Fe+2,Fe+3,FeOH+2,Fe+2,Fe+3,FeOH+2,Fe(OH) 2,Fe(OH) 3,Fe(OH) 4,FeSO 4, +0--+0-- Fe(SO 4 ) -2, FeSO 4, FeCl, FeCl 2 ++0++0 INTRODUCCIÓN AL USO DE MODELOS GEOQUÍMICOS DE ESPECIACIÓN

15 ESNECESARIOMODIFICARLASECUACIONESPREVIAS LIGERAMENTE. EL Fe +2 SE PUEDE CALCULAR CON ECUACIONES DEBALANCEDEMASA.PARALOSCOMPLEJOSSEUTILIZAN REACCIONES DE DISOCIACIÓN O DE EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE. PARAELCASODELFe +3, ECUACIÓN. NOESPOSIBLEPLANTEARUNA  (Fe  3)  Kep  (Fe  2 ) /  e    e    10  pe pe  16.9Eh a 25  C  Fe  3  e  Fe 2Fe 2 FeFe INTRODUCCIÓN AL USO DE MODELOS GEOQUÍMICOS DE ESPECIACIÓN

16 EN EL PROCESO ES NECESARIO RESOLVER EN FORMA SIMULTÁNEA UNA SERIE DE ECUACIONES PARA CALCULAR LAS ACTIVIDADES Y OTRA SERIE DE ECUACIONES PARA CALCULAR LAS CONCENTRACIONES MOLARES. PARA ELLO SE UTILIZA UN PROCESO ITERATIVO DE LA SIGUIENTE MANERA: DATOS DE LABORATORIO FUERZA IÓNICA ACTIVIDAD DE LOS IONES ACTIVIDAD DE LOS COMPLEJOS CONCENTRACIONES MOLARES PARA LOS COMPLEJOS NUEVAS CONCENTRACIONES MOLARES PARA TODAS LAS ESPECIES ITERACIÓN INTRODUCCIÓN AL USO DE MODELOS GEOQUÍMICOS DE ESPECIACIÓN

17 GRACIAS