Geochemical modeling
જીયોકેમિકલ મોડેલિંગ અથવા સૈદ્ધાંતિક જીયોકેમિસ્ટ્રી એ ભૂસ્તરીય પ્રણાલીઓને અસર કરતી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓનું વિશ્લેષણ કરવા માટે રાસાયણિક થર્મોડાયનેમિક્સ, રાસાયણિક ગતિશાસ્ત્ર અથવા બંનેનો ઉપયોગ કરવાની પ્રથા છે, સામાન્ય રીતે કમ્પ્યુટરની મદદથી. તેનો ઉપયોગ ઉચ્ચ-તાપમાનના ભૂ-રસાયણશાસ્ત્રમાં પૃથ્વીના આંતરિક ભાગમાં ઊંડાણમાં થતી પ્રતિક્રિયાઓનું અનુકરણ કરવા માટે થાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, મેગ્મા, અથવા પૃથ્વીની સપાટીની નજીકના જલીય દ્રાવણમાં નીચા-તાપમાનની પ્રતિક્રિયાઓનું નમૂના બનાવવા માટે, આ લેખનો વિષય છે. જલીય પ્રણાલીઓ માટેના ઉપયોગો જીયોકેમિકલ મોડેલિંગનો ઉપયોગ પર્યાવરણીય સંરક્ષણ અને ઉપચાર, પેટ્રોલિયમ ઉદ્યોગ અને આર્થિક ભૂસ્તરશાસ્ત્ર સહિત વિવિધ ક્ષેત્રોમાં થાય છે. દાખલા તરીકે, કુદરતી પાણીની રચનાને સમજવા માટે નમૂનાઓનું નિર્માણ કરી શકાય છે; વહેતા ભૂગર્ભજળ અથવા સપાટીના પાણીમાં અશુદ્ધિઓની ગતિશીલતા અને ભંગાણ; સંગ્રહિત ઘન કચરામાં જમીનમાં છોડના પોષક તત્ત્વો અને નિયંત્રિત ધાતુઓનું આયન વિશિષ્ટતા; ઔદ્યોગિક કચરો, વરાળ અથવા કાર્બન ડાયોક્સાઇડના ઇન્જેક્શનના જવાબમાં ભૂસ્તરીય રચનાઓમાં ખડકો અને ખનિજોની રચના અને વિસર્જન; દરિયાઈ પાણીમાં કાર્બન ડાયોક્સાઇડનું વિસર્જન અને દરિયાઈ એસિડિફિકેશન પર તેની અસર; અને એસિડિક પાણીનું ઉત્પાદન અને ખાણના કચરામાંથી ધાતુઓનું લીચિંગ. જીયોકેમિકલ મોડેલિંગના વિકાસ ગેરેલ્સ અને થોમ્પસન (1962) એ સૌપ્રથમ 25 ડિગ્રી સેલ્સિયસ અને એક વાતાવરણના કુલ દબાણમાં જીયોકેમિસ્ટ્રીમાં રાસાયણિક મોડેલિંગ લાગુ કર્યું. તેમની ગણતરી, હાથ દ્વારા ગણતરી કરવામાં આવે છે, જે હવે સંતુલન મોડેલ તરીકે ઓળખાય છે, જે જથ્થાબંધ દ્રાવણ રચનાના માપમાંથી પ્રજાતિ વિતરણ, ખનિજ સંતૃપ્તિ સ્થિતિ અને વાયુ ફ્યુગેસિટીની આગાહી કરે છે. સંતુલિત ઝરણા પાણીમાંથી દ્રાવક પાણીના નાના અલિકોટ્સને દૂર કરીને અને પ્રજાતિઓના વિતરણની વારંવાર પુનઃગણતરી કરીને, ગેરેલ્સ અને મેકેન્ઝી (1967) એ વસંતના પાણીના બાષ્પીભવન સાથે થતી પ્રતિક્રિયાઓનું અનુકરણ કર્યું. પ્રતિક્રિયા માર્ગ મોડેલ તરીકે ઓળખાતા સંતુલન મોડેલ સાથે સામૂહિક સ્થાનાંતરણનું આ જોડાણ, ભૂ-રસાયણશાસ્ત્રીઓને પ્રતિક્રિયા પ્રક્રિયાઓનું અનુકરણ કરવામાં સક્ષમ બનાવે છે. હેલગેસન (1968) એ સંતુલન અને પ્રતિક્રિયા પાથ મોડેલોને ઉકેલવા માટે પ્રથમ કમ્પ્યુટર પ્રોગ્રામ રજૂ કર્યો, જેનો ઉપયોગ તેમણે અને સહકાર્યકરોએ હવામાન, કાંપ ડાયજેનેસિસ, બાષ્પીભવન, જળઉષ્મીય ફેરફાર અને અયસ્ક જમા જેવી ભૂસ્તરશાસ્ત્રીય પ્રક્રિયાઓનું મોડેલ બનાવવા માટે કર્યો હતો. જીયોકેમિકલ મોડેલિંગમાં પછીના વિકાસમાં સંચાલક સમીકરણોને સુધારવાનો સમાવેશ થાય છે, પ્રથમ સામાન્ય વિભેદક સમીકરણો તરીકે અને પછી બીજગણિત સમીકરણો તરીકે. વધુમાં, રાસાયણિક ઘટકોને નમૂનાઓમાં જલીય પ્રજાતિઓ, ખનિજો અને વાયુઓ દ્વારા રજૂ કરવામાં આવ્યા હતા, તેના બદલે તત્વો અને ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા જે પ્રજાતિઓ બનાવે છે, જે સંચાલક સમીકરણો અને તેમના આંકડાકીય ઉકેલને સરળ બનાવે છે. પર્સનલ કમ્પ્યુટર્સ અને મોડેલિંગ સોફ્ટવેરની શક્તિમાં તાજેતરના સુધારાઓએ ભૂ-રાસાયણિક નમૂનાઓને તેમના અમલીકરણમાં વધુ સુલભ અને વધુ લવચીક બનાવ્યા છે. ભૂ-રસાયણશાસ્ત્રીઓ હવે તેમના લેપટોપ પર જટિલ પ્રતિક્રિયા માર્ગ અથવા પ્રતિક્રિયાશીલ પરિવહન મોડેલો બનાવવા માટે સક્ષમ છે જેને અગાઉ સુપરકોમ્પ્યુટરની જરૂર પડી હોત. ભૂ-રાસાયણિક નમૂનાની સ્થાપના એક જલીય પ્રણાલી તેની રાસાયણિક રચના, તાપમાન અને દબાણ દ્વારા અનન્ય રીતે વ્યાખ્યાયિત થાય છે. આવી પ્રણાલીઓના ભૂ-રાસાયણિક નમૂનાઓ બનાવવાની શરૂઆત આધાર, જલીય પ્રજાતિઓ, ખનિજો અને વાયુઓના સમૂહને પસંદ કરીને થાય છે, જેનો ઉપયોગ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ લખવા અને રચના વ્યક્ત કરવા માટે થાય છે. જરૂરી બેસિસ એન્ટ્રીઓની સંખ્યા સિસ્ટમમાં ઘટકોની સંખ્યા જેટલી હોય છે, જે થર્મોડાયનેમિક્સના તબક્કાના નિયમ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. લાક્ષણિક રીતે, આધાર પાણીથી બનેલો હોય છે, દરેક ખનિજ પ્રણાલી સાથે સંતુલનમાં હોય છે, દરેક ગેસ જાણીતા ફ્યુગસિટીમાં હોય છે અને મહત્વપૂર્ણ જલીય પ્રજાતિઓ હોય છે. એકવાર આધાર વ્યાખ્યાયિત થઈ જાય પછી, એક મોડેલર સંતુલન સ્થિતિ માટે ઉકેલ લાવી શકે છે, જે દરેક ઘટક માટે સામૂહિક ક્રિયા અને સામૂહિક સંતુલન સમીકરણો દ્વારા વર્ણવવામાં આવે છે. સંતુલનની સ્થિતિ શોધવામાં, એક ભૂ-રાસાયણિક મૉડલર તમામ પ્રજાતિઓ, ખનિજો અને વાયુઓના જથ્થાના વિતરણ માટે ઉકેલ લાવે છે જે આધારમાંથી રચાય છે. આમાં જલીય પ્રજાતિઓની પ્રવૃત્તિ, પ્રવૃત્તિ ગુણાંક અને સાંદ્રતા, ખનિજોની સંતૃપ્તિ સ્થિતિ અને વાયુઓની ફ્યુગસિટીનો સમાવેશ થાય છે. શૂન્યની બરાબર સંતૃપ્તિ સૂચકાંક (લોગ ક્યૂ/કે) ધરાવતા ખનિજો પ્રવાહી સાથે સંતુલનમાં હોવાનું કહેવાય છે. હકારાત્મક સંતૃપ્તિ સૂચકાંકો ધરાવતા સૂચકાંકોને સુપરસેચ્યુરેટેડ કહેવામાં આવે છે, જે સૂચવે છે કે તેઓ દ્રાવણમાંથી અવક્ષેપિત થવાની તરફેણ કરે છે. એક ખનિજ અસંતૃપ્ત હોય છે જો તેનો સંતૃપ્તિ સૂચકાંક નકારાત્મક હોય, જે સૂચવે છે કે તે ઓગળવાની તરફેણ કરે છે. ભૂ-રાસાયણિક નમૂનાકારો સામાન્ય રીતે રચના, તાપમાન અથવા દબાણમાં ફેરફારોને પ્રણાલીઓ કેવી રીતે પ્રતિસાદ આપે છે તે સમજવા માટે પ્રતિક્રિયા માર્ગ નમૂનાઓ બનાવે છે. જે રીતે દળ અને ઉષ્મા સ્થાનાંતરણ નિર્દિષ્ટ કરવામાં આવે છે (એટલે કે, ખુલ્લી અથવા બંધ પ્રણાલીઓ) તેને રૂપરેખાંકિત કરીને, વિવિધ ભૂ-રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓનું પ્રતિનિધિત્વ કરવા માટે નમૂનાઓનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. પ્રતિક્રિયા માર્ગો રાસાયણિક સંતુલન ધારણ કરી શકે છે, અથવા તેઓ પ્રતિક્રિયાઓના સમયની ગણતરી કરવા માટે ગતિ દરના નિયમોનો સમાવેશ કરી શકે છે. ફ્લોપાથ પર થતી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓના અવકાશ અને સમયના વિતરણની આગાહી કરવા માટે, પ્રતિક્રિયાશીલ પરિવહન મોડેલો બનાવવા માટે ભૂ-રાસાયણિક મોડેલોને સામૂહિક અને ઉષ્મા પરિવહનના હાઇડ્રોલોજિક મોડેલો સાથે વધુને વધુ જોડવામાં આવી રહ્યા છે. વિશિષ્ટ ભૂ-રાસાયણિક મોડેલિંગ પ્રોગ્રામ્સ કે જે ક્રોસ-લિંકેબલ રી-એન્ટ્રન્ટ સોફ્ટવેર ઓબ્જેક્ટ્સ તરીકે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યા છે તે કોઈપણ પ્રવાહ રૂપરેખાંકનના પ્રતિક્રિયાશીલ પરિવહન મોડેલના નિર્માણને સક્ષમ કરે છે. પ્રતિક્રિયાઓના પ્રકાર ભૂ-રાસાયણિક નમૂનાઓ વિવિધ પ્રકારની પ્રતિક્રિયાઓનું અનુકરણ કરવામાં સક્ષમ છે. તેમાં સમાવિષ્ટ છેઃ એસિડ-બેઝ પ્રતિક્રિયાઓ જલીય જટિલતા ખનિજ વિસર્જન અને વરસાદ, જેમાં ઓસ્ટવાલ્ડ પાકે છે ઘટાડો અને ઓક્સિડેશન (રેડૉક્સ) પ્રતિક્રિયાઓ, જેમાં ઉત્સેચકો, સપાટીઓ અને સુક્ષ્મસજીવો દ્વારા ઉત્પ્રેરિત પ્રતિક્રિયાઓ, શોષણ, આયન વિનિમય અને સપાટીની જટિલતા ગેસ વિસર્જન અને વિસર્જન સ્થિર આઇસોટોપ અપૂર્ણાંક કિરણોત્સર્ગી ક્ષય સરળ તબક્કા આકૃતિઓ અથવા પ્લોટનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે આવી ભૂ-રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને સમજાવવા માટે થાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, Eh-pH (Pourbaix) આકૃતિઓ એક ખાસ પ્રકારની પ્રવૃત્તિ આકૃતિ છે જે એસિડ-બેઝ અને રેડોક્સ રસાયણશાસ્ત્રને ગ્રાફિકલી રીતે રજૂ કરે છે. ભૂ-રાસાયણિક મોડેલિંગમાં અનિશ્ચિતતા વિવિધ સ્રોતો સિમ્યુલેશન પરિણામોની શ્રેણીમાં યોગદાન આપી શકે છે. સિમ્યુલેશન પરિણામોની શ્રેણીને મોડેલ અનિશ્ચિતતા તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. સૌથી મહત્વપૂર્ણ સ્રોતોમાંથી એક જે માપવા માટે શક્ય નથી તે વૈચારિક મોડેલ છે, જે મોડેલર દ્વારા વિકસાવવામાં અને વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. વધુ સ્રોતો હાઇડ્રોલિક (માત્ર પરિવહનનું અનુકરણ કરતી વખતે) અને ખનિજ ગુણધર્મો સંબંધિત મોડેલનું પરિમાણીકરણ છે. ભૂ-રાસાયણિક સિમ્યુલેશન માટે ઉપયોગમાં લેવાતા પરિમાણો પણ મોડેલની અનિશ્ચિતતામાં ફાળો આપી શકે છે. આ લાગુ કરેલ થર્મોડાયનેમિક ડેટાબેઝ અને ગતિશીલ ખનિજોના વિસર્જન માટેના પરિમાણો છે. થર્મોડાયનેમિક ડેટામાં તફાવતો (એટલે કે. સંતુલન સ્થિરાંકો, તાપમાન સુધારણા માટેના પરિમાણો, પ્રવૃત્તિ સમીકરણો અને ગુણાંક) મોટી અનિશ્ચિતતામાં પરિણમી શકે છે. વધુમાં, ખનિજોના વિસર્જન દરના કાયદાઓ માટે પ્રાયોગિક રીતે મેળવેલા દર સ્થિરાંકોના મોટા વિસ્તાર અનુકરણ પરિણામોમાં મોટી વિવિધતાઓનું કારણ બની શકે છે. આ જાણીતું હોવા છતાં, ભૂ-રાસાયણિક મોડેલિંગ કરતી વખતે અનિશ્ચિતતાઓને વારંવાર ધ્યાનમાં લેવામાં આવતી નથી. પ્રાયોગિક માહિતી સાથે સિમ્યુલેશન પરિણામોની સરખામણી કરીને અનિશ્ચિતતા ઘટાડી શકાય છે, જો કે પ્રાયોગિક માહિતી દરેક તાપમાન-દબાણની સ્થિતિમાં અને દરેક રાસાયણિક પ્રણાલી માટે અસ્તિત્વમાં નથી. જો કે આવી સરખામણી અથવા માપાંકન કરી શકાતું નથી, પરિણામે ભૂ-રાસાયણિક સંકેતો અને થર્મોડાયનેમિક ડેટાબેઝ ભૂ-રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓની આગાહી કરવા માટે અત્યાધુનિક અને સૌથી ઉપયોગી સાધનો છે. સામાન્ય ઉપયોગમાં સોફ્ટવેર પ્રોગ્રામ્સ ChemEQL ChemPlugin CHESS, HYTEC CHILLER, CHIM-XPT CrunchFlo EQ3/EQ6 GEOCHEM-EZ જીયોકેમિસ્ટની વર્કબેન્ચ GWB કોમ્યુનિટી એડિશન GEMS-PSI HYDROGEOCHEM MINEQL + MINTEQA2 ORCHESTRA PHREEQC Reaktoro SOLMINEQ.88, GAMSPATH.99 TUGHREACT વિઝ્યુઅલ MINTEQ WATEQ4F WHAM યુ. એસ. જી. એસ. વેબસાઇટ ઉપર સૂચિબદ્ધ ઘણા સોફ્ટવેરની મફત ઍક્સેસ પ્રદાન કરે છે. આ પણ જુઓ કેમિકલ થર્મોડાયનેમિક્સ કેમિકલ કાઇનેટિક્સ જિયોમાઇક્રોબાયોલોજી હાઇડ્રોજિયોલોજી ગ્રાઉન્ડવોટર મોડેલ રિએક્ટિવ ટ્રાન્સપોર્ટ મોડેલ રિઝર્વોઇર સિમ્યુલેશન કેમિકલ પ્રોસેસ મોડેલિંગ કેમિકલ ટ્રાન્સપોર્ટ મોડેલ વધુ વાંચન એપેલો, સી. એ. જે. અને ડી. પોસ્ટમા, 2005, ભૂ-રસાયણશાસ્ત્ર, ભૂગર્ભ જળ અને પ્રદૂષણ. ટેલર અને ફ્રાન્સિસ, 683 પીપી. બેથકે, સી. એમ., 2008, જીયોકેમિકલ અને બાયોજીયોકેમિકલ રિએક્શન મોડેલિંગ. કેમ્બ્રિજ યુનિવર્સિટી પ્રેસ, 547 પીપી. મર્કેલ, બી. જે., બી. પ્લાનર-ફ્રીડ્રિચ અને ડી. કે. નોર્ડસ્ટ્રોમ, 2008, ગ્રાઉન્ડવોટર જીયોકેમિસ્ટ્રીઃ એ પ્રેક્ટિકલ ગાઇડ ટુ મોડેલિંગ ઓફ નેચરલ એન્ડ કન્ટામિનેટેડ એક્વેટિક સિસ્ટમ્સ. સ્પ્રિંગર, 242 પીપી. ઓલ્કર્સ, ઇ. એચ. અને જે. સ્કોટ (આવૃત્તિઓ. ), 2009, થર્મોડાયનેમિક્સ એન્ડ કાઇનેટિક્સ ઓફ વોટર-રોક ઇન્ટરેક્શન. ખનિજશાસ્ત્ર અને ભૂ-રસાયણશાસ્ત્રમાં સમીક્ષાઓ 70,569 પીપી. ઝુ, સી. અને જી. એન્ડરસન, 2002, એન્વાયર્નમેન્ટલ એપ્લિકેશન્સ ઓફ જીઓકેમિકલ મોડેલિંગ. કેમ્બ્રિજ યુનિવર્સિટી પ્રેસ, 300 પીપી. સંદર્ભો ભૂસ્તરીય મોડેલિંગ