Билет 4. Гидрогеохимическая система и ее характеристики

Гидрогеохимическая система определяется как некоторый конечный объем породы, включающей набор минералов и твердых органических соединений (собственно порода в геологическом смысле), находящиеся в поровом пространстве, подземную воду с содержащимися в ней веществами, и смесь газов (что особенно важно в зоне аэрации), обменный комплекс породы, микроорганизмы. Изучение физико-химических процессов, происходящих при фильтрации подземных вод, обязательно базируется на описании геологической среды. Среда включает породу (набор минералов, обменного комплекса и твердых органических веществ) и флюиды – заполнители пустотного пространства (подземную воду и воздух). Под воздухом здесь понимается смесь газов, присутствующая в породе в виде самостоятельной фазы. Условную поверхность, ограничивающую систему называют термодинамической оболочкой. Понятия эти несколько условно, т.к. при изменении температуры и давления изменения объемов порового пространства, воды и газов различны. Та же проблема возникает при определении системы как конечных масс входящих в нее веществ.

Для количественной характеристики системы необходимо выбрать определяющую ее размер фазу. Чаще всего это единичный объем подземной воды или единичная масса H2O в принятой рабочей размерности (литры, килограммы и т.п.). Кроме того, должны быть описаны процессы преобразования вещества и внешние физические поля. Такое описание должно быть дано для каждого элементарного объема водовмещающих пород.

Ряд понятий, используемых при моделировании массопереноса с учетом физико - химических преобразований:

Вещество (специя) – реальное химическое соединение. Это может быть простой или комплексный ион, минерал, газ.

Система – группа веществ, выбранная для исследования (рассмотрения). Количество веществ определяется как задачей исследования, так и полнотой понимания происходящих процессов, иногда необходимой точностью получения результата моделирования. Система характеризуется также количествами веществ, входящих в нее.

Закрытая система – не обменивается веществами с внешней средой. Система, не обменивающаяся не только веществами, но и энергией называется замкнутой или изолированной.

Открытая система – обменивается веществами с внешней средой. Внешняя среда также определенная система, только много большая, нежели рассматриваемая.

Чаще всего полагается, что изменение количества какого либо вещества во внешней системе при обмене с внутренней (исследуемой) системой незначительное и не приводит к изменению характеристик внешней системы. Применительно к понятиям открытая и закрытая система рассматриваются инертные и вполне подвижные компоненты. Количество каждого из инертных компонентов в системе не изменяется, по ним система закрыта. При этом каждый компонент может входить в состав нескольких веществ системы.

Фаза - физически однородная часть системы или совокупность тождественных частей системы, которые можно отделить от других частей системы механическим способом. Естественно, иногда отделение возможно только в принципе. Это относится, например, к обменному комплексу пород. Фазы бывают постоянного и переменного состава. Примерами фаз постоянного состава являются некоторые минералы, например чистый кальцит, гипс. Примерами фаз переменного состава являются растворы. Это могут быть жидкие растворы (подземные воды), твердые растворы (магнезиальные кальциты), обменный комплекс пород.

Стехиометрические единицы или линейно независимые компоненты – химические элементы или соединения, набор которых позволяет описать все вещества системы в виде простых линейных зависимостей. Одна и та же система может быть описана разными наборами стехиометрических единиц, в зависимости от целей решаемой задачи.

Равновесие - предельное состояние эволюции системы, после завершения всех возможных реакций. Однако полностью равновесные системы существуют далеко не всегда.