GEM-Selektor geochemical modeling package: revised algorithm and GEMS3K numerical kernel for coupled simulation codes

Reactive mass transport (RMT) simulation is a powerful numerical tool to advance our understanding of complex geochemical processes and their feedbacks in relevant subsurface systems. Thermodynamic equilibrium defines the baseline for solubility, chemical kinetics, and RMT in general. Efficient RMT simulations can be based on the operator-splitting approach, where the solver of chemical equilibria is called by the mass transport part for each control volume whose composition, temperature, or pressure has changed. Modeling of complex natural systems requires consideration of multiphase-multicomponent geochemical models that include nonideal solutions (aqueous electrolytes, fluids, gases, solid solutions, and melts). Direct Gibbs energy minimization (GEM) methods have numerous advantages for the realistic geochemical modeling of such fluid-rock systems. Substantial improvements and extensions to the revised GEM interior point method algorithm based on Karpov's convex programming approach are described, as implemented in the GEMS3K C/C+ + code, which is also the numerical kernel of GEM-Selektor v.3 package ( http://gems.web.psi.ch ). GEMS3K is presented in the context of the essential criteria of chemical plausibility, robustness of results, mass balance accuracy, numerical stability, speed, and portability to high-performance computing systems. The stand-alone GEMS3K code can treat very complex chemical systems with many nonideal solution phases accurately. It is fast, delivering chemically plausible and accurate results with the same or better mass balance precision as that of conventional speciation codes. GEMS3K is already used in several coupled RMT codes (e.g., OpenGeoSys-GEMS) capable of high-performance computin

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ФТОРИДНЫХ АЗОТНЫХ ТЕРМ В СИСТЕМЕ «ВОДА – КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ПОРОДА»

Physicochemical interactions in the water – porphyrite system in conditions of formation of nitrogen-rich hot springs were studied using computer simulation. Compositions of model solutions during such interactions are determined by a combined influence of the compositions of primary and secondary rock minerals. In the investigated interaction range, the solution actively processes large quantities of the primary rock in favor of secondary minerals, while dissolved components are accumulated in small amounts in the solution itself, and therefore the salinity is low. The intervals of the formation of hydrosilicate, bicarbonate and sulfate sodium solutions are clearly distinguished in the process of irreversible hydrolytic transformation of porphyrite. In a certain range of interactions, the compositions of the model solutions are well comparable with the compositions of natural high-fluoride hot springs. Nitrogen-rich hot springs are strongly influenced by meteogenic factors detectable by detailed and/or sufficiently long-term observations. In deep and surface conditions, the model solutions and natural hot springs considerably differ in composition. Differences are hardly noticeable in the behavior of cations, fluorine, chlorine, and sulfates, but are strongly manifested in changes in the quantities of carbon and silicon compounds and transformations of their forms. These transformations explain the hitherto incomprehensibly different ratios of hydrocarbonate and carbonate ions and hydrosilicate ions and silicic acid both in different hydrothermal sources and in different analyses of hot springs in nature. The development of thermal waters in crystalline rocks is related to two types of heterogeneities that are typical for the development of geological bodies. The first heterogeneity is the disturbed continuity of rocks in fault zones of various orders, due to which groundwater can penetrate into these structures. The uneven distribution of anionic elements in space is another heterogeneity predetermining the groundwater composition and, in particular, accumulation of fluorine, which is confirmed by the results of geological studies, as well as the study of the formation of high-fluoride groundwaters (including thermal water) in various geological structures.С помощью моделирования проведено исследование физико-химических взаимодействий в системе «вода – порфирит» в условиях формирования азотных терм. Состав модельного раствора в процессе взаимодействия определяется совокупным влиянием состава первичной породы и вторичных минеральных образований. В исследованном интервале взаимодействий раствор активно перерабатывает большие количества первичной породы в пользу вторичных минеральных образований, сам при этом накапливает мало растворенных компонентов и поэтому имеет низкую минерализацию. В процессе необратимой эволюции гидролитического преобразования порфирита отчетливо выделяются интервалы формирования раствора гидросиликатного, гидрокарбонатного и сульфатного натриевого состава. В определенном интервале взаимодействий состав модельных растворов хорошо сопоставим с составом природных терм с высоким содержанием фтора. Глубинные воды, к каковым относятся азотные термы, испытывают сильное влияние метеогенных факторов, которое можно выявить при детальных и/или достаточно продолжительных наблю­дениях. Состав модельных растворов и природных терм в глубинных и поверхностных условиях имеет существенные отличия. Они слабозаметны в поведении катионов, фтора, хлора и сульфатов и сильно проявляются в изменении количества и преобразовании форм соединений углерода и кремния. Эти трансформации объясняют непонятное до настоящего времени различное соотношение гидрокарбонатных и карбо­натных ионов и гидросиликатного иона и кремниевой кислоты как в разных гидротермах, так и в разных анализах одного и того же проявления природных терм. Распространение термальных вод в кристаллических породах связано с двумя неоднородностями в развитии геологических тел. Первая неоднородность заключается в нарушении сплошности пород в местах развития разломов различного порядка, благодаря которому происходит распространение подземных вод в пространстве этих структур. Другая неоднородность, определяющая формирование состава подземных вод, и в частности накопление фтора, заключается в неравномерном распределении анионогенных элементов в пространстве геологических тел, что подтверждается результатами многочисленных геологических и геохимических исследований и данными изучения формирования подземных вод с высоким содержанием фтора, в том числе термальных, в различных геологических структурах

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ГАЗООЧИСТКИ В АЛЮМИНИЕВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

The paper demonstrates the possibility of increasing the efficiency of gas scrubbing systems in aluminum production by improving technologies for trapping and treatment of liquid and solid waste. The paper proposes a non-waste process of «wet» gas scrubbing waste recycling, which makes it possible to obtain fluoroaluminates with a cryolite module of no greater than 1,8–2,0. During treatment of gas scrubbing solutions the optimum ratio of fluoroaluminium acid to sodium fluoride is 14 : 9 (g/kgН2О), which ensures the most complete bonding of aluminum fluoride ions into regeneration products. The pH interval 5Al3F14 (admixed with AlF3), with structural transition from the chiolite to the cryolite Na3AlF6 occurring at pH = 4÷6. This cycle provides for the simultaneous production of aluminum sulfate and carbon concentrates, non-waste treatment of fluoride-alumina slurries, and the use of carbon dioxide in processes of neutralization and treatment of sewage. The paper calculates optimum parameters which ensure emission reduction and improve the balance of components when introducing the «dry» gas scrubbing into a combined (parallel and sequential) scheme of gas scrubbing and regeneration facilities.Показана возможность повышения эффективности систем газоочистки в алюминиевом производстве за счет совершенствования технологий улавливания и переработки жидких и твердых отходов. Предложен безотходный процесс рециклинга отходов «мокрой» газоочистки, позволяющий получать фторалюминаты с криолитовым модулем не более 1,8–2,0. В процессе переработки растворов газоочистки оптимальное соотношение фторалюминиевой кислоты и фтори-да натрия составляет 14 : 9 (г/кгН2О), что обеспечивает наиболее полное связывание алюмофторидных ионов в продукты регенерации. Интервал pH < 4 служит областью получения Na5Al3F14 (с примесью AlF3), при pH = 4÷6 происходит структурный переход от хиолита к криолиту Na3AlF6. Данный цикл предусматривает попутное получение сульфата алюминия и углеродистых концентратов, безотходную переработку фторидно-глиноземных шламов, а также использование диоксида углерода в процессах нейтрализации и очистки сточных вод. Рассчитаны оптимальные параметры, обеспечивающие снижение выбросов и улучшение баланса компонентов при внедрении «сухой» газоочистки в комбинированную (параллельную и последовательную) схему газоочистных и регенерационных сооружений

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ТУНКИНСКОЙ ВПАДИНЫ

The article describes the complex hydrogeological conditions of the Baikal rift zone viewed as a large structural element and pioneers in distinguishing two independent hydraulic systems in the study area. Groundwater resources and compositions of groundwater in these two systems are generated in fundamentally different ways. In the deep sediment layers, groundwater generated due to sedimentation is at the stage of elision (exfiltration) water exchange. Active phase transition of clay minerals to hydromica causes an additional water release, and sedimentary water and regenerated groundwater infiltrate from the condensed clay strata to sandy horizons. This process is accompanied by decompaction, heaving sand, and high (extra-high) reservoir pressures. Nitrogen-rich water and carbonic thermal water associated with faults and fault nodes are widespread in the basement of the Tunka depression. The thermal water result from infiltration and, together with fresh water, represents a uniform hydraulic system. Its development is determined by the dynamics of infiltration water in the water-feeding area in the Tunka loaches. At different hypsometric levels of the hydrogeological section, nitrogen-rich water descends, while carbonic thermal water ascends, and these processes occur simultaneously. Our study is focused on the physicochemical processes of the interaction between groundwater and sedimentary and crystalline rocks. It shows that the ion-salt and gas compositions of not only nitrogen-rich thermal water, but also those of methane water and carbonic thermal water occur in the ‘water-rock’ system without involving any additional substance from external sources. Compared to other thermal water, the composition of carbonic water is formed in a more complex way: first, it goes through the stage of the nitrogen-rich thermal water while passing through the aluminosilicate rocks and only then interacts with the carbonate rocks and become carbonic. The formation of carbonic water is accompanied by intensive karst processes at depths, which are ceasing closer to the surface. As a result of degassing, an opposite process is activated: authigenic minerals and travertines are formed on the surface. Groundwater and its gas phase are involved in the formation of rocks with a negative temperature, which are abundant in the Tunka depression, as well as large positive forms of the relief. It is shown that the activity of groundwater is not limited to the role of a filler in the host rocks and an intermediary medium between different geospheres. Groundwater is an active agent that initiates, controls and implements many geological processes.Рассмотрены сложные гидрогеологические условия крупного структурного элемента Байкальской рифтовой зоны. Впервые на рассматриваемой территории выявлены две независимые водонапорные системы, формирование ресурсов и состава подземных вод в которых происходит принципиально различными путями. В глубоких горизонтах осадочной толщи подземные воды имеют седиментационный генезис и находятся на стадии элизионного (эксфильтрационного) водообмена. В результате активно протекающего процесса фазового перехода глинистых минералов в гидрослюды происходит дополнительное выделение воды и переход седиментационных и возрожденных подземных вод из уплотняющихся глинистых толщ в песчаные горизонты. Это сопровождается формированием зон разуплотнения, плывунов и высоких (сверхвысоких) пластовых давлений. В фундаменте впадины широко распространены азотные и углекислые термы, связанные с разломами и разломными узлами. Они имеют инфильтрационное происхождение и вместе с пресными водами представляют единую водонапорную систему, развитие которой определяется динамикой инфильтрационных вод в области питания в Тункинских гольцах. На различных гипсометрических уровнях гидрогеологического разреза одновременно происходят процессы нисходящего движения азотных и восходящего движения углекислых терм. Исследованы физико-химические процессы взаимодействия воды с осадочными и кристаллическими породами. В результате проведенного исследования установлено, что ионно-солевой и газовый состав не только азотных, но и метановых и углекислых терм формируется внутри системы «вода–порода» без привлечения дополнительного вещества из внешних источников. При этом путь формирования состава углекислых вод более сложный, чем других терм: вначале они проходят в алюмосиликатных породах стадию азотных терм и только затем, взаимодействуя с карбонатными породами, становятся углекислыми. Формирование углекислых вод сопровождается интенсивным протеканием глубинных карстовых процессов, которые затухают по мере их движения к поверхности, и в результате дегазации активизируется обратный процесс – формирование аутигенных минералов с образованием на поверхности травертинов. С участием подземных вод и их газовой фазы формируются широко распространенные в Тункинской впадине породы с отрицательной температурой, а также крупные положительные формы рельефа. Показано, что подземные воды не просто играют роль наполнителя вмещающих пород и не только выступают посредником между различными геосферами, но являются тем деятельным агентом, который инициирует, направляет и осуществляет многие геологические процессы

Multilevel Modeling of the Forest Resource Dynamics

We examine the theoretical and applications-specific issues relating to modeling the temporal and spatial dynamics of forest ecosystems, based on the principles of investigating dynamical models. When developing the predictive dynamical models of forest resources, there is a possibility of achieving uniqueness of the solutions to equations by taking into account the initial and boundary conditions of the solution, and the conditions of the geographical environment. We present the results of a computer modeling and predictive mapping for the regional and subregional model of the forest resource dynamics

Results of modeling of interactions of "water – oil" in sea and river systems of the Far East

Using physical-chemical modeling (Selector software package, Chudnenko, 2010) the investigations identified the features of interactions of oil with sea and fresh waters on objects of the Far East have been performed. The results of the modeling have confirmed the patterns found on objects of the Murmansk region but there have been some differences connected with conditions of the Far East waters chemical composition formation. The developed models can be used for the forecasting of consequences of oil spills in sea and river waters of the Far Eas

Physicochemical Model of Formation of Gold-Bearing Magnetite-Chlorite-Carbonate Rocks at the Karabash Ultramafic Massif (Southern Urals, Russia)

We present a physicochemical model for the formation of magnetite-chlorite-carbonate rocks with copper gold in the Karabash ultramafic massif in the Southern Urals, Russia. The model was constructed based on the formation geotectonics of the Karabash massif, features of spatial distribution of metasomatically altered rocks in their central part, geochemical characteristics and mineral composition of altered ultramafic rocks, data on the pressure and temperature conditions of formation, and composition of the ore-forming fluids. Magnetite-chlorite-carbonate rocks were formed by the hydrothermal filling of the free space, whereas chloritolites were formed by the metasomatism of the serpentinites. As the source of the petrogenic and ore components, we considered rocks (serpentinites, gabbro, and limestones), deep magmatogenic fluids, probably mixed with metamorphogenic fluids released during dehydration and deserpentinization of rocks in the lower crust, and meteoric waters. The model supports the involvement of sodium chloride-carbon dioxide fluids extracting ore components (Au, Ag, and Cu) from deep-seated rocks and characterized by the ratio of ore elements corresponding to Clarke values in ultramafic rocks. The model calculations show that copper gold can also be deposited during serpentinization of deep-seated olivine-rich rocks and ore fluids raised by the tectonic flow to a higher hypsometric level. The results of our research allow predicting copper gold-rich ore occurrences in ultramafic massifs