MODELO GEOQUIMICO

ESTOS SON LOS TEMAS QUE SE ABORDO EN UN CURSO DE ANALISIS GEOQUIMICO.

Tabla de contenido

1. Introducción

Modelos geoquímicos: utilidad y limitaciones. Programa del curso.

Análisis geoquímico

Es cualquier medida que proporciona información acerca de la composición química de una muestra natural (o ambiental). Los tipos de análisis más comunes miden:

Análisis cualitativos:

Lista de elementos o compuestos que se encuentran en concentraciones detectables en una muestra problema. La información que proporciona este tipo de análisis tiene un valor meramente informativo, útil para la identificación.

Análisis cuantitativos:

Miden las concentraciones de los elementos, compuestos, isótopos o especies químicas presentes en una muestra

2. Termodinámica

Energía interna.. Función de estado. Entropía. Propiedades intensivas. Potenciales termodinámicos. Entalpía. Energía libre de Gibbs. Estado estandard. Propiedades termodinámicas de substancias puras a cualquier presión y temnperatura.

3. Termodinámica de soluciones.

Propiedades termodinámicas de substancias no puras. Estado estandard de una solución. Constante de equilibrio de una reacción química. Variación con la presión y la temperatura. Problema: calculo del producto de solubilidad de la calcita entre 0 y 300°C y presión de vapor de agua

4. Soluciones acuosas

Estructura de una solución acuosa. Fuerza iónica. Actividad del agua. Actividad media de un soluto. Modelos de cálculo del coeficiente de actividad de un soluto. Actividad de una especie neutra. Problema: Agua de mar.

5. Complejos acuosos

Hidrólisis y potencial iónico. Complejos de esfera interna y externa. Importancia de la complejación en el cálculo de la fuerza iónica. Idem en la solubilidad de un sólido o un gas. Problema: Solubilidad del yeso.

6. Acido-base.

Acidez y alcalinidad químicas. Sistema carbónico. Control del pH en las aguas continentales. Valoración de la alcalinidad. Capacidad de neutralización. Programa MEDUSA. Problema: Distribución de especies de Al con el pH. Contaminación de un río por agua ácida.

7. Cálculo del equilibrio solución-mineral-gas

Conceptos bácicos. Formulación matemática: sistemas de ecuaciones. Método iterativo de Newton-Raphson. Ejemplos de especiación y equilibrio entre fases. El programa PHREEQC.

8. Cálculo de procesos.

Disolución de un mineral o gas hasta equilibrio. Perturbación conocida de un componente: valoración de acidez o alcalinidad, disolución conocida de mineral o gas. Perturbación de todos los componentes: mezcla de soluciones, evaporación.

9. Reacciones de superficie.

Modelo de complejación superficial. Modelos electrostáticos y no electrostáticos. Modelos empíricos. Intercambio iónico. Ejemplos: retención de Zn y As por oxidos de hierro. Problema: adsorción de Ni en bentonita.

10. Redox.

Electrodo estándard de hidrógeno. Relación entre potencial medido y propiedades termodinámicas. La variable pE. Diagramas pE-pH. Potencial redox en aguas naturales. Ciclo biogeoquímico. Problema: oxidación de materia orgánica.

11. Cinética.

Reacciones elementales y totales. Velocidad de reacción. Efecto de la temperatura. Ejemplos de reacciones: oxidación-reducción, disolución-precipitación. Cinética versus equilibrio: hipótesis de equilibrio local.

12. Transporte reactivo.

Fundamentos. Procesos de transporte: difusión, advección, dispersión. Ecuación de continuidad. Acoplamiento de transporte y reacciones químicas. Resolución. Transporte reactivo con PHREEQC. Ejemplo: Desplazamiento de agua marina por agua continental.

PARA DESARROLLAR EL MODELO GEOQUIMICO

Primero debemos determinar las condiciones iniciales geoquímicas del medio donde se desarrollara la actividad económica de cada uno de las unidades litoestratigraficas, unidades hidrogeológicas y las unidades hidrológicas para luego para luego estimar las características de los productos de las diferentes reacciones que se puedan dar a causa de la actividad minera (nuevas áreas de contacto para los diferentes mineras que se rompes caso de los sulfuros con infiltración del agua ayudado con la ventilación forzada.

La composición química del agua y de los suelos es variable y sujeta a procesos heterogéneos, cada uno de ellos controlados por una gran cantidad de factores. Es por ello que tratar de explicarla y de predecir su comportamiento es una tarea ardua, sobre todo como consecuencia de la cantidad de cálculos que están involucrados. A partir del desarrollo de modelos, esta tarea se ha visto considerablemente simplificada.

En hidrología e hidrogeología, el uso de estos modelos es muy amplio y muchos programas que modelan el flujo y movimiento de agua llevan incorporados un modelo de equilibrio químico de tal manera que es posible predecir la distribución de un determinado contaminante en cualquier punto a lo largo del curso de agua o del acuífero. Aunque en la naturaleza no existan situaciones de equilibrio, estos modelos constituyen una herramienta útil para la interpretación de los fenómenos observables. Los modelos geoquímicos son aplicables para la resolución de diversos problemas de la geología. Para realizar los modelos, se utiliza un software que presenta una interfase con el conocido programa de modelado geoquímico PHREEQC (Parkhurst, 1995). Estos Modelos Geoquímicos están diseñados específicamente para el análisis de datos de aguas. Contiene una base de datos completa y provee una selección comprehensiva de herramientas para el análisis y técnicas gráficas usadas comúnmente para interpretar, comparar y graficar datos geoquímicos de aguas. Se realizan modelos físicos-químicos que permiten representar cuantitativamente los procesos de meteorización que ocurren a partir del contacto agua-roca entre dos puntos de una cuenca; esto es, determinar y cuantificar el conjunto de reacciones químicas entre fases minerales y/o gaseosas y el agua, que explican los cambios en la concentración de elementos disueltos entre una solución o mezcla de soluciones (definida como inicial) y una solución final. Para ello, es necesario ingresar los datos de la composición química de las soluciones involucradas y las fases (minerales o gaseosas) que podrían intervenir en las reacciones, incluyendo los posibles procesos que podrían explicar las diferencias entre las soluciones.

Primero la concentración de los principales iones y metales en las estaciones establecidas de acuerdo al criterio del especialista de los pozos de observación como de las unidades hidrológicas

Figura # donde se observa la composición iónica de cada una de las estaciones

Figura# donde se observa la composición de los diferentes metales en las estaciones

Caracterización química de las aguas subterráneas como superficiales

Figura# diagramas de Piper y Schoeller

Tabla xx Características físicas y químicas del agua subterránea y superficiales

L.MP. límite máximo permisible, para categoría 3 (según decreto supremo N° 002-2008 MINAM)

En algunos casos se va observas que a pesar de ser aguas en su estado natural sobrepasan los limites permisibles.

PARAMETRO SIMBOLO UNIDAD Límite de Detección PMGA-01 PMGA-02 PMGA-03 PMGA-04 PMGA-05 PMGA-06 PMGA-07CLORUROS Cl- mg/L 0.000 2.74 2.73 2.74 2.72 <1 <1 <1SULFUROS mg/L 0.020 <0.02 0.02 <0.02 <0.02CARBONATOS mg/L 1.0 <1.0 <1.0 ……. …….BICARBONATOS HCO3- mg/L 1.0 5 15 0 0SULFATOS SO4-2 mg/L 0.5 60 70 70 100 146 36 33NITRATOS NO3-1 mg/L NO3-1 0.1 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02NITRITOS NO2 mg/L NO2 0.1 <0.2 <0.2 <0.2 <0.2NITROGENO AMONIACAL mg/L 0.2 ……. ……. 0.05 0.05FOSFATOS PO4-3 mg/L PO4-3 0.010 0.14 0.14 0 0FLOURUROS F-1 mg/L 0.050 <0.10 <0.10 <0.10 <0.10FENOLES mg/L 0.005 <0.005 <0.005 <0.005 <0.005PLATA Ag mg/L 0.009 <0.009 <0.009 <0.009 <0.009ALUMINIO Al mg/L 0.037 0.680 0.824 0.091 1.988ARSENICO As mg/L 0.004 <0.004 <0.004 <0.004 <0.004 <0.050 <0.050 <0.050BORO B mg/L 0.030 <0.03 <0.03 <0.03 <0.03BARIO Ba mg/L 0.003 0.014 0.045 0.017 0.013BERILIO Be mg/L 0.006 <0.006 <0.006 <0.006 <0.006BISMUTO Bi mg/L 0.017 <0.017 <0.017 <0.017 <0.017CALCIO Ca mg/L 0.029 17.389 12.298 58.271 22.764CADMIO Cd mg/L 0.005 <0.005 <0.005 <0.005 <0.005 <0.002 <0.002 <0.002CELENIO Ce mg/L 0.011 <0.011 <0.011 <0.011 <0.011COBALTO Co mg/L 0.008 <0.008 <0.008 <0.008 <0.008CROMO Cr mg/L 0.007 <0.007 <0.007 <0.007 <0.007COBRE Cu mg/L 0.006 0.026 0.007 0.015 0.021FIERRO Fe mg/L 0.068 0.743 2.811 0.744 1.552 0.01 0.45 0.06MERCURIO Hg mg/L 0.004 <0.004 <0.004 <0.004 <0.004 <0.025 <0.025 <0.025POTASIO K mg/L 0.043 1.513 2.846 1.484 1.285LITIO Li mg/L 0.022 <0.022 <0.022 <0.022 <0.022MAGNESIO Mg mg/L 0.052 2.327 6.165 13.194 7.281MANGANESO Mn mg/L 0.009 0.497 0.182 <0.009 0.662 <0.25 <0.25 <0.25MOLIBDENO Mo mg/L 0.006 <0.006 <0.006 <0.006 <0.006SODIO Na mg/L 0.031 5.836 8.408 14.902 9.12NIQUEL Ni mg/L 0.007 <0.007 <0.007 <0.007 <0.007FOSFORO P mg/L 0.010 0.097 0.157 0.173 0.114PLOMO Pb mg/L 0.006 0.015 0.053 0.016 0.012 0.07 0.09 0.06ANTIMONIO Sb mg/L 0.008 <0.008 <0.008 <0.008 <0.008ESCANDIO Sc mg/L 0.007 <0.007 <0.007 <0.007 <0.007SELENIO Se mg/L 0.004 <0.004 <0.004 <0.004 <0.004SILICIO Si mg/L 0.120 2.853 1.993 2.486 4.237ESTAÑO Sn mg/L 0.002 <0.002 <0.002 <0.002 <0.002ESTRONCIO Sr mg/L 0.005 0.083 0.145 0.291 0.153TITANIO Ti mg/L 0.020 <0.020 <0.020 <0.020 <0.020TANTALIO Tl mg/L 0.008 <0.008 <0.008 <0.008 <0.008VANADIO V mg/L 0.005 <0.005 <0.005 <0.005 <0.005WOLFRAMIO W mg/L 0.006 <0.006 <0.006 <0.006 <0.006YODO Y mg/L 0.004 <0.004 <0.004 <0.004 <0.004ZINC Zn mg/L 0.005 1.125 0.206 0.675 0.618CIRCONIO Zr mg/L 0.003 <0.003 <0.003 <0.003 <0.003

Método de STIFF para hacer hacer la representación de las características geoquímicas del agua en cada uno de las estaciones.

Y desarrollar una caracterización geoquímica del agua superficial y subterráneo de todo el área donde se desarrollara el proyecto.

DESARROLLO DE LA CARACTERIZACION GEOQUIMICA DE LAS DIFERENTES UNIDADES LITOESTRATIGRAFICAS

Para lo cual sacamos muestras de cada una de ellas para hacer el análisis quimico de los principales compuestos que reaccionarían con el agua y ambiente para generar ya sea aguas acidas o metales sueltos (los pesados y tóxicos), un ejemplo de este cuadro de análisis;

MODELAMIENTO GEOQUIMICO:

Una vez obtenida las características geoquímicas tanto de la fase sólido y liquida del área a analizar procedemos a realizar el modelamiento geoquímico con el siguiente programa.

El programa PHREEQC (version 2,7; Parkhurst y Appelo, 1999) utiliza como parametros de entrada los valores de pH, Eh, T y OD determinados en campo y las concentraciones de los elementos mayoritarios y traza analizados en el laboratorio. En funcion de esta informacion y utilizando las reacciones y datos termodinamicos conocidos (como ĢG, ĢH, o Ks), incluidos en la base de datos del programa, PHREEQC proporciona la siguiente informacion geoquimica del sistema:

1. La especiacion quimica de los metales en solucion: Son las diferentes formas quimicas en las que pueden estar presentes estos metales; el programa nos da su respectiva importancia expresada en proporciones molares.

2. Los indices de saturacion de fases minerales: Estos indices dan informacion sobre al grado de sobresaturacion, equilibrio o subsaturacion de las diferentes fases minerales en la solucion. Los indices de saturacion que proporciona el programa indican sobresaturacion (y por tanto tendencia a la precipitacion) en caso de ser positivos (SI >0) o subsaturacion (y tendencia a la disolucion) en caso de ser negativos (SI <0). El programa no valora ni aspectos cineticos ni cuantitativos de la posible precipitacion.

Los calculos proporcionados por PHREEQC, indican la distribucion de los diferentes metales disueltos en forma de diversas especies quimicas, que incluyen desde iones libres (p.ej. Fe2+, Fe3+, Al3+), complejos ionicos hidroxilados (p.ej. Fe(OH)2+, FeOH2+, AlOH2-) a complejos sulfatados (p.ej. FeSO4+, Fe(SO4)2-). Son precisamente estas ultimas las mas abundantes en aguas acidas de mina, debido principalmente a las condiciones de bajo pH y elevada actividad del anion sulfato. Por ello son las especies ionicas sulfatadas las que juegan un papel preponderante en la distribucion de los metales en la fase acuosa.

DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

El resultado del software está dado por el o los modelos que encuentra a partir del conjunto de datos ingresados inicialmente, además de una serie de datos referidos específicamente a los cálculos que el programa realiza durante la transformación y para el procesamiento de datos. Para ello, es necesario ingresar la composición química de las soluciones involucradas y las fases que podrían intervenir en las reacciones. La habilidad de definir soluciones múltiples junto con la capacidad de determinar la asociación de las fases estables, permite el desarrollo del modelado de transporte en una dimensión. Es un método simple para simular el movimiento de soluciones a través de una columna. Se permite definir las incertezas en los datos analíticos, para que el modelo pueda satisfacer el balance molar para cada elemento, el estado de valencia y balance de cargas para la solución. (Parkhurst, 1995).