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 The Geochemist's Workbench   - 地球化学模拟软件
The Geochemist's Workbench(GWB)是最为重要的地球化学模拟软件,广泛应用在环境地球化学、油气地球化学以及矿床地球化学等领域。此软件是运用计算机来模拟众多的复杂地球化学反应过程,通过量化模型来了解沉积成岩和热液变化、开发探明矿床、确定污染物迁移规律、预测矿床和油藏物质演化,等等。

软件功能
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目前GWB模拟软件有三个版本,即GWB Essentials、GWB Standard和GWB Professional。
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(1) GWB Essentials,即基础地球化学工作台,包含5个模块,Rxn,Act2,Tact,SpecE8,Gtplot。可以计算溶液地球化学反应平衡、构筑多组分体系相图、计算矿物饱和指数、气体逸度以及模拟吸附和表面配合作用、绘制体系氧化还原、pH、温度和活度等各种图解。
The Geochemist

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(2) GWB Standard,即标准地球化学工作台,除含有上述Essentials基础工作台相同的工具外,还加上了React模块。可以进行反应路径模拟,包括矿物溶解/沉淀和氧化还原动力学、计算Debye-Huckel或Pitzer活度系数和进行稳定同位素分馏计算等内容。
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(3) GWB Professional,即专业地球化学工作台,除含有Essentials和Standard版本的所有工具外,还具备3个模块X1t,X2t,Xtplot。可以进行空间地球化学反应研究,如一维和二维反应输运模拟。
The Geochemist


软件数据库
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GWB的通用数据库提供的热力学参数多在温度为0-300℃和有限压力条件,针对这一局限,已有人开发出了SUPCRT92软件包以及K2GWB (logK to GWB)附件,使得热力学数据扩充到0-1000℃、1-5000 bar范围内有重要地质意义的矿物、气体、水中组分及其反应的热力学参数,极大地扩展了GWB的应用领域,能在多个温度场和压力场环境条件下使用。

地球化学建模简介
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如果要追溯地球化学建模历史,可以回到20世纪40、50年代解决推动火箭的燃料问题上,这些早期的计算是可以认为是通过地球化学模型来进行的。自20世纪60年代以来,地球化学建模领域才迅速发展起来。最早的建模通过手工演算来预测海水中溶解物质的浓度,而现在可以是运用计算机模拟众多的复杂地球化学反应过程,通过量化模型来了解沉积成岩和热液变化、开发探明矿床、确定污染物迁移规律、预测矿床和油藏物质演化,等等。

模型种类及建模注意的问题
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(1) 物种分布模型(Speciation):计算活度(逸度)、物种及元素分布、矿物饱和度、相关物理化学参数如pH、Eh、离子强度等。
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(2) 反应路径模型(Reaction Path):将物种分布模型中的计算量作为初始条件,设定一系列变化途径如温度、压力、pH值、新参加的反应物等,预测沉淀或溶解等反应变化。
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(3) 反应迁移模型(Reactive Transport):将体系演化看作一系列反应路径模型,通过若干个结点连接而成,在空间域进行一维、二维、三维的模拟计算,根据流体运动和反应物质迁移形式如平流、扩散、弥散等建立一系列方程组,从而对反应路径和结点中物质输运迁移进行求解。
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此外,目前还有一些模型结合考虑了吸附/解吸、较大的温度/压力范围、氧化还原反应、固相溶液和动力学等方面,并且大多数模型可以选择不同的活度计算法则(如Davies法、Debye-Huckel规则、扩展的Debye-Huckel法、Pitzer计算等)。对于迁移模型,有的还考虑到了流速固定或可变、流体饱和或非饱和、渗透率可变化、非均质性和边界条件、栅格固定或可变计算、多相流、多孔介质或双重孔隙介质,等等。

所有模型的建立和求解过程中,都必须要注意到以下几个方面
(1) 概念模型的确立,特别是平衡、非平衡、局部平衡的假设。
(2) 热力学数据资料的适用范围。
(3) 离子强度的影响。
(4) 温度、压力、PH值等物理化学条件的影响。
(5) 化学分析数据的影响,化学分析数据的不完整或某些元素数据缺乏。
(6) 求解方程组的解的情况,以及计算收敛问题。
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