Application of reactive fluid transport modeling to hydrothermal systems

A one-dimensional multi-component reactive fluid transport algorithm, 1DREACT (Steefel, 1993) was used to investigate different fluid-rock interaction systems. A major short coming of mass transport calculations which include mineral reactions is that solid solutions occurring in many minerals are not treated adequately. Since many thermodynamic models of solid solutions are highly non-linear, this can seriously impact on the stability and efficiency of the solution algorithms used. Phase petrology community saw itself faced with a similar predicament 10 years ago. To improve performance and reliability, phase equilibrium calculations have been using pseudo compounds. The same approach is used here in the first, using the complex plagioclase solid solution as an example. Thermodynamic properties of a varying number of intermediate plagioclase phases were calculated using ideal molecular, Al-avoidance, and non-ideal mixing models. These different mixing models can easily be incorporated into the simulations without modification of the transport code. Simulation results show that as few as nine intermediate compositions are sufficient to characterize the diffusional profile between albite and anorthite. Hence this approach is very efficient, and can be used with little effort. A subsequent chapter reports the results of reactive fluid transport modeling designed to constrain the hydrothermal alteration of Paleoproterozoic sediments of the Southern Lake Superior region. Field observations reveal that quartz-pyrophyllite (or kaolinite) bearing assemblages have been transformed into muscovite-pyrophyllite-diaspore bearing assemblages due to action of fluids migrating along permeable flow channels. Fluid-rock interaction modeling with an initial qtz-prl assemblage and a K-rich fluid simulates the formation of observed mineralogical transformation. The bulk composition of the system evolves from an SiO2-rich one to an Al2O3+K2O-rich one. Simulations show that the fluid flow was up-temperature (e.g. recharge) and that fluid was K-rich. Pseudo compound approach to include solid solutions in reactive transport models was tested in modeling hydrothermal alteration of Icelandic basalts. Solid solutions of chlorites, amphiboles and plagioclase were included as the secondary mineral phases. Saline and fresh water compositions of geothermal fluids were used to investigate the effect of salinity on alteration. Fluid-rock interaction simulations produce the observed mineral transformations. They show that roughly the same alteration minerals are formed due to reactions with both types of fluid which is in agreement with the field observations. A final application is directed towards the remediation of nitrate rich groundwaters. Removal of excess nitrate from groundwater by pyrite oxidation was modeled using the reactive fluid transport algorithm. Model results show that, when a pyrite-bearing, permeable zone is placed in the flow path, nitrate concentration in infiltrating water can be significantly lowered, in agreement with proposals from the literature. This is due to nitrogen reduction. Several simulations investigate the efficiency of systems with different mineral reactive surface areas, reactive barrier zone widths, and flow rates to identify the optimum setup.Zur Untersuchung verschiedener Wechselwirkungssysteme von Fluid und Gestein wurde ein eindimensionaler Transportalgorithmus für reaktive Fluide mehrerer Komponenten, 1DREACT (Steefel, 1993), benutzt. Eine große Schwachstelle bei Berechnungen des Massentransports, der die Reaktionen von Mineralen berücksichtigt, ist die nicht adäquate Behandelung von festen Lösungen, wie sie in vielen Mineralen vorkommen. Da viele thermodynamische Modelle fester Lösungen hoch nichtlinear sind, kann sich dies ernsthaft auf die Stabilität und Effizienz von Lösungsalgorithmen auswirken. Um die Leistung und Zuverlässigkeit der Algorithmen zu verbessern, wurden Pseudokomponenten bei Berechnungen des Phasengleichgewichts benutzt. Der gleiche Ansatz wird auch hier vorerst verwandt und am Beispiel der komplexen festen Lösungen von Plagioklas dargestellt. Mit ideal molekularen, Al-vermeidenden und nichtidealen Mischungsmodellen wurden thermodynamische Eigenschaften einer variierenden Anzahl von Plagioklas-Zwischenphasen berechnet. Diese unterschiedlichen Mischungsmodelle können ohne Modifikation des Transportkodes leicht in Simulationen eingebaut werden. Simulationsergebnisse zeigen, dass schon neun Zwischenverbindungen ausreichen, um das Diffusionsprofil von Albit nach Anorthit zu charakterisieren. Somit ist diese Näherung sehr effizient und kann mit geringem Aufwand eingesetzt werden. In einem weiteren Kapitel wird über die Ergebnisse der Modellierung des reaktiven Fluidtransportes berichtet, die zur Beschränkung der hydrothermalen Alteration Paläozoischer Sedimente in der Lake-Superior Region entworfen wurden. Feldbeobachtungen zeigen offensichtlich, dass aufgrund der Aktivität von Fluiden, die in permeablen Fließkanälen migrieren, Quartz-Pyrophyllit (oder Kaolinit) enthaltende Verbindungen in Zusammensetzungen mit Muskovit-Pyrophyllit-Diaspor umgewandelt wurden. Die Modellierung von Fluid-Gesteinswechselwirkung mit einer initialen Qtz-Prl Verbindung und einem K-reichen Fluid simuliert die Bildung einer mineralogischen Umwandlung, wie sie beobachteten wird. Die Gesamtzusammensetzung des Systems entwickelt sich von einer SiO2-reichen zu einer Al2O3+K2O-reichen. Simulationen zeigen, dass der Fluidfluss steigenden Temperaturen folgt und dass das Fluid K-reich war. Der Ansatz mittels Pseudokomponenten feste Lösungen in reaktive Transportmodellen einzubeziehen, wurde durch Modellierung hydrothermaler Alteration von isländischen Basalten überprüft. Feste Lösungen von Chloriden, Amphibolen und Plagioklasen wurden als sekundäre Mineralphasen einbezogen. Um die Wirkung des Salzgehalts auf die Alteration zu untersuchen, wurden saline und Frischwasser-Zusammensetzungen geothermaler Fluide benutzt. Simulationen der Fluid-Gesteinswechselwirkung erzeugen die beobachteten Mineralumwandlungen. In Übereinstimmung mit Feldbeobachtungen zeigen sie, dass durch die Reaktionen mit beiden Fluidtypen grob die gleichen Alterationsminerale gebildet werden. Zum Schluss wird die Modellierung auf die Sanierung von nitratreichem Grundwasser angewandt. Mit dem reaktiven Fluidtransport-Algorithmus wurde die Beseitigung von überschüssigem Nitrat aus dem Grundwasser durch Pyritoxidation modelliert. Die meisten Modellergebnisse zeigen, dass die Nitratkonzentration im infiltierenden Wasser signifikant erniedrigt werden kann, wenn ein pyrithaltiger, permeabler Bereich unterhalb der Fließwege platziert wird. Dies ist in guter Übereinstimmung mit Vorschlägen aus der Literatur und auf die Reduktion von Stickstoff zurückzuführen. Einige Simulationen untersuchen die Wirksamkeit von Systemen mit unterschiedlichen mineralisch reaktiven Oberflächenbereichen, reaktiven Grenzschichtdicken und Fliessraten, um den optimalen Aufbau zu identifizieren