Мета. Основна мета нашого дослідження – продемонструвати використання методу максимізації ентропії для розрахунку складу геохімічної системи, що складається із твердих та газоподібних органічних речовин. Зміна геодинамічної обстановки є рушійною силою перерозподілу елементів між сполуками в таких системах. Відповідно до апарату термодинаміки, основними факторами, які впливають на цей перерозподіл, є тиск, температура та початкова кількість елементів. Методи. Метод мінімізації енергії Гіббса, метод максимізації ентропії, метод констант незалежних хімічних реакцій, метод невизначених множників Лагранжа, ітераційний метод Ньютона–Рафсона. Відомо, що розсіяна органічна речовина, яка переважно представлена багатьма типами керогену, являє собою нерегулярний полімер, будову якого неможливо описати однозначно. Для розрахунку рівноваги в системі кероген/гази, щоб одержати надійні результати, необхідно застосувати нову модель, яка б не ґрунтувалась на модельних структурах керогену. Ми запропонували і детально описали спосіб застосування формалізму Джейнса та максимізації ентропії для розрахунку зміни складу системи кероген/газ під час зміни геодинамічних режимів. Для розрахунків створено програмне забезпечення у вигляді макросів Excel та компільованої системної бібліотеки мовою Visual Basic. Результати. Для перевірки надійності методу та алгоритму розраховано склад системи, що складається із керогену ІІ типу, вуглеводнів від метану до пентану (з ізомерами), вуглекислого газу, води та сірководню. Результатом розрахунку стали мольні частки вуглеводневих компонентів та адитивних груп, з яких складається кероген, для різних глибин земної кори. Обчислення виконано для трьох теплових потоків: 40, 75 та 100 мВт/м2, із урахуванням літостатичного тиску. Новизна. Встановлено, що зміна геодинамічної обстановки впливає на розподіл елементів між газами та керогеном у замкненій термодинамічній системі; моделювання поведінки системи кероген/газ із застосуванням методу максимізації ентропії дає результати, які не суперечать експериментам з вивчення структури керогену ІІ типу в різних стадіях зрілості; характер змін концентрацій вуглеводневих газів у рівновазі з керогеном ІІ типу свідчить про те, що гіпотеза “нафтового вікна” не суперечить постулатам рівноважної термодинаміки. Практична значущість. Метод максимізації ентропії можна успішно використовувати для розрахунку складу різних геохімічних систем із органічних сполук. Метод придатний для визначення хімічного складу нерегулярних полімерів, таких як кероген, бітум, гуміни, у рівновазі з газами та рідинами.
- Хоха Ю. В. Термодинаміка глибинних вуглеводнів у прогнозуванні регіональної газоносності. Київ: Наукова думка, 2014. 56 с.
- Хоха Ю., Любчак О., Яковенко М. Енергія Гіббса утворення компонентів природного газу в осадових товщах. Геологія та геохімія горючих корисних копалин, 2019. Вип. 2(179). С. 37-47.
- Behar, F., & Vandenbroucke, M. (1987). Chemical modelling of kerogens. Organic Geochemistry, 11(1), 15-24. doi:10.1016/0146-6380(87)90047-7
- Bell I. H., Wronski, J., Quoilin, S., & Lemort, V. (2014). Pure and Pseudo-pure Fluid Thermophysical Property Evaluation and the Open-Source Thermophysical Property Library CoolProp. Industrial & Engineering Chemistry Research, 53(6), 2498-2508. doi:10.1021/ie4033999
- Blecic, J., Harrington, J., & Bowman, M. O. (2016). TEA: A code for calculating thermochemical equilibrium abundances. The Astrophysical Journal Supplement Series, 225(1), web. doi:10.3847/0067-0049/225/1/4
- Dziewonski, A. M., & Anderson, D. L. (1981). Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 25(4), 297-356. doi:10.1016/0031-9201(81)90046-7
- Jaynes, E. T. (1957). Information theory and statistical mechanics. Physical Review, 106(4), 620–630. doi:10.1103/PhysRev.106.620.
- Hasterok, D., & Chapman, D. S. (2011). Heat production and geotherms for the continental lithosphere. Earth and Planetary Science Letters, 307(1-2), 59-70. doi:10.1016/j.epsl.2011.04.034
- Helgeson, H., Richard, L., McKenzie, W., Norton, D., & Schmitt, A. (2009). A chemical and thermodynamic model of oil generation in hydrocarbon source rocks. Geochimica et Cosmochimica Acta, 73(3), 594-695. doi:10.1016/j.gca.2008.03.004
- Kelemen, S. R., Afeworki, M., Gorbaty, M.L., Sansone, M., Kwiatek, P.J., Walters, C.C., Freund, H., Siskin, M., Bence, A.E., Curry, D.J., Solum, M., Pugmire, R.J., Vandenbroucke, M., Leblond, M., & Behar, F. (2007). Direct Characterization of Kerogen by X-ray and SolidState 13C Nuclear Magnetic Resonance Methods. Energy & Fuels, 21(3), 1548−1561. doi:10.1021/ef060321h
- Koukkari, P. (2014). Introduction to constrained Gibbs energy methods in process and materials research. VTT Technical Research Centre of Finland.
- Lyubchak, O., Khokha Yu., & Yakovenko, M. (2018). Correlation of the hydrocarbon components structural elements of the eastern Carpathians argillites by the Jaynes' formalism. Visnyk of V.N. Karazin Kharkiv National University, series «Geology. Geography. Ecology», 49, 83-94. (in Ukrainian). doi:10.26565/2410-7360-2018-49-07
- Planche, H. (1996). Finite time thermodynamics and the quasi-stability of closed-systems of natural hydrocarbon mixtures. Geochimica et Cosmochimica Acta, 22(60), 4447-4465. doi:10.1016/S0016-7037(96)00271-2
- Sanford, G., & McBride, B.J. (1994). Computer program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Composition and Application. NASA Reference Publication 1311.
- Stull, D.R., Westrum Jr., & E.F., Sinke, G.C. (1969). The chemical thermodynamics of organic compounds. New York, London, Sydney, Toronto: J. Wiley.
- Tissot, B.P., Welte, D. H. (1984). Petroleum Formation and Occurrence. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer-Verlag.
- Tribus, M. (1961). Thermodynamics and Thermostatics: An Introduction to Energy, Information and States of Matter, with Engineering Applications. Princeton: D. Van Nostrand Company Inc.
- Ungerer, P., Collell, J., & Yiannourakou, M. (2015). Molecular Modeling of the Volumetric and Thermodynamic Properties of Kerogen: Influence of Organic Type and Maturity. Energy & Fuels, 29(1), 91-105. doi:10.1021/ef502154k
- Vandenbroucke, M., & Largeau, C. (2007). Kerogen origin, evolution and structure. Organic Geochemistry, 38(5), 719–833. doi:10.1016/j.orggeochem.2007.01.001
- van Krevelen D. W., & Chermin H. A. G. (1951). Estimation of the free enthalpy (Gibbs free energy) of formation of organic compounds from group contributions. Chemical Engineering Science, 1(2), 66-80. doi:10.1016/0009-2509(51)85002-4