Complete removal of dissolved Fe as saponite

[leocwang]

Hi all,

I am trying to simulate low-temperature (5 degrees C) aqueous alteration of Martian rocks. I am using the Core 11 database (https://github.com/MarcNeveu/ExoCcycleGeo/blob/master/ExoCcycleGeo/PHREEQC-3.1.2/core11_idealgas.dat) with high-temperature phases excluded or set to dissolve-only when they are part of the protolith (albite, anorthite, diopside, and quartz). I ran the simulation with two different protolith compositions, with diffusive transport only or with advective-dispersive transport, and with or without kinetics for protolith phases.

In all cases, Fe from the protolith seemed to be completely transformed into saponite-Fe-Fe at the beginning of the simulation, even with kinetics considered. As a result, Fe concentration in the fluid (obtained by "-totals Fe" in SELECTED_OUTPUT) was always 0 throughout the run. This result is unexpected and doesn't seem to be correct. I would like to know what may have gone wrong in my simulation setup.

The input file for one of my simulations is reproduced below:

Code: [Select]

DATABASE C:\Program Files (x86)\USGS\Phreeqc Interactive 3.7.3-15968\database\core11_idealgas.dat
PHASES
# calculated from data from Chen & Sverjensky (1991) https://doi.org/10.1016/0016-7037(91)90028-4
Chlorapatite
Ca5Cl(PO4)3 + 3 H+ = Cl- + 3 HPO4-2 + 5 Ca+2
delta_h -38.595 kcal
KNOBS
    -iterations            100
    -convergence_tolerance 1e-08
    -tolerance             1e-15
    -step_size             10
    -pe_step_size          5
SOLUTION 1
    temp      5
    pH        7
    pe        4
    redox     pe
    units     mmol/kgw
    density   1
    -water    1 # kg

EQUILIBRIUM_PHASES 1
    Al2(SO4)3 0 0
    Albite    0 0.0086 dissolve_only
    Alum-K    0 0
    Alunite   0 0
    Analcime  0 0
    Andalusite 0 0
    Anhydrite 0 0
    Anorthite 0 0.0031 dissolve_only
    Aragonite 0 0
    Arcanite  0 0
    Artinite  0 0
    Bassanite 0 0
    Beidellite-Ca 0 0
    Beidellite-Fe 0 0
    Beidellite-K 0 0
    Beidellite-Mg 0 0
    Beidellite-Na 0 0
    Berlinite 0 0
    Boehmite  0 0
    Brucite   0 0
    CO2(g)    0 10
    Ca3Al2O6  0 0
    Ca4Al2Fe2O10 0 0
    CaAl2O4   0 0
    CaAl4O7   0 0
    Calcite   0 0
    Celadonite 0 0
    Chamosite 0 0
    Chlorapatite 0 0.000565
    Chloromagnesite 0 0
    Clinoptilolite-Ca 0 0
    Clinoptilolite-K 0 0
    Clinoptilolite-Na 0 0
    Corundum  0 0
    Cronstedtite-7A 0 0
    Dawsonite 0 0
    Dicalcium_silicate 0 0
    Diopside  0 0.00142 dissolve_only
    Enstatite 0 0.0398
    Fayalite  0 0.0191
    Fe(OH)2   0 0
    Fe(OH)3   0 0
    Fe2(SO4)3 0 0
    FeO       0 0
    FeSO4     0 0
    Ferrite-Ca 0 0
    Ferrite-Dicalcium 0 0
    Ferrite-Mg 0 0
    Ferrosilite 0 0.0236
    Forsterite 0 0.0322
    Foshagite 0 0
    Gibbsite  0 0
    Goethite  0 0
    Greenalite 0 0
    Gypsum    0 0
    Gyrolite  0 0
    Halite    0 0
    Hatrurite 0 0
    Hematite  0 0
    Hercynite 0 0
    Huntite   0 0
    Hydromagnesite 0 0
    Hydrophilite 0 0
    Hydroxyapatite 0 0
    Jarosite  0 0
    K-Feldspar 0 0.000884
    K2O       0 0
    KAl(SO4)2 0 0
    Kaolinite 0 0
    Kyanite   0 0
    Lawrencite 0 0
    Lime      0 0
    Magnetite 0 0.00159
    Mayenite  0 0
    Melanterite 0 0
    Mesolite  0 0
    MgOHCl    0 0
    MgSO4     0 0
    Minnesotaite 0 0
    Mirabilite 0 0
    Molysite  0 0
    Monohydrocalcite 0 0
    Montmor-Ca 0 0
    Montmor-K 0 0
    Montmor-Mg 0 0
    Montmor-Na 0 0
    Mordenite 0 0
    NH4-feldspar 0 0
    NH4Cl     0 0
    NH4HCO3   0 0
    Na2CO3    0 0
    Na2CO3:7H2O 0 0
    Na2O      0 0
    Na2SiO3   0 0
    NaFeO2    0 0
    Nahcolite 0 0
    Natrolite 0 0
    Natron    0 0
    Natrosilite 0 0
    Nepheline 0 0
    Nesquehonite 0 0
    Niter     0 0
    Nontronite-Ca 0 0
    Nontronite-K 0 0
    Nontronite-Mg 0 0
    Nontronite-Na 0 0
    Okenite   0 0
    Pyrite    0 0.00105
    Quartz    0 0 dissolve_only
    Ripidolite 0 0
    Sanidine_high 0 0
    Saponite-Fe-Ca 0 0
    Saponite-Fe-Fe 0 0
    Saponite-Fe-K 0 0
    Saponite-Fe-Mg 0 0
    Saponite-Fe-Na 0 0
    Saponite-Mg-Ca 0 0
    Saponite-Mg-Fe 0 0
    Saponite-Mg-K 0 0
    Saponite-Mg-Mg 0 0
    Saponite-Mg-Na 0 0
    Sepiolite 0 0
    SiO2(am)  0 0
    Siderite  0 0
    Sillimanite 0 0
    Smectite-high-Fe-Mg 0 0
    Smectite-low-Fe-Mg 0 0
    Spinel    0 0
    Strengite 0 0
    Sylvite   0 0
    Talc      0 0
    Thenardite 0 0
    Thermonatrite 0 0
    Wustite   0 0
SOLUTION 2-100
    temp      5
    pH        7
    pe        4
    redox     pe
    units     mmol/kgw
    density   1
    -water    1 # kg
EQUILIBRIUM_PHASES 2-100
    Al2(SO4)3 0 0
    Albite    0 0.0086 dissolve_only
    Alum-K    0 0
    Alunite   0 0
    Analcime  0 0
    Andalusite 0 0
    Anhydrite 0 0
    Anorthite 0 0.0031 dissolve_only
    Aragonite 0 0
    Arcanite  0 0
    Artinite  0 0
    Bassanite 0 0
    Beidellite-Ca 0 0
    Beidellite-Fe 0 0
    Beidellite-K 0 0
    Beidellite-Mg 0 0
    Beidellite-Na 0 0
    Berlinite 0 0
    Boehmite  0 0
    Brucite   0 0
    Ca3Al2O6  0 0
    Ca4Al2Fe2O10 0 0
    CaAl2O4   0 0
    CaAl4O7   0 0
    Calcite   0 0
    Celadonite 0 0
    Chamosite 0 0
    Chlorapatite 0 0.000565
    Chloromagnesite 0 0
    Clinoptilolite-Ca 0 0
    Clinoptilolite-K 0 0
    Clinoptilolite-Na 0 0
    Corundum  0 0
    Cronstedtite-7A 0 0
    Dawsonite 0 0
    Dicalcium_silicate 0 0
    Diopside  0 0.00142 dissolve_only
    Enstatite 0 0.0398
    Fayalite  0 0.0191
    Fe(OH)2   0 0
    Fe(OH)3   0 0
    Fe2(SO4)3 0 0
    FeO       0 0
    FeSO4     0 0
    Ferrite-Ca 0 0
    Ferrite-Dicalcium 0 0
    Ferrite-Mg 0 0
    Ferrosilite 0 0.0236
    Forsterite 0 0.0322
    Foshagite 0 0
    Gibbsite  0 0
    Goethite  0 0
    Greenalite 0 0
    Gypsum    0 0
    Gyrolite  0 0
    Halite    0 0
    Hatrurite 0 0
    Hematite  0 0
    Hercynite 0 0
    Huntite   0 0
    Hydromagnesite 0 0
    Hydrophilite 0 0
    Hydroxyapatite 0 0
    Jarosite  0 0
    K-Feldspar 0 0.000884
    K2O       0 0
    KAl(SO4)2 0 0
    Kaolinite 0 0
    Kyanite   0 0
    Lawrencite 0 0
    Lime      0 0
    Magnetite 0 0.00159
    Mayenite  0 0
    Melanterite 0 0
    Mesolite  0 0
    MgOHCl    0 0
    MgSO4     0 0
    Minnesotaite 0 0
    Mirabilite 0 0
    Molysite  0 0
    Monohydrocalcite 0 0
    Montmor-Ca 0 0
    Montmor-K 0 0
    Montmor-Mg 0 0
    Montmor-Na 0 0
    Mordenite 0 0
    NH4-feldspar 0 0
    NH4Cl     0 0
    NH4HCO3   0 0
    Na2CO3    0 0
    Na2CO3:7H2O 0 0
    Na2O      0 0
    Na2SiO3   0 0
    NaFeO2    0 0
    Nahcolite 0 0
    Natrolite 0 0
    Natron    0 0
    Natrosilite 0 0
    Nepheline 0 0
    Nesquehonite 0 0
    Niter     0 0
    Nontronite-Ca 0 0
    Nontronite-K 0 0
    Nontronite-Mg 0 0
    Nontronite-Na 0 0
    Okenite   0 0
    Pyrite    0 0.00105
    Quartz    0 0 dissolve_only
    Ripidolite 0 0
    Sanidine_high 0 0
    Saponite-Fe-Ca 0 0
    Saponite-Fe-Fe 0 0
    Saponite-Fe-K 0 0
    Saponite-Fe-Mg 0 0
    Saponite-Fe-Na 0 0
    Saponite-Mg-Ca 0 0
    Saponite-Mg-Fe 0 0
    Saponite-Mg-K 0 0
    Saponite-Mg-Mg 0 0
    Saponite-Mg-Na 0 0
    Sepiolite 0 0
    SiO2(am)  0 0
    Siderite  0 0
    Sillimanite 0 0
    Smectite-high-Fe-Mg 0 0
    Smectite-low-Fe-Mg 0 0
    Spinel    0 0
    Strengite 0 0
    Sylvite   0 0
    Talc      0 0
    Thenardite 0 0
    Thermonatrite 0 0
    Wustite   0 0
TRANSPORT
    -cells                 100
    -shifts                100
    -time_step             31536000000 # seconds
    -flow_direction        diffusion_only
    -boundary_conditions   closed flux
    -lengths               100*2
    -diffusion_coefficient 1e-009
    -thermal_diffusion     2   1e-009
    -dump_frequency        1

SELECTED_OUTPUT 1
    -file                 diff_200m.sel
    -reset                false
    -state                true
    -solution             true
    -step                 true
    -pH                   true
    -water                true
    -totals               C  Al  Ca  Fe  K  Mg  Na  Si
    -equilibrium_phases   Al2(SO4)3  Albite  Alum-K  Alunite
                          Analcime  Andalusite  Anhydrite  Anorthite
                          Aragonite  Arcanite  Artinite  Bassanite
                          Beidellite-Ca  Beidellite-Fe  Beidellite-K  Beidellite-Mg
                          Beidellite-Na  Berlinite  Boehmite  Brucite
                          Ca3Al2O6  Ca4Al2Fe2O10  CaAl2O4  CaAl4O7
                          Calcite  Celadonite  Chamosite  Chlorapatite
                          Chloromagnesite  Clinoptilolite-Ca  Clinoptilolite-K  Clinoptilolite-Na
                          Corundum  Cronstedtite-7A  Dawsonite  Dicalcium_silicate
                          Diopside  Enstatite  Fayalite  Fe(OH)2
                          Fe(OH)3  Fe2(SO4)3  FeO  FeSO4
                          Ferrite-Ca  Ferrite-Dicalcium  Ferrite-Mg  Ferrosilite
                          Forsterite  Foshagite  Gibbsite  Goethite
                          Greenalite  Gypsum  Gyrolite  Halite
                          Hatrurite  Hematite  Hercynite  Huntite
                          Hydromagnesite  Hydrophilite  Hydroxyapatite  Jarosite
                          K-Feldspar  K2O  KAl(SO4)2  Kaolinite
                          Kyanite  Lawrencite  Lime  Magnetite
                          Mayenite  Melanterite  Mesolite  MgOHCl
                          MgSO4  Minnesotaite  Mirabilite  Molysite
                          Monohydrocalcite  Montmor-Ca  Montmor-K  Montmor-Mg
                          Montmor-Na  Mordenite  NH4-feldspar  NH4Cl
                          NH4HCO3  Na2CO3  Na2CO3:7H2O  Na2O
                          Na2SiO3  NaFeO2  Nahcolite  Natrolite
                          Natron  Natrosilite  Nepheline  Nesquehonite
                          Niter  Nontronite-Ca  Nontronite-K  Nontronite-Mg
                          Nontronite-Na  Okenite  Pyrite  Quartz
                          Ripidolite  Sanidine_high  Saponite-Fe-Ca  Saponite-Fe-Fe
                          Saponite-Fe-K  Saponite-Fe-Mg  Saponite-Fe-Na  Saponite-Mg-Ca
                          Saponite-Mg-Fe  Saponite-Mg-K  Saponite-Mg-Mg  Saponite-Mg-Na
                          Sepiolite  SiO2(am)  Siderite  Sillimanite
                          Smectite-high-Fe-Mg  Smectite-low-Fe-Mg  Spinel  Strengite
                          Sylvite  Talc  Thenardite  Thermonatrite
                          Wustite  CO2(g)

Thanks in advance.

[dlparkhurst]

It looks like there is an error in core11 for Saponite-Fe-Fe. The second parameter in -analytic should be -1.63e-1, but the "e" is missing. See if that makes a difference in your calculations. You can add the following to your input file.

Code: [Select]

PHASES
Saponite-Fe-Fe
Fe3.175Al.35Si3.65O10(OH)2 + 7.4 H+ = 0.35 Al+3 + 3.175 Fe+2 + 3.65 SiO2 + 4.7 H2O
log_k 18.9359
-analytic 5.762e1 -1.630e-1 0 0 0 1.099e-4
# Range 0-300
-Vm 142.672
# Extrapol supcrt92
# Ref Catalano13

[leocwang]

Thank you dlparkhurst. I tried running a simulation with the fixed data for Saponite-Fe-Fe and it solved my issue.