Моделирование геохимических процессов на ЭВМ

Геологический факультет, кафедра геохимии; к.712, 939-20-34

Ярошевский Алексей Андреевич, профессор; Коптев-Дворников Евгений Владимирович, ст.науч.сотр.; Борисов Михаил Васильевич, доцент; Шваров Юрий Всеволодович, зав.сектором.

Аннотация

Цель курса знакомство магистрантов с современными проблемами и методами исследования в этой области науки. Курс состоит из двух разделов.

Раздел 1. “Моделирование динамики магматических процессов”. Обсуждается проблема тепло-массо-переноса в магматических процессах и обращается внимание на то, что только с использованием современных методов ЭВМ-моделирования появляется возможность построить корректные модели эволюции магматических систем в пространстве-времени геологических процессов. Рассматриваются методы построения ЭВМ-моделей охлаждения и затвердевания пластовых магматических тел и результаты моделирования. На этой основе обсуждаются геохимические закономерности строения расслоенных магматических комплексов основных и ультраосновных пород и демонстрируются современные возможности исследования механизмов магматической эволюции методами ЭВМ-моделирования.

Раздел 2. “Термодинамические модели процессов гидротермального минералообразования”. Анализируются современные методы расчета равновесного состава сложных многокомпонентных гетерогенных геохимических систем и принципы численного моделирования на ЭВМ геохимических процессов, приводятся примеры равновесно-динамических моделей гидротермальных и экзогенных процессов.

Студенты имеют возможность практически познакомиться с используемыми методами ЭВМ-моделирования.

Курс опирается на результы собственных научных исследований авторов.

Контрольные вопросы и задачи

1. Геологическая, физико-химическая и математическая модели. Классификация алгоритмов для расчета равновесий в многокомпонентных гетерогенных системах.
2. Равновесно-динамическое моделирование: методология, принципы, подходы к анализу неравновесных и необратимых природных процессов.
3. Геохимическая необходимость и возможность расчета метастабильных равновесий (твердые фазы, растворы).
4. Структура программного комплекса HCh. Возможности при определении фазового состава системы. Типы создаваемых файлов.
5. База данных Unitherm. Типы вводимых данных. Главные фуекции и дополнительные возможности программы. Вспомогательные программы OptimB и OptimC, их предназначение.
6. Составить управляющий файл для расчета взаимодействия в системе "порода-раствор" в задаче по мобилизации компонентов. Один реактор с породой и через него проходит 20 порций раствора постоянного состава. Описать процесс с помощью одноволновой модели.
7. Составить управляющий файл (начальный и основной шаги) для расчета титрования одного раствора другим.
8. Составить управляющий файл для расчета взаимодействий при смешении двух растворов при различных их соотношениях (10 смесей от чистого раствора 1 до чистого раствора 2, общее количество раствора остается постоянным).
9. Составить управляющий файл для расчета растворимости кальцита при Т и Р по кривой насыщенного пара воды в интервале температур от 25 до 300°С с шагом 25°С.
10. Составить управляющий файл для расчета растворимости кальцита при 25°С и давлении насыщенного пара воды при парциальном давлении СО2 от 10-6 до 10-1 бар (шаг 0.5 порядка).
11. Что такое магматическая эволюция? В чём её отличие от дифференциации? Доказательства реальности магматической эволюции. Термодинамический и динамический аспекты магматической эволюции. Гипотезы магматической эволюции (классификация).
12. Последовательность научного решения проблемы. Типы количественных моделей (примеры).
13. Природные дифференцированные магматические комплексы. Степень их привлекательности для верификации генетических построений.
14. Начальные и граничные условия кумуляционной модели кристаллизационной дифференциации. Аксиоматика кумуляционной модели. Главные особенности динамики кумуляционной модели. Результаты верификации.
15. Конвекционно-кумуляционная модель: обоснование, способ реализации, особенности динамики, верификация.
16. Проблема ритмической расслоенности мафит-ультрамафитовых дифференцированных интрузивов. Геохимическая термометрия: принцип метода, применение для ритмической расслоенности.
17. Закономерности строения (последовательность кумулатов в вертикальном разрезе, чему она отвечает) и рудоносности расслоенных интрузивов. Принцип котектического насыщения.
18. Главные отличия модельных тел, сформировавшихся по мехнизмам конвекционно-кумуляционному и направленной кристаллизации. Принципиальное противоречие в строении модельных тел – продуктов направленной кристаллизации и природных расслоенных интрузивов.

Список литературы

Основная:
1. Борисов М.В., Шваров Ю.В. Термодинамика геохимических процессов. М., МГУ, 1992, 254 с.
2. Крайнов С.Р., Шваров Ю.В., Гричук Д.В....Борисов М.В. и др. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии. М., Недра, 1988, 254 с.
3. Термодинамическое моделирование в геологии. Под ред. И.Кармайкла, Х.Ойгстера. М., Мир, 1992, 534 с.
4. Жариков В.А. Основы физической геохимии. М., МГУ-Наука, 2005, 654 с.
5. Shvarov Yu., Bastrakov E. HCh: a software package for geochemical equilibrium modelling. User's Guide. Australian Geological Survey Organisation (Department of industry, science & resources), Canberra, 1999, 56 p.
6. Шваров Ю.В. HCh: новые возможности термодинамического моделирования геохимических систем, предоставляемые Windows//  Геохимия, 2008, № 8, 898-903.
7. Инструкция пользователя пакета программ HCh. МГУ, 2009. – http://www.geol.msu.ru/deps/geochems/soft/index.html
8. Френкель М.Я., Ярошевский А.А., Арискин А.А., Бармина Г.С., Коптев-Дворников Е.В., Киреев Б.С. Динамика внутрикамерной дифференциации базитовых магм. М., Наука, 1988, 214 с.
9. Френкель М.Я. Тепловая и химическая динамика дифференциации базитовых магм. – М., Наука, 1995, 239 с.
10. Арискин А.А., Бармина Г. С. Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм.  М., Наука, МАИК «Наука/Интерпериодика», 2000, 363 с.
Дополнительная:
1. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск, Наука, 1981, 248 с.
2. Борисов М.В. Геохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования. М.: Научный мир, 2000, 360 с.
3. Гричук Д.В. Термодинамические модели субмаринных гидротермальных систем. М.: Научный мир, 2000, 304 с.
4. Борисов М.В., Бычков Д.А., Шваров Ю.В. Геохимические структуры полиметаллических жил выполнения и параметры гидротермального рудообразования// Геохимия, 2006, №11, 1218-1239.
5. Шваров Ю.В. Алгоритмизация численного равновесного моделирования динамических геохимических процессов. Геохимия, 1999, № 6,646-652.
6. Бычков А.Ю. Геохимическая модель современного рудообразования в кальдере Узон (Камчатка). М., ГЕОС, 2009, 124 с.
7. Коптев-Дворников Е.В., Ярошевский А.А., Френкель М.Я., Кристаллизационная дифференциация интрузивного магматического расплава. V. Оценка реальности седиментационной модели// Геохимия, 1979, №4, с. 488-508.
8. Семенов В.С., Коптев-Дворников Е.В., Берковский А.Н., Киреев Б.С., Пчелинцева Н.Ф., Васильева М.О. Расслоенный троктолит-габбро-норитовый интрузив Ципринга: геологическое строение, петрология// Петрология, 1995, №3, с. 1-23.
9. Коптев-Дворников Е.В., Киреев Б.С. Пчелинцева Н.Ф., Хворов Д.М. Распределение кумулятивных парагенезисов, породообразующих и второстепенных элементов в вертикальном разрезе Киваккского интрузива (Олангская группа интрузивов, Северная Карелия)// Петрология, 2001, №1, с. 3-27.
10. Бычкова Я.В., Коптев-Дворников Е.В. Ритмическая расслоенность киваккского типа: геология, петрография, петрохимия, гипотеза формирования// Петрология, 2004, №3, с. 281-302.