Комплексное компьютерное моделирование геохимических объектов на примерах двумерных моделей коллизии плит, магматогенно-гидротермальной системы и зоны субдукции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.09, кандидат геолого-минералогических наук Васильев, Владимир Игоревич

• Васильев, Владимир Игоревич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Васильев, Владимир Игоревич

Введение

Глава 1. Состояние проблемы

1.1. Геометрический аспект моделирования

1.2. Физический аспект моделирования

1.3. Физико-химический (термодинамический) аспект моделирования

1.4. Некоторые классические модели

1.4.1. Модель охлаждения интрузива JI.M. Кэтлса

1.4.2. Модели тепломассопереноса A.B. Кирюхина и В.М. Сугробова

1.4.3. Комбинированные модели Д.В. Гричука,

М.В. Борисова и A.B. Тутубалина

Глава 2. Методика моделирования

2.1. Основные определения

2.2. Геометрический этап

2.3. Физический этап

2.4. Физико-химический этап

2.5. Динамический этап

Глава 3. Модель-схема коллизии плит

3.1. Описание модели —

3.2. Программный продукт Vladi Collision 2.

Глава 4. Модель магматогенно-гидротермальной системы

Глава 5. Модель зоны субдукции

5.1. Концептуальная модель —

5.1.1. Постановка задачи —

5.1.2. Петрогеохимическая характеристика островных дуг Курило-Камчатской системы

5.1.3. Природа проявления современного вулканизма Курило-Камчатской системы

5.1.4. Модель магмообразования в зоне субдукции

5.2. Геометрический анализ и входные составы зон модели

5.3. Физический этап

5.3.1. Метод Гаусса-Зейделя с фиксированными точками —

5.3.2. Программный продукт У1асН 1.

5.3.3. Расчет температур и давлений подсистем модели

5.4. Физико-химический этап

5.5. Динамический этап

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексное компьютерное моделирование геохимических объектов на примерах двумерных моделей коллизии плит, магматогенно-гидротермальной системы и зоны субдукции»

Актуальность проблемы. Общей тенденцией развития современной геохимии является переход от преимущественно описательной характеристики геологических объектов к изучению тех процессов, которые управляют превращениями вещества в недрах и на поверхности нашей планеты. Научную ценность химико-аналитического материала, количественным показателям которого еще недавно придавали первостепенное значение, предпочитают рассматривать с позиций того, что нового может дать этот материал в раскрытии физических и физико-химических закономерностей природных процессов.

Смещение фундаментальных научных интересов от сбора и накопления аналитической информации к исследованию процессов преобразования, миграции и эволюции вещества на теоретическом уровне строгих положений химической термодинамики объективно продиктовано естественным ходом развития геохимии и геофизики как наиболее точных областей человеческого знания в комплексе наук о Земле. В то же время использованием компьютера в качестве важнейшего инструмента исследований в этой области пренебрегает большинство ученых.

Между тем, дальнейший рост научного потенциала геохимической науки зависит уже не столько от тех дорогостоящих усилий, которые направлены на аддитивное увеличение общей суммы аналитических данных, сколько от глубины и строгости физико-химического синтеза всей многосложной совокупности полевой, аналитической и экспериментальной информации в науках о Земле и смежных областях знания. Такого уровня исследований на современном этапе можно добиться только методами компьютерного моделирования.

Подводя итог вышесказанному, подчеркнем насущную необходимость универсального методологического подхода к компьютерному моделированию природных объектов, способного стать инструментом изучения уровня любого масштаба геохимических исследований. Также исключительно важна популяризация компьютерного моделирования среди геологов различной специализации, демонстрация его возможностей на примерах тематически близких им моделей.

Целью работы является разработка методики комплексного компьютерного моделирования геологических объектов на основе объектно-ориентированного подхода и апробация ее на прикладных тематических моделях геологических объектов. Это модель-схема коллизии плит, физико-химическая модель магматогенно-гидротермальной системы и многорезерву-арная модель обстановки зоны субдукции.

Задачи работы были поставлены в соответствии с выбранной целью и могут быть сформулированы следующим образом:

1) освоение теории компьютерного моделирования;

2) освоение языков программирования и интегрированных сред разработки (языки Basic, Pascal, С, С++);

3) освоение и модернизация существующих программных продуктов для различных типов моделирования геологических объектов; анализ существующих методов физико-химического моделирования;

4) наработка опыта в построении существенного количества разнотипных компьютерных моделей; разработка авторских прикладных программ, необходимых при построении моделей разного типа;

5) собственно разработка и апробация методики;

6) анализ, интерпретация и оценка результатов моделирования.

Научная новизна. Существует множество методов компьютерного моделирования с частных позиций геометрического, физического, химического или физико-химического подходов, иногда парно объединенных. Тем не менее, попытка свести разноплановые методы в схему единого универсального подхода к моделированию геологических объектов, выполнена, по-видимому, впервые. Кроме этого, по мнению автора, опубликованные в доступной научной литературе модели являются результатом такого положения вещей, когда есть множество методов, но нет методик компьютерного моделирования, т.е. отсутствует единый методологический принцип разработки и оценки моделей геологических объектов. В данной работе автор постарался восполнить этот недостаток современного этапа исследования.

Практика применения комплексного подхода в компьютерном моделировании, включающего аспекты представления и описания исследуемого объекта в рамках перехода от эмпирической модели к компьютерной, получила достаточное развитие в первую очередь в приложениях к решению инженерно-конструкторских задач (Нигматулин, 1987; Оран, Борис, 1990; Седов, 2004). Высокая степень детерминированности изучаемых объектов и детально разработанный математический аппарат делает такие реализации своего рода эталонами прикладных методов математического моделирования. В моделировании же природных систем далеко не всегда могут быть использованы передовые разработки из области технологических приложений, так как геохимические процессы формирования и развития реальных геологических объектов обусловлены протеканием многостадийных химических превращений вещества, кинетические характеристики которых не всегда известны с достаточной степенью надежности и достоверности; поэтому построение детерминированной модели в рамках изначально заданной системы дифференциальных уравнений с учетом всего многообразия обратимых и необратимых химических взаимодействий на существующем уровне познания не представляется возможным.

В то же время наибольшие успехи в построении физико-химических моделей природных процессов получены с помощью методов термодинамического моделирования (Карпов, 1981), которые позволяют производить расчет компонентного и фазового состава моделируемых систем без рассмотрения траекторий перехода систем в конечное равновесное состояние, опираясь на фундаментальный принцип достижения системы минимума термодинамического потенциала. Дальнейшее развитие методов термодинамического моделирования в геологии направлено на преодоление главного ограничение аппарата химической термодинамики — отсутствие пространственно-временных координат и связано с разработкой подходов, объединяющих динамические и физико-химические модели в рамках единых вычислительных схем (Шарапов и др., 2007, 2008).

Объектно-ориентированный подход, широко применяемый в программировании, при моделировании природных объектов также является новым; работы такого плана автору не известны. Между тем, именно он позволяет максимально наглядно и удобно для восприятия представлять модели любых геологических объектов в терминах конструктивных схем единой концепции.

Нельзя не отметить также несомненную новизну компьютерных моделей (главы 3-5), разработанных на базе оригинальной методики, и программных продуктов, разработанных автором по собственным алгоритмам.

Практическая значимость работы состоит в универсальности применения представляемой методики для самого широкого круга геологических задач, в которых в той или иной степени затрагивается проблема эволюции вещества. Это утверждение аргументируется представлением методологически единых моделей таких категориально различных геологических объектов, как процесс коллизии плит и явление термодинамического резервуара в толще породы (глава 2). Разработанные модели (главы 3-5) показывают практическую пригодность методики для получения как качественных, так и количественных параметров моделируемого объекта.

Результаты применения предлагаемой методики в области комплексного моделирования зоны субдукции позволяют не только подтвердить многие теоретические догадки для сложных в изучении глубоких горизонтов данных областей, но и поднять будущие модельные работы на новый, детальный уровень. Так, подведена серьезная вещественная основа для дальнейших исследований в этой области: создана база данных, включающая более четырех тысяч равновесных минеральных ассоциаций с раствором и газовой фазой, рассчитанных исходя из наиболее общих исходных данных. Также заслуживает внимание расчетное распределение температурных полей, наиболее приемлемое с точки зрения петрофизики геологических сред.

Кроме собственно геолого-геохимической практической значимости, заслуживают внимания предлагаемые относительные критерии оценки корректности моделей (глава 2). Автор убежден, что будущие модельные исследования необходимо вести в направлении роста именно этих критериев, оценивая любую компьютерную модель хотя бы сравнительно с другими моделями относительно степени учета основных характеристик и функциональности на примере подобных геологических объектов.

Защищаемые положения.

1. Предложенная методика комплексного компьютерного моделирования позволяет в рамках универсального объектно-ориентированного подхода разрабатывать модели самых различных геохимических объектов и оценивать их по предложенным критериям корректности: описательному, функциональному и событийному.

2. Модель коллизии плит, разработанная по предложенной методике и реализованная с помощью прикладного программного продукта Vladi Collision, позволяет, варьируя начальными и граничными условиями, рассчитывать и визуализировать различные варианты геометрической эволюции модельной системы с учетом распределения температурных полей разреза.

3. Созданная модель магматогенно-гидротермальной системы отражает основные закономерности массопереноса и минералообразования в гидротермальных системах областей развития современного вулканизма.

4. Разработанная комплексная компьютерная модель зоны субдукции, представленной в виде двумерной метасистемы, за счет разбиения на -4000 подсистем, подтверждает гипотетические положения о Р-Т—условиях нахождения свободного флюида при его подъеме от дегидратирующейся плиты к поверхности.

Реализация работы. Различные варианты авторских программных продуктов переданы и используются в лабораториях Геологического института СО РАН (г. Улан-Удэ) и Института геохимии СО РАН (г. Иркутск).

Публикации и апробация. Основные положения диссертации опубликованы в восемнадцати печатных работах, а также докладывались на Школе-семинаре российских делегатов XXXI Международного Геологического Конгресса (БИС «Академик Иоффе», Атлантика, 2000), XIX Всероссийской конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2001), III Всероссийском симпозиуме с международным участием «Золото Сибири и Дальнего Востока» (Улан-Удэ, 2004), III Всероссийском симпозиуме по вулканологии и палеовулканологии (Улан-Удэ, 2006), Всероссийской конференции с иностранным участием в честь 50-летия СО РАН и 80-летия чл.-корр. РАН Ф.П. Кренделева (Улан-Удэ, 2007), I международной конференции «Граниты и эволюция Земли» (Улан-Удэ, 2008), IV Всероссийском симпозиуме по вулканологии и палеовулканологии «Вулканизм и геодинамика» (Петропавловск-Камчатский, 2009), Научных совещаниях «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)» (Иркутск, 2008, 2009), ежегодных Научных сессиях Геологического института СО РАН (1998 - 2009).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы общим объемом 120 страниц печатного текста, 16 таблиц и 36 иллюстраций.

Заключение диссертации по теме «Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых», Васильев, Владимир Игоревич

5.6. Основные выводы

В представленной модели были рассмотрены все четыре основных аспекта моделирования геологического объекта: геометрический, физический, физико-химический и динамический.

За счет разбиения метасистемы на большое количество подсистем и учета доступного количества их экстенсивных параметров, на геометрическом этапе была достигнута доскональная проработанность структуры модели. Наименьшая по размерам зона (5) включала в себя 48 подсистем, наибольшая - 1453 (ОМЬ). Такой подробный геометрический анализ позволил детально рассчитать распределение тепла и вещества на физическом и физико-химическом этапах.

Для таких длительно живущих геологических объектов, как зоны субдук-ции, распределение интенсивных параметров можно с достаточной степенью уверенности считать стационарным. Поэтому применение расчетного стационарного распределения температурных полей на основании совокупности точек с эмпирически или теоретически известными значениями, на наш взгляд, вполне приемлемо. В целом, рассчитанные значения температур качественно соответствуют общепринятой температурной модели (Honda, Uyeda, 1983; Добре-цов и др., 2001) с несколько повышенными значениями для субдуцирующей плиты и пониженными - для астеносферного клина.

Основанные на полученном распределении температур физико-химические расчеты позволяют подтвердить классическое разбиение зоны суб-дукции плиты на сегменты (Добрецов, Кирдяшкин, 1997), несколько сместив их границы. Верхний сегмент (<30 км) характеризуется условиями фации зеленых сланцев при температуре меньше 400°С с незначительной дегидратацией. Следующий сегмент (30—50 км) представляет собой область фации глаукофановых сланцев при 400-700°С. Третий сегмент (>50 км) характеризуется температурами 700-1000°С эклогитовой фации с интенсивной дегидратацией и частичным плавлением. Самая нижняя (-100 км) часть рассматриваемой зоны захватывает самое начало четвертого сегмента - области более полного плавления погружающейся плиты — возможного источника расплава для вулканизма II типа по классификации (Tatsumi, 1989; Добрецов и др., 2001).

Результаты моделирования позволяют не только подтвердить многие теоретические догадки для сложных в изучении горизонтов зон субдукции, но и поднять будущие модельные работы на новый, детальный уровень. Так, подведена серьезная вещественная основа для дальнейших исследований в этой области: создана база данных, включающая более четырех тысяч равновесных минеральных ассоциаций с раствором и газовой фазой, рассчитанных исходя из наиболее общих исходных данных. Также заслуживает внимание расчетное распределение температурных полей, наиболее обоснованное математически и теплофизически (Теплофизические., 1987; Васильев, Жатнуев, 2006; Васильев и др., 2009).

В результате моделирования было рассчитано изменение основных характеристик флюида при его подъеме от дегидратирующейся плиты к поверхности через цепочку последовательно сопряженных транзитных подсистем (резервуаров). Расчеты показали невозможность прямого прохождения флюида через ас-теносферный клин, в резервуарах которого подвижные фазы отсутствуют. Растворы нижней коры, таким образом, имеют явно выраженный астеносферный генезис.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

После многолетней (1997-2009) работы в данной области, в продолжение которой были разработаны, реализованы и апробированы различные прикладные компьютерные модели, автору удалось интегрировать полученный опыт в единую методику комплексного компьютерного моделирования. За эти годы были разработаны разнотипные модели различных геологических объектов, написаны и протестированы необходимые прикладные программные продукты. Это численная конечно-разностная модель тепло- и массопереноса в гидротермальной системе СОХ (Васильев, 2000, 2001); численная термодинамическая модель захоронения токсичных отходов в паровых зонах гидротермальных систем областей развития современного вулканизма (Отчет по проекту №401 VI Конкурса-экспертизы молодых ученых РАН по фундаментальным и прикладным исследованиям, 2001); численная модель формирования гидротермального золоторудного месторождения (Калинин и др., 2004); физико-химическая модель формирования золотоносных кор выветривания Восточного Саяна (Калинин и др., 2005; Жмодик и др., 2005); модель эволюции магматического очага и подъема магмы по цилиндрическому каналу (Жатнуев и др., 2006); программное обеспечение для расчета АРС-моделей эволюции расплава в магматической камере (Отчет по проекту №120 Лаврентьевского конкурса СО РАН, 2006); статистическая компьютерная модель эволюции флюидозаполненных трещин в пластичной среде (Васильева, Васильев, Жатнуев, 2007); компьютерная геодинамическая модель коллизии плит (Васильев, Жатнуев, 2007); численная физико-химическая модель образования рудоносных гранитоидов (УавШеу, Юиг^а-1еу, 2008); комплексная компьютерная модель зоны субдукции (Васильев, 2006, 2007) и другие.

Цель диссертационной работы — разработка методики комплексного компьютерного моделирования геологических объектов на основе объектно-ориентированного подхода и апробация ее на прикладных тематических моделях геологических объектов - на данный момент выполнена в полном объеме, как и поставленные задачи. Автором весьма детально освоена теория компьютерного моделирования, а также языки программирования Basic, Pascal, С, С++ и соответствующие интегрированные среды разработки, что позволило не только создавать собственные модели и программные продукты, но и на протяжении восьми лет (2000—2008) преподавать на кафедре геологии Бурятского государственного университета такие предметы как «Информатика», «Компьютерное моделирование», «ЭВТ в геологии» и «Основы физико-химического моделирования».

Были детально проанализированы существующие методы физико-химического моделирования. Изначальная приверженность к вышеописанному «методу реакций» постепенно сменилась твердой убежденностью в правильности «метода минимизации». Во время работы автор принимал активное участие в тестировании и апробации различных версий программного комплекса «Селектор» как в Лаборатории физико-химического моделирования Института геохимии СО РАН (г. Иркутск), так и в Лаборатории геохимии Геологического института СО РАН (г. Улан-Удэ).

Представляемая методика основана на универсальном объектно-ориентированном подходе и, несомненно, заслуживает не только права на существование и развитие, но и популяризации среди исследователей в области наук о Земле.

Результаты применения предлагаемой методики в комплексном компьютерном моделировании зон субдукции, магматогенно-гидротермальных систем и коллизии плит позволяют не только подтвердить многие теоретические догадки для сложных в изучении глубоких горизонтов данных объектов, но и поднять будущие модельные работы на новый, детальный уровень. Так, подведена серьезная вещественная основа для дальнейших исследований в области зон субдукции: создана база данных, включающая более четырех тысяч равновесных минеральных ассоциаций с раствором и газовой фазой, рассчитанных исходя из наиболее общих исходных данных. Также заслуживает внимание расчетное распределение температурных полей, наиболее приемлемое с точки зрения петрофизики геологических сред.

Непосредственное развитие своих исследований автор видит в создании нового программного комплекса для расчетов гидродинамической эволюции растворов в трещиновато-пористых средах, органичном соединении этого программного комплекса с ПК «Селектор» и в создании и расчете новых комплексных компьютерных моделей различных геологических объектов с постоянным повышением вышеописанных параметров корректности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Васильев, Владимир Игоревич, 2009 год

1. Авдейко Г.П. Геодинамика проявления вулканизма Курильской островной дуги и оценка моделей магмообразования. // Геотектоника, №2, 1994. -С. 19-32.

2. Авдейко Г.П., Волынец О.Н., Антонов А.Ю. Вулканизм Курильской островной дуги: структурно-петрологические аспекты и проблемы магмообразования. // Вулканология и сейсмология, №5, 1989. С. 3-16.

3. Авдейко Г.П., Пилипенко Г.Ф., Палуева A.A., Напылова O.A. Геотектонические позиции современных гидротермальных проявлений Камчатки. // Вулканология и сейсмология, №6, 1998. С. 85-99.

4. Авдейко Г.П., Попруженко C.B., Палуева A.A. Современная тектоническая структура Курило-Камчатского региона и условия магмообразования. / Геодинамика и вулканизм Курило-Камчатской островодужной системы. -Петропавловск-Камчатский, 2001. С. 9-34.

5. Авдейко Г.П., Попруженко C.B., Палуева A.A. Тектоническое развитие и вулкано-тектоническое районирование Курило-Камчатской островодужной системы. //Геотектоника, №4, 2002. — С. 64-80.

6. Аверкин И.А., Шарапов В.Н. Динамика массообмена в гидротермальных системах на температурном геохимическом барьере. Новосибирск: Изд-во ИГИГ, 1986.-46 с.

7. Аплонов C.B. Геодинамика. СПб: Изд-во СПбГУ, 2001. - 360 с.

8. Богатиков O.A., Косарева JI.B., Шарков Е.В. Средние химические составы магматических горных пород. -М.: Недра, 1987. 152 с.

9. Большое трещинное Толбачинское извержение (1975 — 1976 гг., Камчатка). -М.: Наука, 1984. 638 с.

10. Борисов М.В., Шваров Ю.В. Термодинамика геохимических процессов. — М.: Изд-во МГУ, 1992. 256 с.

11. Быков А. Желаемое и действительное в геометрическом моделировании. // САПР и графика, №1, 2002. С. 3 - 26.

12. Васильев В.И. Отчет по проекту №401 VI Конкурса-экспертизы молодых ученых РАН по фундаментальным и прикладным исследованиям, 2001.

13. Васильев В.И. Численное моделирование динамики тепломассопотоков и минералообразования в гидротермальной системе. // Материалы XIX

14. Всероссийской конференции «Строение литосферы и геодинамика». — Иркутск, 2000. С. 9.

15. Васильев В.К, Хубанов В.Б. Отчет по проекту №120 Лаврентьевского конкурса СО РАН, 2006.

16. Васильев В.И., Чудненко К.В., Жатнуев Н.С., Васильева Е.В. Комплексное компьютерное моделирование геологических объектов на примере разреза зоны субдукции. // Геоинформатика, №3, 2009. С. 15-30.

17. Виноградов А.П. Введение в геохимию океана. М.: Наука, 1967. — 214 с.23.