Физико-химическое компьютерное моделирование геохимических процессов

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Доктор химических наук Б.Н. Рыженко
ГЕОХИ РАН

- Введение

- Происхождение, эволюция и строение Земли и планет
- Процессы в земной коре
- Формирование и ресурсы месторождений полезных ископаемых
- Охрана природной среды и рациональное использование полезных ископаемых
- Список грантов РФФИ

Геохимические исследования составляют неотъемлемую часть наук о Земле, в которых основными фундаментальными проблемами, на наш взгляд, являются следующие:

- Происхождение, эволюция и строение Земли и планет;
- Процессы в коре (магматические, метаморфические, метасоматические, гидротермальные, осадочные);
- Мировой океан (эволюция и ресурсы);
- Формирование и ресурсы месторождений полезных ископаемых (воды, горючих, металлических, неметаллических);
- Охрана природной среды и рациональное использование полезных ископаемых.

В России (ранее в СССР) исследования традиционно выполнялись по всем указанным проблемам. В настоящее время влияние российской школы на мировую науку определяется запасом фактического материала и интеллектуальным заделом, сформированным в советское время.

Из всех бед последнего десятилетия две наиболее чувствительно ударили по геохимикам. Катастрофическое уменьшение объема полевых работ лишило науку новых данных и отразилось на профессионализме молодых специалистов. Инструментальное отставание резко снизило ценность обрабатываемой геохимической информации. Осуществляемые в настоящее время совместные с зарубежными геохимиками проекты охватывают лишь небольшую часть обширного геохимического поля (как по тематике, так и по числу специалистов) и не компенсируют нехватку государственной поддержки.

Однако, несмотря на испытываемые трудности, в геохимии есть направления, активно развивающиеся именно в последние годы. К ним относится, в частности, физико-химическое компьютерное моделирование геохимических процессов. Целенаправленная работа последних лет позволила добиться значительных успехов, потому что с советского периода в геохимии существовал хороший задел по математическому обеспечению и опыт физико-химического моделирования, а финансовая поддержка РФФИ была достаточна для широкого использования компьютерной техники.

Введение

Физико-химическое компьютерное моделирование геохимических процессов явилось логическим продолжением и объединением в единое целое природных наблюдений, анализа вещества природных объектов, результатов лабораторного экспериментального моделирования и термодинамического анализа минеральных равновесий.

Для выполнения физико-химического компьютерного моделирования геохимических процессов необходимо:

- обобщение природных наблюдений о вещественном (элементном, фазовом и пр.) составе и связанных с составом свойствах моделируемых объектов и их изменении во времени и пространстве,
- выбор существенных для модели химических компонентов (масс инертных компонентов, активности вполне подвижных компонентов) и параметров (температуры, давления и др.),
- критический анализ, выбор и согласование физико-химической информации (термодинамической, кинетической, физической), характеризующей свойства компонентов и фаз моделируемой системы,
- создание или выбор математического алгоритма и компьютерной программы, достаточно эффективно (быстро и точно) определяющей состояние избранной химической системы при задаваемых параметрах,
- верификация результатов моделирования по лабораторным экспериментальным определениям (фазовым соотношениям, растворимости и т.д.) и затем по природным наблюдениям.

Что же принципиально нового внесено в фундаментальное знание в науках о Земле благодаря использованию метода физико-химического компьютерного моделирования геохимических процессов? Кратко остановимся на проектах РФФИ, развивающих и применяющих этот метод для решения указанных выше фундаментальных проблем.

Происхождение, эволюция и строение Земли и планет

В.С.Сафроновым были созданы физические модели аккреционного газо-пылевого околосолнечного диска. На стадии образования диска за первые 100 тысяч лет эволюции могли образоваться планетозимали размером 1-10 км, содержащие в своем составе мало летучих и умеренно летучих компонентов, а также FeO. Пыль такого же состава могла выноситься до орбиты Юпитера. На стадии эволюции (1-10 млн. лет), благодаря разогреву, расплавлению и дифференциации состав планетозималей еще больше обеднялся летучими компонентами, включая воду. А следовательно, S не может являться основным легким компонентом ядра Земли, а основная масса H2O, вошедшая в состав планет земного типа, была привнесена вместе с другими летучими компонентами из дальних зон допланетного диска на стадии его постаккреционной эволюции. На этой стадии, при ударных взаимодействиях родительских тел метеоритов и допланетных тел (переконденсации вещества), Fe конденсируется в окисной, а не металлической форме, т.е. из вещества углистых хондритов не могло образоваться ни земное протовещество, ни вещество обыкновенных хондритов.

В проекте Э.М.Галимова разрабатывается алгоритм расчета коллапса газового облака на основе уравнений газовой динамики и уравнения состояния вещества среды, выполнено моделирование химической эволюции пылевых частиц в процессе коллапса (расчетом равновесного состояния системы твердые фазы - газ, находящейся в гравитационном поле).

Веществу планет земного типа посвящены гранты О.Л.Кускова, из выводов которого наиболее интересны следующие. Все разнообразие тел Солнечной системы возникло из частиц протовещества (названного солнечным хондритом), которое имеет химический состав, отвечающий составу обыкновенных хондритов, а не составу углистых хондритов (как это предполагалось ранее большинством специалистов). Этот вывод вытекает из результатов моделирования конденсации вещества допланетной туманности и последующей эволюции планетного вещества как физико-химических процессов при низких (конденсация) и при сверхвысоких (мантийные системы) давлениях. Полученная петролого-геофизическая модель вещества верхней мантии Земли, построенная на основе дифференциации вещества солнечных хондритов, согласуется с данными сейсмических наблюдений. Протовещество Луны обеднено Fe, но обогащено Ca и Al, что согласуется с результатами решения обратной задачи по определению валового состава Луны из сейсмических данных. Мантия Луны стратифицирована по химическому составу, так как изохимические модели состава не в состоянии объяснить ее сейсмическую структуру. Из геофизических ограничений следует явное различие в химическом составе пород верхней мантии Земли и силикатной оболочки Луны, что свидетельствует о невозможности образования Луны из вещества верхней мантии Земли. Геофизически допустимые размеры ядра Луны составляют 330-390 км для Fe-ядра и 500-600 км для FeS-ядра.Банк использованных для моделирования термодинамических и геофизических данных в проекте О.Л.Кускова включал энтальпии, энтропии, коэффициенты термического расширения и модули сжатия, скорости упругих волн для 1000 веществ.

Созданию баз данных стандартных термодинамических и теплофизических свойств минералов и веществ для использования в науках о Земле также посвящены проекты П.И.Дорогокупца, которым разработана численная модель совместной оптимизации изобарной теплоемкости, объема, коэффициентов термического расширения и модулей сжатия минералов, используя известные физические преставления (Берча - Мурнагана, Андерсона - Сузуки). По мнению автора, предложенное уравнение состояния позволяет рассчитать термодинамические функции мантийных минералов до температуры 3000 К и давления 1Мбар. Тестирование модели выполнено на примере вольфрама, периклаза, корунда и форстерита.

Физический механизм дифференциации вещества астеносферы и литосферы Земли рассмотрен в проекте Е.В.Харыбина. В поднимающихся плюмах при снижении давления происходит плавление легкоплавких компонентов и затем их миграция сквозь матрицу из нерасплавленного остатка. Не учитываемое ранее изменение вязкости вещества на несколько порядков при изменении количества расплава приводит к возникновению обобщенных уединенных волн, которые ускоряют миграцию магмы и сопровождаются возникновением ритмических структур в виде слоев с концентрацией расплавленных компонентов до 20%. В типичных камерах большинство тяжелых кристаллов захватывается опускающимся фронтом затвердевания и только немногие успевают вырасти и упасть на дно. Падающие кристаллы увлекают прилегающие слои вязкого расплава, который приходит в конвективное движение и, в свою очередь, деформирует однородный поток кристаллов, стягивая его в узкие струи, что увеличивает эффективность переноса кристаллов (седиментационная конвекция). Гидродинамический анализ основан на теории Рэлея - Тейлора, описывающей перемещение слоев жидкости разной плотности. Реакционные взаимоотношения кристаллической фазы и расплава во внимание не принимались.

Механизму формирования мантийных структур посвящен также проект В.П.Трубицина, которым построена геодинамическая модель Земли, согласующаяся с геофизическими данными. Модель основана на решении дифференциальных уравнений сохранения массы, энергии и импульса для вязкой мантии, а также уравнения Эйлера для континентов, плавающих в мантии. Рассчитана структура мантийной конвекции, которая намного лучше согласуется с сейсмотомографическими разрезами по сравнению с другими опубликованными работами.

Процессы в земной коре

В проекте А.А.Арискина создан комплекс ЭВМ-программ для моделирования процессов эволюции фазового и химического состава базальтовых магм при их зарождении и кристаллизации. Эти программы применимы в широком диапазоне температур, давлений и окислительно-восстановительных условий и предназначены для оценки условий образования основных изверженных пород земного и внеземного происхождения. Основу комплекса составляют база экспериментальных данных по расплавно-минеральным равновесиям изверженных пород (система ИНФОРЭКС) и серия моделей фазовых равновесий базальтовых магм (программы КОМАГМАТ, ЛУНАМАГ и МЕТЕОМОД).

При помощи программы МЕТЕОМОД были впервые проведены расчеты частичного плавления обыкновенных хондритов, которые показали, что химизм образующихся первичных расплавов в сильной степени зависит от окислительно-восстановительных условий. В условиях относительно высокого потенциала кислорода (выше буфера Fe-FeO) образуются обогащенные железом расплавы, а в сильно-восстановительных условиях (1-2 лог. ед. ниже буфера Fe-FeO) силикатная часть системы становится более магнезиальной, что связано с появлением в твердофазной ассоциации металлической фазы. Установленные соотношения отвечают известным петрохимическим данным для эвкритов и говардитов. Полученные данные позволяют предполагать, что эти ахондриты могли сформироваться из одного источника типа обыкновенных хондритов, а различия их химизма обусловлены различием редокс-условий на родительских телах.

Конвективно-кумуляционная модель кристаллизационной дифференциации, развиваемая в проекте Е.В.Коптева-Дворникова, задумана как сопоставление возможных модельных типов интрузивов с реальными объектами с целью оценки пределов вариаций термодинамических и динамических параметров, реализуемых в природе. Получена и опробована модифицированная "водная" версия программы КОМАГМАТ (см. проект А.А.Арискина), которая описывает экспериментальные составы водонасыщенного расплава, температуры равновесия и пропорции кристаллизующихся минералов. Показана единственность и устойчивость пространственно-временной структуры оптимальной конвекционно-кумулятивной модели формирования расслоенных интрузивов. Установлено, что термодинамические параметры, влияющие на температуру ликвидуса, качественно изменяют порядок кристаллизации исходной магмы. Динамические параметры влияют на длительность процесса формирования интрузива, относительные мощности и соотношение фаз в кумулятах.

В проекте В.Н.Шарапова построены нестационарная модель динамики интрудирования базитовых расплавов с учетом ретроградного кипения магмы и модель нестационарной динамики подликвидусной ликвации с учетом последующей кристаллизации сосуществующих жидких фракций, реализованы численные схемы решения динамики ликвирования и интрудирования базитовых расплавов с использованием программы КОМАГМАТ (см. проект А.А.Арискина), выполнено численное моделирование равновесий газовой фазы с базитовыми и рудными расплавами после распада кипящей жидкости.

Математическому анализу, развитию теории и методов, созданию алгоритмов расчета равновесного состояния систем с вполне подвижными компонентами посвящены проекты В.А.Жарикова и Ю.В.Шварова, которым создан широко используемый программный комплекс GIBBS с базой термодинамических данных UNITHERM (Кафедра геохимии МГУ им. М.В.Ломоносова) для моделирования систем порода - водный раствор - газовый раствор. При расчете инфильтрационной изотермической метасоматической колонки применен алгоритм расчета равновесия в проточном реакторе указанной системы, получен пример неединственности канонической последовательности метасоматических зон.

Дальнейшее развитие программного комплекса И.К.Карпова "Селектор-С" осуществлено в проектах К.В.Чудненко и И.К.Карпова. Реализована возможность массопереноса между подсистемами и частичное достижение равновесного состояния. Весьма важной для повышения надежности результатов физико-химического компьютерного моделирования является алгоритмизация оценки точности результатов расчета в зависимости от погрешности использованной для моделирования термодинамической и иной численной информации. Был проведен статистический анализ справочных данных для определения размаха варьирования входных термодинамических потенциалов. Установлено рациональное число необходимых реализаций, дающих статистически устойчивые результаты.

Модель, включающая этапы формирования рудно-магматической системы от раннего магматического до заключительного гидротермального, разрабатывается Р.Г.Кравцовой для выявления процессов, при которых происходит концентрирование Au, Ag и образуются геохимические поля. Моделирование выполняется по программе СЕЛЕКТОР-С.

В проекте С.Р.Крайнова рассматриваются различные дискуссионные точки зрения на формирование хлоридного типа природных вод. Опираясь на парадигму "гидрогеохимические процессы определяются количественными законами физики и химии, а геологическая среда ответственна за граничные условия их протекания", моделированием (программа GIBBS) равновесного состояния систем гранит-вода установлено, что хлоридные воды и рассолы с минерализацией до 50-100 г/л формируются благодаря (а) переработке подземными водами значительных количеств кристаллических пород и (б) концентрированию водной фазы в ходе вторичного минералообразования. Это объясняет закономерное формирование и распространение хлоридных вод с минерализацией до 100 г/л в пределах большинства кристаллических массивов. Происхождение хлоридных рассолов с более высокой минерализацией (200-300 г/л) возможно только при участии внешнего источника первичных рассолов (Cl-Ca, Cl-Na и Cl-Mg состава) из седиментационных бассейнов, окружающих конкретный кристаллический массив. Следовательно, для объяснения возникновения высокоминерализованных хлоридных рассолов нет необходимости привлекать эндогенные флюиды.

Проект С.А.Кашика задуман как построение равновесно-стационарной модели (программа СЕЛЕКТОР-С) системы "атмосфера - байкальская вода - воды притоков - донные осадки - взвеси". Автору удалось показать, что формирование современного состава байкальской воды происходит главным образом в результате осаждения избыточных компонентов, поступающих с речным стоком, в виде глинистых минералов, оксидов и гидроксидов Mn и Fe. Состав смектитов (бейделлит, монтмориллонит, нонтронит) в осадках оз. Байкал свидетельствует о похолодании в предшествующие эпохи. Модель, созданная С.А.Кашиком, может найти широкое применение при решении гидрогеохимических и экологических проблем.

Проект М.В.Чарыковой посвящен созданию термодинамической модели испарительного концентрирования и охлаждения рассолов различных гидрохимических типов до стадии кристаллизации калийных солей в системе Na, K, Mg, Ca//Cl, SO4 - H2O (хлоридный и сульфатный типы) и системе Na, K//Cl, SO4, CO3, HCO3 - H2O (карбонатный тип) при температурах от -5 до 350 С. Банк включает величины термодинамических свойств для 28 твердых фаз и базовых ионов. Расчет коэффициентов активности по уравнению Питцера с дополнительным учетом межионных взаимодействий более высокого порядка. Верификация модели осуществлялась по экспериментальным данным для трех и четырехкомпонентных систем соли - вода при температурах от -5 до 400 С. Разработанная модель использована для количественного описания и реконструкции гидрохимических процессов в заливах Сиваш и Кара-Богаз-Гол, а также соляных озер Кучук, Кулундинское, Танабар. Показано, что последовательность кристаллизации солей в модели происходит в соответствии со стабильным или метастабильным вариантами хода испарительного концентрирования рассолов или изменения температуры. Программа расчета: решение системы уравнений произведений растворимости твердых фаз и баланса масс.

В проекте А.А.Киселева с помощью двумерной нестационарной интерактивной модели радиации, динамики и фотохимии зонально осредненной атмосферы реконструирован газовый состав, температуры и циркуляция атмосферы для периодов 1850 года, 18, 115 и 126 тыс. лет до н.э. В качестве граничных условий и модельных параметров использовались данные антарктических кернов. Общее содержание озона современного и доиндустриального (1850 г.) периодов показывает небольшое различие. Обнаружен эффект сильной обратной связи "температура - содержание озона" в верхней стратосфере, определяющей устойчивость содержания озона при значительных широтно-сезонных изменениях солнечной радиации на верхней границе атмосферы.

Эволюция высокотемпературной гидротермальной системы при ее взаимодействии с порождающей ее магматической камерой рассмотрена в проекте А.О.Глико на примере черных курильщиков. Определены зависимости (от времени) температуры флюида и потока тепла на выходе гидротермальной системы, мощности проницаемого слоя и интенсивности конвективного тепломассопереноса в нем. Показано, что после короткого начального этапа система очень быстро переходит в режим с квазистационарной конвекцией флюида в трещиноватом слое.

Формирование и ресурсы месторождений полезных ископаемых

Для геохимии гидротермального минералообразования представляют определенную загадку физико-химические механизмы, обеспечивающие образование мономинеральных фаз (не разубоженных соосаждением других рудных и особенно нерудных) из всегда многокомпонентного гидротермального раствора во всегда многокомпонентной вмещающей среде. В проектах Н.П.Лаверова и В.Л.Барсукова показано, что механизм автосмешения обеспечивает извлечение рудных элементов из больших объемов пород, миграцию собранных растворами металлов в локальные объемы трещинных каналов и концентрированное (в ряде случаев и селективное) осаждение металлов на гидродинамических геохимических барьерах. Месторождения урана типа "несогласия" образуются при смешении безрудных восстановительных растворов (системы "пирит- и графит-содержащие породы/вода") с рудоносными растворами (системы U-содержащий гранит/вода) в секущих разрывах или зонах регионального несогласия. Моделирование выполнялось по программе GIBBS.

Влиянию динамики гидротермальных флюидов на формирование золоторудных месторождений в архейских зеленокаменных поясах посвящен проект А.А.Пэка. Была разработана численная модель процесса гидротермального тепломассопереноса в восходящем потоке гидротермальных растворов, контролируемом вертикальным высокопроницаемым разломом. Последовательно были рассмотрены (а) задача гидродинамики, (б) задача конвективного теплообмена, (в) задача отложения рудного вещества на подвижном температурном барьере. Выявлено, что сопряженное изменение гидродинамических и температурных условий определяет формирование полей рудных концентраций, контрастно отличающихся по морфологии и пространственной локализации. Специфической особенностью рудообразующих систем с подвижным барьером рудоосаждения является то, что процесс отложения рудной минерализации происходит одновременно с ее переотложением. В проекте А.А.Пэка была рассмотрена также модель смешанной (вынужденной и свободной тепловой) конвекции растворов. Показано возрастание доли метеорных вод к поздним стадиям гидротермального процесса. При непрерывной во времени эволюции источника глубинных растворов (прогрессивное снижение скорости разгрузки) метеорные воды могут проникнуть в систему лишь на низкотемпературных пострудных стадиях процесса. При пульсационном поступлении глубинных растворов метеорные воды могут участвовать в рудообразовании практически с самых ранних высокотемпературных стадий процесса.

А.В.Тутубалиным предлагается одновременное применение двумерной гидродинамической модели объекта (расчет температур, давлений и скоростей фильтрации раствора на каждом участке системы) и его термодинамической модели (расчет равновесного состояния каждого участка системы). Характеристики, необходимые для гидродинамического моделирования (пористость, проницаемость), пересчитываются на основе предшествующего шага термодинамического моделирования и используются для последующего шага расчета равновесного состояния. Применение описанного алгоритма к гидротермальным системам срединно-океанических хребтов показало формирование конвективной ячейки с широкой областью нисходящего движения и узкой областью восходящего движения по трещинной зоне над интрузивным телом. Отношения порода/вода увеличиваются в приконтактовой части системы и достигают наибольших значений над апикальной частью магматической камеры. Рудные элементы эффективно выносятся из моделируемой системы, причем быстрее всего Zn и Pb, несколько медленнее- магматическая S, а наименьшая подвижность наблюдается для Cu, для выноса которой из зоны интенсивных метасоматических преобразований потребовалось несколько тысяч лет. Модель многомасштабных сред, когда размеры случайных неоднородностей соизмеримы с размерами актуального объекта (например, трещиноватой насыщенной породы), является основой для расчета фильтрации двухфазной жидкости (например, углеводородного сырья) в проекте А.В.Каракина.

М.Ю.Спасенных проведено исследование особенностей микро- и макропереноса флюидов в гидротермальных условиях. Работа проводилась на основе данных по изотопному составу и проницаемости пород, в которых происходило движение растворов при формировании олово-вольфрамового месторождения Иультин и вольфрам-молибденового месторождения Акчатау. Характеристики процессов переноса определялись с помощью методов математического моделирования изотопного взаимодействия вода-порода при конвективном переносе флюидов. Установлено, что на удалении от рудной зоны фильтрация растворов имела преимущественно поровый характер и во взаимодействии с растворами принимало участие не менее половины всей породы. Вблизи рудных жил существенно возрастает роль переноса флюидов по трещинам. Показано, что на месторождении Иультин метеорные воды начали поступать на рудной стадии, но наибольшее развитие их конвекция получила после формирования рудной минерализации. При этом зона разгрузки растворов захватывала большое пространство. На месторождении Акчатау движение флюидов локализовано в узкой области и сопровождалось растеканием из жил в околожильные породы.

В проекте А.Г.Волосова моделированием равновесного состояния системы Si-Al-Fe-Mg-Ca-Na-K-C-Cl-F-O-H-Sn (программа GIBBS) показано, что состав растворов флюидных включений в минералах идентичен составу растворов, формировавших, согласно модели, минерализацию месторождения Хеммерлайн (Рудные горы). Результаты расчетов показывают, что при возникновении структур, обуславливающих высокую водопроницаемость пород, может происходить концентрирование олова.

Исследованию миграции и рудоконцентрорования переменновалентных элементов (Cu, Ag, Au, Sb, Mo и Sn) посвящены проекты Б.Н.Рыженко. Методом растворимости при контролируемом Eh (летучести водорода) было выполнено экспериментальное изучение форм существования указанных элементов. Используя модель Г.Хельгесона (HKF-модель) и модель диссоциации электролитов Б.Н.Рыженко и О.В.Брызгалина (BR-модель), из экспериментальных данных определены величины термодинамических функций растворенных в воде форм Cu, Ag, Au, Sb, Sn при температурах и давлениях гидротермального минералообразования. Опираясь на результаты полевого изучения оловорудного процесса, выполнено моделирование (программа GIBBS) процесса формирования оловорудных грейзенов. Показано соответствие модельного химического состава водной фазы системы "Sn-содержащие гранитоиды - вода" экспериментально определенному составу флюида, отделяющегося при 6000 С, 1-3 кбар от онгонитового расплава. Установлено, что гранитоидная порода, через которую мигрирует флюид, буферирует его химические свойства. Флюиды, равновесные с гранитоидами (в порододоминирующем режиме, R/W>10 ) в диапазоне 600-3500 С, 3-0,5 кбар, имеют околонейтральную величину pH и величину Eh, близкую к QFM и Ni-NiO буферам. Мобилизация олова во флюид в концентрациях до г/кг воды возможна только при магматических Т, Р условиях и повышенном содержании Cl и F в породе (источнике). Содержание других летучих элементов (S, C) не оказывает на перенос Sn сильного влияния из-за сравнительно слабого комплексообразования. Перенос олова осуществляется только в восстановительных условиях. Для переноса олова наиболее благоприятны участки малопористых гранитоидных пород (когда обеспечивается R/W>>10). Осаждение олова в форме SnO2 из рудоносного флюида наиболее эффективно при его попадании в трещиноватые породы ( в которых R/W снижается до <<10 ). При снижении восстановительного потенциала системы порода/вода происходит осаждение касситерита с одновременным кислотным выщелачиванием вмещающих алюмосиликатных пород.

В проекте Т.М.Сущевской моделируется (программы GBFLOW и GIBBS) процесс концентрирования Sn и W при смешении магматических и метеорных флюидов. Участие метеорных флюидов установлено исследованием изотопного состава минералов вмещающих пород и рудной зоны. Объекты изучения: месторождения Иультин и Акчатау. Показано, что смешение флюидов магматического и метеорного происхождения наиболее эффективно для рудоконцентрирования Sn в случае массообмена последних с атмосферой; в присутствии флюорита и других фторсодержащих фаз возможно формирование флюида с концентрацией W порядка 70 мг/кг воды.

Модели формирования ореолов рудных месторождений представлены в проектах М.В.Борисова. Было смоделировано образование ореолов двух типов: (а) сингенетичных рудам и образующихся совместно с ними и (б) формирующихся после возникновения рудных тел, но генетически связанных с ними. Исследования базировались на геолого-геохимических данных по конкретным месторождениям Северного Кавказа (жильные полиметаллические), Урала (колчеданные), Якутии (кимберлитовые трубки), современным рудообразующим системам срединно-океанических хребтов и Камчатки. С использованием метода многоволновых ступенчатых проточных реакторов (программа GBFLOW) получены данные по детальным структурам распределения рудных элементов в околожильном пространстве гидротермальных месторождений жильной полиметаллической формации. Предложены механизмы формирования инфильтрационных ореолов отложения, переотложения и выщелачивания. Модель рудообразующей гидротермальной системы позволила выявить, что взаимодействия в системе "вода/порода" являются важнейшим фактором рудообразования: в зоне мобилизации - для извлечения рудных компонентов в раствор, в области рудоконцентрирования - для внутрирудного метасоматоза, в околожильном пространстве - для формирования первичных ореолов. Доказательством работоспособности модели является достаточно адекватное воспроизведение качественных и количественных характеристик природных минеральных ассоциаций. Вывод автора "для образования месторождения не требуется, чтобы в "материнских" породах содержались количества рудных элементов, отличные от кларковых" имеет принципиальное значение для понимания источника рудного вещества жильных полиметаллических месторождений.

В проекте А.В.Хоменко выполнено моделирование процессов, протекающих в водосодержащих осадочных породах в присутствии углеводородов при нагревании их трапповыми интрузивами в зонах контактного катагенеза и метаморфизма. Показано, что заметно активизируются процессы термического разложения нефтяной составляющей углеводородной залежи, соответственно возрастает объем углеводородных газов. Во всем интервале температур преобладающими являются CH4, CO2, COS, H2S, N2; существенно возрастает количество C6H6, C8H10, C2H6,снижается масса жидких углеводородов.

Охрана природной среды и рациональное использование полезных ископаемых

Экологическим вопросам посвящены проекты гидрогеологов, активно использующих метод физико-химического компьютерного моделирования геохимических процессов. В проекте С.Р.Крайнова была составлена серия программ (MIF) для расчета форм существования химических элементов в водных растворах и их насыщенности относительно ряда распространенных минералов. Расчеты выполнены путем решения системы уравнений комплексообразования, произведений растворимости минералов и баланса масс. Были количественно оценены геохимические последствия нейтрализации кислых загрязненных подземных вод карбонатными породами и различными типами незагрязненных подземных вод.

М.В.Мироненко расширил возможности равновесного расчета систем порода/вода введением в рассмотрение реакций сорбции и ионного обмена. Им выполнен обзор экспериментальной информации и выполнено моделирование (программа создана автором) распределения Cs и Sr между осадком карбонатов и глинистых минералов и водным раствором. Алгоритм применен для прогноза изменения радиоактивности озерной воды (комбинат МАЯК) в течение ближайших тридцати лет.

В проекте А.П.Белоусовой рассмотрены геохимические процессы формирования содовых подземных вод при восходящих загрязнениях, связанных с перетеканием Cl-Na-Ca и Cl-Ca-Na рассолов и минерализованных вод из нижележащих водоносных горизонтов нефтегазовых структур. Моделированием (программа GIBBS) установлено, что формирование таких карбонатных щелочных вод происходит благодаря техногенной 'открываемости" по СО2 гидрогеохимических систем нижних горизонтов. При взаимодействии Cl-Na рассолов в открытой по СО2 системе с карбонатными породами в случае 2m Ca2+ < m HCO3- + 2m CO32- образуются Cl-HCO3-Na и HCO3-Cl-Na содовые воды с рН=8,3-8,7 (и коры выветривания СаСО3 + Na2CO3.H2O), а в случае 2m Ca2+ > m HCO3- + 2 m CO32- кальциевый тип вод. Более щелочные содовые воды формируются в результате растворения содовых кор выветривания.

Проект Р.Г.Джамалова посвящен влиянию кислых атмосферных осадков на химический состав поверхностных вод. Установлено, что исходный состав атмосферных осадков тем больше влияет на состав фильтрационного потока, чем больше отношение реагирующих масс воды и породы. В зонах закрытости системы относительно О2 и СО2 атмосферы водная фаза будет очищаться от нормируемых халькофильных элементов (Cu, Zn, Pb, Cd и др.). В этих зонах, особенно богатых гуминовыми веществами, повышается содержание Fe и Mn. Воздействие кислотных дождей сопровождается увеличением миграционной способности породообразующих и микрокомпонентов благодаря увеличению доступа О2 и СО2 атмосферы в поровое пространство почв и горных пород. При моделировании использовалась программа GBFLOW.

В проектах О.Л.Гаськовой, С.Б.Бортниковой и Г.А.Пальяновой, которые задуманы как комплексное экспериментальное изучение и физико-химическое моделирование процессов преобразования природных или техногенных продуктов гидротермальными растворами или поверхностными водами с целью выяснения генетических вопросов минералообразования и прогноза экологического состояния отвалов месторождений, экспериментально определены особенности выщелачивания микрокомпонентов (Au, Ag, Pt, Pd, Sb, As, Zn, Pb, Cd, Cu) в зависимости от формы нахождения в минеральных фазах; выявлено распределение металлов в системах водная фаза - донные осадки. Для компьютерного моделирования используются программы GBFLOW и GIBBS.

Статико-климатическая модель атмосферного переноса тяжелых металлов разработана С.А.Громовым. В модели учитываются химические формы существования тяжелых металлов в атмосфере и водной фазе и обусловленные ими транспортные свойства.

Таким образом, физико-химическое компьютерное моделирование позволило уточнить наши представления о протекании геохимических процессов (космических, в глубинах Земли и на ее поверхности), сделать их количественными и охватывающими большой объем имеющихся наблюдений. Прогнозные возможности физико-химических моделей, особенно систем порода-вода, весьма перспективны для предсказания развития гидрогеохимических и экологических процессов и, следовательно, могут иметь практическое применение в хозяйственной деятельности.

Список грантов РФФИ

Арискин А.А. Проект 96-05-64231. Разработка и применение моделей фазовых равновесий базальтовых магм для решения проблем генезиса изверженных пород основного состава: земные, лунные и метеоритные системы. ГЕОХИ РАН.

Барсуков Викт. Л. Проект 96-05-64376. Физико-химические условия образования богатых гидротермальных руд. ГЕОХИ РАН.

Белоусова А.П. Проект 65-05-14322. Процессы миграции высокоминерализованных рассолов в зонах полного и неполного насыщения. ИВП РАН.

Борисов М.В. Проект 94-05-17301. Модели формирования ореолов рудных месторождений. Проект 96-05-64887. Геохимические и термодинамические модели гидротермальных рудообразующих систем. МГУ. Геологический ф-т.

Бортникова С.Б. Проект 97-05-65181. Геохимическая модель техногенного озера с учетом органических и неорганических процессов перераспределения вещества. ОИГГиМ СО РАН.

Волосов А.Г. Проект 96-05-64962. Физико-химическая модель процесса формирования оловянного оруденения скарново-грейзеновой формации в постмагматических зонах минерализации. ГЕОХИ РАН.

Галимов Э.М. Проект 97-05-65754. Проблема происхождения Луны и планет в рамках механизма коллапса протопланетных газопылевых сгущений. ГЕОХИ РАН.

Гаськова О.Л. Проект 96-05-65888. Разработка физико-химической модели окислительного растворения золото- и серебросодержащих сульфидов в природных рудах и техногенных отвалах сульфидных месторождений. ОИГГиМ СО РАН.

Глико А.О. Проект 96-05-65447. Моделирование процессов взаимодействия высокотемпературных гидротермальных систем с магматическими камерами. ОИФЗ РАН.

Громов С.А. Проект 97-05-64666. Атмосферные циклы тяжелых металлов и их антропогенное изменение в условиях современного природопользования. ИГКЭ.

Джамалов Р.Г. Проект 97-05-65168. Прогноз чувствительности подземных вод и оценка риска их загрязнения под влиянием кислых атмосферных осадков. ИВП РАН.

Дорогокупец П.И. Проект 93-05-08147. Создание системы баз данных стандартных термодинамических и теплофизических свойств минералов и веществ для использования в науках о Земле. Проект 96-05-64626. Систематизация и согласование уравнений состояния мантийных минералов. ИЗК СО РАН.

Жариков В.А. Проект 96-05-64489. Развитие термодинамики и топологии природных открытых систем. ИЭМ РАН.

Каракин А.В. Проект 97-05-64440. Исследование геодинамических и флюидодинамических процессов в коре с помощью моделей многомасштабных гетерогенных сред. ЦИОБ.

Карпов И.К. Проект 97-05-65796. Моделирование физико-химических процессов в геохимии минимизацией термодинамических потенциалов в условиях неопределенности исходных данных: теория, алгоритмы, имитационные эксперименты, программные средства, геохимические приложения. ИГХ СО РАН.

Кашик С.А. Проект 96-05-64627. Байкал и его осадочное заполнение как физико-химическая система. ИЗК СО РАН.

Киселев А.А. Проект 96-05-65030. Модельные исследования изменений газового состава, температуры и циркуляции атмосферы в некоторые периоды истории Земли. ГГО.

Коптев-Дворников Е.В. Проект 96-05-65483. Анализ свойств конвективно-кумуляционной модели кристаллизационной дифференциации в диапазоне динамических и термодинамических параметров. МГУ. Геологический ф-т.

Кравцова Р.Г. Проект 97-05-65672. Основные закономерности формирования и построение геохимических моделей золото-сереброносных рудно-магматических систем вулканогенных формаций (Северо-Восток России). ИГХ СО РАН.

Крайнов С.Р. Проект 93-05-08166. Моделирование загрязнения подземных вод. Проект 96-05-64311. Физико-химические модели геохимических процессов формирования химического состава подземных вод. ГЕОХИ РАН.

Кусков О.Л. Проект 94-05-16465. Фазовые равновесия в космогеохимических системах и их приложение к проблеме строения и происхождения Луны. Проект 97-05-64786. Система Земля-Луна: моделирование химического состава и внутреннего строения. ГЕОХИ РАН.

Лаверов Н.П. Проект 93-05-09256. Физико-химическое моделирование процессов гидротермального рудообразования. ГЕОХИ РАН.

Мироненко М.В. Проект 94-05-16821. Термодинамическое моделирование поведения рассеянных компонентов (тяжелые металлы, радионуклиды) в окружающей среде. ГЕОХИ РАН.

Пальянова Г.А. Проект 97-05-65252. Экспериментальное и термодинамическое моделирование совместной растворимости и осаждения золота и серебра в гидротермальных системах. ОИГГиМ СО РАН.

Пэк А.А. Проект 96-05-65636. Свободная конвекция гидротермальных флюидов в слоистых толщах: анализ условий возникновения, структуры течения, динамики тепломассопереноса. ИГЕМ РАН.

Рыженко Б.Н. Проект 93-05-08029. Физико-химические основы миграции и концентрирования переменновалентных рудных элементов в высокотемпературных процессах. Проект 96-06-64312. Сравнительный анализ влияния летучих компонентов (Cl, F, C, S) на рудоконцентрирование и формирование гидротермальных оловорудных месторождений. ГЕОХИ РАН.

Сафронов В.С. Проект 94-02-03925. Образование Солнечной системы: исследование эволюции протопланетного и протоспутниковых дисков. Проект 97-02-17629. Исследование ранней стадии образования планет-гигантов; следствия для формирования малых тел Солнечной системы. ОИФЗ РАН.

Спасенных М.Ю. Проект 96-05-65530. Исследование макро- и микроструктуры потоков гидротермальных флюидов по изотопным данным и результатам математического моделирования. ГЕОХИ РАН.

Сущевская Т.М. Проект 97-05-65318. Смешение флюидов при образовании крупных Sn, Sn-W, W месторождений, ассоциированных с гранитами. ГЕОХИ РАН.

Трубицын В.П. Проект 96-05-66069. Глобальная трехмерная геодинамическая модель Земли: механизмы формирования мантийных структур и рельефа. ОИФЗ РАН.

Тутубалин А.В. Проект 97-05-65126. Комбинированная гидродинамическая и термодинамическая модель конвективной гидротермальной системы. МГУ. Геологический ф-т.

Харыбин Е.В. Проект 95-05-14922. Численное моделирование термо-седиментационной конвекции и фракционирования в застывающих магматических камерах. ОИФЗ РАН.

Хоменко А.В. Проект 97-05-64844. Физико-химическое моделирование процессов взаимодействия в мультисистеме углеводороды-вода-порода при контактовом метаморфизме и катагенезе в нефтегазоносных областях с трапповым магматизмом. ОИГГиМ СО РАН.

Чарыкова М.В. Проект 96-06-65711. Термодинамическое моделирование процессов эвапоритовой седиментации. СПбГУ. НИИЗК.

Чудненко К.В. Проект 96-05-64835. Создание компьютерного средства имитации и моделирования физико-химической эволюции единой совокупности геохимических систем (мегасистемы), связанных прямыми, обратными и сквозными потоками вещества и энергии. ИЗК СО РАН.

Шарапов В.Н. Проект 95-05-15586. Динамика фазовых переходов при интрузии магм. ОИГГиМ СО РАН.

Шваров Ю.В. Проект 96-05-65149. Разработка метода расчета инфильтрационной метасоматической колонки на основе принципа локального химического равновесия. МГУ. Геологический ф-т.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center