1.1. Методология термодинамического моделирования
Развитие современной геологии, как и других наук, во многом обусловлено
внедрением нового методологического подхода к исследованиям, который можно
назвать модельным. В течение
длительного периода геология шла по пути эмпирических обобщений. Расширение и
усложнение наших знаний о природе, а главное - внедрение методов точных наук (в том числе, физической химии)
проявило ограниченные возможности эмпирического подхода и заставляет переходить
геологию в целом, и геохимию, как ее составную часть, к другому типу
исследований, использующему теоретические модели.
Проблемы, связанные с использованием теоретических моделей, обсуждались
во множестве науковедческих и философских публикаций. Не углубляясь в детали,
суть метода моделирования может быть изложена достаточно коротко: в этом методе
объект исследования замещается другим - моделью,
более простым и доступным для изучения, соответствующим объекту в некоторых основных отношениях, и
результаты исследования модели переносятся на свойства объекта.
Отметим два важных обстоятельства. Во-первых, модель никогда не может
быть полностью изоморфна объекту, иначе замена объекта моделью при исследовании
не даст никаких преимуществ. Выбор основных отношений зависит от целей
исследования и субъективен, при этом a
priori неизвестно, достаточен ли он для достижения поставленной цели. Это
делает необходимым этап проверки соответствия объекту - верификации модели. Во-вторых, не построение модели, а изучение ее
свойств является главным этапом исследования. Модель - это инструмент, а не
цель работы. В период внедрения модельного подхода в геологию это его
необходимое свойство было несколько затушевано, но сейчас актуально уже именно
такое восприятие моделей. Модель должна обладать прогнозными свойствами,
некоторые ее следствия должны соответствовать неизвестным еще свойствам
природного прототипа.
Общую схему исследования, использующего модельный подход, можно
представить так, как показано на рис.1. По результатам изучения свойств
природного объекта (объектов) - прототипа - проводится схематизация, т.е. исследователь выбирает существенные для
дальнейшего исследования свойства прототипа и строит из них логическую схему. Затем, с привлечением
законов точных наук на основе логической схемы строится теоретическая модель.
Теоретическая модель исследуется, определяются ее свойства - следствия модели. Часть следствий
используется для доказательства работоспособности модели (верификации), и часть
- для прогноза неизвестных свойств природного прототипа.
Из этой схемы очевидно, что, по крайней мере часть, следствий из модели
должна быть пригодна для сравнения с объектом при верификации модели. В то же
время, если все следствия из модели задействованы для верификации, предсказательная
сила модели теряется - модель будет бесполезной. Отметим, что процесс
верификации двусторонний - по результатам моделирования отдельные свойства
природного прототипа могут оказаться нуждающимися в уточнении. Возможно даже,
что некоторые принципиальные параметры природного объекта будут выявлены только
в ходе построения его теоретической модели (см., например, [Бычков, 1995]).
С учетом сказанного, задачи, решаемые при модельных исследованиях можно
классифицировать на две группы: а) задачи I рода - внешние для метода
моделирования; б) задачи II рода - внутренние проблемы модели.
К числу задач I рода можно отнести:
- Прогноз неизвестных свойств природных объектов;
- Установление причинных и корреляционных связей между известными
свойствами объектов.
К задачам II рода относятся:
- Выбор логической схемы, наиболее адекватной объекту из набора
альтернативных гипотез;
- Доказательство правильности или выявление противоречий в принятой
логической схеме;
- Доказательство непротиворечивости и работоспособности теоретической
модели.
В этом перечне задачи ранжированы по степени убывания их научной
значимости. Вместе с тем, в конкретном исследовании методологически правильно
ставить задачи "от простого к сложному": в перечисленном списке задач - в
восходящей последовательности.
В современных геохимических исследованиях использование теоретических
моделей связано главным образом с применением количественных методов физической
химии, а прогресс в реализации модельного подхода за последние десятилетия
обусловлен применением вычислительной техники. Поэтому в рамках большинства
термодинамических моделей геохимических процессов могут быть выделены три
"слоя" [Методы геохимического моделирования.., 1988]:
- геолого-геохимическая модель (логическая схема),
- физико-химическая модель (теоретическая модель - в терминах рис.1),
- математическая модель (способ получения следствий).
Геолого-геохимическая модель определяет
пространственно-временные масштабы и Т-Р-условия процесса, источники вещества и
их минеральные и химические составы, способы и характеристики переноса
вещества, химический и минеральный состав продуктов процесса, их размещение в
пространстве.
Физико-химическая модель дает
описание химического состава геологической модели в терминах физико-химической
системы. При использовании в физико-химической модели методов равновесной
термодинамики она содержит термодинамические свойства образующихся соединений и
необходимые для расчета термодинамических равновесий уравнения, а также -
уравнения, описывающие кинетику реакций и динамику переноса вещества.
Математическая модель
представляет собой способ количественного решения уравнений физико-химической
модели (алгоритм расчета) и реализующую его вычислительную программу.
При всей очевидности, и даже тривиальности такого трехслойного деления,
в каждой из составных частей термодинамической модели используются присущие
только ей законы и методы, каждая из них содержит собственный набор упрощений и
приближений, а соответственно - и собственные источники ошибок. Важно отметить
также, что применяемые "внутри" каждого "слоя" аппроксимации (например,
использование уравнения Дебая-Хюккеля для расчета коэффициентов активности)
часто бывают общепринятыми и даже унифицированными, тогда как переходы между
"слоями" обычно субъективны и индивидуальны для каждого исследования.
Использование методов равновесной термодинамики, оперирующих состояниями системы, для построения
моделей природных процессов ведет к
внутреннему противоречию. Впервые это противоречие было преодолено в работе
Г.Хельгесона [Helgeson, 1968], которая до сих пор остается одной из наиболее
цитируемых в геохимической литературе. Используя принцип частичного равновесия П.Бартона, Г.Хельгесон предложил
рассматривать необратимый процесс как последовательность равновесных состояний
системы, состав которой меняется в зависимости от протекания необратимой
реакции. Метод Г.Хельгесона ("метод
степени протекания реакции"),
расширенный и дополненный другими исследователями [Карпов, 1981; и др.], в
своей основе относится к развитию процесса во времени и не предполагает
перемещения вещества в пространстве (более подробно этот вопрос рассмотрен в
главе 2). Пространственная изменчивость процесса может быть описана с
применением принципа локальных равновесий,
предложенного Д.С.Коржинским [1951, 1969]. В этом случае
пространственно-временная изменчивость процесса аппроксимируется совокупностью
равновесных состояний систем, составы которых связаны между собой, помимо
кинетических, еще и динамическими соотношениями - условиями переноса вещества между
участками геологической модели. Такой класс моделей в работе [Методы
геохимического моделирования.., 1988] было предложено называть равновесно-динамическими. Модели этого
класса используются в настоящей работе.
Термодинамическое моделирование геохимических процессов активно
развивается в последние 30 лет в нашей стране и за рубежом. Большой вклад в
прогресс этого направления геохимии внесли работы Г.Хельгесона с сотрудниками
[Helgeson, 1968; Helgeson et al., 1969, 1970], иркутской школы, возглавляемой
И.К.Карповым [Карпов и др., 1976; Кашик, Карпов, 1978; Карпов, 1981; и др.],
И.Л.Ходаковского [Ходаковский и др., 1978], Б.Н.Рыженко, Викт.Л.Барсукова,
М.В.Борисова, Р.П.Рафальского, Б.Фрица [Fritz, 1975, 1981] и многих других
исследователей. Успехи этих работ были обусловлены созданием высокоэффективных
вычислительных программ: "СЕЛЕКТОР" (И.К.Карпов и др.,
СибГЕОХИ), GIBBS (Ю.В.Шваров, МГУ), EQ3/6 (Т.Волери, лаборатория Лоуренс
Ливермор), CHILLER (М.Рид, Геологическая служба США) и ряда других.
Исследования опирались на разработку банков и баз термодинамических данных,
охватывающих значительную часть геологически важных веществ и широкий диапазон
условий. Наиболее широко используемыми из них сейчас являются SUPCRT92 [Johnson
et al., 1992], "ДИАНИК" (ГЕОХИ), THERMINEOS
(СибГЕОХИ), UNITHERM (МГУ), а также ряд других.
Методы термодинамического моделирования применяются в современной геохимии
для описания самых разнообразных процессов, от выветривания до магматизма и
протопланетной дифференциации. Настоящая работа посвящена разработке методики
термодинамического моделирования гидротермальных процессов на примере современных
гидротерм срединно-океанических хребтов.
|
