Школы

Школы
НОЦ «Байкал»

Подробнее >

Конкурсы

Конкурсы НОЦ "Байкал"

Все конкурсы >

Результаты >

Работы

Трёхмерная модель
озера Байкал

Видеоролики трехмерной модели >

О Байкале

Вопросы и ответы, музыка названий, фотогалерея...

Подробнее >

Научно-образовательный центр Байкал

Проекты Учебные курсы Библиотека Конференции, семинары Конкурсы

Изучение палеоклимата для прогноза изменения окружающей среды

Программа курса
Физико-химическое моделирование в геохимии

Программа курса для студентов дневного обучения специальности 01.15.00 - геохимия.

Иркутск, 2006

Печатается по решению научно-методического совета Иркутского государственного университета

Предназначена студентам геологического факультета дневного отделения специальности 01.15.00 геохимия. Программа предусматривает изучение методов термодинамического моделирования геохимических процессов. Приводятся основные понятия и законы термодинамики, описываются основные принципы формирования физико-химических моделей геохимических систем, и способы получения термодинамических данных. Подробно представлены последние достижения в области физико-химического моделирования гидротермальных, экзогенных, эндогенных и геохимических процессов. Детально рассматриваются способы интерпретации результатов термодинамического моделирования. Изложены основные требования к современным термодинамическим базам данных.

Библиография — 10

Составитель: канд. геол.-минерал. наук В.А. Бычинский

Рецензент: доктор геол.-минерал. наук, проф. В.П. Примина

Иркутский государственный университет 2005 г.

Курс “Физико-химическое моделирование в геохимии” состоит из семи разделов и направлен на обучение студентов современным методам физико-химического моделирования природных процессов. В курсе рассматриваются основы химической термодинамики и методы физико-химического моделирования процессов определяющих закономерности формирования природных объектов. В первом разделе в сжатом виде излагаются начала термодинамики и учение о термодинамических потенциалах. Основная цель первого раздела напомнить студентам основные определения термодинамики и наиболее важные соотношения, используемые в моделировании. Во втором разделе рассмотрены теоретические и методологические вопросы, связанные с использованием ЭВМ в физико-химическом моделировании. Задача раздела ознакомить студентов с особенностями компьютерного представления геохимических моделей. Третий раздел направлен на ознакомление слушателя с методами термодинамической обработки экспериментальных данных, способами расчета и согласования термодинамических данных. Четвертый и пятый разделы курса посвящены практическому применению методов физико-химического моделирования в геохимии. Рассмотрены принципы постановки задачи и способы формирования физико-химических моделей природных процессов. Приведены численные примеры моделирования равновесного состава системы газ -водный раствор – породы (выветривание различных типов пород и формирование гидротермальных растворов). Рассмотрены примеры ряда эколого-геохимических задач. Определены равновесные составы продуктов сжигания бурых углей, изоэнтальпические температуры горения в зависимости от режимов сжигания топлива, приводятся модели исследующую дальнейшую эволюцию газообразных и твердых продуктов горения в окружающей среде. В шестом разделе приведены примеры детального анализа результатов моделирования. Рассматриваются возможности ПК “Селектор-W”представление результатов моделирования в виде графиков и диаграмм. В седьмом разделе кратко рассматриваются принципы термодинамического моделирования в условиях неопределенности исходной термодинамической информации, предложены критерии оценки устойчивости и выбора оптимального решения.

Введение

Основные тенденции развития современной геохимии. Переход от химико-аналитической (сравнительно-описательной) характеристики геологических объектов к физико-химическим методам изучения природных геохимических процессов. Задачи и кардинальные проблемы физико-химического моделирования. Основные проблемы, стоящие перед исследователем, использующим ЭВМ в физико-химическом моделировании в геохимии. Практическое значение физико-химического моделирования. Анализ современных генетических проблем геохимии с позиций физико-химического моделирования. Возможности интегрирования знаний полученных при изучении дисциплин изучаемых на геологическом факультете с помощью физико-химического моделирования.

1. Основные начала термодинамики

Предмет термодинамики. О некоторых термодинамических понятиях и терминах. Полезные формальные соотношения. Термодинамические потенциалы, физические константы, единицы измерения, обозначения, стандартные состояния. Закон действия масса константа равновесия. Термины и символы.

Источники, погрешность и согласованность термодинамической информации.

2. Теоретические основы расчета физико-химических равновесий в сложных многофазных гетерогенных системах

Основные этапы развития методов физико-химического моделирования (историческая справка)

Методические и теоретические вопросы, связанные с использованием ЭВМ в физико-химическом моделировании в геохимии.

Минимизация энергии Гиббса (сравнительное описание существующих программ)

Понятие открытых и закрытых систем по Д.С. Коржинскому

Принцип стабильного, метастабильного, частичного равновесия, расчет необратимой эволюции геохимических систем.

Обратные физико-химические задачи. (выделение четырех классов обратных физико-химических задач.)

3. Исходные термодинамические данные

Методы термодинамической обработки экспериментальной данных в геохимии и петрологии. (Расчет по методу второго закона термодинамики, расчет по методу третьего закона термодинамики.)

Согласование, расчет, корректировка термодинамических свойств индивидуальных веществ. (согласование последовательным или цепочечным методом, метод Гордона.) Выбор критерия согласования. Критический анализ и оптимальное согласование термодинамических свойств индивидуальных веществ.

Свободная энергия по Гиббсу, методы расчета значений термодинамических потенциалов в условиях высоких температур, Формы представления зависимости теплоемкости от температуры.

Источники и базы термодинамических данных (основные требования базам ТД.) Ключевые и базисные термодинамические величины (простые вещества, элементы, окислы.)

4. Термодинамическое моделирование на ЭВМ геохимических процессов

Методология построения модели и определение задач моделирования. Постановка задачи: выбор зависимых и независимых параметров состояния системы, тип модели: система, мегасистема, реактор. Метастабильное равновесие. Выбор минимизируемого термодинамического потенциала.

Исходные данные: выбор независимых компонентов и химический состав системы, выбор фаз и зависимых компонентов. Дополнительные ограничения. Моделирование этапов необратимой эволюции геохимических систем.

5. Геохимические приложения: физико-химические модели природных процессов

Исследование процессов формирования минеральной зональности в корах выветривания на различных породах в закрытых и открытых условиях: (а) выветривание гранитов. (б) выветривание базальтов. (в) выветривание доломитов и известняков.

Расчет изменения состава гидротермальных растворов в зависимости от Р,Т - условий и состава вмещающих пород.

Расчет и прогноз изменения состава подземных вод под воздействием кислых промышленных стоков (нефелиновое производство).

Исследование термодинамической модели преобразования органического вещества в системе “водный раствор - породы - нефть - кероген”.

6. Обработка и интерпретация результатов физико-химического моделирования

Химические потенциалы независимых компонентов как инструмент корректировки и расчета неизвестных термодинамических потенциалов зависимых компонентов.

Степень протекания процесса как характеристика относительного времени взаимодействия подсистем.

Построение графиков и диаграмм по результатам моделирования

Дополнительные возможности ПК “Селектор-С”: работа с базами данных

7. Термодинамическое моделирование в условиях неопределенности

Введение в проблему. Погрешности исходной термодинамической информации. Предшествующие работы. Предлагаемый подход. Формулировка и задание интервалов неопределенности, критерии выбора оптимальных решений.

Практическое приложение

Практическое освоение методов физико-химического моделирования:

  • Модель углеводородной системы (С-Н система).
  • Модель углеводородной системы (С-H-N-S-Ca-Mg-Si-O).
  • Модель углеобразования (минеральные компоненты углей).
  • Модель горения углеводородных топлив.
  • Модель формирования грунтовых вод.

Физико-химическое моделирование в геохимии

  1. Понятие о моделировании и моделях в геохимии.
  2. Методические и теоретические вопросы, связанные с использованием ЭВМ в физико-химическом моделировании в геохимии.
  3. Основные положения химической термодинамики.
  4. Предмет термодинамики. О некоторых термодинамических понятиях и терминах. Полезные формальные соотношения.
  5. Термодинамические потенциалы, физические константы, единицы измерения, обозначения, стандартные состояния. Источники, Погрешность и согласованность термодинамической информации.
  6. Закон действия масс и константа равновесия
  7. Типы реакций: Реакции между твердыми веществами, реакции с участием твердых веществ и водного раствора,
  8. Теоретические основы расчета физико-химических равновесий в сложных многофазных гетерогенных системах.
  9. Основные этапы развития методов физико-химического моделирования (историческая справка).
  10. Методические и теоретические вопросы, связанные с использованием ЭВМ в физико-химическом моделировании в нефтегазовой геохимии.
  11. Минимизация энергии Гиббса (сравнительное описание существующих программ).
  12. Понятие открытых и закрытых систем по Д.С. Коржинскому
  13. Принцип стабильного, метастабильного, частичного равновесия, расчет необратимой эволюции геохимических систем.
  14. Обратные физико-химические задачи. (Выделение четырех классов обратных физико-химических задач.).
  15. Исходные термодинамические данные. Методы термодинамической обработки экспериментальной данных в геохимии и петрологии. (Расчет по методу второго закона термодинамики, расчет по методу третьего закона термодинамики.)
  16. Согласование, расчет, корректировка термодинамических свойств индивидуальных веществ. (Согласование последовательным или цепочечным методом, метод Гордона.) Выбор критерия согласования. Критический анализ и оптимальное согласование термодинамических свойств индивидуальных веществ.
  17. Свободная энергия по Гиббсу, методы расчета значений термодинамических потенциалов в условиях высоких температур, формы представления зависимости теплоемкости от температуры.
  18. Источники и базы термодинамических данных (основные требования базам тд.) ключевые и базисные термодинамические величины (простые вещества, элементы, окислы.)
  19. Методология построения модели и определение задач моделирования. постановка задачи: выбор зависимых и независимых параметров состояния системы, тип модели: система, мегасистема, реактор.
  20. Метастабильное равновесие. Выбор минимизируемого термодинамического потенциала. Исходные данные: выбор независимых компонентов и химический состав системы, выбор фаз и зависимых компонентов. Дополнительные ограничения.
  21. Геохимические приложения: физико-химические модели природных процессов.
  22. Исследование термодинамической модели устойчивости системы С-Н в Р,Т - условиях земной коры.
  23. Исследование термодинамической модели преобразования органического вещества в системе “Водный Раствор - Породы”.
  24. Исследование влияния парциального давления СО2 и окислительно-восстановительного потенциала на преобразование органического вещества.
  25. Расчет состава гидротермальных растворов и растворенных в них газов в зависимости от Р, Т - условий земной коры и состава вмещающих пород.
  26. Обработка и интерпретация результатов физико-химического моделирования.
  27. Химические потенциалы независимых компонентов как инструмент корректировки и расчета неизвестных термодинамических потенциалов зависимых компонентов.
  28. Степень протекания процесса как характеристика относительного времени взаимодействия подсистем.
  29. Термодинамическое моделирование в условиях неопределенности введение в проблему. Погрешности исходной термодинамической информации. Предшествующие работы. Предлагаемый подход. формулировка и задание интервалов неопределенности, критерии выбора оптимальных решений.
  30. Работа с базами данных ПК “Селектор-С” расчет термодинамических свойств. Переаппроксимация уравнений теплоемкости

Формы итогового контроля

  • Практическое применение методов физико-химического моделирования.
  • Модель формирования минеральной зональности в корах выветривания.
  • Модель формирования подземных вод.
  • Модель углеобразования (Минеральные компоненты углей).
  • Модель горения углеводородных топлив.
  • Модель воздействия сточных вод на состав грунтовых вод.

Рекомендуемая литература

  1. Борисов М.В. Шваров Ю.Б. Термодинамика геохимических процессов. М: Изд-во. МГУ, 1992. - 256 с
  2. Булах А.Г. Методы термодинамики в минералогии. Л: Изд-во Недра, 1968. 176 с.
  3. Гаррелс Р.М., Крайст И.Л. Растворы, минералы, равновесия. М.: Мир, 1968. 386 с.
  4. Исаев В.П. Термодинамические аспекты геохимии природных газов. I, II части, Изд. Иркутского университета 1991 г. с. 300.
  5. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск Наука, 1981. с 240.

Дополнительная литератутра

  1. Дорогокупец П.И., Карпов И.К. Термодинамика минералов и минеральных равновесий. Новосибирск. Наука. 1984. 185. с.
  2. Дроздовская А.А. Химическая эволюция океана и атмосферы в геологической истории Земли. Киев. Наукова Думка, 208. с.
  3. Карпов И.К., Чудненко К.В., Другов Г.М. Термодинамика открытых систем: феноменология Д.С. Коржинского и моделирование на ЭВМ. //Геология и геофизика 1991 № 11, сс. 13-19.
  4. Карпов И.К., Чудненко К.В., Бычинский В.А., Кулик Д.А. Минимизация свободной энергии при расчете гетерогенных равновесий. // Геология и геофизика 1995 36, сс. 3-21.
  5. Конторович Э.А., Павлов А.Л., Третьяков Г.А., Хоменко А.В. Физико-химическое моделирование термодинамических равновесий в системе “Карбонатноэвапоритовые осадочные породы - вода - углеводороды” при контактовом метаморфизме и катагенезе. //Геохимия 1996 № 7 сс. 598610.
  6. Крайнов С.Р. Обзор термодинамических компьютерных программ, используемых в США при геохимическом изучении подземных вод. Система компьютеризации научных лабораторий США. Геохимия 1993 № 5 сс. 685-695. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец Б.Н. Геохимия подземных вод.т Москва Наука, 2004, 678 с.

Внимание! Если Вы обнаружили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.