Розвиток теорії та моделювання термодинамічних процесів у корі та мантії Землі

Міждисциплінарна фундаментальна науково - дослiдна робота

Шифр теми  ОБ-35Ф

 1. ПІДСТАВИ ДЛЯ ВИКОНАННЯ РОБІТ

Наказ Міністерства Освіти і Науки України № 1043 від 17.11. 2008

Наказ ректора Львівського національного університету імені Івана Франка № Н-697 від 29.12. 2008

Хоча мантія недоступна для безпосереднього вивчення, про неї вже накопичена значна інформація, що базується на застосуванні непрямих методів дослідження. Раніше передбачалося, що структура й еволюція мантійних потоків не залежить явно від структури і властивостей континентальної літосфери. Інтенсивність підігріву в мантії Землі істотно перевищує природні можливості теплообміну, що відповідає за виникнення конвективних потоків. За відсутності внутрішнього підігріву припускають процес остигання планети ззовні, а конвективні потоки могли б виникнути через нерівномірність остигання поверхні Землі. Але теплообмін залежить від градієнта температур і під час остигання він повинен знижуватися.
Отже, якщо з погляду фізики завданням є створення фізичної моделі досліджуваного об’єкта, то з погляду проблеми геофізичних досліджень опрацювання фізичної моделі – це перший етап, за яким настають етапи формування геофізичного зображення об’єкта, а потім вирішення завдання геологічної класифікації. Всі горизонти кори від чохла до межі Мохо за певних умов поводяться тектонічно активно, зазнаючи деформації. Тектонічне розшарування знижує міцність і монолітність літосферних плит у вертикальному розрізі. Актуальним є вивчення термодинамічних умов деформування порід у різних внутрішньоплитних обставинах, створення узагальнених моделей деформування для структур різного масштабу в земній корі, реконструкція і вивчення зон динамічного впливу, удосконалення моделей формування розшарованої нижньої кори й верхньої мантії із різними. Досягнення достовірного результату можливо за умови переходу до узагальнених реологічних моделей, що визначають залежність термодинамічних процесів від глибинних структур Землі та дають змогу оцінити їхню роль у формуванні фізичних полів під час геологічної еволюції планети.
Теоретичні напрацювання, зокрема авторів проекту, в розв’язуванні фазових рівнянь теорії розсіяння та обернених задач, у побудові ефективних алгоритмів на основі методу скінченних елементів для дослідження неоднорідних структур планується використати для побудови, обґрунтування і дослідження математичних моделей в задачах фізики Землі. Даний проект є продовженням попередньо виконаних тем “Розвиток теорії та методів дослідження фізичних полів Землі” (№ держ. реєстації 0100U001448), “Розвиток методів комп’ютерного моделювання геодинамічних характеристик структурних оболонок Землі” (№ держ. реєстації 0103U001920) і “Геодинамічні, термодинамічні і механічні характеристики глибинних структур та моделювання фізичних полів Землі” (№ держ. реєстрації 0106U001324). 

Сучасні фізичні та математичні підходи до створення моделей геодинамічних процесів та їхній взаємозв’язок із термодинамічними характеристиками глибинних структур Землі є надзвичайно важливими. Незважаючи на успіхи комп’ютерного моделювання мантійної конвекції, теорія тектоніки плит ще не завершена. Перехід у фундаментальних дослідженнях Землі до узагальнених моделей середовища і процесів дасть змогу визначати залежність геофізичних і геодинамічних процесів від термодинамічних характеристик глибинних структур Землі та їхню роль у геологічній еволюції планети. Створення термодинамічних моделей на основі встановлення рівнянь руху потоків надзвичайно в’язких фрагментів речовини мантії з неоднорідним розподілом густини та нелінійною взаємодією з іншими фрагментами мантії та кори Землі є важливим фактором досліджень структурних оболонок Землі на основі аналізу фізичних полів Землі.
Побудова самоузгодженої теплової та конвективної моделі мантії Землі є незалежним методом визначення розподілу температури і теплового потоку у верхній мантії Землі. Дослідження структури розподілу густини мантії має вирішальне значення для розуміння еволюції Землі і є рушійною силою мантійної конвекції. Однак наявні дані є недостатніми для повного розуміння природи термодинамічних та конвективних процесів, що відбуваються в мантії.
Використанням математичного моделювання і сучасних комп’ютерних технологій у вивченні геологічних і геофізичних процесів, реологічних моделей, знаходження термодинамічних характеристик та їхнє узгодження з геологічною будовою через удосконалення методики обробки і аналізу геофізичних даних дасть змогу значно ефективніше реалізовувати комплексну інтерпретацію, відтворювати термодинамічні умови та можливий прояв режимів розвитку палео-геотермодинамічних систем, зокрема, на прикладі Карпатського регіону та прилеглих територій.
Результати розробки будуть спрямовані на отримання функціональних залежностей для розподілів температури і теплового потоку в надрах Землі через розв’язання оберненої задачі сейсміки на основі рівняння Вільямсона–Адамса для градієнта густини реологічно неоднорідних середовищ кори та мантії Землі.
Результатом виконання проекту також має стати розвиток теоретичних основ математичного моделювання, їхня реалізація у вигляді програмного та інформаційного забезпечення, а також апробація підходу на реальних геологічних задачах. Це дасть змогу значно досконаліше за меншими видатками оцінювати прояв глибинних термодинамічних ситуацій – актуальної проблеми геологічних досліджень.
Очікувані результати вирізнятиме наукова концепція фізико-математичного моделювання термодинамічних характеристик реологічно неоднорідних середовищ глибинних структур Землі, що, безумовно, відповідає світовому рівню нового напрямку на стику сучасної фізики та геології.

ЕТАПИ РОБIТ ПО ТЕМI