Cекція III. Фізика

Геодинамічні, термодинамічні і механічні характеристики глибинних структур та моделювання фізичних полів Землі

Код КПКВ 22201020 Фундаментальні дослідження у вищих навчальних закладах. Строки виконання: з 1.01.2006 року до 31.12.2008 року

АВТОРИ ПРОЕКТУ:

Керівники:

Інші автори: -

Хом’як Микола Миколайович, доцент кафедри фізики Землі, кандидат фізико-математичних наук

Вовченко Ростислав Григорович, доцент кафедри фізики Землі, кандидат геолого-мінералогічних наук

Павлюк Оксана Миколаївна, асистент кафедри фізики Землі

Бубняк Ігор Миколайович, асистент кафедри фізики Землі

МЕТА І ОСНОВНІ ЗАВДАННЯ ПРОЕКТУ. Однією із найважливішим сучасних завдань фізики і геології з метою розробки формалізованих об’єктивних критеріїв в задачах по опису геодинамічних та термодинамічних характеристик структурних оболонок Землі є необхідність проведення теоретичного дослідження характеристик фізичних полів Землі. Для цього є доцільність переходу у фундаментальних дослідженнях Землі до узагальнених моделей середовища і процесів, що визначають залежність геофізичних і геодинамічних процесів від термодинамічних характеристик середовищ глибинних структур Землі та їх роль у геологічній еволюції планети. Необхідним є врахування у геодинамічних моделях нових теоретичних підходів щодо вивчення впливу внутрішніх та зовнішніх чинників на фізичні властивості досліджуваних геологічних об’єктів. Актуальність проведення фундаментальних досліджень обумовлена недостатнім рівнем теоретичного забезпечення методів розв’язку як прямих та і інверсних задач в сейсморозвідці, магніторозвідці і гравірозвідці. Разом із розвитком методів комп’ютерного моделювання фізичних полів Землі це відкриває нові перспективи у вдосконаленні теорії інверсних методів досліджень геофізичних, геодинамічних, термодинамічних та геомеханічних характеристик глибинних структур Землі.

Теоретично обгрунтувати і розробити нові принципи вирішення однієї з актуальних проблем побудови моделі просторової густини геодинамічних та термодинамічних характеристик структурних оболонок Землі як досліджуваного середовища, розробка теоретичних і технологічних основ ефективних алгоритмів розв’язування тривимірних прямих і зворотних задач для моделювання геологічних та геофізичних процесів. Важливим фактором і аспектом досліджень є створення геодинамічних моделей структур Землі на основі встановлення відповідних рівнянь стану та відповідних рівнянь руху потоків надзвичайно в’язких фрагментів речовини мантії із неоднорідним розподілом густини та нелінійною взаємодією з іншими фрагментами мантії та кори Землі. Потрібно вирішити наступні завдання:

- розробити геодинамічні моделі структур Землі на основі встановлення відповідних рівнянь стану та відповідних рівнянь руху потоків надзвичайно в’язких фрагментів речовини мантії із неоднорідним розподілом густини та нелінійною взаємодією з іншими фрагментами мантії та кори Землі;

- застосувати для опису стану глибинних структур та фізичних полів Землі детерміністичні моделі теорії функціонала густини, геодинамічного й термодинамічного аналізу і механіки суцільного середовища;

- врахувати у геодинамічних моделях та розрахунках узагальнених термодинамічних характеристик речовини середовищ глибинних оболонок Землі;

- розробити методики обробки і аналізу геофізичних, термодинамічних та геодинамічних, механічних даних із застосуванням гео-інформаційних технологій;

- встановити принципи відбору раціональних розв’язків відповідних задач для цілеспрямованого підбору необхідних численних параметрів моделі, що найбільш адекватні до реальних глибинних процесів у Землі та розумінню прояву фізичних полів Землі та фізичної природи явищ у геологічних структурах літосфери;

- удосконалити методики комп’ютерного опрацювання, аналізу й синтезу для точнішого вивчення структури, густини і розподілу визначальних характеристик для реалізації більш досконалої комплексної інтерпретації геофізичних даних з метою реставрації фізичних умов та характеру змін прояву геодинамічних, механічних характеристик літосфери та режимів розвитку палео-геодинамічних систем досліджуваних геологічних структур Карпат.

СТАН ПРОБЛЕМИ. Труднощі математичного моделювання геофізичних явищ в рамках існуючих уявлень, теорій та підходів зумовлені довготривалістю, масштабністю фізичних процесів Землі та факторами, що впливають на перебіг макроскопічних процесів у її структурних оболонках. Незважаючи на великі успіхи чисельного моделювання мантійної конвекції й океанічної літосфери як цілої, залишається, поки що нерозв’язаною основна задача сучасної теорії тектоніки літосферних плит, та не побудовані моделі, які самоузгоджено описують розбивку океанічної літосфери на окремі плити. Розширення й ускладнення областей наших знань про природу Землі та процесів у її надрах із застосуванням cучасних методів теоретичної фізики, нерівноважної термодинаміки, механіки та математики виявило обмежені можливості емпіричного підходу і змушує переходити геологію до іншого типу досліджень.

Суттєвою особливістю теоретичних і прикладних задач фізики Землі є складність явищ і процесів, що вивчаються, зумовлена великою кількістю факторів, які необхідно враховувати під час математичного дослідження геофізичних явищ. На даний час проведено дуже багато чисельних експериментів для дослідження теплової конвекції в мантії Землі. Представлення про зміну температури з глибиною ґрунтуються на загальних фізичних розуміннях і непрямих даних. Зазвичай розв’язують задачу теплопровідності для моделі будови земної кори і верхньої мантії Землі.

Різні підходи до пояснення рухів та деформацій земної кори і мантії на основі механіки суцільного середовища та механіки руйнування широко застосовуються в тектонофізичному аналізі із комп’ютерним моделюванням нелінійних ефектів взаємодії з врахуванням глобальних та регіональних структурних особливостей. Публікації останніх років свідчать про необхідність досить гнучного і програмного забезпечення та потужних і ефективних методів розв’язування початково-крайових модельних задач математичної фізики. На сьогодні в Україні стан розв’язання проблеми знаходиться на самому початковому етапі, а розробки в цьому напрямі є недостатніми, і опираються на іноземні, вузькоорієнтовані комерційні розробки, що стримує їх впровадження як інструменту наукових досліджень геофізичних проблем.

Через це дана робота є аргументованою спробою обгрунтування нових принципів фізичних та математичні підходів до створення моделей фізичних полів дослідження геодинамічних, термодинамічних та механічних характеристик глибинних структур Землі.

Незважаючи на великі успіхи комп’ютерного моделювання мантійної конвекції й океанічної літосфери як цілої, теорія тектоніки плит і геодинаміки глибинних структур залишаються не завершеними, оскільки відсутні узагальнюючі моделі, які самоузгоджено описують розбивку літосфери на окремі плити та пояснюються геодинамічними і термодинамічними моделями структур Землі на основі встановлення відповідних рівнянь стану та відповідних рівнянь руху потоків надзвичайно в’язких фрагментів речовини мантії із неоднорідним розподілом густини та їх нелінійної взаємодії із іншими фрагментами середовищ глибинної будови мантії та кори Землі. Це можливо за умови переходу у фундаментальних дослідженнях Землі до узагальнених моделей середовища і процесів, що визначають залежність геофізичних і геодинамічних процесів від термодинамічних характеристик середовищ глибинних структур Землі та їх роль у геологічній еволюції планети. Необхідним має бути врахування у геодинамічних моделях та розрахунках узагальнених термодинамічних характеристик речовини середовищ глибинних оболонок Землі. Сучасні фізичні та математичні підходи недостатньо ефективно використовуються у створенні моделей геодинамічних процесів у взаємозв’язку із термодинамічними характеристиками глибинних структур Землі та у чисельних експериментах для дослідження теплової конвекції в мантії Землі та механічних перетворень у літосфері. Існуюче математичне та програмне забезпечення на сучасному етапі дослідження геопотенціальних полів України не дає змоги на належному рівні проводити комплексну інтерпретацію наявних геофізичних даних для розв’язання геофізичних, геологічних та інженерно-геологічних задач, зокрема у вивченні глибинної структури Карпат, проблеми осувів, причин та можливих наслідків екологічних катастроф і впливу техногенних процесів на природу України та її атмосферу. Це вимагає розробки нових теоретичних підходів по їх дослідженню для врахування прямого і опосередкованого впливу внутрішніх і зовнішніх полів Землі на фізичні властивості досліджуваних геологічних об’єктів.

Саме ці новітні ідеологічні та гіпотетичні засади покладені в основу проекту. Наявні теоретичні напрацювання, зокрема авторів проекту, в розв’язуванні фазових рівнянь теорії розсіяння та обернених задач, в побудові ефективних чисельних алгоритмів на основі методу скінченних елементів для дослідження неоднорідних структур планується використати для побудови, обґрунтування і дослідження математичних моделей в задачах фізики Землі,

ОЧІКУВАНІ РЕЗУЛЬТАТИ ВИКОНАННЯ ПРОЕКТУ, ЇХ ВІДПОВІДНІСТЬ СВІТОВОМУ РІВНЮ. Створення геодинамічних моделей структур Землі на основі встановлення відповідних рівнянь стану та відповідних рівнянь руху потоків надзвичайно в’язких фрагментів речовини мантії із неоднорідним розподілом густини та нелінійною взаємодією з іншими фрагментами мантії та кори Землі є важливим фактором і аспектом досліджень структурних оболонок Землі та процесів взаємодії на основі аналізу фізичних полів Землі.

В результаті виконання проекту передбачається розробити теоретичні основи математичного моделювання, реалізувати їх у вигляді програмного та інформаційного забезпечення, а також апробувати запропонований підхід на реальних геологічних задачах. Це надає можливість оперативно і з невеликими фінансовими видатками оцінювати масштабність прояву глибинних формацій, рівень їхньої денудації і глибину поширення збереженої частини в сучасному ерозійному зрізі – актуальної геолого-економічної проблеми.

Методичний підхід до вирішення цих завдань однаковий, що підсилює ефективність та необхідність його застосування разом із класичними геолого-структурними, геофізичними та геодинамічними методами побудови ефективних чисельних алгоритмів на основі методу скінченних елементів для дослідження неоднорідних структур і математичних моделей в задачах фізики Землі. Розробка геодинамічних моделей структур Землі на основі встановлення відповідних рівнянь стану, рівнянь руху потоків надзвичайно в’язких фрагментів речовини мантії по взаємодієї з іншими фрагментами мантії та кори Землі створить можливість для опису стану глибинних структур та фізичних полів Землі. Це дозволить також врахувати у геодинамічних моделях поведінку узагальнених термодинамічних характеристик речовини середовищ глибинних оболонок Землі.

Перевірка гіпотези про вплив різних структуроутворюючих факторів на механізм формування та еволюцію геологічних структур, апробація на відомих фактах і розв’язання деяких нових прямих й обернених задач функціонально-аналітичних моделей середовища та фізичних полів значно розширять можливості комплексної інтерпретації. Удосконалення методики обробки і аналізу геофізичних даних із використанням математичного моделювання і сучасних комп’ютерних технологій у вивченні фізичних процесів структуроутворення, розподілу густини, знаходження тектоно-фізичних характеристик та їх узгодження з геологічною будовою дозволить значно ефективніше виконувати прогнозні роботи, реалізовувати комплексну інтерпретацію геофізичних даних, реставровувати фізичні умови та прояв режимів розвитку палео-геодинамічних систем, зокрема, на прикладі термодинамічної ситуації Карпатського регіону та прилеглих територій.

Безумовно, подані тут теоретичні і методологічні підходи до розв’язання проблеми математичного моделювання геофізичних явищ, фізичних процесів, характеристик полів Землі та очікувані результати відповідають світовому рівню, оскільки вирізняється наукова концепція нового напрямку сучасної фізики та геології – фізико-математичне моделювання, інверсні методи досліджень геофізичних, геодинамічних, термодинамічних та геомеханічних характеристик глибинних структур Землі.

ЕТАПИ РОБОТИ. Виконання проекту планується проведення у три етапи:

1 етап. З 01.01.2006 р. по 31.12 2006 р.

1.1.01.01. - 30.06 2006. Розробка геодинамічних, термодинамічних і механічних моделей структур Землі із неоднорідним розподілом густини.

Очікувані результати етапу Врахування на основі рівнянь стану та рівнянь руху потоків надзвичайно в’язких фрагментів речовини мантії у геодинамічних, термодинамічних і механічних моделях. Інформаційний звіт. статті.

1.2. 01.07.- 31.12. 2006. Врахування впливу нелінійних взаємодій структур з іншими фрагментами мантії та кори Землі.

Очікувані результати етапу Розрахунок узагальнених термодинамічних характеристик речовини середовищ глибинних оболонок Землі. Анотований звіт, статті.

2 етап. З 1.01.2007 р. по 31.12.2007 року.

2.1.01.01. - 30.06 2007. Опис глибинних структур та фізичних полів Землі, визначення детерміністичних моделей на основі теорії функціонала густини, геодинамічного й термодинамічного аналізу і механіки суцільного середовища,

Очікувані результати етапу. Методики обробки і аналізу геофізичних, термодинамічних та геодинамічних, механічних даних із застосуванням гео-інформаційних технологій. Інформаційний звіт. статті.

2.2. 01.07.- 31.12. 2007. Встановлення принципів відбору раціональних розв’язків відповідних задач прояву фізичних полів Землі та фізичної природи явищ у геологічних структурах літосфери.

Очікувані результати етапу. Цілеспрямований підбір необхідних численних параметрів моделі, що найбільш адекватні до реальних глибинних процесів у Землі. Анотований звіт, статті.

3 етап. З 01.01.2008 р. по 31.12.2008 р.

3.1.01.01. - 30.06 2008.Удосконалення методик комп’ютерного моделювання структури, густини і розподілу геодинамічних, термоконвективних та механічних характеристик геологічних структур

Очікувані результати. Проведення комплексної інтерпретації геофізичних даних в залежності від фізичних умов прояву геодинамічних, механічних характеристик літосфери. Інформаційний звіт. статті.

3.2. 01.07.- 31.12. 2008. Розробка методик по врахуванню геодинамічних та термодинамічних характеристик кори і мантії при відновленні режимів розвитку геодинамічних систем.

Очікувані результати. Режими палео-геодинамічних систем та відновлення етапів розвитку геологічних структур Українських Карпат. Заключний звіт. (текст, таблиці, графічні матеріали та електронні носії). Видання наукових статей, монографій, навчальних посібників, методичних розробок.