Развитие геологических наук на современном этапе, как в прочем и в других областях знаний, 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 геохимию 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 моделью, т. е.становитсяболее простым и доступным для изучения, а результаты исследования модели переносятся на свойства объекта (Гричук, 2000).
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 является субъективным, 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. 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 рисунке 2.1. По результатам изучения свойств природного объекта (объектов) – прототипа – проводится схематизация, т. е. исследователь выбирает существенные для дальнейшего изучения 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 – следствиямодели. Часть следствий используется для доказательства работоспособности модели (верификации), и часть – для прогноза неизвестных свойств природного прототипа.
Рис. 2.1Методология модельного исследования
Из схемы видно, что, по крайней мере, часть следствий из модели должна быть пригодна для сравнения с объектом при ее верификации. В то же время, если все следствия из модели задействованы для верификации, предсказательная сила модели теряется и 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 (Гричук, 2000).
|
|
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 геохимических процессов могут быть выделены три «слоя» (Методы геохимического моделирования..., 1988):
– геолого-геохимическая модель (логическая схема);
– физико-химическая модель (теоретическая модель);
– математическая модель (способ получения следствий).
Геолого-геохимическая модель определяет пространственно-временные масштабы и условия температуры и давления 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.
Далее под физико-химической моделью будет пониматься модель, объединяющая все три вышеперечисленные. 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 свои 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. Г. Хельгесон, используя принцип частичного равновесия П. Бартона, 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 и др., 1976; 1981), в своей основе относится к развитию процесса во времени и не предполагает перемещения вещества в пространстве. Пространственная изменчивость процесса может быть описана с применением принципа локальных равновесий, предложенного Д.С. Коржинским (Коржинский, 1982). В этом случае пространственно-временная изменчивость процесса аппроксимируется совокупностью равновесных состояний систем, составы которых связаны между собой, помимо кинетических, еще и динамическими соотношениями, т. е. условиями переноса вещества между участками геологической модели. Такой класс моделей было предложено называть равновесно-динамическими. Модели этого класса используются в настоящей работе.
|
|
В последние 30 лет в нашей стране и за рубежом физико-химическое моделирование геохимических процессов развивается активно. Большой вклад в прогресс этого направления геохимии внесли работы многих авторов: Г. Хельгесона (Helgeson, 1970; Shock, Helgeson,1988); И.К. Карпова, К.В. Чудненко (Карпов и др., 1976, 1985, 1991, 1999, 2001; Карпов, 1981; Кашик, Карпов 1978; Кулик и др., 1992; Чудненко и др., 1988, 1999; Karpov et al., 1997, 2002) и В.А. Бычинского (Бычинский и др., 2004, 2008); И.Л. Ходаковского (Ходаковский и др., 1978); В.А. Копейкина (Копейкин, 1982, 1984); Алексеева, С.Л. Шварцева, Б.Н. Рыженко (Геологическая эволюция…, 2005, 2007); Л.М. Грамм-Осипова (Грамм-Осипов и др., 1999-2005), О.В. Авченко (Авченко и др., 2009), А.В. Савченко (Савченко, 2007) и других исследователей. Успехи этих работ были обусловлены созданием высокоэффективных вычислительных программ: СЕЛЕКТОР (Chudnenko et al., 1995), GIBBS (Ю. В. Шваров, МГУ), EQ3/6 (Т. Волери, лаборатория Лоуренс Ливермор), CHILLER (М. Рид, Геологическая служба США) и др.