Введение к работе
Актуальность работы. Понимание геодинамики базируется на знаниях тепловой структуры Земли. Процессы теплопроводности оказывают влияние на реологические свойства пород в Земле, на фазовые и минералогические переходы в коре и мантии и на физико-химический состав планеты. Одним из примеров такого влияния, важного с экономической точки зрения, является образование нефти и газа в осадочных бассейнах. Другим примером может служить эволюция тепловых плюмов в мантии Земли. Важность этого примера заключается в том, что с мантийными плюмами связаны горячие точки нашей планеты и внутриплитовый океанический и континентальный вулканизм, такой, например, как вулканы на Курилах, Гаваях или в Исландии. С появлением вычислительной техники достаточной мощности стало возможным решать сложные задачи теплопроводности с высокой точностью расчетов. Развитие вычислительных методов, создание алгоримов расчетов и компьютерных программ для решения геотермических задач является актуальным направлением в вычислительной геодинамике. Целями исследования являлись разработка и тестирование новой численной методики изучения теплового поля в слоисто-неоднородной среде с неподвижными и движущимися границами; применение разработанных численных алгоритмов и программ для изучения тепловой эволюции мантийных плюмов и осадочных бассейнов.
Цели работы определили постановку следующих задач: разработать конечно-разностный численный подход и программные средства, позволяющие вычислять тепловое поле (как стационарное, так и нестационарное) в слоисто-неоднородной среде с неподвижными и движущимися границами; разработать модели диффузии мантийных плюмов как при наличии, так и при отсутствии мантийных течений; изучить геотермическую эволюцию осадочных бассейнов (на примере Астраханского свода Прикаспийской впадины); численно исследовать задачу об экструзии соли и образовании соляного карниза.
Основные результаты работы, выносимые на защиту.
Численная схема и высокоточный эффективный алгоритм расчета для нестационарного уравнения теплопроводности, основанные на методе конечных разностей и методах расщепления.
Эффект тепловой диффузии на эволюцию мантийных плюмов. Показано, что ножки (вертикальные каналы поднимающегося горячего вещества) плюмов разрушаются быстрее их шапок в
С.-Петербург
ОЭ 2005акт3^2>
результате тепловой диффузии. Это может служить объяснением недавних результатов сейсмо-томографических исследований мантийных плюмов, которые не выявляют отчетливых ножек плюмов на средних мантийных глубинах.
Геотермическая модель Астраханского свода Прикаспийской впадины и его структурно-тепловая эволюция. Определение геотермических условий для возможного созревания углеводородов.
Модели экструзии соли за счет образования осадочной мульды (мини-бассейна) и последующего гравитационного течения соли. Модели геотермической эволюции осадочной мульды.
Методика исследований. Основным методом исследований являлся численный эксперимент. Численный метод основан на методе конечных разностей. Разработка программного средства велась на языке программирования C++,
Научная новизна. Разработан оригинальный алгоритм расчетов для задач теплопроводности в стратифицированной среде с учетом движущихся внутренних границ. Алгоритм обладает быстродействием и высокой точностью расчетов. На двумерных численных моделях впервые показано влияние тепловой диффузии на эволюцию мантийных плюмов. Построена новая структурно-геотермическая модель эволюции Астраханского свода Прикаспийской впадины. Впервые разработана и построена численная модель экструзии соли и ее гравитационного течения и модель структурно-геотермической эволюции осадочных мульд.
Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость данного исследования заключается в разработке численного подхода для решения задач теплопроводности в слоисто-неоднородной среде с движущимися границами раздела слоев. Результаты исследований тепловой эволюции мантийных плюмов и геотермической эволюции осадочных бассейнов с помощью разработанных методов исследования имеют высокую научную значимость. Практическая значимость исследований заключается в применении разработанной методики исследований для анализа истории развития осадочных бассейнов и условий созревания углеводородов. Данная методика применялась с целью изучения геотермической эволюции Астраханского свода по заданию ОАО «Газпром» и изучения развития соляных структур в Мексиканском заливе по заданию компании Шеврон. Кроме того, практическая значимость результатов исследований по тепловой эволюции мантийных плюмов заключается в выяснении глубинных процессов подготовки и извержений вулканов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научных семинарах Международного института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН; были представлены на международных научных конференциях, в том числе на Зимней Ассамблее Американского Геофизического Союза (Сан-Франциско, Калифорния - 2004), на 54 научно-технической конференции Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) (Москва, 2005), на международном совещании по проблемам современной геодинамики в регионе Черного и Каспийского морей (Баку, Азербайджан, 2005) и на Генеральной Ассамблее Европейского Союза Наук о Земле (Вена, Австрия - 2006).
Основные результаты работы по теме диссертации изложены в 7 публикациях, в том числе в 4 статьях в реферируемых международных и Российских журналах, включая Доклады Российской Академии наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и 3-х приложений. Общий объем диссертации составляет 125 страниц машинописного текста, содержит 19 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 82 наименований.
