Введение к работе
Актуальность проблемы. Применение физико-химических методов для решения задач геологии и геохимии получило широкое распространение лишь во второй половине нашего столетия. Создание современной теоретической и экспериментальной базы позволило поставить конкретные задачи физико-химического моделирования в петрологии и геохимии. К настоящему времени опубликовано большое число работ, содержащих как конкретные результаты, так и анализ методов, применяемых при физико-химическом моделировании в космохимии и геохимии.
Применение физико-химических подходов к проблеме эволюции вещества, от стадии конденсации вещества в допланетном облаке (ДПО) до его распределения в современных телах Солнечной системы, позволяет познать законы фракционирования, а также фазовый состав недр и пород поверхности планетарных тел.
За последние четыре десятка лет - времени интенсивного исследования планет с помощью космических аппаратов - накоплен огромный фактический материал по физике и химии планетарных атмосфер, рельефу поверхности и химическому составу грунта Венеры и Марса. Однако возможность определения минерального состава пород поверхности Венеры и Марса in situ, а тем более доставка образцов этих пород на Землю при помощи космических средств, представляет сложную не только техническую, но и экономическую задачу.
Сложность природных систем (многокомпонентность и многофазность) и многофакторность процессов происходящих в них, а также большие пространственно-временные масштабы этих систем не позволяют проводить адекватные натурные эксперименты. Тем не менее, к настоящему времени в результате многолетних систематических экспериментальных исследований накоплена информация по физическим, в том числе и термодинамическим константам многих природных веществ.
В такой ситуации практически единственным выходом является привлечение для решения задач моделирования природных процессов возможностей, которые предоставляет современная вычислительная техника, открывающая пути решения фундаментальных проблем в науках о Земле новыми методами.
Одним из теоретических аппаратов решения подобного рода задач является химическая термодинамика, позволяющая, в предположении наступившего химического равновесия в изучаемых системах, давать оценку их фазового состава и вероятного направления преобразования вешества, сравнивая лишь свободную энергию начального и конечного состояний, не исследуя промежуточных, часто неизвестных.
Нами проведено систематическое исследование таких фундаментальных вопросов космохиии и планетологии, как конденсация и испарение вещества в ДПО, образование протовещества планетных тел, фракционирование вещества при дифференциации планет, а также в процессах экзогенного преобразования их поверхностей и газовых оболочек, основанное на современной информационном обеспечении, представляющем собой базу экспериментальных численных данных с применением устойчивых методов решения задач.
Цели и задачи работы. Стратегическая цель исследования состоит в моделирование полной физико-химической эволюции вещества от конденсации
частиц в допланетном облаке до современного состояния внешних оболочек планет Земной группы и Луны. Однако сложность и многообразие вопросов, возникших при реализации этой цели, потребовали ее упрощения до состояния, при котором появилась возможность решения основных задач поставленной проблемы, а также реализации ряда методических вопросов, обеспечивших моделирование. Эти задачи сводятся к следующему.
-
Провести анализ, экспертную оценку и согласование термодинамических данных; исследовать низкотемпературную теплоемкость ряда силикатов; построить базу по газам и минералообразующим соединениям на основе нового базиса, при котором за стандартное состояние вещества приняты одноатомные газы для информационно-вычислительного комплекса математического моделирования природных физико-химических равновесий.
-
Осуществить физико-химическое моделирование процесса преобразования поверхностного вещества Венеры и Марса при его взаимодействии с газовыми оболочками, оценить фазовый состав пород поверхности планет и минеральные формы, в которых связаны летучие.
3. Сравнить процессы преобразования вещества при существенно
различающихся температурных режимах и в отсутствии жидкой воды (как
важнейшего агента химического выветривания) на поверхности Венеры и Марса.
-
Исследовать состав возможных конденсатов облачного слоя планеты Венера и роль парникового эффекта атмосфер планет, а также его влияние на эволюцию состава газовых оболочек и вещества поверхности Венеры и Марса.
-
Методом равновесной термодинамики изучить процессы равновесной и фракционной конденсации, испарения. вещества ДІЮ как вероятных механизмов образования протовещества планетных тел и их спутников, а также вещества хондритов. .
Новизна и научная значимость. Решена крупная научная задача в области моделирования космохимических процессов - перераспределения химических элементов в процессе эволюции вещества внешних оболочек планет, а также парникового эффекта высокоплотной газовой оболочки.
Новизна и научная значимость диссертационной работы состоит в следующем:
- проведен анализ литературный данных, их экспертная оценка и согласование;
построена база термодинамических данных по газам и минералообразующим
соединениям на основе нового базиса, при котором за стандартное состояние
вещества приняты одноатомные газы;
- впервые экспериментально определены значения термодинамических
функций (теплоемкость и стандартная энтропия) пяти породообразующих
минералов: эпидота, содалита, мариалита, глаукофана и топаза;
при .численном моделировании процесса взаимодействия атмосфер планет с породами поверхности, впервые получен фазовый состав пород Венеры и грунта Марса и определены минеральные формы, в которых связаны летучие;
проведены модельные расчеты парникового ,разогрева атмосферы планеты Венера и его влияние на эволюцию газовой оболочки планеты и вещества поверхности;
выявлена специфика преобразования поверхности планет, выраженная в обогащении серой поверхностного вещества на Венере и преимущественного окисления поверхностного вещества на Марсе;
- при исследовании процесса фракционной конденсации вещества из газовой составляющей ДПО и его постконденсационном преобразовании впервые в практике равновесных расчетов получен состав вещества основных типов хондритов.
Практическая значимость. Полученные автором термодинамические характеристики для экспериментально исследованных минералов были включены в фундаментальное справочное издание «Термические константы веществ»,1982.
Информационно-вычислительный комплекс в сочетании с
термодинамическими данными для широкого круга минералов и газообразных веществ (обеспечивающими его информационную поддержку) создает возможность для реализации моделирования разнообразных природных процессов в широком интервале Р-Т-лараметров. Например, при построении генетических моделей рудообразования, реконструкции физико-химических условий магматических, метаморфических и метасоматических процессов и т. п.
Результаты численного моделирования состава пород поверхности Венеры и Марса необходимы при планировании космических исследований планет и интерпретации их результатов.
Методика расчетов парникового разогрева атмосферы, содержащей повышенное количество водяного пара и углекислоты, может быть полезной при моделировании последствий антропогенных выбросов СОг в атмосферу Земли.
Апробация работы Основные результаты исследований автора опубликованы в 1978-1999 годах: в книге «Породы и грунт поверхности Марса», коллективной монографии «Планета Венера»; в сборниках: «Proceedings of the Lunar and planetary science conference», «Advances in Physical Geochemistry: Chemistry and physics of terrestrial planet», «Космохимия и сравнительная планетология», «Основные направления геохимии» и более чем в 30 статьях в журналах: «Геохимия», «Доклады Академии наук СССР», «Experiment in Geosciences», «Icarus».
Результаты работы докладывались на ряде совещаний, симпозиумов, конференций. Совещания: «Минералогия и петрография» (Киев, 1978), «Метрологическое обеспечение тешюфизических измерений при низких температурах» (Хабаровск, 1979), «Геохимия углерода» (Москва, 1981), «Калориметрия и химическая термодинамика» (Тбилиси, 1982), «Экспериментальная минералогия, петрология и геохимия» (Москва, 1995, 1996, 1998), «Метеоритика и космохимия» (Черноголовка, 1994). Симпозиумы: «Термодинамика в геологии» (Суздаль, 1985), ГЕОХИ/БРАУН (Москва, 1985, 1995, 1999). Сессии: COSPAR (Будапешт, 1980; Тулуза, 1986), Международный геологический конгресс (Париж, 1980; Вашингтон, 1989). Конференции: «Луна и планеты» (Хьюстон, 1981, 1983, 1986, 1991, 1994, 1995), «Применение математических методов для описания и изучения физико-химического равновесия» (Новосибирск, 1992). Генеральная ассамблея EGS (Гаага, 1996), 3 Международная «Освоение и использование Луны» (Москва, 1998).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 335 страницах, состоит из 6 глав, введения, заключения и списка литературы (545 наименований), содержит 66 рисунков, 72 таблицы.
