Рабочая программа учебной Ф ТПУ 7.1 –21/01

дисциплины

УТВЕРЖДАЮ

Директор ИГНД:

_ Е.Г. Язиков

«_» _ 2007 г.

ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМИГРАЦИИ

РАДИОНУКЛИДОВ

Рабочая программа для студентов направления магистерской подготовки Урановая геология Институт геологии и нефтегазового дела (ИГНД) Обеспечивающая кафедра: Геоэкологии и геохимии Курс 2 Семестр 3 Учебный план набора 2008 года Распределение учебного времени Лекции 34 часов (ауд.) Лабораторные занятия 18 часов (ауд.) Практические (семинарские) занятия - часов (ауд.) Курсовой проект в семестре - часов (ауд.) Курсовая работа в 3 семестре 4 часов (ауд.) Всего аудиторных занятий 56 часов Самостоятельная (внеаудиторная) 72 часов работа Общая трудоемкость 128 часов Экзамен в 3 семестре Зачет в семестре Дифзачет в 3 семестре Документ:

Дата разработки:

Рабочая программа учебной Ф ТПУ 7.1 –21/ дисциплины Предисловие 1 Рабочая программа составлена на основе профессиональной образовательной программы подготовки магистров по направлению «Урановая геология» Научно-образовательного центра ТПУ.

РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры Геоэкологии и геохимии от «_» 2007 г., протокол № _.

2 Разработчик профессор кафедры Гидрогеологии инженерной геологии и гидрогеоэкологии М.Б. Букаты _ 3. Зав. обеспечивающей кафедрой _ Л.П. Рихванов 4 Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с ИГНД, выпускающими кафедрами специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.

Зав. выпускающей кафедрой _ Л.П. Рихванов Документ:

Дата разработки УДК 006.44.378. Ключевые слова: рабочая программа, содержание, оформление, требования, структурные элементы, экспертиза, согласование, утверждение, хранение, обращение.

Аннотация Численные методы моделирования геомиграции радионуклидов: Рабочая программа для студентов направления магистерской подготовки Урановая геология Обязательный минимум включает в себя следующие разделы:

термодинамика природно-техногенных геохимических систем, физическая химия водных растворов радионуклидов, техническая и программная база физико-химического моделирования, базы термодинамических данных, численное моделирование геомиграции на пространственных сетках, моделирование геохимических процессов, научные и практические проблемы численного моделирования в геологии и геотехнологии урана и тория.

Региональная компонента Применение численного моделирования при поисках, разведке и разработке урановых месторождений Западной Сибири.

Университетская компонента Методика и программная реализация численного моделирования геомиграции и геохимических процессов в системе вода-порода.

Рабочая программа разработана М.Б. Букаты, профессором кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ИГНД.

E-mail: [email protected] 1. Цели и задачи учебной дисциплины 1.1. Цели преподавания дисциплины Общей целью преподавания дисциплины является усвоение студентами вопросов теории и практики численного моделирования геомиграции радионуклидов с применением современных информационных технологий и формирование у них мотивации к самообразованию за счет активации самостоятельной деятельности. Конкретная цель - сформировать у студентов целостную систему представлений и знаний о теоретических основах, методах, алгоритмах, программной реализации и применении численного моделирования геохимических процессов, научить студента использованию этих знаний в своей профессиональной деятельности.

1.2. Задачи изложения и изучения дисциплины В соответствии с поставленными целями основными задачами курса являются:

дать студентам - будущим магистрам, общие представления по теории геомиграции, условиям протекания геохимических процессов и принципам их численного физико-химического моделирования;

развить умение физико-химического описания природно-техногенных геохимических систем;

дать знания и развить навыки использования методов численного моделирования при поисках, разведке и разработке месторождений уранового сырья;

создать предпосылки для более глубокого понимания геологической природы месторождений редких и радиоактивных элементов;

дать знания и привить навыки в обработке и интерпретации геохимических данных в урановой геологии с помощью численного моделирования;

сформировать, в итоге, представления, необходимые для правильного понимания роли и задач численного моделирования геомиграции радионуклидов при решении конкретных геологических задач.

Эти цели и задачи будут достигнуты:

организацией лекций по теоретической части курса с учетом их посещения;

проведением лабораторных занятий с требованием подробных отчетов по каждой работе, включая ответы на контрольные вопросы;

проведением рубежных контрольных работ, с анализом ответов на поставленные вопросы;

выполнением курсовой работы и защитой её на семинаре;

планированием содержательной части самостоятельной работы;

организацией учебного процесса, обеспечивающей активизацию познавательной деятельности студента.

После изучения данной дисциплины студент должен знать:

основные теоретические предпосылки моделирования геомиграции и геохимических процессов;

методы и способы программной реализации численного моделирования;

планирование и проведение моделирования геомиграции применительно к реальным природным и техногенным геохимическим системам;

';

способы визуализации и интерпретации результатов моделирования.

Студент должен уметь:

формулировать содержательные цели и задачи численного моделирования геомиграции;

использовать современные программно-аппаратные средства моделирования;

задавать пространственную и временную дискретизацию области моделирования, исходные данные, граничные условия и сценарии расчетов, выполнять настройку физико-химической системы и собственно моделирование;

осуществлять верификацию, валидацию и калибровку моделей;

проводить первичную обработку результатов моделирования, включая их графическую визуализацию;

выполнять интерпретацию результатов применительно к конкретным поисково-разведочным и геотехнологическим задачам;

составлять отчеты о проделанной работе.

Студент должен иметь навыки проведения научных исследований по данной дисциплине.

2. Содержание теоретического раздела дисциплины (34 часа Введение (2 час.) Виды информации в геологии. Геологические и геохимические модели природных и природно-техногенных объектов. Сущность моделирования геомиграции. Место численного моделирования геомиграции в общем комплексе геолого-геофизических исследований земных недр. Состояние изученности проблемы, основные учебные и научные публикации.

1. Принципы описания природно-техногенных физико-химических систем (2 час.) Термодинамическая (физико-химическая) система. Обмен веществом и энергией с внешней средой. Твердые, жидкие и газообразные фазы.

Компоненты физико-химических систем. Термодинамическое состояние систем и его описание на основе законов равновесной и неравновесной (синергетика) термодинамики. Закон действия масс, как основа моделирования физико-химических процессов. Константа равновесия, произведение растворимости и активности, квотант и параметр насыщения/недонасыщенности реакций. Определение направления протекания реакций и процессов.

2. Термодинамические данные и параметры моделей (4 час.) Изменения энергии Гиббса, энтропии, теплоемкости и объёма в ходе физико-химических взаимодействий. Стандартные термодинамические параметры веществ, химических реакций и физико-химических процессов.

Справочники и электронные базы термодинамических данных. Методы расчета свободных энергий и констант равновесия. Учет давления и температуры. Уравнения теплоемкости и изменения объёма. Определение термодинамических констант равновесия.

3. Физическая химия природных и техногенных водных растворов ( час.) Ионы, ионные ассоциаты (ионные пары, тройники, квадруполи, комплексные соединения), незаряженные частицы, активные радикалы растворов. Принцип электронейтральности. Идеальные и реальные растворы, минералы, газы. Понятия стандартного состояния и активности.

Коэффициенты активности и их определение на основе уравнений теории Дебая-Хюккеля и метода Питцера. Основы химической кинетики и способы её учета при описании поведения моделей в реальном времени.

4. Гидрогеохимические процессы и принципы их математического описания (2 час.) Растворение/осаждение, окисление/восстановление, фазовые переходы, сорбция и ионный обмен, радиоактивный распад, химическая и биодеградация, дисперсия, диффузия. Принципы и методы математического описания геохимических и гидрогеохимических процессов.

5. Техническая и программная база моделирования (2 час.) Современные ЭВМ и их главные характеристики применительно к моделированию геомиграции. Возможные решения проблем используемой памяти и быстродействия. Принципы многопроцессорных и многопоточных вычислений. Обзор существующих программных разработок, их возможности и сравнительные характеристики: отечественные и зарубежные программные средства.

6. Сопряженное моделирование геофильтрации и геомиграции на пространственных сетках (4 час.) Методы дискретизации и описания фильтрационного поля: конечных разностей, конечных элементов, граничных элементов. Системы уравнений баланса масс, прямые (матричной алгебры) и итерационные методы их решения: исключения Гаусса, прогонки с переменой направлений, сопряженных градиентов, релаксации. Конвективная, гравитационная (плотностная), диффузионная и дисперсионная составляющие массопереноса. Общее уравнение баланса компонентов раствора.

Теплоперенос. Системы уравнений баланса растворенных веществ и теплопереноса. Методы их решения. Граничные условия. Внешние и внутренние источники-стоки.

7. Моделирование геохимических процессов (8 час.) Способы формализации уравнений химических и физико-химических взаимодействий: элементный, предопределенных химических, элементарных реакций. Принципы описания состояния геохимических систем с помощью методов «минимизации свободной энергии» и «констант равновесия». Учет неидеальности компонентов системы с использованием метода активности Льюиса. Экспериментальное определение (измерение) и теоретический расчет активностей компонентов растворов, минералов и газов. Определение термодинамических параметров и констант равновесия процессов. Способы и уравнения моделирования комплексообразования, растворения-осаждения, окислительно-восстановительных реакций, эвазии и инвазии газов. Основные способы моделирования физико-химической и биохимической сорбции, ионного обмена, радиоактивного распада и биодеградации. Учет рН и Eh растворов, давления и температуры в ходе моделирования.

8. Визуализация и интерпретация результатов моделирования (2 час.) 1, 2 и 3D визуализация результатов моделирования. Таблицы, графики, карты, блок-диаграммы, динамические изображения. Методы перехода между неравномерными и равномерными сетями наблюдения. Программные средства описания и визуализации многомерных и пространственно распределенных данных. Проверка и содержательная геолого-геохимическая интерпретация результатов моделирования.

9. Научные и прикладные модели геомиграции радионуклидов (4 час.) Геологические и геохимические задачи, решаемые с помощью численного моделирования геомиграции, при поисках и разведке урановых месторождений. Решение вопросов формирования месторождений урана.

Геотехнологические вопросы при проектировании и разработке месторождений редких и радиоактивных элементов. Моделирование геоэкологических последствий захоронения радиоактивных отходов и реабилитации отработанных участков урановых месторождений.

3. Содержание практического раздела дисциплины Перечень лабораторных работ (28 часов) 1. Использование баз термодинамических данных, 2 обоснование системы моделирования 3. Моделирование изменения ТР-условий, смешения, 2 распада, деградации и сорбции 4. Моделирование взаимодействия раствор-порода-газ 2 5. 3D сеточная дискретизация, определение и расчет 2 геофильтрационной модели 6. Преобразование геофильтрационной 3D модели в 2 геомиграционную, моделирование поведения «инертного» компонента 7. Моделирование 3D геомиграции, включая физико- 4 химические взаимодействия в системе вода-порода результатов сеточного моделирования 4. Тематика курсовых работ Студентам могут быть предложены исследовательские или реферативно-аналитические работы по следующим темам:

Моделирование формирования гидротермальной урановой минерализации.

Моделирование опытно-промышленной эксплуатации месторождения урана методом подземного выщелачивания.

Исследование процессов выщелачивания урана из руд кислыми и/или щелочными растворами.

Моделирование мероприятий по реабилитации продуктивных водоносных горизонтов.

4.1 Региональная компонента Возможности моделирования геомиграции при поисках урана на конкретных участках Западной Сибири.

4.2. Университетская компонента Оценка геохимической эффективности методов и технологий подземного и кучного выщелачивания урана водными рабочими растворами.

Проверка точности и достоверности численных моделей геомиграции урана по данным натурных наблюдений.

5. Программа самостоятельной познавательной деятельности ( Структура самостоятельной познавательной деятельности студента включает следующие виды:

Углубленная самостоятельная работа над лекционным материалом.

Самостоятельная проработка материала по теме курсовой работы.

Ответы на контрольные вопросы к лабораторным работам и составление отчета.

Подготовка к двум рубежным контрольным работам.

Самостоятельная подготовка к экзаменам выносится за рамки плановых часов в семестре, т.к. на это в сессию выделяется отдельное время.

6. Текущий и итоговый контроль результатов изучения 6.1. В дисциплине предусматривается контроль всех этапов самостоятельной познавательной деятельности студента, указанных в разделе 5: текущий, рубежный и итоговый (дифзачет и экзамен).

6.2. Структура оценок итогов работы (знаний и умений) студента может быть обычная с оценками в четырехбалльной системе за каждый раздел этапа (лабораторную, контрольную, курсовую работу) или в системе рейтинговых баллов. Примерное распределение баллов за каждый вид самостоятельной познавательной деятельности студента показано в рейтинглисте.

курса «Численные методы моделирования геомиграции радионуклидов»

Вся дисциплина (без курсовой работы) оценивается в 1000 баллов, из них по максимуму отводится:

- на посещение лекции, ведение конспектов и работу с учебной - на подготовку к лабораторной работе, ответы на контрольные вопросы и оформление отчетов (9 работ по 40 баллов) - на подготовку к 2 рубежным контрольным работам (по В зависимости от количества набранных баллов студент может в итоге претендовать на следующую оценку:

875-1000 - отлично, 525 - 750 - удовлетворительно.

Поскольку курсовая работа имеет свою итоговую оценку, то на неё составляется отдельный рейтинг-лист по этапам ее выполнения, максимальный итог - 1000 баллов. Примерное распределение баллов по этапам может быть следующим:

6.3. Образцы контролирующих материалов 6.3.1. Текущего контроля Контрольные вопросы к лабораторной работе «Использование баз термодинамических данных (ТБД), обоснование системы моделирования»:

поясните, какие компоненты системы выбраны в качестве базовых и почему?

уточните, как изменится характер взаимодействия минерала с раствором, если в ТБД отсутствуют данные по изменению энтропии, теплоемкости или мольного объема минерала или составляющих его базовых частиц?

поясните, как определить изменение энергии Гиббса и энтропии, используя данные о растворимости?

как поступить, если в ТБД отсутствуют данные по компонентам, поведение которых в системе требуется изучить?

рассчитайте, с какой точностью будет определена константа равновесия кальцита, если точность энергии Гиббса его образования составляет ±0. Дж/моль?

как изменится растворимость минерала, если увеличить или уменьшить величину изменения энергии Гиббса его образования?

о чем свидетельствует величина периода полураспада?

почему в ТБД не обязательно задавать плотность минерала?

Контрольные вопросы к лабораторной работе «Моделирование изменения ТР-условий, смешения, распада, деградации и сорбции»:

почему растворимость одних минералов при повышении температуры возрастает, а других уменьшается?

поясните, как нужно изменять пропорции смешения, если требуется выяснить, не происходит ли выпадения минералов из смеси двух растворов?

какую величину составляет активность урана 235 в растворе в Бк/л, если его концентрация в нем составляет 5 мкг/л?

чем определяется значение константы сорбции компонента раствора и ёмкость обмена породы?

чем с точки зрения математического описания отличаются радиоактивный распад и биодеградация?

какие методы расчета коэффициентов активности следует выбрать при ионной силе раствора 0.1 и 3.2?

какие процессы могут возникнуть при смешении растворов различного состава?

почему незаряженные частицы раствора тоже могут сорбироваться породой?

Вопросы для рубежных контрольных работ:

Способы определения активности компонентов раствора.

Закон действия масс и его применение при моделировании геохимических взаимодействий.

Как связаны объем памяти, занимаемый моделью, и быстродействие расчетов? Как ими можно управлять?

Основные виды граничных условий при гидродинамическом и геохимическом 3D моделировании. Способы их задания.

Составьте сценарий численного моделирования опытной эксплуатации месторождения урана.

6.3.2. Итогового контроля 1. Из каких процедур состоит моделирование геомиграции.

2. Способы визуализации результатов численного моделирования.

3. Единицы измерения активности, концентрации, рН и Eh.

1. Виды ионных ассоциатов и расчет комплексообразования.

2. Способы решения систем уравнений баланса масс.

3. Особенности моделирования окислительно-восстановительных процессов.

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 7.1. Перечень рекомендуемой литературы 1. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии. / Под ред. С.Р. Крайнова – М.: Недра, 1988. – 254 с.

2. Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода-порода. Т. Система вода-порода в земной коре: взаимодействие, кинетика, равновесие, моделирование. // Под ред. С.Л. Шварцева. - Новосибирск:

Изд. СО РАН, 2005, 244 с.

3. Букаты М.Б. Геоинформационные системы и математическое моделирование. Учеб. пособие. – Томск: изд. ТПУ, 2002. – 75 с.

4. Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ. Учебное пособие. / Под ред. Р.С.

Штенгелова – М.: Изд-во МГУ, 1994. – 335 с.

5. Керн Р., Вайсброд А. Основы термодинамики для минералогов, петрографов и геологов. – М.: Мир, 1966. – 278 с.

Дополнительная 1. Гаррелс Р.М., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. – М.: Мир, 1968. – 368 с.

2. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод.

Теоретические, прикладные и экологические аспекты. - М.: Наука, 2004. с.

3. Термодинамическое моделирование в геологии: минералы, флюиды и расплавы. / Р.К. Ньютон, А. Навротеки, Б.Дж. Вуд и др. - М.: Мир, 1992. с.

4. Langmuir D. Aqueous Environmental Geochemistry. – London: Prentice-Hall International, 1997. – 601 pp.

5. Мироненко В.А., Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии. Т. Теоретическое изучение и моделирование геомиграционных процессов. – М.: Изд-во МГУ, 1998. – 611 с.

6. Геотехнология урана на месторождениях Казахстана. / В.Г. Язиков, В.Л.

Забазнов, Н.Н. Петров, Е.И. Рогов, А.Е. Рогов. – Алматы, 2001. - 444 с.

7. http://www.scisoftware.com 8. http://water.usgs.gov/software 9. http://www.geolink-ltd.com 10. http://www.softwareperfect.com 7.2. Перечень используемых информационных продуктов Дисциплина обеспечена электронными презентациями по изучаемым темам, раздаточным и контролирующим материалом, вычислительной техникой на базе класса ПЭВМ, пакетами программ HydroGeo, GMS (Groundwater Modeling System), Access, Excel, Surfer и ArcGIS, демонстрационными версиями программных продуктов Freeqc, GeoLink (включает MODFLOW), ECLIPSE, Селектор-С, SOXXXX, BALANCE, SOL.

ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМИГРАЦИИ

РАДИОНУКЛИДОВ

Составитель: профессор М.Б. Букаты Подписано к печати Формат 60х84/16. Бумага "Классика" Издательство ТПУ. 634050, Томск, пр. Ленина, 30.