CC BY
34
Гипотезы, дискуссия, открытия, сообщения
УДК 550.36 + 551.24
ФРАКТАЛЬНЫЕ КЛАСТЕРЫ В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ И ГИПОТЕЗА О ПРОЦЕССАХ МНОГОУРОВНЕВОГО СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
1 2 В.А.Филонюк , В.В.Корнаков
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2Восточно-Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья, 664007, г. Иркутск, ул. Декабрьских событий, 29.
Проведено научное обоснование вероятных геодинамических моделей разномасштабных структурно-вещественных преобразований в геологической среде с позиций нелинейной структурной самоорганизации геологических систем с максимально возможным учётом классических представлений. В результате исследования впервые предложен универсальный закон формирования фрактальных подсистем в локальном пространстве геологической среды на основе обобщённого закона взаимодействия гравитирую-щих объектов Ньютона-Хаббла-Кэри и сформулирована гипотеза о сущности процесса многоуровневого структурообразования в геологической среде. Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 19 назв.
Ключевые слова: геологическая среда; геомеханика; элементы тектонической деструкции; рудное вещество; структурная организация; фрактальный кластер; фрактальный рост; конструктивный и деструктивный режимы развития геологической среды; устойчивость; "текущее равновесие"; вакуумная гравитация; гипотеза.
FRACTAL CLUSTERS IN GEOLOGICAL SYSTEMS AND THE HYPOTHESIS ON THE PROCESSES OF MULTILEVEL STRUCTURE FORMATION IN GEOLOGICAL ENVIRONMENT
V.A.Filonyuk, V.V.Kornakov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074. East Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Resources, 29, Dekabrskyh Sobytii St., Irkutsk, 664007.
The authors carried out a scientific rationale for probable geodynamic models of non-uniformly scaled structural and substantial transformations in geological environment from the standpoint of nonlinear structural self-organization of geologic systems with the best possible consideration of classical concepts. The research resulted in the suggestion of a universal law of fractal subsystem formation in the local space of geological environment on the basis of the generalized law of interaction of Newton-Hubble-Carey gravitating objects and the formulation of the hypothesis on the nature of the process of multilevel structure formation in the geological environment.
4 figures. 2 tables. 19 sources.
Key words: geological environment; geomechanics; elements of tectonic destruction; ore substance; structural organization; fractal cluster; fractal growth; structural and destructive development modes of geological environment; sustainability; "current balance"; vacuum gravitation; hypothesis.
Исследование геодинамики разномасштабных структурно-вещественных преобразований в геологической среде проводилось путём выявления и детального изучения структурных закономер-
ностей в размещении вещества в пространстве.
Многоуровневое структурообразо-вание в природе - это одно из ключевых явлений, познание которого может помочь открыть и понять основные
'Филонюк Виталий Андреевич - доктор геолого-минералогических наук, профессор. Filonyuk Vitaliy - Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor. 2Корнаков Вячеслав Валентинович - главный геолог. Kornakov Vjcheslav - Chief geologist.
закономерности развития любой области мироздания и в том числе таких уникальных по широте диапазона уровней организации материи, как геологическая среда.
К сожалению, современное состояние знания в области наук о Земле пока не удовлетворяет существенно возросшим требованиям к объективности информации из-за сохранившихся с прошлых времён общепринятых предположений и допущений, которые уже не в состоянии объяснить многие факты и явления. Требуется существенная коррекция сложившихся традиционных представлений о сущности геологических процессов и явлений.
Авторами получен и обработан на уровне моделей обширный материал по закономерностям внутреннего строения структурно-вещественных комплексов в геологической среде, причём полученные данные охватывает широкий диапазон масштабных уровней строения геологических объектов. Это открывает возможности для проведения более корректного исследования сущности геодинамических режимов и самой кинетики структурообразующих процессов. Анализ патентных источников, реестров научных открытий не выявил принципиально новых решений в данной области.
Целью проведённых исследований был поиск и научное обоснование вероятных геодинамических моделей разномасштабных структурно-вещественных преобразований в геологической среде с позиций нелинейной структурной самоорганизации геологических систем с максимально возможным учётом классических представлений. Все известные классические и неклассические модели организации структурно-вещественных комплексов в геологической среде (включая известные парадоксальные факты) исследовались с точки зрения традиционных и нетрадиционных пред-
ставлений о причинах и механизмах геологических процессов. Концептуальная и методологическая основа исследований
Применение концепции самоорганизации (самодвижения) как современной методологической основы научных исследований возможно лишь при наличии соответствующего мировоззрения исследователя. Кратко суть этой концепции заключается в следующем.
1. В традиционном понимании представление о мироздании отождествляется с субстратно-материальной сущностью окружающего нас мира как расслоенного по субординационной (иерархической) оси пространства, где материальная субстанция (субстанция, обладающая структурой) воплощена в широкий спектр состояний в диапазоне "элементарные частицы " - "Вселенная", что и обусловливает, как считается, единство всех форм и уровней организации материи (принцип материального единства мира). Новое понимание единства мироздания может сформироваться на основе энергоинформационных представлений, базирующихся на принципе холономности. Согласно этому принципу мир относительно дискретен и абсолютно континуален, то есть каждый его объект не локален, а бесконечно распространён в пространстве и времени на квантово-полевом (вакуумном) уровне организации материи. Неустойчивость физического вакуума, на долю которого приходится практически весь объём пространства материальных тел, является первопричиной необратимого процесса его самоорганизации через создание и структурирование материи во всех ее формах и проявлениях [3,5,6].
2. Последовательная структурная эволюция материальных объектов идет через неустойчивость гравитационного поля элементарных частиц, атомов, молекул и вещественных комплексов, обладающих микро-, макро- и мегаструк-
турой. По крайней мере, на микроуровнях гравитационное поле должно трактоваться с позиций вакуумной теории гравитации, когда гравитационное взаимодействие частиц (тел) независимо от их размеров определяется не их массой, а натяжением физического вакуума, возникающим в области "тени" по кратчайшей линии между соседними телами или частицами [1]. Такая причинная интерпретация подтверждается выявленной нами универсальностью свойств структурной организации моновещественных полей в эндогенных и даже экзогенных геологических системах, выраженная посредством фрактальных кластеров. Эти свойства не могут быть следствием только тех природных геологических процессов, которые традиционно используют исследователи для генетической интерпретации своих результатов (механика, флюидная динамика, диффузия и др.).
3. Процесс структурообразования в сложных природных системах, таких, например, как геологические - это многоуровневый процесс. В данном случае объект эволюционирует во всем диапазоне уровней организации одновременно, если рассматривать его в рамках неструктурированного (физического) времени. Однако каждый масштабный уровень имеет собственные пространственно-временные координаты (свое пространство, свой темп хода времени) [18]. Этот процесс объединяет множество механизмов, каждый из которых может быть доминирующим конкретно на своем масштабном уровне. Все они находятся в сложных нелинейных причинно-следственных связях (субординационных, пространственных, временных и т.д.). Реальная причина процесса струк-турообразования на конкретном масштабном уровне организации, согласно принципу холономности, - это причинный континуум, направленный либо вверх, либо вниз по иерархии от исследуемого уровня в зависимости от ориен-
тировки вектора эволюции. Попытка найти ее на том же уровне, где зафиксирована конкретная структура, приводит нас к научному заблуждению.
4. Все процессы структурно-вещественных превращений в геологических средах, как и во всём материальном мире, носят необратимый квантовый характер на всех масштабных уровнях без исключения. Мы фиксируем сложные ансамбли различных пространственно взаимосвязанных структурно-вещественных комплексов, поддерживающих своим существованием фазовое состояние "текущего равновесия" (по Эбелингу [19]) в неустойчивой геологической среде. Такие состояния и есть квантовые состояния, а все переходы в другие состояния в связи с ростом степени неустойчивости систем - это типичные квантовые переходы, совершаемые "скачкообразным" (катастрофическим) путём по аналогии с известными законами квантовой физики микромира. В отличие от микроквантовых геологические квантовые процессы -это сложносистемные и, прежде всего, разноуровневые, но суббординационно взаимосвязанные процессы, совершающиеся в условиях структурированного пространства-времени.
5. Реально существует взаимосвязь процессов в мире элементарных частиц, ядер атомов и самих атомов с процессами в макро- и мегамире. Она основана на теоретически обоснованной квазикристаллической модели строения вещества в иерархическом диапазоне от элементарных частиц вакуума до кристалла, которую можно считать началом становления вакуумной идеологии как нового подхода к пониманию процессов и явлений в материальном мире [1,10]. Микроуровневые структурно-вещественные преобразования в геологической среде выходят за пределы атомно-молекулярных взаимодействий и уходят глубоко в область элементарных частиц. Известным препятствием
этому является принцип неопределённости Гейзенберга, согласно которому существует «неопределённость» между состояниями «поле» - «вещество» на «тонких» уровнях строения материи. Оно снимается путём введения представлений о дискретности и структурированности времени относительно темпа его хода на всех суперэлементарных уровнях строения вещества.
6. На фоне всем понятной «реологической» картины структурной организации геологической среды существует «латентная» составляющая этой организации, материализованная структурно независимыми между собой монопризнаковыми подсистемами с ярко выраженными свойствами фрактальной кластеризации [8,13]. Это, прежде всего, аномальные скопления «тяжёлых» химических элементов (металлов) и геологических тел более плотного вещества. Законы, кинетика и механизмы структурообразующих процессов на различных масштабных уровнях этих составляющих должны тесно взаимоувязываться с законом фрактальной структуризации пространства-времени. Как правило, реологическая и латентная составляющие дискордантны по отношению друг к другу, хотя локализуются в пределах одного пространства, поскольку представляют единый процесс. В данном случае мы имеем дело с ярким проявлением принципа синергизма в развитии геологической среды.
Фрактальные кластеры в геологических системах
На основе результатов исследования в рамках обозначенного выше направления установлено, что отдельные компоненты геологической среды (пространственное распределение золота в рудных телах золоторудных месторождений, распределение интенсивности проявлений разрывной тектоники и трещиноватости в горных массивах,
структура зон рассланцевания и др.) имеют сложный закономерно-прерывистый характер.
К наиболее характерным свойствам геологической среды необходимо отнести также иерархичность всех её компонентов. Иерархические уровни (иерархическая система уровней) - это системные формирования, в которых дискретные элементы последующего более высокого масштабного уровня выступают в качестве объектов, рассматривавшихся в качестве систем на предыдущем масштабном уровне. Это главный элемент структурной организации признакового пространства геологической среды как пространственно упорядоченной совокупности элементов, которые придают ей устойчивость и таксономическую определённость за счёт геометрически формализованного порядка пространственного вхождения друг в друга дискретных элементов разного масштаба.
В данном случае таксон (от греч. 1ахю - порядок, ряд) рассматривается как пространственно обособленное объединение группы дискретных объектов, связанных определённой степенью пространственной общности. Таксономический анализ конкретной подсистемы геологической среды представляет собой процесс выделения в пространстве последовательно входящих друг в друга, т.е. иерархически взаимосвязанных, разномасштабных таксонов. Каждый из них представляет собой ограниченное в пространстве скопление участков определённого масштаба с повышенной характеристикой изучаемого свойства (например, концентрацией золота или трещин). В рамках одного масштаба таксоны расположены примерно на одинаковом расстоянии друг от друга. В целом структурированная таким образом конкретная подсистема представляет собой трёхмерный фрактальный кластер. Это ключевое свойство внутреннего строения природной монопризнако-
вой подсистемы геологической среды. Оно характеризуется равномерно-неравномерной пространственной упорядоченностью в размещении разномасштабных дискретных элементов монопризнаковой подсистемы по принципу самоподобия.
Технология геоинформационного моделирования для корректного установления фрактальных свойств изучаемых монопризнаковых подсистем должна основываться на достаточном количестве разномасштабной информации, которое позволит найти достоверные границы таксономических элементов при составлении уровневых карт распределения признака [11].
На примере золоторудных месторождений рассмотрим фрактальные свойства некоторых конкретных подсистем геологической среды, имеющих наиболее важное значение для решения прикладных геологических задач.
Подсистема пространственного распределения золота в рудных телах характеризуется закономерно-
прерывистым распределением аномальных концентраций золота, зафиксированных по данным эксплуатационного опробования. На основе анализа планов детального опробования при выемке руды из блока вначале выделяются участки аномальных концентраций металла, а затем, путём последовательного таксо-номирования их в более крупные обособления, выявляется фрактальная структура распределения металла в блоке (рис.1, А).
Подсистема распределения максимумов удельной концентрации трещин и других тектонических нарушений также характеризуется закономерной прерывистостью. Карты удельной тре-щиноватости, которые используются для прогнозирования геомеханического состояния горного массива, составляются на основании перевода в топоповерх-ность данных расчётов отношений суммарной длины трещин и тектонических
нарушений в ячейке наброшенной сетки к её площади. На полученной топопо-верхности выделяются максимумы, которые отображают неоднородность интенсивности проявленной тектонической нарушенности изучаемого участка массива горных пород. Выделившиеся максимумы являются объектами дальнейшего последовательного таксономи-рования и установления фрактальной структуры изучаемой подсистемы геологической среды (рис. 1,Б).
Зоны рассланцевания пород в горном массиве как разновидность его тектонической нарушенности, особенно в приконтактовых зонах рудных тел, характеризуются наличием линзово-чешуйчатой отдельности разных размеров (от долей сантиметров до 10 и более метров). При этом проявляется высокая степень неоднородности в сочетаниях элементов разных размеров по степени рассланцевания. Крупные, практически не рассланцованные линзы пород могут граничить с мелкими и весьма мелкими породными линзами и чешуйками. Размеры этих элементов геометрически и статистически упорядочены и нередко отмечаются случаи их последовательного пространственного расположения с постепенными переходами от крупных к мелким и самым мелким отдельностям. В такой ситуации очень чётко проявляется фрактальная структура зоны рас-сланцевания.
Рельеф поверхности висячего контакта пологозалегающей рудной жилы часто имеет сложную конфигурацию. Она обусловлена сочетанием последовательно осложняющих друг друга изгибов с разной величиной периодов. Здесь, также как и в предыдущих модельных примерах, общая конфигурация поверхности обретает фрактальный мотив, поскольку наблюдаются сочетания изгибов, периоды которых последовательно наложены друг на друга, т. е. отображают иерархию масштабных уровней деформированной поверхности.
А
Б
ЕЯ
1 .л А Ъ им 11
л Г11Г' . АГ\М
АШ гутг
■Г АГ Вт Кш
тш^г ■ША
3
(Я
■
АШ*
■Г' а.
4 ¿И
и г Ч ^ \ агтда
Г вшж
тпт
Рис.1 Модельные примеры последовательного (1, 2, 3, 4) установления иерархически упорядоченной кластерной структуры, обладающей фрактальными свойствами по Павлову А.М. [9]: А - карта распределения участков аномальных концентраций золота в эксплуатационном блоке; Б - карта максимумов проявления интенсивности трещиноватости (размер ячейки 1 м)
По геометрическим соотношениям разномасштабных элементов таких структур можно установить характер фрактального роста (фрактального расширения структуры). Он выражается в специфике увеличения скейлинговых коэффициентов (коэффициентов подобия), отображающих численно выраженные отношения геометрических параметров структуры, контролирующей пространственное положение элементов смежных иерархических уровней в монопризнаковой подсистеме. Фрактальный рост всех природных монопризнаковых подсистем в среднем подчиняется принципу удвоения, что предопределяет наличие нелинейности как ещё одного фундаментального свойства структурно организованных подсистем геологической среды (рис.2).
Фрактальные свойства структурной организации признаковых подсистем были изучены нами по целому ряду золоторудных месторождений Сибири и Дальнего Востока (Зун-Холбинское, Ирокиндинское, Дарасун-ское, Ново-Широкинское, Майское, Биркачан и др.). На всех этих объектах
выявлены структурные закономерности, подобные описанным выше [4,12, 14, 16, 17].
Научная интерпретация фрактальности геологической среды
На основе анализа представлений о геодинамических обстановках и локальных условиях формирования структурно-вещественных комплексов, обладающих фрактальными свойствами, представлены следующие научные положения, обосновывающие сущность процессов и условия их формирования с позиций неравновесной термодинамики.
Первое положение. Фрактальность среды является фундаментальным критерием её устойчивости и ключём к пониманию динамики разномасштабных процессов структурообразования в ней.
На многочисленных примерах было установлено, что все моновещественные или монопризнаковые компоненты геологической среды обладают фрактальными свойствами в широком диапазоне масштабов проявления геологических процессов.
\ , у Л "V Л У г Л V Л /
V Л V г
й* "А % С4 %
1ор* 1ДК0 ВЫ1 Н01 ¡ер я фОЕ 1ейн НЯ 1 И, 1.1 ,НИ1 раз 1.1 ер его
Эти фундаментальные свойства однозначно свидетельствуют о том, что все геодинамические обстановки и локальные условия, в которых проявляются процессы структурно-вещественных превращений, определяются двумя тесно связанными явлениями - гравитационным сжатием (уплотнение вещественной среды) и гравитационным расширением (разуплотнение вещественной среды) [2, 15,16].
Первое определяет принцип "упаковки" свободной энергии в потенциальную форму конкретной структуры (конкретного вещества), второе - определяет пространственные параметры структурной организации поля концентрации этого вещества или его фрактальные свойства (фрактальный рост).
Следы этих явлений зафиксированы в многоуровневых диссипативных структурах монопризнаковых подсистем геологической среды, обладающих фрактальными свойствами.
Исходя из основных положений неравновесной термодинамики, мы пришли к заключению: 1) структурно вещественные превращения в геологической среде - это результат диссипации свободной энергии, выделяющейся при входе
Рис.2 Поведение масштабного (скейлингового) коэффициента (СК) в иерархическом ряду уровней структурной организации поля деструктивных элементов Зун-Холбинского месторождения
геологической среды в неустойчивое состояние; 2) диссипативные структуры формируются только в расширяющейся среде.
Второе положение. Закон Ньюто-на-Хаббла-Кэри следует рассматривать как силовую основу процесса структу-рообразования во Вселенной. Его можно использовать в качестве прообраза модели формирования диссипативных (фрактальных) структур в геологической среде.
Закон Ньютона-Хаббла-Кэрри (астрофизический уровень)
Закон Ньютона (закон притяжения масс) зафиксирован и получил статус закона только на примере Солнечной системы, Закон Хаббла (закон "разбега-ния" галактик) в этих же границах пространства зафиксировать не возможно, эти силы в условиях гравитирующих тел чрезвычайно малы, но они существуют.
Впервые У. Кэри в 1976 году соединил законы Ньютона и Хаббла в общее уравнение, подобно тому, как в свое время Максвелл объединил законы упругой и вязкой деформации [7]). В этом уравнении в зависимости от расстояния между взаимодействующими
телами будет работать либо закон Ньютона (расстояния относительно невелики), либо закон Хаббла (расстояния достаточно велики). Расстояние, на котором притяжение становится нулевым ("нуль" Ньютона-Хаббла по У. Кэри), можно принять за начальное расстояние между галактиками, поскольку на меньших расстояниях материя стремится к сближению и образованию этих галактик. На больших расстояниях действует космическое отталкивание (рис. 3).
" Нуль" Ньютона - Хаббла представляет собой сингулярную точку, где ускорение, обусловленное тяготением, равно нулю. Однако потенциальная энергия любой возникшей в этой области массы для падения к центру какой-либо галактики максимальна. Именно поэтому в этой области никакая масса существовать не может, она покидает ее, как только образуется, и за счет этого там поддерживается самый полный вакуум во Вселенной. Там нет ни сил, ни ускорения и масса накапливается в виде разреженного газа, из которого впоследствии образуются звезды, материя будущих галактик. А те, в свою очередь, будут расти до тех пор, пока у
них не возникнет свой "нуль" Ньютона - Хаббла. Видимо, поэтому галактики имеют статистически близкие размеры, а структура Вселенной является организованной и обладает фрактальными свойствами.
Таким образом, по уравнению У.Кэри получается, что скорость уменьшения гравитационного притяжения с расстоянием, минимальное расстояние между галактиками и гиперобъем познаваемой Вселенной внутренне взаимосвязаны. Это очень важный вывод, который заслуживает внимания.
Поскольку материя вблизи "нуля" Ньютона - Хаббла обладает колоссальной потенциальной энергией для притягивания (падения) к ближайшей галактике и эта область близка к абсолютному вакууму, то в противоположность этому в любом центре масс материя обладает минимумом этого потенциала и там всегда происходит возрастание концентрации масс. В этой области флуктуации вакуума встречают практически нулевой или, во всяком случае, минимальный энергетический барьер. И поэтому материя должна формироваться именно там в результате случайных флуктуаций вакуума.
Рис.3 Модифицированный закон тяготения по У.Кери[7]
Закон гравитационного сжатия — расширения в диссипативных (фрактальных) структурах в подсистемах геологической среды
Сжатие, расширение и фракталь-ность гравитирующей вещественной среды как фундаментальная основа структурно-вещественных превращений в материальном мире даёт право на предположение о едином причинно-следственном механизме этих процессов и на аналогию его математической формализации. Суть механизма состоит в "переупаковке" энергии из потенциальной формы при неустойчивом состоянии и разрушении системы в начале в свободную энергию, а затем в потенциальную форму новой структуры путём её диссипации в режиме фрактального роста новой моновещественной подсистемы. Вновь сформировавшаяся подсистема переводит неустойчивую среду в устойчивое состояние.
Поэтому для отдельного элемента структурно организованного моновещественного поля, обладающего свойством фрактальности, по аналогии с законом Ньютона-Хаббла-Кэри, предлагается аналогичный макет формулы, которая одновременно учитывает гравитационное сжатие и гравитационное расширение в геологической среде. Для использования данной формулы в качестве базовой модели для расчётов процесса диссипации энергии необходимо обосновать количественные характеристики всех её параметров, включая такую категорию как время.
Третье положение. Время как структурированная субстанция влияет на оценку состояния устойчивости как отдельных компонентов геологической среды, так и всей среды в целом.
Для корректности оценки состояний сложных природных систем, таких как геосистемы, необходимо учитывать
адекватные свойства времени: направленность, ход времени, плотность, хо-лономность, носитель информации, источник дополнительной энергии, псевдоскаляр. Для характеристики поведения системы наиболее важными являются: темп хода времени системы и плотность времени [18].
Темп хода времени системы показывает скорость перехода причины в следствие на разных иерархических уровнях системы. Так на локальном уровне любая причина вызовет немедленный отклик. Соответственно, чем масштабнее уровень системы, тем с большим промедлением проявится реакция системы на оказанное воздействие. Иными словами темп хода времени системы - это интегральное время сложной системы от малого объекта до целого района.
Плотность времени - это структурная организованность системы, периодичность фаз развития системы от зарождения до гибели. Причем каждая фаза будет являться качественной единицей измерения времени, имеющей различную плотность. Не исключается при этом, что количественное (календарное) время в некоторые фазы развития системы может также приобретать качественные характеристики.
Время любой природной системы слагается из времен компонентов ее составляющих. Все компоненты природной системы живут по своему времени. Причем у каждой из них свое индивидуальное время, из которого слагается время конкретного таксона этой системы. И далее все временные циклы укладываются во всеобъемлющий цикл гелиосистемы. При этом ход времени у каждой компоненты природной системы свой, определяемый ее энергонасыщенностью в данный момент, что позволяет говорить о возможности существования разного хода времени для одного и того
же объекта. Чем выше энергонасыщенность, тем медленнее "течет" время, тем шире адаптационные возможности к внешним воздействиям.
Внешние воздействия на конкретную природную систему (как естественные, так и антропогенные) замедляют или ускоряют внутрисистемные процессы, могут привести систему в крайне неустойчивое состояние либо видоизменить ее, но не смогут изменить программу развития, заложенную в нее ходом времени более глобальной системы.
Чередование фаз развития системы с различным ходом времени необходимо считать временем системы, сформированным из времен компонентов ее составляющих. Каждая фаза будет являться единицей качественного измерения времени. Время в таком случае проявляется в форме организации "опыта" систем, то ускоряя, то замедляя свое течение. Таким образом, плотность времени отдельных компонент природной системы будет воздействовать одна на другую, переплетаясь и наслаиваясь, проникая одна в другую.
Наблюдается определенная иерархия структурированности природной системы и адекватная ей структурированность времени. Следовательно, корректно оценить состояния системы не представляется возможным без учета иерархии времен в соответствии с различными уровнями системы, поскольку время не просто длительность, время по сути - ключевой фактор, характеризующий скорость расширения во фрактально структурированном пространстве, в частности, геологической среды. Время в любой природной системе осуществляет связь между всеми воздействиями и само в них активно участвует.
Что же касается временной составляющей, то для локального объекта это будет время жизни компонента до определенной фазы развития, именуемое в дальнейшем временем компонента. Учитывая, что во фрактальной системе
происходит нелинейное изменение хода времени, т. е. темп хода времени с увеличением размеров элементов по иерархии снижается, следует подсчитывать время жизни компонента с учетом величины, обратной масштабному коэффициенту подобия в рамках каждого последующего уровня. Соответственно произведение времени жизни подсистемы (Т) на величину, обратную средней величине масштабного коэффициента подобия (Ск) (поскольку фрактальный рост природных подсистемах происходит по принципу удвоения, то эта величина будет равна 0,5) и возведённую в степень П , будет являться показателем темпа хода времени ТХВ системы на каждом конкретном уровне, где П -порядковый номер масштабного уровня структурированной системы:
тхв = т
( 1 X
V С, у
Очевидно, что с увеличением размеров темп хода времни замедляется и соответственно возрастает способность к самовосстановлению системы, обусловленная более высокой энергонасыщенностью.
Используя обобщённое выражение ТХВ для анализируемого иерархического диапазона уровней, можно составить систему уравнений, отображающую в целом закон формирования устойчивой фрактальной структуры системы с учётом нелинейного изменения скоростных характеристик процесса структурообразования. По аналогии с модифицированным законом гравитационного взаимодействия астрофизических объектов Ньютона - Хаббла - Кэри данный закон также учитывает силы гравитационного притяжения и гравитационного отталкивания дискретных сгущений вещества и наличие сингулярных участков пространства. Однако, в отличие от астрофизического закона, предлагаемый закон формализован для условий микромира, где применима
лишь вакуумная теория гравитации [1]. Принцип, заложенный в основу данного закона, заключается в том, что устойчивость формирующейся структурной организации признакового пространства достигается за счёт уравновешивания сил гравитационного притяжения и гравитационного отталкивания между взаимодействующими дискретными сгущениями вещества. Это возможно при наличии на всех масштабных уровнях самоорганизующейся структуры сингулярных ячеек, где притяжение и отталкивание отсутствуют и в критически неустойчивых состояниях возникает вещество из вакуума.
Обобщённую формулу закона устойчивого гравитационного взаимодействия для одного (п-го) масштабного уровня фрактальной структуры замкнутого признакового пространства можно выразить следующим образом:
Пс,
где Бп - количественное выражение сил взаимодействия (энергетический потенциал конкретного масштабного уровня структуры) прямо пропорционально О -(гравитационная постоянная) и сумме всех сочетаний (И) произведений ш;, (массы взаимодействующих объектов в границах замкнутого пространства конкретного масштабного уровня) и обратно пропорционально произведению темпа хода времени (ТХВ) и корня 4-й степени из (а) безразмерного эмпирического коэффициента, учитывающего индивидуальные свойства конкретного признакового пространства. В выражении ТХВ задействованы: Т - время жизни подсистемы и Ск - скейлинговый коэффициент, отображающий скорость фрактального роста структуры анализируемой подсистемы.
Данная формула выражает лишь логику и условия самодостаточности для обеспечения устойчивости структуры суперлокального признакового пространства. Как видно, в формуле отсутствует такой параметр, как расстояние. Он автоматически учтён в показателе
' 1 а. .(г„1 )2 • Н4 ^
Е = Е ^
тI • т^
)2
с4
темпа хода времени.
Новые представления о времени необходимы при рассмотрении скоростей фрактального роста на разных иерархических уровнях монопризнаковых подсистем геологической среды. Предложенный макет расчётной формулы должен учитывать ход времени на различных масштабных уровнях изучаемых подсистем. По мере расширения пространства при фрактальном росте структуры ход времени замедляется и это должно быть учтено при количественных оценках процесса диссипации свободной энергии в состоянии термодинамической неустойчивости геологической среды. На первый взгляд, это выглядит парадоксально и, возможно, «темп хода времени» - это удельная концентрация потенциальной энергии диссипативной структуры в единице пространства, которая с ростом объёма уменьшается.
Оценка вероятных энергетических показателей процессов структурно-вещественных преобразований на суперлокальных уровнях геологической среды
Количественная формализация энергетики процесса структурно-вещественных превращений в геологической среде проведена с использованием обобщённого закона Ньютона-Хаббла-Кэри [7]), который следует рассматривать как силовую основу процесса структурообразования не только во Вселенной, но и в качестве прообраза
.
модели формирования диссипативных (фрактальных) структур в геологической среде.
Поэтому для отдельного элемента структурно организованного моновещественного поля, обладающего свойством фрактальности, по аналогии с законом Ньютона-Хаббла-Кэри можно записать:
3
Е = "У( з • т{ • т3
(
^ _ ^ -Ь )2 • н
л
v(rn )2
С4
где Е - диссипированная энергия в потенциальной форме конкретной структуры с фрактальными свойствами; О -гравитационная постоянная; т^ и т3-. _ массы отдельных неоднородностей более низкого порядка (или подуровня); знак суммы показывает, что формула учитывает взаимодействие всех неодно-родностей в элементе конкретного масштабного уровня; (гп) и (г„+1) - расстояния соответственно между элементами неоднородностей более низкого порядка (или подуровня) и более высокого порядка (надуровеня), из которых состоит анализируемый объект; Н - скорость фрактального роста (расширения) среды в пределах границ анализируемого элемента, выраженная величиной скейлин-гового коэффициента (по нашим данным это в среднем удвоение); С - скорость расширения земной коры, которая по данным У.Кэри составляет в радиальном измерении 0,66 мм в год; а -безразмерный коэффициент, определяемый эмпирически для каждого масштабного уровня. В данном случае отношение Н/С входит в четвертой степени с целью соблюдения размерности (четырёхмерное пространство-время).
Если учесть все взаимоотношения между задействованными параметрами вышеприведённой формулы, то она может быть преобразована в следующий вид:
3
Е = ^ О • mi • т3
1
(п )2
1 _
1
1010
Как видно, энергия гравитационного расширения в пределах Земли как единого целого, т.е. для твёрдой геологической среды, ничтожно мала. Она составляет десятимиллиардную часть энергии притяжения, причём это справедливо для всех масштабных уровней. Безусловно, ею можно пренебречь.
В качестве модельного эксперимента были выполнены расчёты вероятной потенциальной энергии фрактального поля концентрации золота в геологической среде. При этом в качестве структурной основы в пространственной матрице фрактального поля принят тетраэдр, а форма пространства элемента неоднородности на каждом масштабном уровне представлена сферой, в которую вписан соответствующий тетраэдр (рис.4, табл.1).
Анализ результатов модельных расчётов показал следующие особенности процесса диссипации свободной энергии при фрактальном расширении неустойчивой геологической среды:
1. Расширение объёма пространства, в которое «упаковывается» свободная энергия, идёт в два раза быстрее, нежели прирост структурированной массы, несущей упакованную в потенциальную форму свободную энергию.
2. Удельная концентрация потенциальной энергии в единице пространства нелинейно (с удвоением) увеличивается по мере перехода на детальные и супердетальные уровни структурной организации «золотой» подсистемы и также нелинейно уменьшается в обратном направлении.
Первый вывод отображает особенность динамики процесса гравитационного расширения. Здесь очень важно иметь в виду, что расширение - это процесс, проходящий в вакууме, вмещающем материальную субстанцию. Это процесс скоротечный и бесконечный (раскручивающаяся спираль причины, выделение свободной энергии, неустойчивый фокус) и это обстоятельство порождает
нелинейное замедление хода времени
параллельно
расширением
А
Рис.4. Фрагмент модели трёхмерной фрактальной структуры на тетраэдрическом базисе: А - системный тетраэдрический каркас; Б -системная композиция сфер, в которые вписаны разномасштабные тетраэдры
неустойчивого пространства. В подобной ситуации наступает момент критического отставания расширения в наиболее плотной материальной сре-де.[2]. Поэтому медленно расширяющиеся участки впоследствии как бы «отключаются» от общего расширения и их границы приобретают собственное движение в обратную сторону (коллапс). В этот момент первоначально слабые возмущения вакуума превращаются в сильные и их расширение преодолевается их собственным тяготением. По-видимому, в этом проявляется сущность процесса вакуумной гравитации. В этом направлении (спираль следствия, скручивающаяся в точку или устойчивый фокус) концентрация энергии в малом пространстве приводит к рождению вещества из вакуума. Это образ «чёрной микродыры» или уход под сферу Шварцшильда.
Таким образом, устойчивость структурной конструкции будет определяться соотношением энергии гравитационного сжатия и гравитационного расширения. Очевидно, энергия расширения должна
быть немного больше (или должна быть в определённом количественном соотношении с силами гравитационного сжатия), ибо процесс сжатия (коллапси-рования) - это то, что должно постоянно стимулировать дефицит массы. Второй вывод из анализа результатов модельных расчётов показывает, что выявившаяся тенденция нелинейного увеличения удельной концентрации свободной энергии в направлении к области микромира позволяет приближённо оценить количественный порядок возникающих удельных энергий.
Так, на примере отдельного выделения свободного золота в руде, если массу выделения пересчитать в потенциальную энергию, «упакованную» в нём, получается, что в сферическом пространстве с размером ребра вписанного тетраэдра в 1 мм удельная концентрация «упакованной» в потенциальную форму энергии достигает 1,44*1016дж/м3 или 8,99*1035электроновольт (эв) ( 1эв = 1,60219*10'19 джоулей).
В сферическом пространстве с размером ребра вписанного тетраэдра в 1 мкм концентрация этой энергии до-
с
Б
стигнет 1,39* 1022 дж/м3 или
8,7*1041электроновольт.
Если обратиться к известной квантовой лестнице для вещества (табл. 2), то мы увидим, что расчётная концентрация энергии даже в этом макропространстве (1 мм3) превышает количественный порядок энергий квантовых переходов на субядерном уровне (109эв).
Это говорит о том, что предполагаемые нами структурно-вещественные превращения на ядерном и субядерном уровнях в пространстве геологической среды вполне реальны. Расчётные характеристики вероятной концентрации свободной энергии на этих уровнях поз-
воляют предполагать неустойчивость материальных конструкций и самого вакуума, т. е. способность к их самопреобразованию.
Формула гипотезы
На основе полученных данных в целом можно сформулировать общий результат исследований в форме научной гипотезы.
В сложно и в то же время закономерно структурированной геологической среде, обладающей свойствами строгой системной иерархичности и фрактальности отдельных её подсистем, гармонично сосуществуют
Таблица 1
Модельный расчёт потенциальной энергии фрактального поля концентрации __золота в геологической среде__
Ребро тетраэдра, м Масса золота в узле тетраэдра, кг Объём сферы, описывающей тетраэдр по его вершинам, 3 м Потенциальная энергия, определяемая массой золота в объёме сферы, джоуль , -1 ■ -2ч (м кгс ) Удельная концентрация энергии в пространстве сферы, джоуль/ м3 -1 ■ -2 3 (м кгс )/м
0,000001 -13 3,7*10 -18 2,4*10 4 3,33*10 22 1,39*10
0,001 -10 1,6*10 1,0*10 9 7 1,44*10 16 1,44*10
0,06 0,0006 0,00025 0,006 23,5
0,12 0,0025 0,002 0,026 12,8
0,25 0,01 0,02 0,094 4,7
0,50 0,05 0,16 0,588 3,7
1,0 0,2 1,0 2,4 2,4
2,0 0,8 7,63 9,4 1,2
4,0 3,2 61,0 37,6 0,6
8,0 12,8 488,0 150,5 0,3
16,0 51,2 3905,0 602,1 0,15
Таблица 2
Квантовая лестница вещества (по Л.И.Герловину [1])
Ступени квантовой лестницы Энергия переходов, эв Размер, см
Молекула, кристалл < 1 10"4-10"6
Атомная 1 10-8
Ядерная 106 10-12
Субядерная 109 10-13
следующие три иерархически взаимосвязанных вида структурно-вещественных превращений:
- процессы рождения и преобразования вещества на вакуумном (супердетальном) уровне (причина процессов - антиэнтропийное информационное поле в вакууме, высокий темп хода времени, следствие -сверхсветовые скорости и сверхвысокие удельные концентрации энергии в пространстве);
- процессы преобразования вещества на полевом уровне (микроуровень) в режиме фрактального расширения. Причина процессов - антиэнтропийные физические поля (электромагнитные, гравитационные и др.) со средним темпом хода времени. Следствие - световые скорости процессов структурного преобразования вещества, формирование и последовательное наращивание упорядоченных структур монопризнаковых подсистем среды с ярко выраженными свойствами фракталь-ности, синергизма и нелинейности;
- процессы преобразования вещества на макроуровне в форме механических процессов (механические перемещения, флюидодинамика, диффузия в режиме законов физико-химии и механики и др.). Причина процессов - энтропийные и антиэнтропийные геофизические поля, создающие гравитационную неустойчи-
вость обширных территорий геологической среды. Эти поля функционируют в относительно замедленном темпе хода времени. Следствие - замедленные скорости геологических процессов и их проявление в форме реологических процессов (разогрев, метаморфизм, плавление, механическое перемещение и другие виды макропроцессов в геологической среде).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что фундаментальное изучение закономерностей развития геологической среды должно производиться с использованием альтернативных подходов - традиционных и нетрадиционных. Только в их разумном сочетании возможно получить объективный научный результат. В нашем случае третий тип процессов в геологической среде можно изучать традиционными методами, но при условии, что они должны учитывать новые представления о сущности структурно-вещественных представлений на ядерном и субядерном уровнях организации вещества.
Библиографический список
1. Герловин И. Л. Основы единой теории всех взаимодействий в веществе. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение. 1990. 432 с.
2. Гуревич Л.Э., Чернин А.Д. Происхождение галактик и звёзд. М.: Наука, 1983. 182 с.
3. Дмитриевский А.Н., Володин И.А., Шипов Г.И. Энергоструктура Земли и геодинамика. М.: Наука. 1993. 154 с.
4. Корнаков В.В. Исследование закономерностей структурной организации золотого и уранового орудене-ния // Известия Сибирского отделения секции наук о Земле РАЕН. №2 (37). 2010. С. 193-203.
5. Косинов Н.В. Эманация вещества вакуумом и законы структурогенеза. // Физический вакуум и природа. 1999. № 1.С.82-104.
6. Косинов Н.В. Физический вакуум и гравитация. Физический вакуум и природа. 2000. № 4.
7. Кэри У. В поисках закономерностей развития Земли и Вселенной. История догм в науках о Земле. Пер. с англ. М.: Мир, 1991. 447 с.
8. Маврикиди Ф.И. Фракталы: постигая взаимосвязанный мир. Грани науки. 3/2000. С. 78-85.
9. Павлов А. М. Фрактальные свойства геологической среды как показатель сложности условий эксплуатации золоторудных месторождений // ГИАБ. 2011.
10. Протодьяконов М.М., Герловин И.Л. Электронное строение и физические свойства кристаллов. Л.: Наука, 1975. 356 с.
11. Семинский Ж.В., Филонюк В.А. и др. Модели рудных районов и месторождений Сибири. М.: Недра, 1994. 252 с.
12. Сосновская Е.Л. Об универсальном характере фрактальных свойств полей локализации рудных жил и элементов естественной деструкции в пределах золоторудных месторож-
дений // Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири: сб. научн. тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ. 2003. С. 221-229.
13. Федер Е. Фракталы. Пер с англ. М.: Мир, 1991.
14. Филонюк В. А. Структурные признаки саморазвития рудогенных процессов во времени и пространстве. //ДАН СССР. 1984. Т. 275, №2. С. 442-445.
15. Филонюк В.А. Исследование причинной динамики синергетического развития рудогенных процессов // Труды ЦНИГРИ "Рудная синергетика". 1990. Вып.244. С.98-111.
16. Филонюк В.А. Новые данные о фундаментальных свойствах структурной организации моновещественных полей в эндогенных геологических системах и их вероятные причинные следствия // Теория диссипативных структур в геологическом анализе: сб. материалов 1У конференции по геологической синергетике. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1998. С. 93-97.
17. Филонюк В.А. Фундаментальные закономерности многоуровневого структурообразования в геологической среде (Концептуальный аспект, некоторые итоги, актуальные вопросы и пути решения) // Вестник ИрГТУ. 2001. № 10. С.68-76.
18. Филонюк В. А., Мусихина Е.А. Время как фактор состояния и развития окружающей среды. Проблемы Земной цивилизации: сборник статей «Поиск решения проблем выживания и безопасности Земной цивилизации». Иркутск: ООО «Фрактал». 2004. Вып. 9, ч. II. С. 119-127.
19. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. Введение в теорию диссипативных структур. М.: Мир, 1979. 279 с.
Статья написана по результатам исследований по тематическому плану Аналитической Ведомственной Целевой Программы на 2009-2012 гг. Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала Высшей школы» Мероприятие 1.
Рецензент: доктор геолого-минералогических наук, профессор Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета А. П. Кочнев
