CC BY
20
УДК 551.24
Н.В. Короновский1, А.А. Наймарк2, В.С. Захаров3, Г.В. Брянцева4
О ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМАХ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗАДАЧАХ ДИНАМИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ
Рассмотрена применимость абстрактных физических механизмов в исследованиях конкретных геологических процессов. Показано, что «негеологичные» теоретические модели — важнейший компонент исходной аксиоматики для решения фундаментальных и прикладных задач динамической геологии. Обсужденные «простые» механизмы адекватно объясняют сложную детерминированно-хаотическую динамику нелинейных процессов тектонического разрывообразования и непредсказуемость геокатастроф в грубодискретной фрактальной геосреде.
Ключевые слова: геологический и физический механизмы, фрактальная геосреда, детерминированно-хаотическая динамика, тектоническое разрывообразование.
Applicability of the abstract physical mechanisms in researches of concrete geological processes is considered. It is shown, that the «far from georeality» theoretical models are the significant component of departure axiomatics for the decision of fundamental and applied problems of dynamic geology. The discussed «simple» mechanisms adequately explain complicated deterministic-chaotic dynamics of nonlinear processes of tectonic faulting and unpredictability of the geocataclysms in the rough-discrete fractal geomedium.
Key words: geological and physical mechanisms, fractal geomedium, deterministic-chaotic dynamics, tectonic faulting.
Введение. Важнейшая задача динамической геологии на пути к прогнозам и реконструкциям хода геологических процессов — выяснение их механизмов. Не наблюдаемые ни в природе, ни в лаборатории и не выводимые непосредственно из эмпирических данных механизмы представляют собой априорно задаваемые теоретические модели, которые можно проверить некоторыми опытными фактами, а затем, при положительных результатах, использовать как основу прогнозных и реконструктивных интерпретаций других фактов.
Но правомерность и эффективность такого способа научного познания реальности нередко вызывают у геологов сомнения, недоверие и даже отторжение. В основе этого — убежденность в глубокой специфике геологии как науки, где «... теоретический подход гипнотизирует и парализует пытливость и оригинальность творческого подхода.», тогда как «.объективно собранные и по правильной методике обобщенные факты сами выведут на то или иное истолкование.» [Фролов, 2004, с. 104]. «Главная опасность в упрощенчестве, в сведении сложных явлений, процессов и задач геологии к простым механическим или физическим» [там же, с. 8], а «главная задача... — построе-
ние не теоретической, а фактической истории.» [там же, с. 88].
Насколько оправданны подобные утверждения, как и зачем выявляются механизмы «сложных» геологических и «простых» механических и физических процессов, какова действительная роль опытных фактов и теоретических моделей, каковы требования к таким моделям и к проверке их адекватности?
Динамическая геология — от наблюдения к гипотезе, от описания к механизму. В геологии исторически сложилась традиция: при рассмотрении хода и результатов любых исследований начинать с фактического материала — данных полевых наблюдений и лабораторных экспериментов. Их качество и количество играют значительную, а порой и решающую роль не только в итоговых, но и в априорных оценках выполненных работ. Если некоторый солидный набор карт, разрезов, описаний, аналитических данных отсутствует или представляется недостаточным, полученные выводы — еще до обсуждения их по существу — полагают сомнительными или отвергают. Но даже самые полные и детальные наблюдения и описания не приводят к геологическим прогнозам и рекон-
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра динамической геологии, зав. кафедрой, проф., докт. геол.-минерал. н.; e-mail: [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра динамической геологии, ст. науч. с., канд. геол.-минерал. н.; e-mail: [email protected]
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра динамической геологии, доцент, докт. геол.-минерал. н.; e-mail: [email protected]
4 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра динамической геологии, доцент, канд. геол.-минерал. н.; e-mail: [email protected]
струкциям. Для этого необходимо еще понять, как зарождаются и эволюционируют различные природные обстановки и как в них подготавливаются и совершаются те или иные события.
Геологи, наблюдая, анализируя, интерпретируя размеры, конфигурацию, состав и внутреннее строение геологических тел, амплитуду и ориентировку дислокаций, определяя их ранговые, типологические и возрастные соотношения, делают заключение об интенсивности, пространственно-временной изменчивости, индивидуальной и совокупной роли различных факторов, т.е. о причинах конкретных геологических процессов в конкретных районах. Результирующие описания (их примеры можно найти почти в каждой геологической работе) — не что иное, как качественно или количественно выраженные представления о геологических механизмах (ГМ).
Но сами геологи считают это недостаточным. По [Жуков, 1978, с. 62], «...генетические построения геологии весьма далеки от того, что подразумевает понятие механизма; они не удовлетворяют... требованиям прикладной геологии». Тем не менее «...при всем несовершенстве, объяснительной беспомощности, неконструктивности генетическая геология была и остается фундаментальной... составляющей наук о Земле» [там же]. Вот почему геологи стремятся узнать еще и «физический механизм» (ФМ). Предполагается, что он, будучи основан, как и ГМ, на результатах детальных полевых и экспериментальных исследований, будет, с одной стороны, учитывать роль если не всех, то наиболее существенных, по мнению геологов, факторов, контролирующих исследуемые процессы. С другой стороны, такой механизм, будучи «физическим», даст более фундаментальные и строго обоснованные объяснения того, «как все происходит на самом деле», а значит, — более точные и надежные прогнозы и реконструкции, нежели экстраполяции эмпирических геологических данных. Естественно, что в таких случаях обращаются к физикам.
Однако, узнав их соображения на этот счет, геологи нередко чувствуют себя обманутыми в своих ожиданиях. Так, например, в ответ на вопрос о ФМ сейсмогенного тектонического разрыво-образования следует более или менее обширный комментарий к рисункам с изображениями доски
Рис. 1. Физический механизм знакопеременных горизонтальных сдвиганий блока по разлому [Вадковский, Захаров, 2002] (здесь и далее — объяснения см. в тексте)
с грузиками на ней, соединенными пружинками между собой и с верхней доской, которая перемещается параллельно нижней.
Физические механизмы как абстрактные модели. Приведем ряд типичных простых примеров и кратких пояснений к ним на основе работ [Вадковский, Захаров, 2002; Захаров, 2011], к которым адресуем читателей за более подробными и строгими описаниями.
Пример 1. Скачкообразные периодические горизонтальные сдвигания блока по разлому — давний объект теоретического и экспериментального тектонофизического моделирования. Рассмотрим динамику системы (рис. 1), которую обычно используют при изучении трения (блок на движущейся ленте). К неподвижному основанию прикреплен пружиной с жесткостью k и демпфером блок массой m, лежащий на горизонтальной ленте транспортера, которая движется с постоянной скоростью У0. Между лентой и блоком действует сила «сухого» трения, которая зависит от их относительной скорости, добавляет в систему энергию и возбуждает колебания блока. Закон «сухого» трения нелинейный — при увеличении относительной скорости коэффициент трения сначала уменьшается, затем становится постоянным, а при дальнейшем увеличении скорости может снова возрастать [Основы..., 2001]. Тело увлекается лентой («тектоническая сила») из положения равновесия, но этому поступательному движению препятствует пружина, которая срывает тело с ленты, когда сила упругости превышает силу трения. В некоторый момент значения скорости груза и ленты сравниваются, сила трения резко возрастает, груз «прилипает» к ленте, и они начинают двигаться вместе до следующего срыва. Такое поведение
Рис. 2. Периодические скачкообразные колебания блока в системе с сухим трением [Вадковский, Захаров, 2002]: а — временная диаграмма, б — фазовая диаграмма
а
Рис. 3. Модель нерегулярных скачкообразных горизонтальных сдвиганий [Turcotte, 1997]: а — двухблоковая система Барриджа—Кнопова; б — фазовый «портрет» динамики системы в координатах смещения блоков в режиме хаотических колебаний
называется прилипание—скольжение (stick — slip). Блок совершает строго периодические, но негармонические колебательные движения с частотой, близкой к собственной частоте (рис. 2, а). На фазовой диаграмме (рис. 2, б) фиксируются положения груза в фазовом пространстве, координатами которого являются смещение и скорость (х, V). Горизонтальная часть графика соответствует стадии «прилипания». По современным представлениям, именно с механизмом таких — фрикционных — автоколебаний связано возникновение землетрясений [Burridge, Knopoff, 1967]. Главное здесь — сухое трение, т.е. превышение «трения покоя» над «трением скольжения» и уменьшение силы трения при увеличении скорости, причем вид описывающей функции не столь важен.
Пример 2. Механизм нерегулярных скачкообразных сейсмогенных горизонтальных сдвиганий блоков по разлому. Динамика рассмотренной в примере 1 модели кажется слишком простой для представления сейсмотектонического процесса, поскольку все срывы блока (т.е. модельные землетрясения) в ней происходят строго периодически и предсказуемо. Однако добавление в систему второго блока (рис. 3, а) качественно меняет ее поведение [Turcotte, 1997]. Здесь kc, k1=k2=k — жесткость пружин, моделирующих силы упругой связи блоков между собой и с ведущим блоком; F1 и F2 — силы нелинейного сухого трения, действующие на основания первого и второго блоков. Блоки в системе взаимодействуют — движение одного блока может вызвать срыв другого и наоборот. В зависимости от значений управляющих параметров (жесткость пружин, значения коэффициента трения, скорость ведущего блока) в системе возможны как периодические, так и хаотические, т.е. непредсказуемые, режимы. На рис. 3, б представлен фазовый портрет системы в координатах смещения блоков (х1х2) в режиме хаотических колебаний. Таким образом, автоколебательная система всего из двух блоков с нелинейным сухим трением демонстрирует хаотическое поведение. Очевидно, что большее число
б
элементов усложнит динамику таких систем еще сильнее.
Пример 3. Скачкообразные сейсмогенные горизонтальные сдвигания системы блоков по разлому.
Механизм возникновения разнопериодных и раз-ноамплитудных колебаний и резких сейсмогенных подвижек представлен системой сцепленных между собой блоков, лежащих на поверхности (рис. 4, а), движущейся с постоянной скоростью. На каждый блок действуют упругие силы со стороны соседних блоков, вязкая сила сопротивления среды и сила сухого трения со стороны подстилающей поверхности. Скачки скорости отдельных блоков вызывают смещения соседних, со временем эти возмущения затухают. Момент времени появления каждого скачка и знак смещения непредсказуемы. Скачку не предшествует какое-либо особое поведение. Сколь угодно малое изменение начальных
а
Время
Рис. 4. Модель движения системы блоков по разлому [Вад-ковский, Захаров, 2002; Захаров, 2011]: а — вид модели, б — временная развертка смещений для 50 блоков
Рис. 5. Развитие модели Барриджа—Кнопова: а — двухмерная модель Теркотта, по [Turcotte, 1997]; б — иерархическая модель,
по [Schmittbuhl et al., 1996]
условий не приводит к качественному изменению поведения блоков, но последовательность скачков во времени становится совершенно другой (рис. 4, б).
Предложено множество разнообразных моделей, развивающих подход Р. Барриджа и Л. Кнопова. В работе [Turcotte, 1997] рассмотрен двухмерный вариант модели (рис. 5, а), демонстрирующей поведение, называемое самоорганизованной критичностью (СОК) [Bak, Tang, 1989]. Результаты моделирования ее динамики широко используются для объяснения особенностей сейсмического процесса. Существует также иерархическая (рис. 5, б)
модификация модели Р. Барриджа и Л. Кнопова [ЗсЫшШЪиЫ е! а1., 1996].
Пример 4. Скачкообразные вертикальные смещения системы блоков по разлому. В модели предгорных зон система блоков, ограниченных субвертикальными разломами, относительно слабо связанных друг с другом (в основном силами трения) и «плавающих» в вязкой среде, близка к равновесию [Короновский, Захаров, 2000]. Каждый блок соприкасается и взаимодействует с соседними и с одним крупным блоком воздымающегося орогена (рис. 6, а). Последний вовлекает в поднятие соседние блоки благодаря силам
трения, нелинейность которых делает движение блоков весьма сложным. Наряду с осцилляциями, определяемыми собственной частотой каждого блока, возникают непериодические колебания (с большим на порядок характерным временем) около одного, двух, иногда трех положений равновесия, перескоки между которыми непредсказуемы (рис. 6, б). Отдельные блоки ведут себя относительно независимо, соседние блоки участвуют в «перескоках» и в одинаковом, и в противоположных направлениях. Иногда некоторые блоки объединяются в совместных колебаниях, затем разобщаются. Малые изменения параметров скорости и трения меняют поведение каждого блока, но общий режим «детерминированного хаоса» сохраняется.
Об абстрактности и «негеологичности» физических механизмов. По [Жуков, 1978], механизмы объясняют, почему и как зарождается и развивается тот или иной процесс. В методологии естественных наук объяснить какое-либо явление означает подвести его под действие определенного (в данном случае физического) закона. Единственная возможность сделать это — взглянуть на исследуемый геологический процесс как на физический, т.е. такой, в котором участвуют физические тела в физических полях. Именно это мы и видим в вышеописанных моделях. Их основные отличия от ГМ — формализованность, строгая задан-ность начальных и граничных условий, сведение разнообразных конкретных геологических тел, дислокаций и сил, взаимодействующих по общепризнанным законам механики, к весьма общим физическим абстракциям. Такие упрощения делают теоретические физико-механические модели негеологичными — трудно сопоставимыми с ГМ, где попытки эмпирически учесть максимально большое число действующих факторов сочетаются с эмпирическими оценками их влияния. Вместе с тем ФМ более фундаментальны (универсальны), т.е. адекватны в более широком диапазоне реальных условий, чем ГМ.
Как подобные теоретические модели воспринимаются геологами-практиками? Опытный геолог, в течение многих лет искавший и фиксировавший в полевых условиях малейшие детали строения и распространения разнотипных и разномасштабных сейсмодислокаций, сопоставлявший особенности их размещения в пределах разных по составу и возрасту породных комплексов, склонен рассматривать представленные выше простые схемы как недоразумения. Он не усматривает в этих абстракциях никакой связи с основой любых геологических построений — с фактами, ни с результатами наблюдений, которые оказались ненужными, ни вообще с какими-либо изучавшимися непосредственно в поле особенностями геологического строения, которые могли бы иметь отношение к разрывам и землетрясениям. Вместо
очевидной для геолога необходимости первоочередного анализа геологических данных он видит оторванное от конкретных природных условий теоретизирование, а затем с позиций этих заранее заданных абстрактных схем предвзятый анализ базового — в его понимании — фактического материала. В результате вместо ожидавшихся эффективных прогнозных рекомендаций получаются выводы о хаотичности и непредсказуемости того, что геологи надеялись с помощью физиков научиться надежно прогнозировать. В свою очередь физик не может понять ни то, почему представленная им схема не принимается как механизм, ни что в таком случае геолог понимает под ФМ, ни то, зачем нужны детальные полевые описания конкретных дислокаций.
Сказанное отражает, быть может несколько утрированно, глубокую пропасть между гипотетико-дедуктивной методологией научных исследований в физике и традиционными представлениями геологов о том, какой должна быть методология исследований в геологии. Интуитивному, но объективно оправданному стремлению геологов узнать ФМ процесса нередко сопутствует неясность как самого этого понятия, так и того, каким образом и с какой целью должна решаться поставленная задача.
При этом геологи вовсе не оспаривают того, что на предлагаемой физиками теоретической основе можно прийти к «пессимистическим» и даже «агностическим» выводам. Но представляется сомнительной правомерность принятия таких исходных допущений и адекватности столь абстрактных моделей геологической реальности. Предполагается, что в них не учтены некие существенные особенности моделируемых процессов, из-за чего последние и представляются непредсказуемыми. Наиболее часто негеологичность усматривается в чрезмерной общей упрощенности, в недостаточности объема и детальности необходимых наблюдательных и экспериментальных данных. Не осознается, что «.любые теоретические исследования, фундаментальные (генетические) и прикладные (предсказательные) построения в геологии суть логические конструкции... » [Жуков, 1978, с. 63]. Отмечалось также [Егоров, 2004], что в геологии сохраняется приоритетность «объективных» описаний реальности безотносительно к какой-либо «заранее заданной» генетической схеме, якобы мешающей беспристрастному отбору структурных фактов, из которых и должна была бы выводиться генетическая теория. Между тем на деле «...большинство геологических теорий формулируется как генетические концепции... Господство в практике наук о Земле генетического подхода есть следствие того, что реальные процедуры исследования в геологии, как и в любой другой отрасли естествознания, основаны на гипотетико-дедуктивном методе исследования (что
бы при этом ни думали как отдельные методологи наук о Земле, так и исследователи-практики)» [там же, с. 77-78].
В свете последнего замечания Д.Г. Егорова может показаться, что неприятие геологами абстрактных физических моделей — всего лишь декларативная дань традиции, не снижающая результативности практической работы. Однако если гипотетико-дедуктивная (а не традиционная индуктивно-эмпирическая) методология и применяется в геологии, то в значительной степени интуитивно, неосознанно, а значит, с неизбежными существенными потерями эффективности.
О гипотетичности физических механизмов. Насколько убедительны выводы о геологических процессах, получаемые на основе знания их физических механизмов? Сомнения, связанные с упрощенностью моделей, снимаются тем, что если непредсказуемость проявлена в действии даже самых простых, «далеких от геологической реальности» физических механизмов, то почему бы она сменилась предсказуемостью в неизмеримо более сложных «реальных» системах? Что же касается ожидания надежных предвестников геокатастроф, то это подразумевает возможность обнаружения таких признаков (аномалий) предстоящих сильных и опасных событий, масштаб и интенсивность которых контрастно выделяли бы их среди предвестников несильных и неопасных явлений. Но это маловероятно в условиях грубо-дискретного самоподобия геосреды и иллюстрируется отсутствием четкой ступенчатости на графиках повторяемости землетрясений, билогарифмической линейностью (гладкостью) закона Гутенберга-Рихтера [Садовский, Писаренко, 1991].
В возможных эмоциональных оценках геологами физических моделей справедливо лишь то, что эти модели, действительно, строятся теоретически. Такая работа, по определению, начинается не с анализа конкретных опытных фактов, а с формирования исходных «аксиом» — отбора соответствующих решаемой проблеме, обоснованных и общепризнанных весьма общих положений — эмпирических обобщений и законов физики с логически вытекающими из них следствиями. Затем также логически, но уже с более или менее полным — в зависимости от характера задачи — учетом условий конкретных районов выводят теоретически возможные варианты возникновения и развития интересующего процесса. Однако в естественных науках такие варианты, даже при адекватности исходных положений и логической корректности выводов, представляют собой лишь гипотезы, требующие опытной проверки. При этом особенно важны факты, не подтверждающие, а, напротив, противоречащие проверяемой гипотезе и тем самым заставляющие ее корректировать. Это приводит к вопросу: что геологи готовы признать фактами, а что — нет?
О фактах опытных и теоретических. Относят ли к фактам, например, выявленные в конкретном районе структурные парагенезы, поля тектонических напряжений, стадии структурообразования или осадконакопления? Нередко относят. Так, например, по [Буртман, 1978, с. 27], необходимо согласовать между собой следующие факты: наличие на континентах стационарной сети разломов четырех—шести направлений; подчинение смещений по ним в определенные эпохи единой закономерности; возможность поворотов континентов и их частей в горизонтальной плоскости на любой угол. По [Ребецкий, Алексеев, 2014, с. 29], из анализа напряженного состояния земной коры Памира «...следует, что напряжение максимального сжатия, действующее вертикально в коре Высокого Памира, больше, чем напряжение максимального сжатия, действующее горизонтально в коре его ближайшего окружения. Этот факт означает, что горизонтальное сжатие не является фактором, обеспечивающим современное поднятое состояние Памира». По [Фролов, 2004, с. 59—61], очевидные геологические факты, противоречащие положениям тектоники литосферных плит, — новообразо-ванность окраинных морей на восточных краях Азии и Австралии и выраженность тенденции к деструкции континентов океаном; утончение в направлении к океану докембрийского или палеозойского геосинклинального фундамента большинства островных дуг, которые, следовательно, заложились на континентальной коре; длительность прогревания коры континента мантийными диапирами, массовый рифтогенез и тафрогенез; трапповый тип базальтов дна океанических котловин, а в основании их чехла — большие площади континентальных и мелководных осадков. При этом, говоря об успешности традиционного, фактологического способа построения геологической истории, создающего, в отличие от теоретического метода, «надежный фактуальный каркас» палеогеографических построений, В.Т. Фролов подчеркивает их нестрогую проверяемость, недоказуемость и неопровергаемость, лишь вероятностную реализуемость воссоздаваемых ситуаций [Фролов, 2004, с. 72].
Вполне очевидно, что все вышеупомянутые геоструктурные геодинамические и геоисторические обстановки и события не могут быть установлены непосредственно в опыте как факты, они — результат непростых, неоднозначных истолкований того, что, будучи зафиксировано наблюдателем, самой природой никак не названо, не определено, не классифицировано. Таким образом, якобы фактуальные выводы в приведенных выдержках на деле являются интерпретациями предыдущих истолкований непосредственно увиденного и описанного. Даже в совсем простых констатациях (известняк, антиклинальная складка, надвиг) якобы чисто эмпирические факты не отделимы от интер-
претации. Они — не фрагменты самой реальности, зафиксированной «объективно и достоверно», что невозможно, а введены в исследование как наши высказывания о ней, заведомо неабсолютно объективные и достоверные. Если же они не только обоснованы в опыте, но и встроены в систему теоретических представлений, их рассматривают как теоретические факты.
Непривычное и даже странное для геологов понятие «теоретический факт» введено в науку в начале прошлого века французским физиком-теоретиком П. Дюгемом [Дюгем, 2011]. По его мнению, в наблюдениях мы соприкасаемся не с самой реальностью непосредственно, а с ее чувственными проявлениями; эксперимент — не только наблюдение фактов, но и их истолкование на основе общепризнанных теорий, поэтому смысл опыта связан с конкретной реальностью многочисленными и сложными теоретическими звеньями. Физический опыт и простая констатация факта — совершенно разные понятия. Теоретическое истолкование дает возможность более глубокого и детального анализа явлений, чем обыкновенный здравый смысл. Теоретический же факт в точных науках — это группа теоретических (математических) данных, заменяющих конкретный факт в рассуждениях и вычислениях.
В естествознании понятие теоретического факта уже давно используется в более широком смысле как данные наблюдения или эксперимента, ассимилированные определенной теоретической концепцией [Черняк, 1986]. В современной методологии науки общепризнано: нет фактов свободных от их смысла и понимания. Роль теоретического истолкования проявляется в любом наблюдении, измерении, эксперименте.
Механизмы и проблема предсказуемости геологических процессов. К каким же выводам о механизмах приводит оперирование теоретическими фактами? Что такое механизм вообще, геологический и физический механизмы в частности? По [Жуков, 1978, с. 63], в естественных науках представления о сущностях природных явлений выражены в абстрактном понятии механизма — системы конечного числа определенным образом взаимосвязанных факторов, контролирующих или как минимум позволяющих предвидеть ход и результаты соответствующего процесса. Механизм как причина явлений — это не объект, а модель взаимодействия объектов. Соответственно задачи геологии как науки сводятся к построению формализованных механизмов природных явлений, в частности на основе моделей физики.
Термин «физический» в геологическом обиходе обычно означает реально существующий и действующий, в отличие от абстрактно мыслимого, воображаемого. Более строго этот термин указывает на принадлежность к области физики, исследующей физическую реальность. Последняя
же в научном понимании, по [Философский..., с. 693], есть система теоретических объектов, характеризующая ненаблюдаемую сущность явлений через призму физических теорий. Этим она отличается от объективной реальности, ни от каких теорий не зависящей.
Соответственно геологические механизмы должны бы отражать геологическую реальность с позиций теоретических представлений геологии. Однако ввиду крайней неразвитости таких представлений соответствующие модели отличаются детальностью и конкретностью, т.е. адекватностью частным случаям, что не позволяет, в отличие от моделей физики, получить обоснованные ответы на фундаментальные вопросы науки геологии. Так, по В.Т. Фролову [2004], фактологическая геоистория складывается из последовательностей слоев, магматических тел и других структурных единиц. Осмысленные и расшифрованные исторически, они связываются в последовательность этапов или в непрерывный процесс с чертами преемственности и унаследования, образуя фактуальный каркас. Но, как уже упоминалось, именно такие построения, по В.Т. Фролову, нестрого проверяемы, недоказуемы и неопровергаемы.
Возможны и разрабатываются модели, называемые — в зависимости от превалирования геологических или физических аспектов — физико-геологическими и геолого-физическими соответственно. В первых могут быть приняты во внимание результаты эмпирических геологических исследований. Вторые же учитывают важные для решаемой задачи свойства конкретных геологических процессов, строятся главным образом на основе фундаментальных представлений физики (механики). Такие модели представляют собой «динамические системы» — термин, применяемый там, где скорость изменения переменных, характеризующих состояние системы, зависит от самих переменных. Математическое выражение динамических систем — уравнения или системы уравнений, описывающие изменения во времени переменных и их производных. В этих уравнениях заданы параметры, не зависящие от времени, и функции, которые связывают переменные и параметры.
Примеры наиболее простых геолого-механических моделей — упомянутые схемы с грузиками и пружинками. Их познавательная ценность и геологичность кроются прежде всего в том, что моделируются фундаментальные естественные особенности взаимных смещений геологических блоков, их детерминированно-хаотический, нерегулярно-прерывистый, необратимый характер. Из этого вытекает вывод о принципиальной непредсказуемости места, времени и силы отдельных срывов разноранговых неровностей сместителя в ходе таких смещений.
Ниже приведены положения, которые, имея статус теоретических фактов, уже не нуждаются — на достигнутом уровне знаний — в дополнительных подтверждениях опытными фактами, а их несоответствия таким фактам единичны и случайны [Короновский, Наймарк, 2012, 2013; Наймарк, 1998, 2003].
1. Сейсмичность — непосредственное проявление тектонического разрывообразования в условиях близкритической напряженности фрактально и грубо-дискретно структурированной геосреды.
2. Указанный процесс нелинейный, бифуркационный и отражает детерминированно-хаотическое функционирование сильнонеравновесных тектонодинамических систем, чрезвычайно чувствительных к малейшим изменениям начальных условий. На пути от микрорастрескивания к возникновению магистрального сейсмогенного разрыва процесс проходит множество бифуркаций с непредсказуемым — ввиду конечной точности задания начальных условий — выбором некоторой одной из теоретически возможных траекторий дальнейшего развития на каждом шаге.
3. Каждый акт разрывообразования рождает каскады вторичных, третичных и т.д. нарушений, непредсказуемо перестраивая структуру и локальные поля напряжений более высоких рангов, соответственно меняя всякий раз условия образования более поздних разрывов. Перекрытия внутри- и межранговых размеров дислокаций и динамических аномалий препятствуют их надежной масштабной и возрастной идентификации.
4. Функционирование сейсмотектонической системы как реализации множества подобных самопроизвольных, нерегулярных, иерархически соподчиненных циклов снимает проблему однозначной квалификации ее поведения в целом как детерминированно или вероятностно предсказуемого либо как абсолютно разупорядоченного. Вместо этого возникает проблема выделения в общей схеме детерминированно-хаотического поведения — в том или ином объеме, на том или ином масштабном уровне — пространственных областей и временных интервалов (фаз) предсказуемости с соответствующими условиями прогнозирования тех или иных показателей сейсмогенности.
5. Стесненность подвижек, перестройки напряжений и разупрочнености, неизбежность разворотов разномасштабных блоков в открытой, сильнонеравновесной, глубоко иерархичной тек-тонодинамической системе не могут в принципе не менять теоретическую схему кинематической и возрастной разрешенности смещений при однородном нагружении, принимаемую на основе
модели сплошной среды. Так, в частности, при многократном раскалывании заданного объема образованию каждого позднейшего макроскола сопутствует вторичное упрочнение ранее возникших нарушений с утратой ими подготовленности к повторным подвижкам.
Заключение. Абстрактные, негеологичные физические механизмы — необходимый и важнейший компонент исходной аксиоматики при решении задач динамической геологии, в частности при прогнозе подготовки, реализации и последствий сейсмогенного тектонического разрывообразо-вания. Так, из сказанного следует, что никакой естественный макроразрыв не может образоваться непосредственно в изначально квазисплошной среде. Она на стадии предразрушения непременно перестраивается в грубодискретную фрактальную. Там возникают, а в итоге и соседствуют с итоговым макроразрывом множественные разновеликие микро- и мезомасштабные нарушения, более или менее рассредоточенные при объемно распределенном нагружении и сосредоточенно локализованные при разнонаправленном плоскостном нагружении (срезании).
Любая задаваемая в модельном квазисплошном блоке сетка разрывов, не будучи самоорганизованной, неизбежно искажает ход и результаты последующего деформирования и разрушения, которые чрезвычайно зависят от малейших различий модельной и природной структуры. В реальной самоструктурированной среде разрывы воспринимают нагрузку, реагируют на нее и взаимно конкурируют при разрастании кардинально по-другому из-за невоспроизводимых в моделях особенностей множественных подсече-ний, причленений, пересечений более мелкими разноранговыми нарушениями, возникшими на ранних стадиях предразрушения. В зависимости от малейших вариаций морфологии, расположения, кинематики таких сочленений, а соответственно и от непредсказуемых перестроек полей разноран-говых напряжений возникающие деформации и перемещения, а значит, ориентация, расположение и размер итогового макроразрыва будут крайне неустойчивы и в повторных экспериментах невос-производимы.
При этом любые усложнения модельной структуры в целях приближения экспериментальных результатов к наблюдаемым в геологической реальности не опровергнут, а, напротив, только дополнительно подтвердят вышеизложенные фундаментальные положения и вытекающие из них выводы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Буртман В.С. Стационарная сеть разломов континента и мобилизм // Геотектоника. 1978. № 3. С. 26-37.
Вадковский В.Н., Захаров В.С. Электронное учебное пособие «Динамические процессы в геологии» // Мат-лы XXXV Тектонического совещания. М.: ГЕОС, 2002. С. 86-89.
Дюгем П. Физическая теория: Ее цель и строение. М.: КомКнига, 2011. 328 с.
Егоров Д.Г. Изменение парадигм в современных науках о Земле. М.: Академия, 2004. 183 с.
Жуков Р.А. Системный подход и методологические резервы теоретической геологии // Методы теоретической геологии. М.: Недра, 1978. С. 24-80.
Захаров В.С. Модели сейсмотектонических систем с сухим трением // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2011. № 1. С. 22-28.
Короновский Н.В., Захаров В.С. Колебания блоков земной коры южного края Скифской плиты (Северное Предкавказье) в связи с образованием передовых прогибов // Мат-лы XXXIII Тектонического совещания. М.: ГЕОС, 2000. С. 232-235.
Короновский Н.В., Наймарк А.А. Непредсказуемость землетрясений как фундаментальное следствие нелинейности геодинамических систем // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2012. № 6. С. 3-10.
Короновский Н.В., Наймарк А.А. Методы динамической геологии на критическом рубеже применимости // Вестн. КРАУНЦ. 2013. Вып. 21, № 1. С. 152-161.
Наймарк А.А. Физический механизм и проблема прогнозируемости сейсмогенного макроскалывания в структурированной среде (теоретические аспекты) //
Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1998. № 4. С. 20-26.
Наймарк А.А. Сценарий возникновения тектоноди-намического детерминистского хаоса // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2003. № 5. С. 22-31.
Основы трибологии (трение, износ, смазка) / Под ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2001. 664 с.
Ребецкий Ю.Л., Алексеев Р.С. Поле современных тектонических напряжений Средней и Юго-восточной Азии // Геодинамика и тектонофизика. 2014. № 5 (1). С. 257-290.
Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. М.: Наука, 1991. 96 с.
Философский энциклопедический словарь. М.: Сов. энциклопедия, 1989. 815 с.
Фролов В.Т. Наука геология: философский анализ. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2004. 128 с.
Черняк В.С. История. Логика. Наука. М.: Наука, 1986. 372 с.
Bak P., Tang C. Earthquakes as a self-organized critical phenomenon // J. Geophys. Res. 1989. Vol. 94, N B11. P. 15635-15637.
Burridge R., Knopoff L. Model and theoretical seis-micity // Bull. Seismol. Soc. Amer. 1967. Vol. 57, N 3. P. 341-371.
Schmittbuhl J., Vilotte J.-P., Roux S. Velocity weakening friction: A renormalization approach // J. Geophys. Res. 1996. Vol. 101, N B6. P. 13911-13917.
Turcotte D.L. Fractals and chaos in geology and geophysics. Second edition. Cambridge: Cambridge University Press, 1997. 398 p.
Поступила в редакцию 30.03.2015
