CC BY
126
УДК [55+551.24+574.4](985)
Кутинов Ю.Г.*,
Чистова З.Б.** Ю.Г. Кутинов З.Б. Чистова
Системные свойства геологической среды. Структура временных потоков и критические рубежи в эволюции геосистем1. Часть 2
*Кутинов Юрий Григорьевич, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН, академик Европейской академии естественных наук (Ганновер) и Итальянской академии социальных и экономических наук (Рим)
E-mail: kutinov@iepn.ru
**Чистова Зинаида Борисовна, кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией глубинного геологического строения и динамики литосферы Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН E-mail: zchistova@yandex.ru
Показана роль критических рубежей в эволюции геосистем и рассмотрена возможность их применения в геоэкологии.
Ключевые слова: геологическая среда, таксоны, система, анизотропия, геоэкологическая структура, геоэкология, геоэкологическое пространство.
С пространственно-временной структурой геологической среды тесно связано понятие критических рубежей в геологии. Полихронность временных характеристик геологических процессов (рис. 1) обуславливает разноранговость критических рубежей, от глобальных (тектоно-магматические циклы, эпохи метаморфизма и т.п.) до локальных (например, конкретное землетрясение, сели, оползни и т.п.).
В геологии наиболее пристальное внимание уделено глобальным критическим рубежам. Тем не менее, удачных примеров моделирования последних немного. Рассмотрим конкретный пример (теория бифуркаций) моделирования критических рубежей в истории Земли2, которые авторы работы математически связывают с бифуркационными границами соответствующих дифференциальных уравнений. Ими рассматриваются два уравнения:
У= ky (х-х); (1)
у= (Ь/х)у(х-х), (2)
где у(х-х) - количественная характеристика состояния развивающейся системы (например, ее пространственные, временные или энергетические показатели); х - аргумент; х - фазовое смещение переменной у (значение релаксации); k и Ь - константы.
В обоих уравнениях скорости изменения развивающейся системы (характеристики у) пропорциональны уровню её состояния, соответствующего значению аргумента, смещенному относительно рассматриваемого на величину релаксации. Эти уравнения не описывают какой-либо специфический геологический процесс. Их выбор обоснован теми соображениями, что эти модели в состоянии описать важные классы развития сложных систем, когда сильно сказывается влияние предыстории развития, так что современное состояние системы зависит от ее состояния в более ранние моменты времени (явление памяти, релаксации)3.
Еще одним аргументом для приложения указанных моделей к геологическому исследованию служило то обсто-
1 Продолжение. Начало см.: Кутинов Ю.Г., Чистова З.Б. Системные свойства геологической среды. Структура временных потоков и критические рубежи в эволюции геосистем. Часть 1 Ц Пространство и Время. 2012. № 2(8). С. 139-146.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы ОНЗ РАН № 9 «Межгеосферные взаимодействия», проект «Изучение процессов взаимодействия геосфер в активных геологических структурах на севере Русской плиты» и гранта РФФИ-Север № 11-04-98802 а «Влияние тектонических структур и аномалий барического поля севера Русской плиты (на примере Архангельской области) на растительные ресурсы».
2 Жирмунский А.В., Кузьмин В.И., Наливкин В.Д., Соколов Б.С. Моделирование критических рубежей в истории развития систем и периодизация истории Земли. Владивосток: изд-во Ин-та моря ДВНЦ АН СССР, 1980. 68 с.
3 Кноринг Л.Н., Деч В.Н. Геологу о математике. Советы по практическому применению. Л.: Недра, 1989. 208 с.
Меловой
т , ,7Т Ранний
Титон (этап VI порядка) Этап у попядка
период (этап VI порядка)
Поздний мел
Этап V порядка Сенон (этап VI порядка)
Стратиграфические подразделения, выделенные М.С. Швецовым и им соответствующие этапы
Рис. 2. Цикличность осадконакопления1
ятельство, что характерной особенностью ряда процессов является потеря устойчивости при достижении определенных критических значений и скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, характеризующееся принципиально другой природой развития. В связи с этим возникает вопрос об определении положения таких критических значений. Рассматриваемые модели как раз и описывают процессы с критическими уровнями (бифуркациями) развития.
Авторы исследования не конкретизируют, что именно характеризует переменная у при использовании этих общих моделей для анализа этапности развития Земли. Относительно аргумента х говорится, что он в этом случае характеризует время.
Если бы в записанных уравнениях отсутствовал эффект запаздывания, то их решением явились бы соответственно экспонента и степенная функция2. Зависимости 1-го рода называют экспоненциальными, а 2-го -аллометрическими. Аллометрические зависимости характерны для долговременных тенденций развития; на отдельных же этапах развитие является экспоненциальным. Аллометрические зависимости являются огибающими последовательности экспоненциальных зависимостей. В связи с этим в процессах развития могут быть представлены не только критические соотношения аллометрического типа, но и более мелкие с экспоненциальным характером процессов, из которых складывается аллометрическая зависимость.
Исследуя пределы использования степенных и экспоненциальных зависимостей путем определения областей изменения переменных, обеспечивающих устойчивость траектории развития процесса, авторы исследования попытались дать ответ на вопрос, существуют ли некоторые общие соотношения между параметрами систем, характеризующие переходы к новому качеству в момент потери устойчивости, либо такие переходы индивидуальны как по природе, так и по положению критических точек (рубежей). Ими показано, что соотношение положений последовательных критических значений аргумента при аллометрическом развитии является величиной постоянной, равной
х/х0 = ее = 15.154.., (3)
где хх и Хо - значения аргумента в двух последовательных критических точках на аллометрической кривой, е - основание натурального логарифма.
Соотношение критических значений экспоненциального роста также является величиной постоянной, равной
хХ/х0 = е (4)
1 Наливкин В.Д., Кузьмин В.И., Лукьянова В.Г. Естественные границы в ряду распределения месторождений нефти и газа по запасам // Доклады АН СССР. 1982. Т. 266. № 4. С. 947-951.
2 Кноринг Л.Н., Деч В.Н. Указ. соч.
В соответствии с рассматриваемыми моделями, в геологической истории Земли должны выделяться переломные этапы (критические рубежи), разделенные такими промежутками времени, что соотношение возрастов последовательных этапов равно е (для сравнительно быстротекущих процессов) или е (для более длительных процессов). Причем должно отмечаться учащение рубежей во времени. Кроме этих рубежей, разделенных неравномерными промежутками времени, авторы выделяют (что уже не вытекает из предложенных моделей) рубежи, разделенные равными промежутками времени. Причем выделяются равномерные рубежи нескольких периодов. Продолжительность интервала времени, разделяющего равномерные рубежи данного порядка, синхронизируются с продолжительностью времени, разделяющего два соответствующих соседних неравномерных рубежа, т. е. неравномерными рубежами формируются соответствующие равномерные рубежи.
Сопоставляя выделенную таким образом последовательность неравномерных рубежей и целую серию последовательностей равномерно чередующихся рубежей с наиболее широко распространенными и признаваемыми многими геологами этапными рубежами в истории Земли (орогенные стадии развития геосинклиналей, эпохи метаморфизма, крупные регрессии, появление и смена сообществ фауны и флоры и др.), авторы работы пришли к выводу, что примерно в 3/4 случаев рассчитанные по модели и геологические рубежи совпадают.
Заканчивая рассмотрение этого примера необходимо отметить следующее. Используемая модель не является результатом глубокого содержательного исследования процессов тектогенеза и других геологических процессов, которые служили отражением этапности развития Земли. Ее исходные предпосылки полностью лишены геологической основы. Это лишь математические конструкции, в известной мере абстрактные, преимущество которых заключается в том, что они допускают соответствующий анализ бифуркаций. При их формулировке довлеющими оказываются те следствия, которые вытекают из моделей (наличие бифуркаций), но не обоснованность самих построений. Объект изучения в итоге оказался весьма условным, а анализ свелся к соответствующим математическим решениям1.
Характерно, что примерно тот же авторский коллектив, изучая распределение месторождений нефти и газа по запасам в пределах областей нефтегазонакопления (т. е. совсем другой объект) обнаружил и там рубежи, «расстояние» (скачок в величине запасов) между которыми так же увеличивается все в той же пропорции (в е раз)2. При этом они ссылаются на вышеуказанную работу3, отмечая, что в ней дано аналитическое обоснование связи числа е с рубежами развития. Отсюда следует, что они имеют в виду общую природу рубежей в том и в другом случае.
Такое неслучайное и тесное взаимоотношение мира реального, осязаемого экспериментально, и мира математического отметил еще Н. Бурбаки, который писал следующее: «То, что между экспериментальными и математическими структурами существует тесная связь, это, кажется, было совершенно неожиданным образом подтверждено недавними открытиями современной физики, но нам совершенно неизвестны глубокие причины этого и, может быть, мы их никогда и не узнаем»4.
Сходные результаты были получены и для биологических систем. Так А.В. Жирмунский и В.И. Кузьмин5, исследуя критические уровни в процессах развития биологических систем, пришли к выводу, что между величинами аргумента а, соответствующими началу и концу устойчивого развития, существует определенное эмпирически постоянное соотношение е и е . Такие же зависимости получены ими при расчетах длительности периодов обращения планет вокруг Солнца. В процессе развития существенны и менее значительные критические границы, но все они в большинстве случаев кратны е. Это привело этих авторов к утверждению, что эволюция органических и неорганических систем идет в пределах «элементарных ячеек» развития, ограниченных критическими рубежами, а время перестроек достигает 20-25% от длительности основного цикла.
Полученные результаты говорят о сокращении длительности геологических циклов, что в целом не противоречит другим данным. Рассмотрим их более подробно. Как известно, докембрийская (криптозойская) история Земли охватывает 4/5 геологического времени, тогда как фанерозой, на протяжении которого сформировалась жизнь, составляет лишь одну пятую. В первом приближении соотношение между продолжительностью палеозоя, мезозоя и кайнозоя составляет 5:2:1. При этом тенденция к ускорению в равной степени относится к геотектоническим, палеонтологическим и климатическим этапам эволюции Земли. Так ускорение циклов развития рельефа выглядит следующим образом (начальные рубежи морфоциклов): первый - 100-120 млн. лет назад; второй - 20-25 млн.; третий 1,5—3,0 млн. лет назад6.
Наиболее убедительно тезис ускорения звучит в палеонтологии. После возникновения жизни на Земле, ее эволюция имеет яркую тенденцию к постепенному ускорению. По расчетам Т. Николаева7, от появления первых живых существ (около 3,5 млрд. лет назад) до первого массового развития многоклеточных в вендскую эпоху прошло более 2,5 млрд. лет (рис. 2). Для достижения огромного многообразия животных и растений было необходимо около 400 млн. лет, для развития млекопитающих и птиц - около 100 млн. лет, приматов - около 60 млн. лет, гоминид - около 16 млн., рода человеческого - 6 млн., человека разумного - 60 тыс. лет. С ускорением происходит развитие человека в палеолите, неолите, бронзовом и железном веках.
В.И. Вернадский в процессах развития систем выделял эволюционный и инволюционный пути развития8. При эволюционном развитии уменьшение во времени частоты рубежей происходит от низших уровней иерар-
1 Там же.
2 Наливкин В.Д., Кузьмин В.И., Лукьянова В.Г. Указ. соч.
3 Жирмунский А.В., Кузьмин В.И., Наливкин В.Д., Соколов Б. С. Указ. соч.
4 Бурбаки Н. Очерки по истории математики. М.: Иностр. лит., 1963. 45 с. С. 4.
5 Жирмунский А.В., Кузьмин В.И. Критические уровни в процессах развития биологических систем. М., 1982.
6 Толухонов А.К. О явлении усложнения и ускорения циклов рельефообразования // Идея развития в геологии: вещественный и структурный аспекты. Новосибирск: Наука, 1990. С. 209-214.
7 Николаев Т. Долгий путь жизни. М., 1986.
8 Вернадский В.И. Живое вещество. М., 1978.
хии к высшим. Инволюционное развитие - развитие без роста, что можно проследить на примере эволюции Земли, масса которой условно фиксирована. Соответственно инволюционные системы, в т.ч. и Земля, должны развиваться с увеличением частоты рубежей.
По мнению В.Е. Хаина1, темпы тектогенеза ускоряются к концу циклов, особенно к концу мегациклов. Поскольку мы живем не только в конце альпийского цикла, но и в конце неогенового мегацикла, то это обстоятельство необходимо учитывать. Как бы подтверждая этот вывод на региональном материале Восточной Сибири,
С.М. Замараев с соавторами2 отмечают, что если учесть длительность эпохи нижнепалеозойской активизации (примерно 70 млн. лет), верхнепалеозойской (около 60 млн. лет) и кайнозойской (30-40 млн. лет), то, очевидно, правомерно говорить об ускорении тектонического процесса во времени. Об ускорение же свидетельствует длительность пауз относительного тектонического покоя, также последовательно убывающая во времени.
*2000
Главные периоды столкновений континентов
/
£3000 *_____
£ззоо
3
<*3900
Предполагаемое время появления жизни на Земле
Возраст древних пород Земли
I —
24600 Земли
100
-200
■300
-400
-500
-600
2ї
70
Образование Альп (при столкновении (Африки и Европы). Образование Гималаев (при столкновении Индии и Азии). Образование Скалистых гор
ям
Положение в настоящее время
Млекопитающие
Динозавры
135
180 Распад Пангеи
225 Возникновение Пангеи с образованием Уральских гор (при столкновении Азии и Европы)
270 н '
Образование Аппалачских горных цепей (в результате столкновения Африки и Сев. Америки)
Летающие рептилии
350
400
Рептилии
Крылатые насекомые
250 млн. лет назад Образование Каледонских горных сооружений (при столкновении Европы и Сев. Америки)
440 Выход животных на сушу
500
600 Расцвет ископаемых форм жизни
£
Аммониты
Первые рыбы
500 млн. лет назад
4
хиопс
f
Брахиоподы
Трилобиты
Рис. 2. Диаграмма основных этапов истории развития Земли3
В данном случае речь идет не только об ускорении тектонических движений во времени, но и о возрастании скорости тектонических движений в единицу времени, что было показано А.К. Толухоновым4 на примере Байкальской рифтовой зоны, где все основные морфоструктуры сформировались на протяжении позднего кайнозоя, а активность современных тектонических процессов наибольшая.
На фундаментальное значение такой закономерности указывает открытие американских астрофизиков Д. Уана и Б. Тинсли, которые пришли к заключению, что Вселенная расширяется с ускорением5. Априори можно предположить влияние наиболее длительных галактических обращений Солнца на глобальные тектономагматические активизации, а их фаз - на формирование более мелких геохронологических рубежей. Так, В.Г. Кузьмин6 предполага-
1 Хаин В.Е. Направленность, цикличность и неравномерность развития земной коры. М., 1964.
2 Соотношение древней и кайнозойской структур в Байкальской рифтовой зоне / Замараев С.М., Васильев Е.П. и др. Новосибирск: Наука, 1979.
3 Кэлдер Н. Беспокойная Земля. Пер. с англ. Г.Н. Мухитдинова. Ред. и предисл. А.А. Беуса. М.: Мир, 1975. 213 с.
4 Толухонов А.К. Указ. соч.
5 Розейман Ф.М. О рецензии Л.Н. Овчинникова на мою статью «О некоторых особенностях развития в геологической форме движения» // Изв. вузов. Геол. и разведка. 1978. № 6.
6 Кузьмин В.Г. Эпохи рифтогенеза и некоторые вопросы происхождения рифтогенных структур // Геология и геофизика. 1975. № 9.
ет, что циклы продолжительностью 40-50 млн. лет связываются с колебательными движениями Солнечной системы относительно плоскости Галактики во время обращения по галактической орбите. Эти циклы близки к четверти аномалистического периода обращения Солнца вокруг ядра Галактики (176 х 106 лет). Самые крупные тектономаг-матические циклы (герцинский, мезозойский) сопоставляются по продолжительности с галактическим годом1.
Вследствие таких свойств геологической системы (ГС), как самоорганизация, саморегулирование и иерархическое строение (в т.ч. и эмерджентность) разные элементы системы (подсистемы, компоненты) имеют разную скорость протекания процессов перестройки. Причем чем ниже ранг, тем короче цикл (рис. 1), что достаточно наглядно показано на примере стратиформных месторождений2. И хотя глобальные геологические циклы непосредственно влияли на развитие биологических систем3, в геоэкологическом аспекте более актуально изучение локальных критических рубежей. Как правильно отметил А.И. Иванов4, прикладное значение экологических исследований состоит не в том, чтобы прогнозировать ход контролируемого процесса во всех деталях (это необходимо для фундаментального, т.е. общетеоретического построения), а только в том, чтобы своевременно установить, что развитие процесса принимает нежелательный характер. Формально-математически это означает, что пользователя интересует отнюдь не весь процесс и результаты его мониторинга, а лишь весьма частная деталь: момент «выброса», т. е. пересечение реальной траекторией процесса некоторой критической гиперповерхности, что означает некоторое заранее установленное нежелательное событие. Природные катастрофы всегда, а техногенные во многих случаях, представляют собой «редкие» события в теоретико-вероятностном смысле. В этом смысле «редкими» являются и их математические представления в виде выбросов5. Эта «редкость» означает, среди прочего, наличие у потока выбросов ряда специфических свойств, в т.ч. - довольно слабой зависимости статистических (но не стохастических динамических) свойств этого потока от свойств основного, порождающего процесса. В большинстве случаев это сопряженные процессы, которые реализуются на фоне основных (необратимых) процессов.
Это обстоятельство весьма четко ощущается исследователями практиками, которые нередко охотно применяют простейшие приемы анализа дискретных случайных потоков к прогнозу природных и техногенных катастроф вне детального изучения физики, механики и энергетики, порождающих эти катастрофы процессов. Однако такой подход нельзя признать корректным. «Слабая» в том или ином формально-математическом смысле зависимость отнюдь не означает независимости (автономности) на практике, и пренебрежение соответствующими знаниями об основном и сопряженном процессе и их взаимосвязях может очень дорого обойтись в реальности прогноза. Отбраковать с требуемой степенью надежности выброс реальных траекторий процесса от разбегания его виртуальных (модельных) траекторий можно только путем систематического анализа стохастических свойств порождающего процесса вместе с вероятностными свойствами потока выбросов.
Возникновение диссипативных структур связывают с потерей устойчивости состояния системы. После возникновения структуры система снова обретает устойчивое состояние. Неустойчивости такого типа изучаются методами теории бифуркаций6. Бифуркация или ветвление, - это изменение числа и устойчивости решения уравнения, описывающего движение. Момент бифуркации является моментом возникновения нового уравнения при достижении характеристическим параметром уравнения некоторого критического значения . В этот момент прежнее решение становится неустойчивым, а новое решение устойчивым. Новое решение может оказаться единственным, но могут иметь место и случаи, когда единственность уступает место множественным решениям.
Идеи о связи геологических процессов, например процессов тектогенеза, с неустойчивостью равновесия высказывались и в геологии8. Так при обсуждении своей пульсационной гипотезы М.А. Усов связывал пульсации с весьма неустойчивым характером равновесия между суммарным эффектом сил сжатия и сил растяжения в недрах планеты, при котором «изменения физико-химических условий, по крайней мере, в некоторых горизонтах Земли, достигает критической точки, за которой большая часть вещества этих горизонтов переходит в иное атомистическое состояние», т.е. идет процесс упорядочения. М.А. Усов в числе многих геологов говорил о скачкообразном развитии материи Земли, отмечая, что в ходе этого развития «происходит ряд качественных ее изменений, сопровождающихся скачками в сжатии и расширении тела Земли, или фазами тектогенеза земной коры»10.
В последние годы такие свойства ГС как самоорганизация и саморегулирование все больше анализируются с позиций синергетики. Синергетика отказывается от привычной причинно-следственной схемы, согласно которой, имея модель процесса и входящие в нее параметры, можно рассчитать динамическое состояние системы в прошлом и будущем. Она предлагает поливариантность развития сложноорганизованных систем: детерминированное их развитие осуществляется лишь на определенном отрезке времени, по мере нарастания флуктуа-
1 Там же.
2 Томсон И.Н., Курчавов А.М. Ритмичность стратиформных месторождений - индикаторы изменения окислительновосстановительных условий геологического прошлого // Доклады АН, 1995. Т. 345. № 1. С. 96- 98.
3 Голубев В. С. Сопряженные процессы и эволюция // Идея развития в геологии... С. 5-13; Голубев В.С., Теняков В.А. Термодинамическая модель геохимической и биологической эволюции // Геология и геофизика, 1984. № 9. С. 49-56; Ронов А.Б. Вулканизм, карбонатонакопление, жизнь: закономерности глобальной геохимии углерода // Геохимия, 1976. № 8.
4 Иванов А.И., Румянцева Н.А. Методы общей теории надежности в системе геоэкологической и инженерно-геологической экспертизы // Экологическая экспертиза. М.: изд-во ВИНИТИ, 1998. № 4. С. 75-89.
5 Там же.
6 Арнольд В.И. Теория катастроф. М., Наука, 1990. 128 с.
7 Кноринг Л.Н., Деч В.Н. Указ. соч.
8 Идея развития в геологии.
9 Научное наследие М.А. Усова и его развитие. Новосибирск, Наука, 1984. 185 с. С. 120.
10 Там же.
Удвоенный
ций система приходит в состояние неустойчивости . В точке, где неустойчивость достигает максимальных значений (точка бифуркации в математике, критический рубеж в геологии), система трансформируется в качественно новое состояние, относительно возможности прогноза которого мнения различаются. И. Пригожин2 считает, что выбор нового пути эволюции системы в точке бифуркации происходит случайно и не может быть предсказуем. Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов3, не отрицая стохастичности процессов в точке бифуркации, утверждают, что хаотизированные системы нельзя считать абсолютно неустойчивыми. С ними согласны А.И. Иванов и М.А. Румянцева4 - для таких систем возможно не любое состояние, а лишь состояние, попадающее в ограниченную детерминированную область фазового пространства. И этот подход нам кажется более верным. В полевой геометродинамике сформулирован известный принцип экстремального действия, недостаточно оцененный в свое время геологами, а теперь и экологами. Смысл принципа - указание условий, обеспечивающих экстремумы: система движется по линиям наименьшего сопротивления с наименьшей затратой энергии и времени5. Впервые как принцип наименьшего действия, или экономии природы, он был провозглашен П.Л. Мо-пертюи7, который писал: «Если в природе происходит какое-либо изменение, то необходимое количество деятельности для этого изменения бывает возможно меньшим». Т.е. природа не может располагать всеми возможными способами созидания одновременно. Многие из них просто несовместимы. Вещество ведет себя в поле приложения сил единственным и оптимальным образом. Отсюда следует заключить, что в природе (в т.ч. и в геологической среде) нет множества путей, обеспечивающих один и тот же результат.
«В точках бифуркации...» проявляет себя некоторая определенность, предде-терминированность развертывания процессов. Настоящее состояние системы определяется не только ее прошлым, ее историей, но и строится, формируется в соответствии с грядущим порядком.
Возникает представление о структурах аттракторах. Если система (среда) попадает в поле притяжения определенного аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию структур8. В целом, теоретических вариантов перехода систем, с точки зрения теории бифуркаций, не так много (рис.3).
Такой подход, по-видимому, больше отвечает существующей реальности, где роль случайности велика, но отнюдь не бесконечна. Синергетические подходы применимы к сложным нестационарным структурам, пульсирующим, усложняющимся и деградирующим (диссипативным, по И. Пригожину). В общей теории динамических систем доказывается, что в весьма широких классах этих систем ЛПК-устойчивые (в смысле Ляпунова - Пуанкаре - Крылова) системы составляют множества меры нуль, или, выражаясь иначе, являются наиредчайшими исключения-ми9. С этой позиции любой наугад взятый процесс геофизики, геодинамики, геоэкологии и т.д. практически наверняка оказывается ЛПК-неустойчивым.
потеря Удпоснис Поторя устойчипости
устойчивости периода удвоенного цикла
Рис. 3. Теоретические варианты поведения неустойчивых систем6.
А - мягкая потеря устойчивости равновесия; Б - жесткая потеря устойчивости равновесия; В - сценарий хаотизации; Г - квазистаци-онарное приближение; Д - затягивание потери устойчивости при динамической бифуркации
1 Арнольд В.И. Указ. соч.; Островский В. Н. Об изучении динамики геологической среды // Геоэкология. 1997. № 3. С. 101-110.
2 Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. М.: Мир, 1986. 432 с.
3 Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Синергетика как новое мировоззрение: диалог с И. Пригожиным // Вопр. философии. 1992. № 12. С. 3-20.
4 Иванов А.И., Румянцева Н.А. Указ. соч.
5 Ковалев В.П. Принципы организации и развития материальных систем - методологическая основа истолкования геологической истории литосферы // Идея развития в геологии. С. 190-199.
6 Арнольд В.И. Указ. соч.
7 Развитие идей Леонарда Эйлера и современная наука. М., 1988. С. 185.
8 Маркин Б.М., Розенберг Г.С. Толковый словарь современной фитоцитологии. М., Наука, 1983. 133 с.
9 Иванов А.И., Румянцева Н.А. Указ. соч..
Это означает, что малая (в каком-нибудь подходящем смысле) вариация начальных условий задачи Коши (например, неточность измерения, погрешность числового расчета и т.п.) приводит к катастрофическому отклонению хода процесса от предполагаемого (невозмущенного) с течением времени. Обратно, ЛПК-устойчивыми называются системы, у которых малая вариация начальных условий способна породить лишь малые (в том же смысле) вариации хода процесса.
Одно из фундаментальных положений синергетики - нелинейность процессов, так называемый экспоненциальный закон разбегания возмущенных траекторий, согласно которому Н возмущенной траектории от ожидаемой возрастает с течением времени t экспоненциально, H' exp ДТ. Благодаря нелинейности происходит разрастание флуктуаций, что в определенных обстоятельствах приводит к преобразованию системы (рис. 3). Иначе говоря, микроскопические причины могут привести к макроскопическим последствиям.
Рассмотрим некоторые возможности пространственного проявления локальных критических рубежей. Наиболее часто их возникновение приурочено к перисфере геологической среды, т.е. к границе смешения эндогенной и солнечной энергии (рис. 4). Это в частности проявляется в скорости протекания эрозионных процессов. Немалый вклад в изменение колебательных движений, свойственных иерархическим структурам геологической среды при перераспределении энергии, вносит биосфера, имеющая иные временные характеристики протекания процессов и иной способ реализации энергии.
Полученные В.С. Голубевым2 уравнения КПД систем позволяют сделать следующие выводы:
- для сопряженных процессов неживой природы, в частности, для эндогенного рудооб-разования, маловероятно закономерное изменение энергетической эффективности их функционирования. Отсюда следует, что движущей силой эволюции эндогенных процессов является постепенный рост количества подводимой к рудообразующим системам эндогенной энергии в эпохи тектоно-магматических активизаций;
- эволюция биоты происходит при увеличении эффективности использования энергии (солнечной, практически не меняющейся во времени). Т.е. эти системы более неравновесные и эволюционирующие быстрее;
- сопряженные процессы осуществляются и в ноосфере - части биосферы, преобразованной человеком. По существу, неравновесность ноосферы по отношению к окружающей среде, более высокий уровень организации вещества обусловлены производственной деятельностью человека. Это сопряженный процесс, который реализуется лишь на фоне основного процесса утилизации энергетических ресурсов современной и существовавших ранее биосфер. При этом рост энергетики сопровождается существенным увеличением рассеяния энергии. Скорость роста рассеивающей энергии достаточно велика, чтобы не только структура ГС, но и ноосферы, не успевают измениться таким образом, чтобы соответствовать возросшему уровню энергетики. Как следствие наблюдается возрастающая неравновесность систем, резонансные эффекты, возникновение новых свойств среды.
Одним из достаточно ярких примеров такого взаимодействия являются природно-технические системы (ПТС), которые В.И. Осипов3 определяет следующим образом: «Элементы техносферы постоянно взаимодействуют с окружающей средой, образуя единую природно-
Рис. 4. Структурная модель Земли1.
А - земная кора; В - верхняя мантия; С - переходная зона; О-О" - нижняя мантия; Е, F, G - ядро.
1-3 - направления: 1 - потоков космической энергии и вещества; 2 - рассеяния внутренней энергии и миграции эндогенного вещества (тепломассообмен); 3 - увеличение относительной гомогенности и гетерогенности субстрата; 4 -биосфера; 5 - гидросфера; 6 - глубинные разломы коровые (а), подкоровые (б); 7-10 - условные уровни вещественноструктурной гетерогенности Земли: 7 - химической неоднородности (на уровне ионов и элементарных частиц); 8 - горно-породной (а) и минеральной (б) неоднородности (от химических соединений до минералов); 9 - вещественноструктурной неоднородности, геосферной расслоенности (от минеральных до формационных элементов); 10 - коровой неоднородности (от формационной до геосферной) со сложной блоковой расслоенность.
1 Алексеева Л. К. Методологические аспекты ретроспективного анализа развития Земли // Идея развития в геологии. С. 301-308.
2 Голубев В.С. Сопряженные процессы и эволюция.
3 Осипов В.И. Геоэкология - междисциплинарная наука об экологических проблемах геосфер //Геоэкология, 1993. № 1. С. 4-18.
техническую систему (ПТС). Таким образом, ПТС - это ассоциация природных и техногенных элементов, функционирующих как единая система». А.Г. Гамбурцев1 отмечает, что ПТС возводятся и функционируют в конкретных природных условиях со своими, присущими им свойствами и особенностями временных изменений. ПТС могут изменить эти свойства и особенности, причем изменения могут быть сильными и слабыми.
Как правило, это изменения свойств грунтов, подземных вод, напряженно-деформируемого состояния пород, геохимических, теплового и электромагнитного полей2 имеют необратимый характер.
Таким образом, результатом антропогенного прессинга на ГС является не только загрязнение окружающей среды, но и привнесение в нее иной энергетики и динамики процессов, что чревато переводом геологических систем в неустойчивое состояние и резонансными эффектами.
В принципе, взаимодействия геосфер также характеризуются привнесением иной энергетики и динамики протекания процессов (процессы с перемешиванием), в первую очередь на уровне литосфера-атмосфера-биосфера.
Все системные свойства геологической среды отражают пространственно-временную структуру материи (вещества) Земли и влияние на нее планетарных факторов. В двойственности свойств (детерминированность -стохастичность, симметрия - диссимметрия, анизотропность - изотропность) выражено корпускулярноволновое единство материи. При анализе геоэкологической обстановки основной упор делается на вещественный состав среды, в то время как ее системные свойства не зависят от характера вещества ее слагающего, а выражаются через вещество. Из сказанного следует, что объектом и геологии и геоэкологии выступают разноранговые геодинамические системы, которые мы выявляем и реконструируем по уцелевшим и доступным наблюдениям и измерениям продуктам их деятельности, а не исключительно сами продукты. Ведь вся история литосферы - результат функционирования динамических систем (и ее нынешнее состояние тоже), а не взаимодействие образовавшихся в этих процессах тел. Геологические тела уже в ходе и после своего появления выступают как тяжелые инертные массы, становятся ареной развертывания физико-химических и механических наложенных процессов3. В процессе изучения происходит как бы неосознанная подмена одного предмета исследования (геодинамических систем) другим (продуктом их деятельности). Вместе с тем, главным источником информации о процессах в ГС является вещество, которое в своем строении несет отпечаток его (вещества) участия в тех или иных процессах. Восстановить глобальные, региональные и локальные процессы можно только по остаткам первичных геологических тел. Но совершать переход от характеристик продуктов надо также с учетом знания свойств вещества и принципов его организации и движения.
Таким образом, геоэкологическую специфику среды необходимо исследовать на разных уровнях организации, т.е. необходимо использовать иерархические подходы, учитывая разную динамику протекания процессов (структуру временных потоков). Вопрос о выборе объектов для каждого уровня имеет главенствующее значение. Многочисленные примеры ранжирования геологических структур достаточно широко применяются в геоэкологии (доминирует инженерно-геологический подход). В то же время принципы классификации не всегда соответствуют организации геологического пространства. Наиболее близки к решению задачи геоэкологического районирования, по мнению автора, инженерно-геологические подходы, особенно выдвигаемые в последнее время. Так в грунтоведении изучаются объекты, которые соответствуют породному уровню, в региональной инженерной геологии - формации и объекты более высоких уровней. Последним в ряде геологических дисциплин соответствуют, но довольно часто пространственно не совпадают, понятия о геологических структурах (тектонических, гидрогеологических, нефтегазоносных и т.д.), которые обозначают часть литосферы с определенным сочетанием структурных элементов. В такой трактовке термин «геологические структуры» имеет не только геометрическое (взаиморасположение), но и вещественное (сочетание определенных элементов) содержание, что оптимально при решении геологических задач, но не достаточно при решении проблемы устойчивости геологической среды.
Предложение ряда авторов4 рассматривать территориальные элементы, традиционно обособляемые при инженерно-геологическом районировании, в качестве инженерно-геологических структур на разных иерархических уровнях методически интересно и имеет широкую перспективу. Такой подход больше согласуется с современными общегеологическими представлениями о специфике сложноорганизованного литосферного пространства. В то же время, такой подход является лишь частью геоэкологических исследований, так как «геоэкологическое пространство» организовано сложнее литосферы и имеет значительно большее количество динамических компонентов (перисфера, области взаимодействия сред с разной динамикой изменений), связей и полихронных особенностей протекания процессов. Являясь достаточно важной частью геоэкологических исследований, геология, тем не менее, не исчерпывает всех аспектов геоэкологии, хотя и диктует определенные «правила игры». Так неразработанность ряда геологических проблем (геодинамики, тектоники платформенных областей и т.д.) отражается и на геоэкологии. В то же время, будучи самостоятельной областью междисциплинарного научного знания, геоэкология диктует и определенную корректировку применения классических геологических подходов и привлечения концепций и методов из других областей знаний, в первую очередь, биологии, планетологии, медицины, социологии, теории страхования, теории систем и т.п.
Анализируя методы и подходы геологии и геоэкологии, авторами неоднократно отмечалось, что геологические науки направлены на разработку методов реконструкции событий, в то время как в геоэкологии необходимо осуществлять прогноз будущих событий (таблица 1), в этом их принципиальная разница5.
'Гамбурцев А.Г. Концепция мониторинга природно-технических систем // Геоэкология. 1994. № 4. С. 12-19.
2 Козловский Е.А., Грабчак Л.Г. Геология и окружающая среда // Изв. вузов. Геол. и разведка. 1992. № 4. С. 3-14.
3 Ковалев В.П. Указ. соч.
4 Трофимов В.Т., Аверкина Т.И. Многообразие инженерно-геологических структур Земли // Геоэкология 1999. № 2. С. 157-163.
5 Кутинов Ю.Г. Экогеодинамика Арктического сегмента земной коры. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. 388 с.
Таблица 1
Сравнительная характеристика методов и подходов геологии и геоэкологии
ГЕОЛОГИЯ ГЕОЭКОЛОГИЯ
Подход
Сферный Сферный или экосистемный (не сформулирован)
Постулат
^прерывность слоя H сформулирован
События (прогноз)
В основном произошедшие ^стоящие и будущие (поливариантность развития)
Структура отрасли знания
Структурирована (преобладает анализ) H структурирована (преобладает синтез)
Объект исследований
В основном вещество (реконструкция процессов через Процессы - реконструкция и прогноз изменения ве-
вещественный состав) щественного состава через процессы
Взаимодействие сфер и процессов
Рост количества подводимой энергии (сходство орга- Взаимодействие разноорганизованных систем: геоло-
низации энергетики и временных параметров гическая среда - биосфера - человек
Периодичность исследований
В основном разовые анализы и измерения Мониторинг с определенной периодичностью
Математические методы
В основном статистика Теория бифуркаций (катастроф), нелинейные функции
Необходимо переходить к «геоэкологическим структурам» - как к универсальным таксонам (понятиям) геоэкологического пространства. Принципы их выделения (обособления) должны быть такими, чтобы таксоны можно было использовать без привязки к конкретным территориям, т.е. применять не только для районирования (хотя этот аспект немаловажен), но и при решении более широкого круга концептуальных, методологических проблем и методических задач.
Под «геоэкологическими структурами» в данной работе понимаются закономерно организованные по ла-терали и вертикали части геологической среды, сформированные и эволюционирующие под действием определенных природных и техногенных процессов, и однородные по геологическим и экологическим свойствам и структуре. При этом необходимо рассматривать, как минимум, два принципиальных типа параметров: региональные (геологические, геодинамические) и зональные (климатические). Меняя сочетания и ранги (в первую очередь глубинность) факторов, а, следовательно, и обусловленные ими параметры, переходя от общих к частным моделям (но не наоборот) можно обособлять геоэкологические структуры разных иерархических уровней.
Основные параметры выделения (обособления) на глобальном уровне: 1) организация (структура тектоно-сферы); 2) глобальный характер техногенного развития.
Климатическая зональность в этом варианте рассматривается как наложенный параметр более низкого ранга, осложняющий и, зачастую, затушевывающий характер выделяемых геоэкологических структур. Тектонические движения, а, следовательно, и организация тектоносферы, являются одним из определяющих факторов изменения окружающей среды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеева Л.К. Методологические аспекты ретроспективного анализа развития Земли // Идея развития в геологии: вещественный и структурный аспекты. Новосибирск: Наука, 1990. C. 301-308.
Alekseeva L.K. (1990). Metodologicheskie aspekty retrospektivnogo analiza razvitiya Zemli. In Ideya razvitiya v geologii: veshchestvennyi i struktumyi aspekty. Nauka, Novosibirsk. Pp. 301-308.
2. Арнольд В.И. Теория катастроф. М.: Наука, 1990. 128 с.
Arnol'd V.I. (1990). Teoriya katastrof. Nauka, Moskva. 128 р.
3. Бурбаки Н. Очерки по истории математики. М.: Иностр. лит., 1963. 45 с.
Burbaki N. (1963). Ocherki po istorii matematiki. Inostr. lit., Moskva. 45 р.
4. Вернадский В.И. Живое вещество. М., 1978.
Vernadskii V.I. (1978). Zhivoe veshchestvo. Moskva.
5. Гамбурцев А.Г. Концепция мониторинга природно-технических систем // Геоэкология. 1994. № 4. С. 12-19. Gamburtsev A.G. (1994). Kontseptsiya monitoringa prirodno-tekhnicheskikh sistem. Geoekologiya. N 4. Pp. 12-19.
6. Голубев В.С. Сопряженные процессы и эволюция // Идея развития в геологии: вещественный и структурный аспекты. Новосибирск: Наука, 1990. С. 5-13.
Golubev V.S. (1990). Sopryazhennye protsessy i evolyutsiya. In Ideya razvitiya v geologii: veshchestvennyi i strukturnyi aspekty. Nauka, Novosibirsk. Pp. 5-13.
7. Голубев В.С., Теняков В.А. Термодинамическая модель геохимической и биологической эволюции // Геология и геофизика, 1984. № 9. С. 49-56.
Golubev V.S., Tenyakov V.A. (1984). Termodinamicheskaya model' geokhimicheskoi i biologicheskoi evolyutsii. Geologiya i geofizika. N 9. Pp. 49-56.
8. Жирмунский А.В., Кузьмин В.И., Наливкин В.Д., Соколов Б.С. Моделирование критических рубежей в истории развития систем и периодизация истории Земли. Владивосток: Изд-во Ин-та моря ДВНЦ АН СССР, 1980. 68 с.
Zhirmunskii A.V., Kuz'min V.I., Nalivkin V.D., Sokolov B.S. (1980). Modelirovanie kriticheskikh rubezhei v istorii razvitiya
sistem i periodizatsiya istorii Zemli. Izd-vo In-ta morya DVNTs AN SSSR, Vladivostok. б8 р.
9. Жирмунский AB., Кузьмин В.И. Критические уровни в процессах развития биологических систем. М., 1982. Zhirmunskii A.V., Kuz'min V.I. (1982). Kriticheskie urovni v protsessakh razvitiya biologicheskikh sistem. Moskva.
10. Иванов A.K, Румянцева H.A. Методы общей теории надежности в системе геоэкологической и инженерно-геологической экспертизы // Экологическая экспертиза. М.: Изд-во ВИЖИТИ, 1998. № 4. С. 75-89.
Ivanov A.I., Rumyantseva N.A. (1998). Metody obshchei teorii nadezhnosti v sisteme geoekologicheskoi i inzhenerno-geologicheskoi ekspertizy. Ekologicheskaya ekspertiza. Izd-vo VINITI, Moskva. N 4. Pp. 75-89.
11. Идея развития в геологии: вещественный и структурный аспекты. Швосибирск: Шука, 1990. 317 с.
Ideya razvitiya v geologii: veshchestvennyi i strukturnyi aspekty. Nauka, Novosibirsk. 1990. 317 р.
12. Кноринг Л.Н, Деч В.Н Геологу о математике. Советы по практическому применению. Л.: №дра, 1989. 208 с. Knoring L.N., Dech V.N. (1989). Geologu o matematike. Sovety po prakticheskomu primeneniyu. Nedra, Leningrad. 208 р.
13. Князева Е.Н, Курдюмов С.П. Синергетика как новое мировоззрение: диалог с И. Пригожиным // Вопр. философии. 1992. № 12. С. 3-20.
Knyazeva E.N., Kurdyumov S.P. (1992). Sinergetika kak novoe mirovozzrenie: dialog s I. Prigozhinym. Vopr. filosofii. N 12. Pp. 3-20.
14. Ковалев В.П. Принципы организации и развития материальных систем - методологическая основа истолкования геологической истории литосферы // Идея развития в геологии: вещественный и структурный аспекты. Швосибирск: Шука, 1990. С. 190-199.
Kovalev V.P. (1990). Printsipy organizatsii i razvitiya material'nykh sistem - metodologicheskaya osnova istolkovaniya geologicheskoi istorii litosfery. In Ideya razvitiya v geologii: veshchestvennyi i strukturnyi aspekty. Nauka, Novosibirsk. Pp. 190-199.
15. Козловский Е.А, Грабчак Л.Г. Геология и окружающая среда // Изв. вузов. Геол. и разведка. 1992. № 4. С. 3-14. Kozlovskii E.A., Grabchak L.G. (1992). Geologiya i okruzhayushchaya sreda. Izv. vuzov. Geol. i razvedka. N 4. Pp. 3-14.
16. Кузьмин В.Г. Эпохи рифтогенеза и некоторые вопросы происхождения рифтогенных структур // Геология и геофизика. 1975. № 9.
Kuz'min V.G. (1975). Epokhi riftogeneza i nekotorye voprosy proiskhozhdeniya riftogennykh struktur. Geologiya i geofizika. N 9.
17. Кутинов Ю.Г. Экогеодинамика Aрктического сегмента земной коры. Екатеринбург: УрО РЛ^ 2005. 388 с. Kutinov Yu.G. (2005). Ekogeodinamika Arkticheskogo segmenta zemnoi kory. UrO RAN, Ekaterinburg. 388 р.
18. Кэлдер H. Беспокойная Земля. Пер. с англ. Г.И Мухитдинова. Ред. и предисл. A.A. Беуса. М.: Мир, 1975. 213 с. Kelder N. (1975). Bespokoinaya Zemlya. Per. s angl. G.N. Mukhitdinova. Red. i predisl. A.A. Beusa. Mir, Moskva. 213 р.
19. Маркин Б.М., Розенберг Г.С. Толковый словарь современной фитоцитологии. М.: Шука, 1983. 133 с.
Markin B.M., Rozenberg G.S. (1983). Tolkovyi slovar' sovremennoi fitotsitologii. Nauka, Moskva. 133 р.
20. Hаливкин В.Д., Кузьмин В.И., Лукьянова В.Г. Естественные границы в ряду распределения месторождений нефти и газа по запасам // Доклады AH СССР. 1982. Т. 2бб. № 4. С. 947-951.
Nalivkin V.D., Kuz'min V.I., Luk'yanova V.G. (1982). Estestvennye granitsy v ryadu raspredeleniya mestorozhdenii nefti i gaza po zapasam. Doklady AN SSSR. T. 2бб. N 4. Pp. 947-951.
21. Hаучное наследие МА. Усова и его развитие. Швосибирск: Шука, 1984. 185 с.
Nauchnoe nasledie M.A. Usova i ego razv.itie. Nauka, Novosibirsk. 1984. 185 p.
22. Hиколаев Т. Долгий путь жизни. М., 198б.
Nikolaev T. (198б). Dolgii put' zhizni. Moskva.
23. Осипов В.И. Геоэкология - междисциплинарная наука об экологических проблемах геосфер // Геоэкология. 1993. № 1. С. 4-18.
Osipov V.I. (1993). Geoekologiya - mezhdistsiplinarnaya nauka ob ekologicheskikh problemakh geosfer. Geoekologiya. N 1. Pp. 4-18.
24. Островский В.К Об изучении динамики геологической среды // Геоэкология. 1997. № 3. С. 101-110. Ostrovskii V.N. (1997). Ob izuchenii dinamiki geologicheskoi sredy. Geoekologiya. N 3. Pp. 101-110.
25. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Швый диалог человека с природой. М.: Мир, 198б. 432 с. Prigozhin I., Stengers I. (198б). Poryadok iz khaosa. Novyi dialog cheloveka s prirodoi. Mir, Moskva. 432 р.
26. Развитие идей Леонарда Эйлера и современная наука. М., 1988.
Razvitie idei Leonarda Eilera i sovremennaya nauka. Moskva. 1988.
27. Розейман Ф.М. О рецензии Л.К Овчинникова на мою статью «О некоторых особенностях развития в геологической форме движения» // Изв. вузов. Геол. и разведка. 1978. № б.
Rozeiman F.M. (1978). O retsenzii L.N. Ovchinnikova na moyu stat'yu «O nekotorykh osobennostyakh razvitiya v
geologicheskoi forme dvizheniya». Izv. vuzov. Geol. i razvedka. N б.
28. Ронов AE. Вулканизм, карбонатонакопление, жизнь: закономерности глобальной геохимии углерода // Геохимия. 197б. № 8.
Ronov A.B. (197б). Vulkanizm, karbonatonakoplenie, zhizn': zakonomernosti global'noi geokhimii ugleroda. Geokhimiya. N 8.
29. Соотношение древней и кайнозойской структур в Байкальской рифтовой зоне / Замараев С.М., Васильев Е.П. и др. Швосибирск: Шука, 1979.
Sootnoshenie drevnei i kainozoiskoi struktur v Baikal'skoi riftovoi zone. Zamaraev S.M., Vasil'ev E.P. i dr. Nauka, Novosibirsk. 1979.
30. Толухонов A.K О явлении усложнения и ускорения циклов рельефообразования // Идея развития в геоло-
гии: вещественный и структурный аспекты. Швосибирск: Шука, 1990. С. 209-214.
Tolukhonov A.K. (1990). O yavlenii uslozhneniya i uskoreniya tsiklov rel'efoobrazovaniya. In Ideya razvitiya v geologii: veshchestvennyi i strukturnyi aspekty. Nauka, Novosibirsk. Pp. 209-214.
31. Трофимов В.Т., Aверкина Т.И. Многообразие инженерно-геологических структур Земли // Геоэкология. 1999. № 2. С. 157-1б3.
Trofimov V.T., Averkina T.I. (1999). Mnogoobrazie inzhenerno-geologicheskikh struktur Zemli. Geoekologiya. N 2. Pp. 157-1б3.
32. Хаин В.Е. Hаправленность, цикличность и неравномерность развития земной коры. М., 19б4.
Khain V.E. (19б4). Napravlennost', tsiklichnost' i neravnomernost' razvitiya zemnoi kory. Moskva.
