ЧЕЛОВЕК И ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА
Прошедший веек ознаменовался небывалым наступлением человека на природную , в том числе и геологическую среду, под которой понимается самая поверхностная часть земной коры. Подверженная техногенному воздействию . Это воздействие нарастало постепенно , но в ХХ веке , особенно в его второй половине, скорость техногенного воздействия превысила естественные скорости многих геологических процессов и стало носить катастрофический характер . Успехи человечества в технике и технологии позволяют вовлекать в использование гораздо большую часть земной коры, чем это было раньше, причем данное положение касается как континентов, так и океанов.
В.И.Вернадский назвал поверхностную часть земной коры, атмосферу , гидросферу и биосферу ноосферой ( ноос – греч . Разум), в которой действует человеческий разум. Каждые 15 лет в мире ровно вдвое увеличивается общая мощность производства . Следовательно, только за полвека она выросла почти в 4 раза .
Уже в начале ХХ в. начались глобальные изменения окружающей среды , которые не были замечены из -за потрясших мир социальных катастроф – двух Мировых войн, экономического кризиса. Во второй половине ХХ в. уже начались катастрофы , связанные с загрязнение окружающей среды . В 1952 г . в Лондоне от смога погибло 4000 человек и 20000 заболело . В 1958 г. в Японии от загрязнения ртутью в городке Минамата пострадало почти 2000 и сотни умерло. Этот список можно продолжать бесконечно .
Нас интересует как техногенная деятельность человека изменяет геологическую среду – приповерхностную часть земной коры и как скорости этого процесса соотносятся со скоростями естественных процессов. Данные В.А. Королева и В.Н.Соколова (2000) показывают, что добыча минерального сырья в год превышает 100 млрд.тонн, тогда как вынос обломочного материала реками в моря и океаны. Морская абразия и денудация составляют 17,4 млрд. т. Иными словами , искусственный отбор материала с поверхности Земли в 4 раза превышает естественный. Перемещение горных пород при различных строительных работах в 30 раз больше, чем объем осадков, ежегодно перемещаемых всеми текучими водами по земной поверхности ( около 13 км3). Объем техногенных грунтов составляет 43 км3, отвалы золы при работе тепловых станций – 350 млн . тонн, внесение удобрений и пестицидов в почву – 505 млн . тонн, водозабор – 560 км3/ год и т.д . Из недр Земли не только извлекаются полезные ископаемые – руда , нефть, газ, уголь (примерно 110 млрд. тонн ежегодно), но и вносится в нее и выбрасывается в атмосферу большое количество вредных веществ . Так, каждый год в атмосферу сейчас поступает 200 млн . т оксида углерода , 50 млн . тонн углеводородов, 146 млн . т диоксида серы, 53 млн . т оксидов азота, 250 млн . т пыли, а в водоемы сбрасывается 32 млрд. м3 неочищенных вод и 10 млн . т нефти . Ежегодно для земледелия становятся непригодными 6-7 млн . гектаров почвы , для восстановления лишь 1 см которой требуется не менее 100 лет. Выброс чистого углерода за последние 120 лет возрос в 50 раз, составив 5,3 млрд. т. За это же время содержание СО2 – главного парникового газа возросло на 15%, а метана – СН4 , ежегодно увеличивается на 0,8%.
Средняя температура на Земле медленно, но неуклонно возрастает , что приводит к быстрой деградации ледников и повышению уровня океана . Только в 1989 г. в атмосферу было выброшено 5,8 млрд. т веществ , создающих парниковый эффект, а население Земли уже перевалило за 6 млрд. человек.
Во многих районах земного шара поверхность изуродована огромными , глубиной более 0,5 км карьерами; « продырявлена» бесчисленными шахтами до нескольких километров глубины ; покрыта гигантскими отвалами , результатом переработки руды; терриконами пустой породы, оставшимися после разработки угольных месторождений . При этом шахты , штольни, штреки и другие горные выработки постепенно испытывают обрушение .
Большие площади заняты искусственно созданными водохранилищами – «рукотворными морями», которые полностью изменили естественный гидрологический режим рек, характер их стока, формирования дельт.
На огромных пространствах развития криолитозоны нарушен естественный , тысячелетиями сохранившийся баланс , т.к. поверхностный , деятельный слой очень раним . Достаточно посмотреть на Западную Сибирь.
Перечень техногенного воздействия на геологическую и окружающую среды можно продолжать и продолжать. Важно понять , что довольно широко распространено мнение о том , что «земля » может выдержать все, что угодно , а вот биосфера очень чувствительно к техногенному воздействию . Это, конечно , ошибочное мнение. Техногенное воздействие на геологическую среду. Хозяйственная деятельность человека настолько разнообразна , что ее влияние на поверхностную часть земной коры с трудом поддается учету. По мнению В.А. Королева и В.Н.Соколова эти воздействия можно подразделить на : 1) физические , 2) физико-химические, 3) химические и 4) биологические.
Физическое воздействие определяется горно - технической, инженерно -строительной , сельскохозяйственной и военной деятельностью. Гигантские горно -обогатительные комбинаты (ГОК ) или топливно- энергетические комплексы (ТЭК ) способны в короткое время изменить геологическую среду так, что восстановлению она уже не подлежит. Большое воздействие на геологическую среду оказывали подземные и наземные ядерные взрывы, проводившиеся в различных местах земного шара. В настоящее время около 15% суши, т.е . 1/6 всей ее площади покрыта инженерными сооружениями – дорогами, каналами, водохранилищами , промышленными комплексами , зданиями и др., что соответствует 2-х кратному увеличению за последние 15 лет. Благодаря этой деятельности изменяется рельеф ; происходит изменение свойств пород – уплотнение – разуплотнение; разрушение; изменяется режим и уровень грунтовых вод и т.д .
Физико- химическое и химическое воздействие на земную кору оказывает организация свалок твердых бытовых отходов ( ТБО ), промышленные и коммунальные стоки вод , в результате которых оказываются загрязненными запасы питьевых вод . В настоящее время 1 человек обеспечивает в год около 1 тонны коммунальных отходов. Большие площади отводятся под складирование разнообразных отходов, как от горного производства , так и от других видов хозяйственной деятельности человека . Сюда надо добавить и неутилизированные токсичные отходы, которых только в России ежегодно образуется больше 20 млн . т. Все Это разрушает верхнюю часть земной коры – геологическую среду и приводит к ее необратимым изменениям.
Техногенное воздействие сейчас проникает и в более глубокие горизонты земной коры, благодаря огромному количеству нефтяных и газовых скважин , подземному строительству в городах, прокладке глубокопогруженных трубопроводов, тоннелей и др.
Одних только железных дорог на Земле 1 млн . 400 тыс . км, что составляет 3,5 расстояния от Земли до Луны, а автомобильных дорог намного больше. Каждый километр дорог нарушает 2 гектара почвы и растительности .
Геологическая среда, ландшафты быстро изменяются из - за большого количества крупных водохранилищ, общая длина берегов которых в СССР равнялась 40000 км, т.е . длине окружности экватора Земли . Эти берега усиленно перерабатываются , изменяя рельеф , вызывая оползни, обвалы, подтопление, заболачивание.
Крупные объемы воды в водохранилищах, откачка нефти и газа из месторождений , нарушают устойчивость горных пород , вызывая землетрясения, т.н. « наведенную сейсмичность », впервые выявленную в 1932 г . в Алжире при строительстве плотины на р . Уэд- Фодда, когда сила толчков достигла 7 баллов . 55% территории суши уже покрыты искусственными грунтами , мощность которых может достигать десятков метров . Почвы загрязняются тяжелыми металлами, атомная масса которых больше 50 – свинцом , кадмием , ртутью, цинком, молибденом, никелем , кобальтом и другими . Следует подчеркнуть, что токсичные вещества в почве сохраняются в ней очень долго, а пахотно- пригодные земли стремительно сокращаются с 1,5 га на душу населения в 1900 г. до 0 .5 га в 2000 г.
Существуют научно обоснованные климатический , биологический и экологический пределы энергопотребления человека . Дело в том , что современная биота приспособлена к тем особенностям природной среды , включая и климат, которые сегодня существуют на Земле . А человек стремится потреблять все больше энергии. Только одни США потребляют 40% всей энергии и производят 60% всех мировых отходов. В конце 20- го века антропогенное возмущение парникового эффекта уже в 10 раз превысило пороговое значение по сравнению с биологическим .
В первой половине 21-го века человечество приблизится к опасной черте возмущения биосферы, если уровень потребления не изменится, а численность населения не уменьшится до такого уровня , при котором может сохраняться устойчивое , сбалансированное развитие Все больше природных ресурсов необходимо человечеству , чтобы выжить. Мы научились использовать громадное количество природного сырья , но нельзя отбирать у Земли одни из видов ресурсов , делая вид , что он независим от других . На протяжении истории человечества мы только потребляли во все возрастающих количествах, не думая о последствиях . Задача геологов как раз и состоит в том , чтобы минеральные ресурсы Земли стали бы доступны каждому и человечество в своем познании Земли достигло бы уровня , позволившего ему осознать , что оно стоит на самой границе такого состояния планеты , за которым для его существования уже нет будущего. И как бы нам не потерять уникальность нашей планеты в ряду других , заключающуюся в наличии на ней жизни.
НЕКОТОРЫЕ ИТОГИ
Достижения в изучении Земли .
Вторая половина ХХ в . ознаменовалась бесспорными достижениями в изучении не только Земли , но и всех планет Солнечной системы . Решающими факторами были успехи в технике и технологиях. Человечество впервые за свою историю сумело взглянуть на Землю со стороны , побывать на Луне, получить детальные изображения всех планет , сфотографировать астероиды , изучить метеориты и обосновать их принадлежность к некоторым планетам , например, к Марсу. Благодаря изобретению эхолота и спутниковых наблюдений исследователи составили полное представление о рельефе океанского дна.
Глубокое бурение на суше и глубоководное в океанах и морях позволило составить представление о строении осадочных океанских толщ и пройти на Балтийском щите поверхность Конрада. Погружение в глубины океанов и озер , в частности, Байкала, привело к открытию века – обнаружению «работающих фабрик» руды, т.н. черных курильщиков . Палеомагнитология дала нам возможность реконструировать движение материковых плит и доказать разрастание океанического дна. Детальное изучение осадочного чехла океанов привело к совершенно новому представлению об осадконакоплении , особенно биогенному. Изобретение микрозондов и других приборов для точной диагностики минералов и их химического и изотопного составов открыло невиданные возможности в петрологии .
Новые сейсмические методы МОВ ОГТ ( метод отраженных волн общей глубинной точки ), НСП ( непрерывное сейсмическое профилирование, ГСЗ ( глубинное сейсмическое зондирование ) позволили с большей детальностью изучить многие регионы Мира, особенно структуру верхней части земной коры и, в целом, всю кору . Были открыты многочисленные метеоритные кратеры, проведены эксперименты при высоких температурах и давлениях, что позволило лучше понимать фазовые переходы минералов в глубинах Земли . Усовершенствование техники , применение аэро - и космических фотоснимков , изобретение компьютеров , дало в руки геологов мощный механизм для качественного и быстрого составления геологических и других карт . На земном шаре уже нет белых пятен.
Наконец, в 60- х годах ХХ в. была создана новая научная парадигма – теория тектоники литосферных плит, первая глобальная геологическая теория , позволившая не только объяснить современные геологические процессы, но и обладающая предсказательной функцией. Создание суперкомпьютеров привело к возникновению томографической сейсмологии , с помощью которой мы впервые стали понимать, как сложно построена мантия Земли , научившись выделять в ней области с пониженными и повышенными скоростями сейсмических волн по сравнению со стандартными моделями
Земли . Благодаря применению всех новых методов и технологий были открыты сотни крупнейших месторождений полезных ископаемых, особенно нефти и газа – основы современной промышленности .
Однако, столь интенсивная техногенная деятельность привела к резкому ухудшению экологической мировой обстановки , настолько сильной и быстрой , что нередко под вопрос ставится существование человечества . Мы потребляем намного больше, чем природа в состоянии регенерировать . Поэтому проблема устойчивого развития в наши дни является подлинно глобальной , мировой проблемой , касающейся всех государств . Огромные успехи достигла и теоретическая геология , начиная от гипотез образования Земли и планет и, кончая , историей эволюции Земли и органического мира. Поэтому хотелось бы привести важнейшие рубежи в истории Земли , чтобы у читателя сложилось пусть и первое , но все- таки законченное предствление о той эволюции, которую прошла наша планета и момента своего образования.
ВАЖНЕЙШИЕ РУБЕЖИ В ИСТОРИИ ЗЕМЛИ ( в миллиардах лет) ( по В.Е.Хаину и Н.В.Короновскому)
12-20 - Большой Взрыв и образование Вселенной
5,00 - образование Солнца
4,66 - образование планеты Земля
4,30-4,20 - возраст древнейших обломочных минералов цирконов ( Зап.Австралия)
4,00 - возраст древнейших на Земле пород ( Канада, Гренландия) и
формирование первичной земной коры
3,85 - появление первых прокариот ( микрофоссилий )
3,50 - достоверные следы магнитного поля , не отличающегося от
современного
3,20 - начало образования зрелой континентальной коры
2,50 - образование суперматерика Пангеи- О
2,50 - появление первых эвкариот ( водоросли)
2,20 - покровное оледенение ( гуронское)
2,20-2,00 - появление крупных многоклеточных растений ( водоросли)
2,00 - в атмосфере устанавливается присутствие кислорода
1,80 - Аньхойская фауна ( червеобразные формы )
1,80 - образование Пангеи-1
0,80 - распад Пангеи-1
0,80 - появление многоклеточных растений ( водоросли)
0,67 - появление вендской бесскелетной фауны
0,57 - возникновение скелетной фауны беспозвоночных, появление первых
хордовых
0,56 - количество кислорода достигает 1/3 от современного
0,46 - первые наземные растения
0,45-0,43 - массовое вымирание организмов ( ордовик- силур )
0,42 - появление рыб
0,25 - появление голосеменных растений
0,25-0,24 - массовое вымирание организмов ( пермь - триас)
0,24 - образование Пангеи-2
0.24 - появление млекопитающих
0,16 - распад Пангеи-2 и начало образования современных океанов
0,11 - появление покрытосеменных растений ( поздний альб )
0,065-0,060 - массовое вымирание организмов ( верхний мел- палеоген )
0,035 - покровное оледенение Антарктиды
0,004 - покровное оледенение Арктики
0,0025 - Homo habilies - человек умелый
90 тыс . лет - Homo sapiens - человек разумный
Вместе с тем уровень нашего незнания о планете Земля все еще очень велик. И по мере прогресса в наших знаниях о ней, количество вопросов , остающихся нерешенными, не уменьшается. Мы стали понимать, что на процессы, происходящие на Земле , оказывают влияние и Луна, и Солнце, и другие планеты , все связано воедино , и даже жизнь, возникновение которой составляет одну из кардинальных научных проблем , возможно, занесена к нам из космического пространства . Геологи пока бессильны предсказывать землетрясения, хотя , предугадать извержения вулканов сейчас уже можно с большой долей вероятности. Множество геологических процессов еще плохо поддаются объяснению и тем более прогнозированию . Однако, наука не стоит на месте и в заключение я бы хотел предложить читателю познакомиться с некоторыми новыми идеями, которые помогут Вам лучше понять действие геологических процессов и составить представление о нетрадиционных подходах к их решению .
Концепция нелинейности в геологии.
Из предыдущих глав учебника ясно , сколь разнообразны геологические объекты и процессы на поверхности и в глубинах Земли , и сколь непохожей может быть работа геологов . Тем не менее в этой работе много общего. Ее обычно начинают описаниями в точках наблюдения – у обнажений горных пород , в скважинах . Эти отрывочные данные затем сопоставляют и распространяют по площади на разрезах и картах . Последние вместе – уже не точечные, а обобщенные изображения геологического строения некоторого объема земной коры. Разновозрастные слои горных пород , сохраняющиеся обычно в прерывном напластовании, позволяют восстановить вначале тоже лишь отдельные отрезки геологической истории. Поиск точек с недостающими частями разреза и их сопоставление приводят к более полной картине не только строения крупного объема, но и его развития в длительном временном интервале. Подобное заполнение всегда имеющихся пробелов геологической изученности должно сводиться по существу к решению множества прогнозных задач.
С понятием «прогнозирование» обычно связывают поиски месторождений полезных ископаемых, предсказания землетрясений и других опасных событий , т.е . специфические исследования , которыми занят далеко не всякий . В действительности же прогнозирование пронизывает каждодневную практическую работу любого геолога.
Обдумывает ли он предстоящий маршрут , выбирает ли место заложения скважины, прослеживает ли распространение плохо обнаженных пластов, проводит ли их границы на карте или разрезе, восстанавливает ли геологическую историю или прогнозирует развитие в будущем – во всех этих случаях по имеющимся частным , локальным данным стремятся сделать общие заключения о возможном местонахождении , строении , залегании геологического объекта, о развитии процесса на территориях и на временных интервалах , для которых данные отсутствуют.
Нередко к прогнозу идут и противоположным путем : например, исходя из общих , физических законов, пытаются представить, какими теоретически должны быть условия возникновения землетрясений, а затем выясняют, где конкретно выполняются такие условия.
Первый и второй пути прогнозирования родственны математическим процедурам экстраполирования и интерполирования , хорошо знакомым каждому , кто по отдельным точкам строил обобщенные изображения , например, топографические профили или карты . Суть подобных процедур в том , что, если для некоторой точки пространства или некоторого момента времени задано значение , или начальное условие , интересующей нас функции, т.е . зависимой переменной величины ( например, глубины залегания, падения пласта , объема блока породы, амплитуды смещения, и т.п.), а также предполагается по отдельным точкам определенный характер ее зависимости в некотором интервале значений аргумента , то можно реконструировать и предсказать ее непрерывные значения между точками или за пределами такого интервала.
Прогнозирование и линейность. Подобное прогнозирование ( реконструирование) было бы особенно простым в случаях линейных , пропорциональных зависимостей с однозначным соответствием каждого значения исследуемой величины определенному значению аргумента, или управляющего фактора – расстояния , давления , температуры , длительности и др. Оно было бы еще и абсолютно надежным, если бы начальные условия задавались с абсолютной точностью , а график, или траектория, изменения были бы строго линейны . Это позволяло бы легко и безошибочно предсказывать и реконструировать на бесконечно большие расстояния и длительности как в будущее, так и в прошлое .
Указанные требования , однако , в геологической, как и вообще в физической, реальности – невыполнимы, т.к. начальные условия всегда оцениваются с некоторой погрешностью, а поведение любой величины всегда больше или меньше отклоняется от линейного. Это не обязательно препятствует прогнозированию , хотя и затрудняет его.
Если наблюдаемые отклонения от истинных значений , от линейной траектории достаточно многочисленны , но при этом случайны и в большинстве относительно невелики , то линейной оказывается не последовательность наблюденных значений , а некоторая средняя траектория , которая и прогнозируется статистически в подобных случаях достаточно надежно . При соблюдении указанных требований незначительные различия начальных условий вызывают пропорциональные им, также небольшие расхождения соответствующих траекторий . Средняя же, к которой тяготеет большинство опытных траекторий , является вполне представительной характеристикой: представление об изменении в целом сводимо ( с некоторой допустимой ошибкой ) к средней.
Существенно и то , что линейные зависимости предельно упрощают учет совместного влияния двух или большего числа независимых факторов : влияния каждого из них просто суммируются . Аналогично этому : результат линейного изменения за некоторый промежуток времени есть сумма результатов за составляющие его временные отрезки, т.е . выполняется принцип суперпозиции , или суммативности . Охарактеризованные выше изменения математически описываются линейными алгебраическими уравнениями , куда неизвестная, исследуемая величина входит в первой степени. Более сложный пример линейности – распространение начального волнообразного возмущения, его переноса как целого – с постоянной скоростью и сохранением формы .
В ходе подобного перемещения также действуют общие принципы линейного процесса : однозначного соответствия , пропорциональности изменения, суперпозиции и сводимости к средним . Подобные процессы описываются линейными дифференциальными уравнениями , куда исследуемая функция и производные от нее входят в первой степени (но не входит их произведение ), а постоянная скорость перемещения – параметр . Естественно, что статистическое прогнозирование, оценки средних значений будут тем точнее , чем больше сведений уже имеется о поведении искомой величины. С этим связана стойкая убежденность геологов в необходимости накопления возможно большего и разнообразного фактического материала , максимально полно и всесторонне характеризующего строение и историю изучаемых районов. Одновременно стремятся совершенствовать методы наблюдения, регистрации, обработки и интерпретации опытных данных.
Однако, для надежного реконструирования и прогнозирования необходима еще и уверенность в том , что характер изменения исследуемой величины, отмеченный в наблюдениях , имел место также в более далеком прошлом и сохранится в последующем. Между тем , непосредственно из имеющихся опытных данных такая уверенность вытекать не может . Ее дает знание механизма изучаемого процесса , объясняющее не только как, но и почему исследуемая величина менялась именно таким , а не каким - либо иным образом.
Отсюда уже можно обоснованно выводить характер прошедших и будущих изменениий. Наличие обширного , полного и подробного фактического материала, использование эффективных методик, знание механизма изменения – все это традиционно считается геологами необходимой основой надежного прогнозирования, а само оно – непременным атрибутом геологии как науки. Достигнутые практические результаты в прогнозировании месторождений полезных ископаемых, многих геологических процессов и явлений , далеко еще не удовлетворяющие потребности общества, тем не менее, породили глубокую убежденность в том , что поскольку нет предела расширению и углублению опытного познания геологической действительности , то нет и предела увеличению долгосрочности , точности прогнозирования: вопрос лишь в том , какого уровня достигла изученность к данному моменту .
Нелинейность: проблемы и парадоксы . Но в последние два-три десятилетия такая убежденность была серьезно поколеблена. Ученые и практики все чаще сталкиваются с тем , что, несмотря на продолжающееся накопление наблюдательных и экспериментальных данных и совершенствование методик исследования , надежность прогнозирования, достигнув некоторого, не очень высокого , уровня , дальше не растет .
Раньше всего это было отмечено в метеорологии , физике, некоторых других науках , а в последние годы – и в разных разделах геологии . Так, в одной из самых актуальных для человека областей прогнозирования – предсказания сейсмического режима и отдельных землетрясений, – после выявления крупных зон повышенной сейсмоопасности и удачных
прогнозов нескольких сейсмических событий , добиться большей детальности и надежности прогноза не удается, хотя и накоплен колоссальный материал о распределении проявлений сейсмичности во времени и пространстве в сопоставлении с самыми разнообразными предвестниками и особенностями геолого- геофизического строения . С аналогичными загадками сталкиваются сегодня исследователи и во многих других областях знания как у нас, так и за рубежом .
Это побудило мировое научное сообщество предпринять широкий и интенсивный мозговой штурм столь интригующей проблемы, едва ли не ставящей пределы принципиальной познаваемости мира и безграничному, как привыкли думать , всемогуществу науки. Результатом было появление, а к настоящему времени – и оформление в основных чертах , обширной и принципиально новой междисциплинарной области знания , именуемой нелинейной динамикой ( у нас), или просто нелинейной наукой ( на западе ). Разделом ее становится сейчас нелинейная геология, в свою очередь, включающая нелинейную геофизику , нелинейную геодинамику , нелинейную геотектонику , нелинейную металлогению и т. д . В этом отношении геология идет вслед за физикой, где уже давно выделились нелинейная оптика , нелинейная акустика , в последние десятилетия активно развивается нелинейная теория упругости.
Важнейшие положения , сформулированные в рамках нелинейно - динамической концепции , носят фундаментальный характер и, по мнению многих авторитетных ученых, существенно меняют наше мировоззрение и картину мира. В частности, утверждается следующее .
Огромное большинство интересующих нас процессов в общем случае не поддается прогнозированию ; надежный прогноз скорее исключение, чем правило. При этом непрогнозируемы не обязательно только сложные процессы, управляемые множеством трудноучитываемых факторов , но и сравнительно простые, контролируемые всего двумя -тремя факторами. К тому же знание механизма процесса не гарантирует прогнозируемости: механизм может быть таков, что порождает хаотическое, несводимое к средним траекториям, поведение, непредсказуемое по своей природе, а не потому, что оно представляется нам таким из - за недостаточной фактической изученности или несовершенства методик изучения .
Эти положения были восприняты большинством ученых как революционные , ибо они идут вразрез со многими , давно устоявшимися принципами. Так, поставлено под сомнение одно из фундаментальнейших утверждений традиционной, линейной науки о том , что случайность, хаотичность, непредсказуемость в природе – лишь результат неполноты нашего знания о ней. А это, в свою очередь, неизбежно порождает сомнения в целесообразности накопления полных, всесторонних и детальных опытных данных для прогнозирования природных объектов и процессов.
В основе вышеприведенных положений – открытие в начале 60- х гг . ХХ в. необычного поведения природных систем , эволюция которых нелинейна. В чем состоит эта необычность?
Как известно , алгебраическое нелинейное уравнение ( степени выше единицы ) может иметь более одного решения , в частности, кубическое уравнение общего вида – от одного до трех решений . В зависимости от значений входящих в такое уравнение параметров , геометрическое место его одинарных решений может быть почти линейным, тройных – представлять плоскую S-образную кривую. При определенном изменении значений параметров получается геометрически трехмерная совокупность решений : плоскость, плавно переходящая в S-образно изогнутую поверхность. «Протыкая» ее в последовательности возрастающих значений некоторого одного , меняющегося , или управляющего параметра , при постоянных значениях другого, будем получать вначале одинарные , а после достижения параметром некоторого критического значения – тройные « проколы ». Так – нелинейно – перестраивается , S- образно изгибаясь, например, профиль фронта начально симметричного волнового возмущения, распространяющегося , в отличие от ранее упоминавшегося, линейного примера , с опережающим перемещением вершины волны относительно ее основания. Математически это означает качественную перестройку поведения:
Подобные процессы описывается нелинейными дифференциальными уравнениями , куда входят исследуемая функция и ее производные в наибольшей степени не менее двух , и/ или их произведение , а скорость перемещения – уже не параметр : его роль играет , например, сама функция .
Однако, для физических систем подобная многозначность не может иметь смысла, поскольку она означала бы нахождение одной и той же системы одновременно в трех различных состояниях , а с течением времени – эволюцию сразу по трем траекториям, что невозможно. Реальным системам в подобных ситуациях приходится неизбежно «выбирать» какой- то один путь развития из нескольких , теоретически ( математически) совершенно равноправных. Но как же в таких случаях происходит выбор ? Можно ли его предсказать?
Рассмотрим в качестве примера ситуацию, часто анализируемую при исследованиях тектонического разрывообразования и напряженного состояния земной коры. Пусть достаточно крупный кубический блок равномернозернистой породы, например, мрамора или песчаника, подвергается постепенно возрастающему давлению ( система удаляется от состояния исходного равновесия ) так, что некоторые две противолежащие его стороны нагружаются сильнее, чем остальные. При достижении системой достаточной степени неравновесности , а возникшими в блоке касательными напряжениями – некоторого критического уровня ( предела прочности), должно произойти скалывание .
Оно , согласно положениям механики однородных сплошных сред , должно было бы прогнозироваться по плоскости, отклоняющейся от направления наибольшего сжатия на угол теоретически 45 градусов ( в реальности – несколько меньше). Но, во - первых, такое отклонение должно быть двояким – по обе стороны от оси наибольшего сжатия, и теоретически они для скалывания совершенно равноблагоприятны. Во- вторых, сечений
двух подобных ориентаций в данном блоке – бесконечно много, и они теоретически также абсолютно равнопригодны для скалывания . Строго одновременное скалывание хотя бы по двум из них физически нереально потому, что в случаях взаимопараллельности сечений скалывание по одному из них должно снять напряжения и сделать ненужным скалывание по другому ; в случаях же взаимопересечения скалывание по одному сечению препятствует скалыванию по другому .
Ситуация кажется парадоксальной : скалывание физически осуществимо лишь по некоторому единичному ( в данный момент времени ) сечению из множества имеющихся, но его выбор системой при их абсолютной теоретической равноправности – невозможен. Между тем , в реальности любой , достаточно интенсивно сжимаемый блок все же раскалывается по некоторому сечению . Это возвращает нас к вопросам: каким же образом такое единственное сечение « избирается » системой и можно ли предсказать выбор ? Ответ неоднозначен . Прогноз возможен, если система испытывает некоторое воздействие, достаточно заметно ( для наблюдателя) подталкивающее ее к определенному выбору. Это может быть, например, анизотропия свойств породного массива ( в реальности всегда , конечно , неоднородного и несплошного ) – неодинаковая прочность на скалывание по разным направлениям и сечениям , или анизотропия нагружения, дающая предпочтение какой- то одной из двух теоретически равновозможных ориентаций плоскостей скалывания .
Если же явно направленного воздействия нет, то неизбежный выбор осуществится под влиянием какой- то одной из множества всегда происходящих в реальной системе флуктуаций ( слабых, случайных и локальных колебаний прочности, напряжений), или какого - то одного из малых случайных возмущений внешнего воздействия, эффект которых зависит от особенностей предшествующего развития , в свою очередь, обусловленных тончайшими нюансами начальных условий. Но любые методические ухищрения с целью отследить подобные микровариации и предсказать выбор на макроуровне привели бы нас в сферу действия законов микромира – квантовую механику, обосновавшую отсутствие такого фундаментального уровня организации материи, где были бы возможны абсолютно точные измерения, и где можно было бы избежать случайных ошибок в оценке начальных условий.
В этих обстоятельствах , при столь жесткой детерминированности начальными условиями выбора системой одного из теоретически равновероятных вариантов места скалывания , а в общем случае – какого - то одного пути развития , прогноз оказывается принципиально невозможным.
Говоря языком математики, некоторый единственно возможный , и потому устойчивый, путь эволюции или траектория , системы до скалывания сменяется в момент его реализации двумя ( соответствующими двоякой теоретической ориентации сколов относительно оси наибольшего сжатия) траекториями – в случае изотропии равновероятными , устойчивыми , в случае же анизотропии – более вероятной, устойчивой и менее вероятной, неустойчивой . Последняя соответствует теоретически возможному скалыванию по несколько более прочному сечению из двух , равноблагоприятно ориентированных . Но малейшая флуктуация свойств системы или внешнего нагружения может перевести процесс скалывания на менее прочное сечение, т.е . на устойчивую траекторию. Момент смены числа и устойчивости траекторий эволюции системы , т.е . качественной перестройки ее поведения, называют точкой бифуркации .
Очевидно, что при бифуркационном характере эволюции и равновероятности послебифуркационных ее ветвей ( например, двух ориентаций , или точнее , с учетом флуктуций , двух наборов близких ориентаций скалывания ), имеют смысл статистические оценки ( средние траектории ) каждого отдельной ветви, но не их совокупности , ибо никакой физически реализуемой «средней ветви» развития (скалывания «промежуточной » ориентации ) – нет. Эволюция системы в целом оказывается несводимой к средним характеристикам, хотя чисто формальному вычислению последних, конечно , ничто не препятствует .
Нелинейность, неравновесность , хаотичность , и… все- таки прогноз? Из вышесказанного ясно , что предсказуемость выбора пути в точках бифуркации мыслима лишь в физически нереализуемых ситуациях: при бесконечно точном задании начальных условий. Непредсказуемость же общего хода эволюции чрезвычайно усугубляется еще и тем , что природные , в частности, геодинамические, системы в общем случае глубоко иерархизированы: любая из них включает совокупности объектов (подсистемы) нескольких или даже многих масштабных уровней, или рангов . Так, напряженный крупный породный массив включает меньшие , нагруженные по- другому , и, в свою очередь, состоящие из еще более мелких блоков с собственными особенностями распределения напряжений, и т.д . И каждая из подсистем в ходе эволюции проходит не одну, а множество точек бифуркации с непредсказуемым всякий раз выбором пути дальнейшего развития , предопределяемым тончайшими, недоступными для регистрации и оценки различиями начальных условий.
Так, ни один макроскопический скол ( тектонический, в том числе, сейсмогенный, сдвиг, взброс , сброс) не возникает сразу, одноактно, а всегда лишь после накопления в породном массиве достаточно большого количества разрывов подчиненного ранга, их последующего разрастания и взаимосочленения – вплоть до образования завершающего магистрального разрыва. Этому , в свою очередь, предшествует аналогичная эволюция разрывообразования и растрескивания на еще более мелких масштабных уровнях, начиная от возникновения первичных микротрещин . И каждый из единичных актов подобного процесса предварялся каскадом бифуркаций с непредсказуемым выбором местоположения и ориентации предстоящей дислокации. К тому же в окрестностях любого разрыва любого ранга при его возникновении существенно непредсказуемо перестраиваются структурно - динамические условия, в которых будет преодолеваться следующая по времени точка бифуркации.
Понятно, что в подобных обстоятельствах , независимо от того , сколь детально и полно проводятся исследования , эволюция в целом неизбежно будет восприниматься как хаотическая, ибо перестают работать фундаментальные принципы эволюции « простых », линейных систем : однозначности, устойчивости , суперпозиции , сводимости к средним траекториям, пропорциональности вариаций результата изменениям начальных условий.
Даже при сколь угодно близких ( но не тождественных ) начальных условиях поведение нелинейной системы может оказываться очень различным , ибо ее возможные траектории , исходящие из таких начальных точек, со временем « разбегаются» весьма быстро – экспоненциально, а не пропорционально , как у линейных систем . В вышеприводившихся примерах предсказать конечный результат – место, ориентацию, размеры , время возникновения итогового разрыва можно было бы не иначе, как обладая бесконечно точной оценкой начальных условий – структуры , разупрочненности , напряженного состояния – на каждом ранге системы .
В последние годы осознание огромной роли нелинейности геодинамических систем , таких фундаментальных особенностей их поведения, как чрезвычайная чувствительность к начальным условиям, хаотичность эволюции, принципиальная в общем случае непрогнозируемость , все глубже проникает в геологию. С этих позиций разными исследователями проанализировано множество разнотипных и разномасштабных явлений , изучаемых в сейсмологии , геодинамике , геохимии, петрологии , гидрогеологии и многих других разделах геологической науки, предложены соответствующие модели механизмов их возникновения и эволюции. Достаточно упомянуть хотя бы концепцию высоконадкритичной, существенно хаотической, «турбулентной » динамики мантийного материала, приходящую на смену прежним , еще недавно новаторским, а ныне уже традиционным моделям слабонадкритичной , упорядоченной мантийной конвекции .
Несомненно, что эта тенденция – нелинейного взгляда на мир – в ближайшие годы будет крепнуть , проявляясь в исследованиях все новых геологических объектов и процессов, приводя к неожиданным результатам как фундаментального, так и прикладного характера. В связи с этим может возникать вопрос : поскольку « все геологические системы нелинейны », не являются ли любые попытки прогнозирования их хаотического поведения заведомо бесперспективными ? Подобную постановку вопроса следует признать некорректной , а предположение о фатальной бесперспективности геологического прогнозирования – неоправданным . И вот почему. Во- первых, нелинейность геодинамических систем – необходимое , но не достаточное условие хаотического поведения. В условиях небольшой удаленности системы от состояния равновесия , т.е . в диапазоне докритических значений управляющего параметра, далеких от точки бифуркации, его влияние описывается зависимостями близкими к линейным. Подобная эволюция в принципе статистически предсказуема .
Во- вторых, смысл « хаотичности» как разупорядоченности , непредсказуемости далеко не однозначен . Хаотичным называют, например, тепловое случайное движение молекул в покоящейся жидкости (« стохастический хаос »), но макроскопические характеристики достаточно большого объема последней могут быть стабильными и вполне предсказуемыми. Хаотичной называют и турбулентную структуру движущейся жидкости. Но в ней, наряду с беспорядочным тепловым движением отдельных молекул, выделяются отдельные струи и их пучки , в которых взаимосогласованно перемещаются миллиарды молекул. Это, а также то , что струи и пучки , с одной стороны , состоят из аналогичных образований нескольких меньших масштабов , а с другой – причудливо изгибаются , разветвляются, перемещаются, свидетельствует о том , что хаотичность турбулентного потока сложно сочетает не только разупорядоченность , но и элементы порядка. Признаки своеобразной турбулизации отмечались многими исследователями, например, в характере эволюции растрескивания нагруженных породных массивов .
В подобной существенно хаотической эволюции специфическая упорядоченность выражается еще и в том , что все бесконечное разнообразие состояний системы – не безгранично. При достаточной длительности ее функционирования они стремятся занять некоторый ограниченный , «притягивающий » из широкой области начальных условий, объем математического фазового пространства состояний. Множества точек последовательных состояний, фазовые траектории, распределены в таком объеме, или аттракторе, не равномерно и сплошь, а как бы дырчато или решетчато, фрактально, в общем образуя определенную структуру с не целой, а дробной размерностью. Вместе с тем , перемещаясь в таком объеме по весьма запутанной траектории, строго детерминированной начальными условиями и чрезвычайно чувствительной к малейшим их изменениям (« детерминистский хаос »), система проходит с нерегулярными интервалами одну точку бифуркации за другой . В результате после прохождения уже всего трех - четырех таких точек система оказывается в состоянии, совершенно непредсказуемом из начальных условий.
Наконец, в- третьих, ни один природный процесс «сам по себе » не является , конечно , ни линейным, ни нелинейным. Таким или иным он предстает в нашем описании, представляющем всегда некоторое, выбранное нами приближение , и полученном с помощью тех или иных, выбранных нами методов. В зависимости от того или иного выбора ( что, в свою очередь, предопределяется характером решаемой задачи ), один и тот же процесс всегда может быть представлен и как нелинейный, и как линейный. В последнем случае он принципиально прогнозируем . Но надежность подобного формально допустимого прогнозирования зависит от того , насколько целесообразным было принятое линейное приближение , насколько приемлемым (не «вообще», а для конкретной решаемой задачи ) является отклонение наблюденной траектории от строгой линейности .
Следовательно, сфера надежной прогнозируемости вполне реальна, что и подтверждается практикой. Но она ограничена в пространстве и времени интервалами, где ход процесса с приемлемой погрешностью может считаться линейным. Нелинейные процессы теоретически прогнозируемы на добифуркационной ветви эволюции, длительность которой во многих случаях приблизительно известна . Однако, необходимо еще точно знать, в какой именно ее части ( на каком удалении от предстоящей бифуркации данного ранга) мы приступаем к прогнозированию , а как раз это заранее обычно неизвестно .
Таким образом, нелинейно -динамическая концепция не запрещает прогнозирование эволюции природных систем вообще. Но она, во - первых, чрезвычайно расширяет сферу непредсказуемости нелинейных систем – на всю область их сильной неравновесности, а во - вторых, и это особенно важно , обосновывает принципиальный характер такой непредсказуемости, неустранимой ни пополнением опытных данных, ни совершенствованием методов исследования , ни уточнением представлений о механизмах эволюции.
Не является ли сказанное признанием бессилия науки, ее капитуляции перед фактом принципиальной непознаваемости нелинейной, сильно неравновесной реальности ? Конечно , нет. Напротив, нелинейно - динамическая концепция – новый , гигантский шаг науки в познании того , как устроен и как развивается окружающий нас мир . Иное дело , что получаемые наукой ответы на возникающие у нас вопросы не всегда оказываются именно такими, какие нам хотелось бы иметь. Тем не менее, на любые головоломки , задаваемые природой, ученые рано или поздно находят ответы . Они порой таковы, что заставляют пересматривать отдельные фундаментальные научные положения и их системы – теории , парадигмы , менять стратегию и тактику дальнейших исследований , искать нетрадиционные, «обходные» пути решения фундаментальных и практических задач, нерешаемых привычным путем , « лобовой атакой ». Так, невозможность прогнозирования отдельных траекторий эволюции хаотических систем перенацелила исследователей на важное в практическом отношении изучение и прогнозирование разнотипных режимов хаотичности и сценариев перехода к ним . Отказ от бессмысленного расходования больших средств на « прогнозирование» того , что не может прогнозироваться , например, в области сейсмологии , побуждает развивать сейсмостойкое строительство.
Оглавление
Предисловие
Часть I
Введение
Глава 1.0. Земля в космическом пространстве
1.1. Образование Вселенной
1.2. Солнечная стстема
1.2.1. Солнце и его параметры
1.2.2. Строение солнечной системы
1.2.3. Внутренние планеты
1.2.4. Внешние планеты
1.2.5. Астероиды , кометы и метеориты
1.2.6. Происхождение Солнечной системы
Глава 2.0. Строение и состав Земли .
2.1. Форма Земли
2.2. Внутреннее строение Земли
2.3. Химический и минеральный состав недр Земли
2.4. Магнитное поле Земли
2.5. Тепловое поле Земли
2.6. Вещественный состав земной коры
2.7. Строение земной коры
Глава 3.0. Возраст Земли и геологических событий
3.1. Относительная геохронология
3.2. Геохронологическая и стратиграфическая шкалы
3.3. Изотопные методы определения возраста минералов и горных пород
3.4. Тектоника литосферных плит – современная геологическая теория
Часть II
Процессы внешней динамики
Глава 4.0. Атмосфера и гидросфера
Глава 5.0. Выветривание
5.1. Механическое, химическое и биологическое выветривание
5.2. Процессы гипергенеза и коры выветривания
5.3. Образование почв и их свойства
Глава 6.0. Геологическая деятельность поверхностных текучих вод
6.1. Временные водные потоки
6.2. Геологическая деятельность рек
6.3. Устьевые части рек, дельты и эстуарии
6.4. Развитие речных долин и формирование речных террас
Глава 7.0. Геологическая деятельность подземных вод
7.1. Виды воды в горных породах
7.2. Движение и режим грунтовых вод
7.3. Подземные воды и окружающая среда
Глава 8.0. Карстовые процессы
8.1. Карстовые формы рельефа
Глава 9.0. Гравитационные процессы
Глава 10.0. Геологическая деятельность озер и болот
10.1. Геологическая деятельность озер
10.2. Геологическая деятельность болот
Глава 11.0. Геологическая деятельность ветра
11.1. Дефляция и корразия
11.2. Аккумуляция эолового материала
11.3. Типы пустынь
Глава 12.0. Геологическая деятельность снега, льда и ледников
12.1. Классификация ледников
12.2. Разрушительная ( экзарационная) деятельность ледников
12.3. Транспортная и аккумулятивная деятельность ледников
12.4. Водно - ледниковые отложения
12.5. Оледенения в истории Земли
12.6. Причины возникновения оледенений
Глава 13.0. Геологические процессы в криолитозоне
13.1. Распространение
13.2. Происхождение криолитозоны
13.3. Строение криолитозоны
13.4. Типы подземных льдов
13.5. Подземные воды в криолитозоне
13.6. Криогенные формы рельефа
13.7. Термокарст
13.8. Хозяйственная деятельность в криолитозоне
Глава 14.0. Геологическая деятельность океанов и морей
14.1. Свойства океанской воды
14.2. Движения океанских вод
14.3. Рельеф океанского дна
14.4. Геологическая деятельность волн
14.5. Эвстатические колебания уровня океана
14.6. Осадконакопление о океанах
14.7. Ресурсы дна океанов
Процессы внутренней динамики .
Глава 15.0. Магматизм
15.1. Понятие о магме
15.2. Интрузивный магматизм
15.3. Вулканизм
15.4. Продукты извержения вулканов
15.5. Вулканические постройки
15.6. Типы вулканических извержений
15.7. Геологическая позиция действующих вулканов
Глава 16. Метаморфические процессы
16.1. Фации метаморфизма
16.2. Параметры метаморфизма
16.3. Ударный метаморфизм
Глава 17.0. Тектонические движения и деформации горных пород
17.1. Вертикальные и горизонтальные тектонические движения
17.2. Понятие о деформациях горных пород
17.3. Складчатые нарушения
17.4. Разрывные нарушения
Глава 18.0. Землетрясения
18.1. Механизм возникновения землетрясения и его параметры
18.2. Распространение землетрясений и их геологическая позиция
18.3. Прогноз землетрясений
18.4. Сейсмостойкое строительство и поведение грунтов при землетрясениях
18.5. Цунами
Часть III
Заключительная
Глава 19.0. Главные структуры литосферы
Глава 20.0. Человек и геологическая среда
Глава 21.0. Что мы знаем о Земле
21.1. Достижения в изучении Земли
21.2. Концепция нелинейности в геологии
Предметный указатель