Общая Геология 2
.pdfимеющихся 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 (рис. 21.1)
Рис.21.1. Решение линейного уравнения переноса du/dt + a du/dx = 0; u(x, t) - амплитуда возмущения, пришедшего в момент времени t в точку пространства x: а - начальное волнообразное возмущение (t = 0); б – его перемещение с постоянной скоростью a и сохранением профиля вдоль оси x (по С.П.Курдюмову, Г.Г.Малинецкому)
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
иразнообразного 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
ипочему 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
иявлений, 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 двумятремя 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 (рис. 2): 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 (рис. 21.3). Математически это означает качественную перестройку поведения:
Рис.21.2. Трехмерная картина, иллюстрирующая переход через точку бифуркации: из области одинарных к области тройных решений уравнения
− x3 + λx + µ = 0.
Рис. 21.3. Решение нелинейного уравнения переноса du/dt + u du/dx = 0, с опережающим перемещением вершины и искривлением профиля фронта начально симметричного волнообразного возмущения (по С.П.Курдюмову, Г.Г.Малинецкому)
система меняет – с одного до трех – число решений, существующих одновременно.
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.
Всвязи 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.
Вподобной 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