Геодинамика Земли

Геодинамика как наука о динамике Земли особенно тесно связана с физикой, поэтому развитие физических парадигм должно оказывать сильное влияние на развитие геодинамнческих представлений. Указанная. параллель позволяет эффективно проследить их эволюцию, которую можно разбить на этапы с характерными для них системами формальных моделей.

Первый этап можно назвать классической геодинамикой. Он связан с моделированием процессов в недрах Земли, которое максимально использует классические представления механики сплошной среды применительно к реологии различных геологических сред, прием в основном на основе лннеаризованных моделей. Акцент при этом подходе делается, на вещественный состав геологических сред и динамику энергомассопереноса с взаимодействием, осуществляемым потенциальными физическими полями различного пространственно-временного масштаба. Динамические уравнения выводятся из вариационных принципов — математической формализации представлений об устойчивом равновесии динамических систем. Сочетание линейности моделей и устойчивости процессов дозволяет делать только аснмптотические выводы о динамических свойствах геологических систем, которые соответствуют пределам непрерывных процессов, а сами процессы предполагаются "свободными", без учета взаимодействия.

На втором этапе, называемом волновой геодинамикой, изучают колебания систем вокруг положения устойчивого равновесия. Самостоятельный статус приобретают волновые физические поля, излучаемые геодинамическими элементами различных масштабов. Они обладают собственной динамикой и взаимодействуют с "классическими" процессами. В эту же систему представлений входит анализ колебательных процессов массопереноса и кинематического влияния вращения Земли на ход геологических процессов. К этому этапу можно отнести многочисленные работы по изучению волновых тектонических движений, цикличности геологических процессов, собственных колебаний Земли в классических моделях, инерциальные эффекты, связанные с вращением Земли и т.д.

Третий этап развития представлений в геодинамике и физике Земли - это нелинейная геодинамика. В ее основе лежит изучение нелинейных взаимодействий между физическими полями и различными процессами внутри Земли, играющими существенную роль в функционировании геосистем. При построении физических моделей этого этапа учитываются эффекты дисперсии энергии, нелинейных потенциальных взаимодействий, резонансных явлений в волновых полях. Один из характерных результатов направления — выделение солитонных эффектов, которые отражают первый уровень самоорганизации в системе физических полей и геологических процессов. В гл. 1 рассмотрено несколько примеров нелинейного поведения геологических сред различного масштаба. В частности, дается вопрос о характерных образах нелинейных геодинамических процессов, знание которых необходимо для исследования геодинамики на основе фактических материалов. Логическим завершением данного этапа является использование в геодинамических построениях концепции неравновесной устойчивости И, Пригожина — обобщенного понятия динамической устойчивости совокупности процессов. Согласно этой концепции, динамическая система с нелинейными взаимодействиями асимптотически приходит к устойчивому состоянию, называемому дисснпативной структурой, Ее образование соответствует переходу системы в состояние устойчивого равновесия, т.е. равновесие становится следствием рождения структуры! Диссипативные структуры — связующее звено третьего этапа с четвертым этапом развития геодинамических представлений, который можно назвать квантовой геодинамикой, Он связан с внедрением в систему наук о Земле понятия "равновесная неустойчивость материи" (суть его подробно излагается в гл, 1 и 3), Процесс рождения структуры можно рассматривать как последовательность равновесных состояний, названных авторами ступенями системного движения материи, восходящую к инициальному состоянию, в котором равновесие предельно неустойчиво и рождение структуры — следствие потери равновесия. В гл, 2 и 3 показано, что основное физическое поле, в состояниях неустойчивого равновесия, определяющее динамику процессов в критическом состоянии, — поле инерции. Его динамическими уравнениями являются макроквантовые уравнения следствия вакуумных уравнений Г.И. Шипом. В гл. 3 сделано заключение, что динамика вещества Земли, находящегося на больших глубинах в критическом состоянии, имеет макроквантовый характер, что и оправдывает название этого этапа — "квантовая" геодинамика. Оно уже встречалось ранее в работах некоторых авторов, в которых использовались физические принципы, отличающиеся от приведенных в данной работе. В связи с этим мы не рассматриваем развиваемое нами направление геодинамики как

продолжение этой традиции. В настоящей работе проанализирован этот этап развития геодинамических представлений с максимально возможного числа точек зрения: системной, физической, геофизической, геологической, гидрогеологической, физико-химической и астрофизической. Авторы надеются, что им удалось достаточно обосновать необходимость развития данного типа, связанного с новым для науки классом явлений, обнаруженных в последние годы в самых различных природных процессах и имеющих макроквантовый характер.

Следует сказать несколько слов о новых путях развития квантовой геодинамики, которые наметились в последнее время. Получила развитие новая математическая теория рождения структур при катастрофах. В современной математической теории катастроф сами эти акты являются элементарными и классифицируются с помощью бифуркационной диаграммы. В разрабатываемой в настоящее время структурной теории катастроф они разворачиваются в процессы образования структуры. Катастрофа - не только разрушение, но и рождение структуры! Кроме того, данная теория позволяет конкретизировать само понятие структуры, предлагая формальный аппарат для ее описания, который связан с топологическим внутренним строением бифуркационных диаграмм. В настоящее время найдены пути применения этого подхода в лагранжезом формализме механики и теории поля, что позволяет эффективно исследовать формирования физических структур. Формализация процессов структурообразования может быть получена, на основании другого подхода — создания математической теории процессов самоорганизации. Развивается новое направление, связанное с моделированием динамики рождения структур в состояниям равновесной неустойчивости и с созданием нового класса алгоритмов самоорганизации. Описание алгоритмов дается на самом высоком уровне математической абстракции — теории категорий и теории эскизов. Это, с одной стороиы, - обеспечивает универсальность приложений, разрабатываемых алгоритмов самоорганизации к любому классу природных явлений, а с другой — позволяет моделировать на ЭВМ виртуальные, или "квантовые" состояния систем. Данный подход, в частности, дает возможность построить формально математическое описание уровней системного движения материи (гл. 1). В результате этого они оказываются как уровнями проявления вакуума так и ступенями развития процессов самоорганизации, соответственно различным степеням равновесной неустойчивости материи.

Можно сказать, что нелинейная геодинамика связана с моделированием процессов и поиском отдельных эффектов, а. квантовая геодинамика изучает состояния равновесия геологических сред, соответствующие макроквантовым состояниям больших скоплений вещества. Этот подход позволяет эффективно интегрировать сложные совокупности нелинейных процессов в целостные системы, поэтому его развитие, несмотря иа сложность физических основ, должно дать хорошие результаты при изучении природных систем.

Однако процесс развития геодинамических представлений не исчерпывается перечисленными выше этапами. Возникает проблема описание механизмов взаимодействия между равновесно неустойчивыми (макроквантовыми) состояниями геологических сред. В современной квантовой теории существует понятие "спин элементарных частиц" — сложная математическая абстракция элементарного процесса вращения. Наличие между,-- частицами спин-спиновых взаимодействий, обладающих свойствами дальнодействия, свидетельствует о существовании нового, неизвестного paнее типа взаимодействий между процессами вращения, осуществля физическими полями, называемыми в современных работах торсионными или полями кручения. Эти поля частично могут быть описаны с помощью компонент поля инерции, изложенных в гл. 2. Последовательное развитие этих представлений для изучения взаимодействий между макроквантов состояниями с дальнейшими приложениями к геодинамике должно вести к созданию нового раздела науки — торсионной геодинамики, которая даст объяснение многим дальнодействующим эффектам наблюдаемым в земных процессах.

Можно применить методологию системного движения материи к самому процессу развития геодинамических представлений. Так, 7-й ступени CllM соответствует классическая геодинамика, для которой объектная определенность вещества Земли. К 6-й ступени СДМ относится волновая геодинамика, где изучается вопрос связи полей излучения, имеющих волновую природу, и их источников.

Методы нелинейной геодинамики характерны для 5-й ступени СДМ, так как нелинейные связи стирают грань между источником и полем излучения, формируя эффект самодействия. Как говорилось в гл. 1, переход от 5-й к 4-й ступеням СДМ осуществляется через асимптотический переход от нелинейных связей к полю инерции, т.е. через диссипативные структуры к состояниям равновесной неустойчивости материи. Отсюда следует, что квантовая геодинамика относится к 4-й ступени СДМ, согласно совокупности принципов, на которых строятся ее модели. На 3-й ступени СДМ возникают состояния первично возбужденного вакуума, формально описываемые компонентами полей кручения, или торсионными полями. Это дает основание утверждать, что к этой ступени относится торсионная геодинамика, физические основы которой пока еще гипотетичны, но формальный аппарат уже разработан в смежных естественных науках. Наконец 2-й ступени, которой свойственны пространственно-временные структурные связи и пространственно-геометрические структуры, будет соответствовать область "структурной геодинамики", связанной с изучением известного "эффекта формы" в приложениях к геодинамике

Завершая книгу можно сказать, что на современном этапе развития геодинамики происходит переход от нелинейной к квантовой геодинамике и предлагаемая работа - шаг именно в этом направлении.