учебники / Короновский Н.В. «‎Общая геология‎» 3-ие издание

Новые сейсмические методы МОВ ОГТ (метод отраженных волн общей глубинной точки), НСП (непрерывное сейсмическое профилирование, ГСЗ (глубинное сейсмическое зондирование) позволили

сбольшей 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, аэро- и космическая фотосъемка, изобретение компьютеров дали 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 гг. ХХ в. была создана новая научная парадигма — теория тектоники литосферных плит, первая глобальная геологическая теория, не только позволившая 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 настолько резкому ухудшению экологической мировой обстановки, 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. Огромных успехов достигла и теоретическая геология, начиная от гипотез образования Земли и планет и кончая историей эволюции Земли и органического мира.

Поэтому хотелось бы перечислить важнейшие рубежи в истории Земли, чтобы у читателя сложилось пусть и первое, но все-таки законченное представление о той эволюции, которую прошла наша планета

смомента своего образования (табл. 13).

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,

494 Часть IV. Земля и человек: достижения, проблемы, перспективы

непохожей может быть работа геологов, которая, тем не менее, имеет 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 обобщенные, объемные изображения геологического строения некоторого массива земной коры. Разновозрастные слои горных пород, сохраняющиеся обычно в прерывном напластовании, позволяют восстановить вначале тоже лишь отдельные отрезки геологической истории. Поиск и сопоставление точек с недостающими частями разреза приводят к более полной картине не только строения, но и развития массива 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. довольно специфические исследования. 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, прогнозирует ли развитие в будущем или восстанавливает геологическую историю (тоже прогноз, но с обратным знаком во времени) — во всех этих случаях по имеющимся частным, локальным данным стремятся сделать общие заключения о возможном местонахождении, строении, залегании геологического объекта, о прошлом и предстоящем развитии процесса на территориях и на временных интервалах, для которых данные отсутствуют.

Нередко к прогнозу идут и противоположным путем: исходя из общих физических законов пытаются представить, какими теоретически должны быть условия возникновения, например, землетрясений, а затем выясняют, где конкретно выполняются такие условия.

Первый и второй пути прогнозирования родственны математическим процедурам интерполирования и экстраполирования, 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 начальное значение, или начальное условие, интересующей нас переменной величины или функции (например, глубины залегания, падения пласта, объема блока породы, амплитуды смещения и т. п.), а также если предполагается по отдельным точкам определенный характер ее зависимости в некотором интервале

значений аргумента, то можно предсказать ее непрерывные значения между точками или за пределами такого интервала.

При этом обычно подразумевают, что при наличии достаточного и достоверного фактического материала, надежных и эффективных методик любой интересующий нас процесс всегда в принципе предсказуем. Но именно подобный взгляд и пересматривают сейчас с позиций концепции нелинейности.

Это должно казаться странным: что же еще способно препятствовать прогнозированию, кроме недостаточности фактических данных или отсутствия подходящих методик? Чтобы разобраться в этом, посмотрим вначале, какими путями (в принципе, без деталей) геологи традиционно идут к прогнозу. Рассмотрим несколько простых моделей прогнозирования залегания и распространения геологических объектов. О прогнозировании процессов скажем позже.

Прогнозирование и линейность. Пусть в первом примере по скважинам и обнажениям в нескольких точках линии геологического разреза зафиксирована глубина залегания какого-то пласта (рис. 21.1). Поскольку диаметры скважин и размеры обнажений колеблются от нескольких сантиметров до нескольких метров, а расстояния между точками могут составлять километры и десятки километров, возникает задача прогнозирования положения границы пласта как между точками (в этом случае говорят об интерполировании опытных данных), так и за пределами данного отрезка профиля (это экстраполирование).

Как получить такой прогноз? Требуется ли, например, дополнительное разбуривание? Даже беглый взгляд на такой предельно упрощенный рисунок подскажет, что без этого вполне можно обойтись: прогноз строится уверенно и без труда. Почему?

Ответ прост: глубина залегания пласта здесь — явная функция расстояния от некоторой начальной точки, причем функция линейная. А она обладает несколькими очень удобными для прогнозирования свойствами:

1)прямой пропорциональной зависимостью значений функции от значений аргумента, здесь — глубин от расстояния;

2)однозначностью — тому или иному расстоянию отвечает одно, и только одно, значение глубины;

3)суммативностью — глубина залегания на некотором расстоянии от начальной точки есть простая сумма приращений глубин на промежуточных отрезках плюс начальная глубина (свойство суперпозиции).

Следует отметить, что было бы очень просто прогнозировать всегда именно в таких условиях. Но подобное прогнозирование было бы еще и абсолютно надежным, если бы: а) определения в скважинах нужной геологической границы, замеры глубин и расстояний были абсолютно точны;

496 Часть IV. Земля и человек: достижения, проблемы, перспективы

Рис. 21.1. Геометрическая линейность и нелинейность. Зависимость глубины залегания геологической границы от расстояния до некоторой начальной точки:

А — строго линейная, Б — статистически линейная, В — нелинейная

б) получаемая из этих замеров функциональная зависимость оказывалась строго линейной. Это позволяло бы легко и безошибочно прогнозировать глубину залегания при любых расстояниях между точками и на любые удаления в стороны от них.

Однако в реальных наблюдениях и измерениях всегда есть погрешности, а строгой линейности в природе нет. Пример — на рис. 21.1Б, где замеренные глубины варьируют, не выстраиваясь в прямую линию. Как получить прогноз в этом случае?

Нетрудно заметить, что здесь от расстояния зависит — причем тоже линейно, пропорционально, однозначно — уже не каждая замеренная глубина, как раньше, а некоторое среднее положение границы, которое

легко получить из имеющихся замеров статистически. Ориентируясь на него, можно предсказывать положение реальной границы, зная заранее, что в конкретных точках возможна ошибка прогноза, но она — при определенном условии — будет в большинстве случаев несущественна.

Условие это следующее: из имеющихся данных по изучаемому району должно быть ясно, что реальные глубины залегания могут отклоняться вверх и вниз от среднего положения достаточно часто, случайным образом и в большинстве ненамного — с погрешностью, допустимой для конкретной решаемой задачи. Тогда прогноз будет не абсолютно точным, но статистически приемлемым. Подобное линейное приближение применяется очень широко, существенно упрощая расчет прогнозных оценок.

Сводимость конкретных, опытных замеров к статистической средней — сводимость в том смысле, что такая средняя может быть не просто формально вычислена, но и использована для прогноза без риска множества больших ошибок.

Нелинейность: проблемы и парадоксы. Нередко полагают, что именно статистически прогнозируемые линейные зависимости наиболее часты в природе. Однако это далеко не так. Пример — на рис. 21.1В, где условия прогнозирования совсем иные: здесь глубина залегания не пропорциональна расстоянию, нет и однозначности — некоторым расстояниям отвечают больше, чем одно значение глубины. Среднее положение границы, как и раньше, формально вычислимо, но прогноз по нему теперь может приводить к большим ошибкам. На данном рисунке можно найти пункты, где малейшие отклонения («слабые шевеления») влево или вправо резко меняют картину разреза: в некоторой заложенной здесь скважине пласт был бы пройден на какой-то одной глубине, а в соседней — на двух или трех разных глубинах. В подобном, очевидно, нелинейном случае мыслим не один, как раньше, а множество вариантов рисовки разреза: границу пласта между скважинами по имеющимся замерам можно проводить очень по-разному.

Исследуемый пласт мог быть деформирован в складки или нарушен тектоническими разрывами так, что в некоторых местах одна и та же скважина могла проходить его несколько раз; в ходе формирования пласт мог «расщепляться» на более тонкие слои или примыкать к другим пластам, сходным с ним. Вариант на рисунке — лишь один из множества возможных, удовлетворяющих заданным условиям; необходим же только какой-то один, отвечающий реальности.

Как тут следует действовать? В подобных ситуациях геологи традиционно идут тремя путями. Первый из них — досбор фактических данных, например дополнительное разбуривание в неясных местах, чтобы решить, как залегает пласт между скважинами.

498 Часть IV. Земля и человек: достижения, проблемы, перспективы

Второй путь — привлечение более эффективных методов исследований, например геофизических — с выявлением тонких особенностей состава и внутренней структуры пласта. Сравнивая их от скважины к скважине, выбирают наиболее реалистичный вариант рисовки разреза.

Третий путь — привлечение всегда имеющихся более или менее обоснованных теоретических представлений о механизме процесса, формировавшего данный геологический объект, например о том, какими должны быть изменения строения, состава, мощности, возраста пласта в разных частях палеобассейна, где когда-то накапливался материал, слагающий пласт; какими должны быть изменения внутреннего строения пласта, если тот подвергался складчатости, и т. п. Сравнивая реальные изменения в разрезах с теоретически предполагаемыми, также приходят к наиболее реалистичному изображению разреза.

Итак, имеем три компонента:

а) обширный, качественный фактический материал; б) надежные, эффективные методики;

в) знание механизма процесса традиционно рассматривают в качестве необходимого и достаточного условия прогнозирования, как линейного, так и нелинейного. При этом сложилась глубокая убежденность в том, что поскольку нет предела расширению и углублению геологической изученности, то нет предела и увеличению долгосрочности и точности прогнозирования: вопрос лишь в том, какого уровня достигла изученность к данному моменту.

Но, как уже говорилось, именно подобную, казалось бы, вполне естественную точку зрения в последнее время радикально пересматривают с позиций нелинейной динамики. Этот пересмотр касается не только и даже не столько прогнозирования геометрического, пространственного, как в приведенных примерах, сколько динамического, т. е. предсказания развития геологических процессов во времени. Примеры этого тоже будут приведены.

Однако для более осмысленного их восприятия сразу изложим важнейшие положения нелинейно-динамической концепции, прямо относящиеся к проблеме прогнозирования и резко контрастирующие с привычными представлениями.

1.Oгромное большинство интересующих нас процессов в общем случае не поддается прогнозированию; надежный прогноз скорее исключение, чем правило.

2.Hепрогнозируемы не обязательно только сложные процессы, зависящие от множества трудно учитываемых факторов, но и сравнительно простые, контролируемые всего двумя-тремя факторами.

3.Hи достоверная фактура, ни надежные методики, ни знание механизма процесса не гарантируют прогнозируемости: механизм часто оказывается таким, что порождает хаотическое, несводимое к средним траекториям поведение, непредсказуемое по своей природе, а не потому, что оно представляется нам таким из-за недо-

статочной фактической изученности или несовершенства методик изучения.

Эти выводы носят фундаментальный характер и, по мнению многих авторитетных ученых, существенно меняют наше мировоззрение и картину мира. Впервые сформулированные еще в 60-х гг. ХХ в., они стали тогда настоящей научной сенсацией, поскольку шли вразрез со многими давно устоявшимися принципами. Так, под сомнением оказалась давняя и всеобщая убежденность, что любая хаотичность, непредсказуемость — лишь следствие недостаточной изученности, что при более полном и детальном изучении хаотичная картина должна будет смениться закономерной и надежный прогноз станет возможным.

Если же и вправду существуют, да еще в большинстве, принципиально непредсказуемые процессы, то, во-первых, почему это так, вовторых, зачем тогда собирать факты и совершенствовать методики, как вообще действовать в этих обстоятельствах? А главное — отвечает ли все это реальности? Ведь если бы ничего нельзя было прогнозировать, как мы могли бы существовать в этом мире? Подобные вопросы возникали все чаще и требовали ответа.

Это побудило мировое научное сообщество предпринять широкий и интенсивный мозговой штурм в отношении 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, активно развивается нелинейная теория упругости.

Между тем в последние два-три десятилетия ученые и практики, и не только геологи, все чаще сталкиваются с тем, что, несмотря на продолжающееся накопление экспериментальных и наблюдательных данных и совершенствование методик, надежность прогнозирования, достигнув некоторого, не очень высокого, уровня, дальше не растет, хотя

500 Часть IV. Земля и человек: достижения, проблемы, перспективы

факты продолжают накапливаться, а методики совершенствуются. Раньше всего это было отмечено в метеорологии, в разных разделах физики, в последние годы с этим впрямую сталкиваются сейсмологи.

Как известно, в прогнозировании сейсмичности достигнуты заметные результаты. Выделены глобальные сейсмические пояса по границам литосферных плит (см. рис. 18.7). Внутри поясов установлены крупные области повышенной сейсмичности, связанные с теми или иными тектоническими структурами (см. рис. 18.8, 18.10, 18.11). В пределах областей более или менее уверенно намечены сейсмоопасные зоны вдоль крупных активных разломов (см. рис. 18.6, 18.9).

И все же добиться такой детальности и надежности прогноза, которые нужны для строительства, планирования, безопасности населения, не удается. Правда, после появления каждой очередной карты сейсморайонирования случаются сейсмические события, действительно попадающие в те контуры, которые для них намечены на карте. Однако рано или поздно все же происходят землетрясения, притом разрушительные, за пределами таких площадей, там, где, казалось бы, ожидать их не было оснований.

Предсказывать отдельные землетрясения пытаются по предвестникам — явлениям, которые по теории и по опыту наблюдений должны бы предварять сейсмические события. Это изменения наклонов земной поверхности, притоков и химического состава подземных вод, даже поведение животных. Известны единичные случаи очень удачных предсказаний, после которых всякий раз оживали надежды на возможность прогноза. Но попытки повторно прогнозировать по правилам, приводившим ранее к успеху, оканчивались неудачами. При достаточной длительности наблюдений непременно появлялись и множились ошибки двух типов: фиксировался предвестник, но землетрясение не происходило (ошибка типа «ложная тревога»), или землетрясение происходило, но не фигурировало в прогнозе (ошибка типа «пропуск цели»), т. к. не было ясных предвестников. Неустойчивыми, ненадежными прогнозы сейсмических, да и многих других геокатастроф, остаются и в наши дни. И такое, повторим, отмечается не только в геологии.

Естественно, это не могло не привлечь внимания ученых. Становилось все яснее, что дело не в количестве или качестве фактических данных и не в методиках. По-видимому, в чем-то неправильно понималась суть проблемы. К принципиальному объяснению — как раз в рамках нелинейно-динамической концепции — привело осознание в начале 60-х гг. ХХ в. необычного поведения систем с нелинейной эволюцией. Чтобы понять, в чем состоит эта необычность, следует взглянуть на такую эволюцию с двух точек зрения — математической и физической.