|
апрель 2007 года
СЕКЦИЯ ГЕОЛОГИИ
содержание
Т.Ю. Тверитинова
Представления о том, что геологической среде внутренне присущи фрактальные и волновые свойства становятся все более очевидными. Многопорядковые знакопеременные структуры литосферы рассматриваются как проявление в ней волновых процессов разного уровня. Самоподобие самых различных геологических объектов доказывает их фрактальный характер.
ВОЛНЫ. Все геологические структуры и процессы являются следствием реализации волновых процессов в пространстве и времени. Наглядным выражением "пространственных" волновых свойств геологической среды является латеральная повторяемость тектонических структур при чередовании положительных и отрицательных форм (складки, земные ундуляции и ундации, зоны сжатия и растяжения), а также чередовании в вертикальном разрезе "жестких" ("сжатых") и "пластичных" ("растянутых") слоев, зон, оболочек. Выражением "временных" волновых свойств геологической среды является повторяемость и периодичность геологических процессов - чередование эпох тектонического покоя и импульсов активных тектонических движений, эпох преимущественного сжатия и растяжения и т.д. Волновая динамика реальной геологической среды представляет собой сложный саморазвивающийся процесс с порождением волн более высоких порядков при дифракции на неоднородностях среды и вместе с тем взаимным усилением или погашением волн при их интерференции. Волновая тектоника отражает свойства непрерывности геологической среды и непрерывности процессов преобразования этой среды. Эта же непрерывность обуславливает сложность выявления волновых структур и волновых процессов. Количественные параметры волновых процессов и структур геологической среды определяются линейными размерами геологических тел и временем их существования, а также их соотношениями.
ФРАКТАЛЫ. Все геологические процессы и структуры являются многопорядковыми и иерархически соподчиненными, реальные свойства которых зависят от масштаба рассмотрения явлений. Это и означает, собственно их фрактальность или дробность. Каждый геологический объект можно рассматривать как простой элемент более крупного объекта низшего структурного уровня и одновременно - как систему элементов более высокого структурного уровня. Фрактальные структуры отражают свойство дискретности геологической среды. Сложность выявления фрактальных структур обусловлена структурным единством дискретных геологических объектов на всех уровнях, т.е. непрерывными переходами от структур одного уровня к структурам другого уровня. Наиболее наглядно фрактальные свойства геологической среды проявляются, с одной стороны, в пронизывающей литосферу сети разрывных нарушений разных порядков (трещины, разрывы, крупные разломные структуры и т.д.), с другой - в блоках, разделенных дизъюнктивами этой системы. Все геологическое пространство представляет собой взаимное проникновение двух фрактально организованных сред - с одной стороны блоков (в основном твердого вещества), с другой - границ их раздела (представляющих открытое, по отношению к блокам, пространство, часто заполненного флюидно-жидкой фазой). Фракталы - это структурная характеристика среды. Развитие фрактально организованных геологических объектов происходит в двух направлениях: путем роста структур при их объединении в структуры более низких порядков (формирование осадочных толщ, кристаллизация магматических пород и т.д.) и путем дробления относительно более крупных структур на структуры более высоких порядков (разломо- и трещинообразование и т.д.).
Сходства волновой и фрактальной тектоники. И волновые и фрактальные структуры и процессы представляют неотъемлемые атрибуты геологического пространства на всех его структурных уровнях. И волны, и фракталы - это иерархически соподчиненные системы, выявляющиеся в геологической среде повсеместно в самых разнообразных видах в зависимости от ее механических и реологических свойств. Говоря о волновой и фрактальной тектонике, мы имеем в виду и протекающие в геологической среде волновые (распространение волн сжатия и растяжения) и фрактальные процессы (дробление и сборка фрактальных структур), и - одновременно - результат этих процессов - волновые и фрактальные структуры.
Различия волновой и фрактальной тектоники. Различия волновой и фрактальной тектоники заключаются в способах преобразования геологической среды. Волны отвечают преимущественно "связным" преобразованиям геологической среды (складкообразование, пластические деформации удлинения - укорочения, фракталы - преимущественно дискретным (разломо- и трещинообразование, обломочность, зернистость, кристалличность пород, слоистость и расслоенность толщ и формаций и т.д.). По реологическим параметрам волновая тектоника - "пластична", для фрактальной тектоники более характерны "хрупкие" формы; по динамическим параметрам реальный результат волновых процессов более характерен для условий сжатия (складки), а реальный результат фрактальных процессов более характерен для условий растяжения (разрывы). Фракталы - это существующая в каждый момент времени сложная многоуровенная структура геологической среды, волны разного периода и порядка - способ ее преобразования. Другими словами: фракталы - это "момент пространства во времени", а волны - это "момент времени в пространстве".
Взаимосвязи волновой и фрактальной тектоники. Волновые и фрактальные структуры - неотъемлемые и неразделимые атрибуты геологического пространства на всех его структурных уровнях, отражающие два противоположных свойства геологической среды - ее непрерывность (волны) и одновременно дискретность (фракталы), ее динамическое состояние (поля напряжений) и ее структуру (поля деформаций), в свою очередь присутствие среди деформаций складчатых и разломно-блоковых структур. Другими словами, можно говорить о фрактально-волновом дуализме геологической среды. Волна и фрактал неразрывно связаны. Разномасштабные волновые процессы приводят к формированию в геологической среде разномасштабных фрактальных структур, являющихся, в свою очередь, источником распространения новых волновых процессов. Важнейшая особенность процессов в геологической среде - нелинейность, необратимость тектонических, физико-химических, фазовых и т.д. преобразований геологического вещества - и связана именно с тем, что волновой процесс приводит к дискретной фрактальной структурированности геологической среды, которая запрещает возвращение возмущенной волновым процессом среды к исходному состоянию. Реальные взаимосвязи волновых и фракталообразующих процессов отражают наблюдаемые геологические структуры (в меньшей степени процессы). И здесь определяющим является соотношение скоростей распространения в геологической среде возмущающих сигналов (скоростей распространения различных волн) и скоростей преобразования этой среды (скоростей формирования фрактальных структур).
Скорости волновых и фракталообразующих процессов. Скорости волновых процессов в зависимости от возмущающих геологическую среду источников (как внешних, так и внутренних) существенно различаются. Сейсмические волны распространяются со скоростями до нескольких км/сек, геологические (тектонические) - см(мм)/год. Скорости формирования фрактальных структур также могут быть "сейсмическими" (очень быстрыми) и "геологическими" или "тектоническими" (медленными). В частности, отсутствие геологических сред любого структурного уровня без структур фрактального типа указывает на быструю скорость процесса фракталообразования. Вместе с тем, наличие в геологической среде реальных складок, как непосредственного структурного выражения волнового процесса, свидетельствует, что при определенных условиях медленные "тектонические" волновые процессы происходят быстрее фракталообразующих (и, как следствие, мы видим формирование складчатой фрактальной структуры). Кроме того, эффективные вязко-пластичные свойства геологической среды определяют появление в ней гидродинамических процессов (в виде различных течений), действующих наряду с фрактально-волновыми.
|
