ГЕОЭКОЛОГИЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ

В. Л. Ильченко, *С. Г. Медведева
ГИ КНЦ РАН, Апатиты, Россия, * МГУ им М.В.Ломоносова, Москва, Россия
ГЕОЭКОЛОГИЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ
Комфортное существование людей [Трофимов, 2008] в геодинамически нестабильном пространстве требует
надёжного прогноза катастрофических явлений: землетрясений, цунами и др. До недавнего времени большинство
прогнозов оправдывалось не более чем на 40-50%, причём сами прогнозы имели краткосрочный (от 0.5 ч до суток)
характер, не дающий возможности избежать не только значительного материального ущерба, но и человеческих
жертв. Такое положение обусловлено недостатком понимания эволюционных процессов и знаний о природе
явлений. Рассмотрение динамики развития системы «планета Земля – биота» в иерархии более высокой ступени
«Земля – Космос» и в четырёх измерениях (время) позволяет повысить точность и долговременность сейсмического
прогноза.
Эволюция Земли полистадийна: её основа сформирована в результате столкновения планетозималей, а затем,
неоднократно обновлялась атаками метеоритов [Ранцини, 2004]; Луна появилась ≈4.5 млрд лет назад [Сорохтин,
2002] и её гравитация вызвала на Земле волну твёрдого прилива с захватом контроля над земным полем
напряжений [Ильченко, 2013] в волнообразно-пульсирующем ритме [Зубков, 2013], из-за чего планетное тело
подверглось расслоению с обособлением системы вложенных «геосфер». Сейчас лунная гравитация служит
главным источником сейсмогенной энергии и участвует как триггер в большинстве землетрясений [Триггерные…,
2010].
Все известные аналоги приливной волны получают энергию от внешних источников: например, волна
цунами возникает от сильных землетрясений в океанической коре, а «канальная волна» (солитон Рассела) - от
«накачки» энергии в турбулентную зону перед форштевнем идущего судна [Филиппов, 1990]; т.е. приливная волна
– солитон. Приливная энергия создаёт условия для «жизни» динамических систем самоорганизованной
критичности (СК) [Бак, 2013], а также «обновляет» существующие в породах трещины (мешает им «зарастать»).
Планетная система трещин иерархична: самые крупные из них ограничивает размер земной поверхности
(океанические рифты), а самые мелкие – сопоставимы с размерами элементарных ячеек в кристаллических
решётках породообразующих минералов [Аптуков, 2013].
Приливный импульс создаёт в породном блоке колебание, затухающее в пульсационном ритме по экспоненте
(в экстремумах амплитуды, рис.1а).
Породные блоки имеют форму многогранников с собственной объёмной симметрией, что и определяет
структуру их колебательной системы: при наличии трёх пар параллельных граней (как прямоугольный
параллелепипед) возникает трёхмерное (длина, ширина, высота) поле стоячих волн, которые затухают во времени
(4-е измерение); процесс затухания поля из 4-х стоячих волн (рис.1б) иллюстрирует пульсацию плотности породы в
составе геоблока (время начинает пульсировать с приближением системы к скорости света). Геофизическая
аппаратура воспринимает это колебание как сложный сигнал (рис.1в), все компоненты которого легко выявляются в
его спектре (рис.1г).
Графики из «Спектральной сейсморазведки» А.Г.Гликмана.
Стоячая волна в породном блоке затухает аналогично звуку в натянутой струне, где от удара возникает
стоячая волна с пучностью, равной длине струны и парой неподвижных узловых точек на концах. С расходом
энергии, на струне возникает узел, который делит её пополам, а звуковую волну - на две полуволны (моды); на
этих половинках возникают новые узлы (и т.д.), причём между узлами всегда находится целое число полуволн (λ/2):
λn = λ/2n (λn – длина n-й моды, λ – длина струны; моды одного акта затухания дают геометрическую прогрессию
[Пономарёв, 1989]: расход затухания энергии квантован. По мере затухания, породное пространство заполняет
множество узлов, к которым колебаниями оттесняется часть напряжений из пучностей и порода в узле
превращается в точечный концентратор упругой энергии. Эти узлы формируют ряды, сетки и структуру волнового
поля [Ильченко, 2013], поддерживающую «критичность» системы СК до её внезапного каскадного разрушения (в
т.ч. - с тектоническим расслоением земной коры и т.д.).
При изучении физических свойств верхней коры установлен механизм тектонического расслоения её пород:
Mn=M/2n (Mn – мощность n-го элемента расслоения, M=М0 – мощность земной коры) [Ильченко, 2013].
Посредством механизма тектонического расслоения вполне адекватно объясняется наблюдаемый «эффект
квантования» системы нарушенных зон вокруг горных выработок на большой глубине, открытый новосибирскими
геологами [Опарин, 2011]: согласно А.Г.Гликману, породные тела способны превращаться в колебательные
системы с динамикой стоячей волны, причём конфигурация этих систем определяется формой тела. Колебания
массива с горной выработкой квадратного сечения вызывают в породах на её контуре систему стоячих волн с
длиной λст=1 (сторона контура) и λd=21/2 (диагональ), а напряженное состояние контурных пород попадает под
волновой контроль с развитием фрактальной системы зон нарушений вокруг горной выработки, причём контурная
составляющая ведёт себя более агрессивно и, в итоге, достигает земной поверхности (провальная тектоника) с
выходом глубинных флюидов на земную поверхность, что может нанести непоправимый ущерб природной
экологической системе [Ильченко, Медведева, 2013].
Ретроспективный прогноз по методу Любушина для Великого Японского землетрясения (М=9) 11.03.2011 г.
имел поправку - «первые месяцы» [Левин, 2011]. Можно уточнить поправку, используя постоянство заряда
приливной энергии – единственный поддающийся учёту фактор, который позволяет точно определить период её
накопления в породах сейсмического очага; предыдущее сильное событие (М=8.3) 25.09.2003 г. в этом же районе
примем за точку отсчёта. Между этими двумя событиями прошло 2725 суток и, т.к. на Земле наблюдается 2
прилива в сутки, то за 2725 суток земная оболочка получила 2n=5450 «зарядов» гравитационной энергии
[Ильченко*, 2013].
Динамику сейсмичности на Земле описывает степенной закон Рихтера-Гутенберга; разложим количество
приливов между упомянутыми событиями в степенной ряд 5450=2 2•6+22•5+22•4+22•3+22•2+22•1+22•0 – 12, откуда
следует, что наш новый ретропрогноз сбылся с «опозданием» на 12 приливов (6 суток); эта величина определяет
порядок поправочного коэффициента: ±φ.
Свойства степенных рядов используются в математической статистике случайных процессов [Горобец,
2013]. Землетрясение считается случайным из-за трудности учёта факторов в его подготовке. Известно: старший
член в степенном ряду всегда на 1 больше суммы всех остальных членов этого ряда: 2 2=4, 20+21=3 (а 1 – это
вершина в «треугольнике Паскаля» [Горобец, 2013]). В то же время, каждый член степенного ряда - это старший
член в другом ряду (и 22•0), содержащий ту же единицу; их сумму используем в формуле поправочного
коэффициента: ±φn=2(n+1), где n – количество членов в ряду. Подставив в формулу известное значение (n=7),
получим поправку ±φn=16 приливов (или 8 суток), сильно уточнив «ретропрогноз» Любушина [Левин, 2011]; эта
поправка позволяет оценить силу «ретропрогнозного» события (М=9.0), для чего «идеально» подходит формула:
М=(φn+2)/2.
Волнообразно-пульсирующий ритм геодинамической эволюции (и всех динамических систем СК) –
характерен для многих физических процессов и, т.о., корректное применение предложенной трактовки причин и
динамики явлений позволяет существенно облегчить прогноз землетрясений и цунами, а также решать многие
другие жизненно важные геодинамические проблемы, связанные, например, с экологическими рисками и
разработкой глубинных месторождений полезных ископаемых.
И нужно помнить, что все физические процессы на Земле протекают во вселенском гравитационном поле и
недоучет этого фактора часто ведёт к ошибочным моделям и прогнозам опасных или катастрофических явлений.
По-видимому, изложенные здесь факты представляют практический интерес для сейсмологов и, возможно, что в
большей степени, для решения проблем в области экологической и инженерной геологии.
Аптуков В.Н., Митин В.Ю. Сравнительные характеристики изрезанности рельефа поверхности зёрен сильвина, шпатовой соли и карналлита в
нанодиапазоне. //ФТПРПИ. 2013. №1. С.51-60.
Бак П. Как работает Природа: Теория самоорганизованной критичности. Перевод с англ. / Вступ. слово Г.Г.Малинецкого. - М.: УРСС: Кн. Дом
«ЛИБРОКОМ». 2013. - 276 с. (Синергетика: от прошлого к будущему. №66).
Барсуков О.А. Основы физики атомного ядра. Ядерные технологии. – ФИЗМАТЛИТ. 2011, - 560 с.
Гликман А.Г. Теория и практика спектральной сейсморазведки. // Адрес в Интернете: http://www.newgeophys.spb.ru/ru/book2/
Горобец В.С. Теория вероятностей, математическая статистика и элементы случайных процессов: упрощённый курс / Предисл. А.А.Рухадзе.
Изд. 2-е, доп. и перераб. М.: Книжный Дом «ЛИБРОКОМ». 2013. - 232 с.
Горяинов П.М., Давиденко И.В. Тектоно-кессонный эффект в массивах горных пород и рудных месторождений – важное явление геодинамики
//ДАН СССР. 1979. Т.247. №5. С. 1212-1215.
Зубков А.В. Периодическое расширение и сжатие Земли как вероятный механизм природных катаклизмов. // Литосфера. 2013. №2. С.145-156.
Ильченко В. Приливные волны и динамическая эволюция Земли. - Саарбрюккен. LAMBERT Academic Publishing. 2013. 292 с.
Ильченко В.Л., Медведева С.Г. О посттехногенных нарушениях в массиве горных пород // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология.
Геокриология. 2013. №5. С.454-458.
Ильченко* В.Л. Квантомеханические эффекты в геодинамике. // Математические исследования в естественных науках. Тр. IX Всероссийской
научной школы. Апатиты, Геологический институт Кольского НЦ РАН, Кольское отделение РМО, 10-11 октября 2013 г. / Ред. Ю.Л.
Войтеховский. - Апатиты: Изд-во K & M, 2013. С. 131-134.
Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследования. /Гл. ред.: В.П.Орлов, Н.П.Лавёров. - М.: МФ "Технонефтегаз". 1998. - 260 с.
Левин Б.В. и др. Великое Японское землетрясение. //Природа. 2011. №10. С.14-22.
Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Чанышев А.И. Первая Китайско-Российская научная конференция «Нелинейные геомеханико-геодинамические
процессы при отработке полезных ископаемых на больших глубинах». ФТПРПИ, №3, 2011, с.111-115.
Пономарёв Л.И. Под знаком кванта.- 2-е изд., испр. и доп. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. – 368 с.: ил.
Ранцини Ж. Космос. Сверхновый атлас Вселенной /Пер. с англ. Г.Семёновой. – М.: Изд-во Эксмо, 2004. – 216 с., илл.
Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Развитие Земли. М.: Изд. МГУ, 2002. 506 с.
Триггерные эффекты в геосистемах (Москва, 22-24 июня 2010 года): Матер. Всероссийского семинар-совещания. /Ин-т динамики геосфер РАН;
под ред. В.В.Адушкина, Г.Г.Кочаряна. - М.: ГЕОС. 2010. - 348 с.
Трофимов В.Т., Харькина М.А., Григорьева И.Ю. Экологическая геодинамика. – М.: КДУ. 2008. 473 с.
Филиппов А.Т. Многоликий солитон. - 2-е изд. перераб. и доп. – М.: «Наука». Гл. ред. физ.-мат. лит. 1990. 288 с. – (Б-чка «Квант», вып.48).