Нелинейные процессы в геологии

Нелинейная геология включает нелинейную геофизику, нелинейную геодинамику, нелинейную геотектонику, нелинейную металлогению и т.д.

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 трудно учитываемых факторов, но и сравнительно простые, контролируемые всего двумя-тремя факторами.

Эти положения идут вразрез со многими давно устоявшимися принципами. Так, поставлено под сомнение одно из фундаментальных утверждений традиционной, линейной науки о том, что случайность, хаотичность, непредсказуемость в природе — лишь результат неполноты нашего знания о ней. А это неизбежно порождает сомнения в целесообразности накопления полных, всесторонних и детальных опытных данных для прогнозирования природных объектов и процессов.

Как известно, алгебраическое нелинейное уравнение 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.

Однако для физических, динамических 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.

Рассмотрим в качестве примера ситуацию, часто анализируемую при исследованиях тектонического разрывообразования. Пусть достаточно крупный кубический блок равномерно-зернистой породы 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.

Смещение, согласно положениям механики однородных сплошных сред, должно было бы прогнозироваться по плоскости, отклоняющейся от направления наибольшего сжатия на угол 45° (в реальности — несколько меньше). Но такое отклонение должно быть двояким — по обе стороны от оси наибольшего сжатия — и теоретически они для скалывания совершенно равноблагоприятны. 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. 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.

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.

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. Нелинейность геодинамических систем — необходимое, но не достаточное условие хаотического поведения. Кроме того, 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. И, наконец, ни один природный процесс «сам по себе» не является, конечно, ни линейным, ни нелинейным. Таким или иным он предстает в нашем описании, представляющем всегда некоторое выбранное нами приближение и полученном с помощью тех или иных выбранных нами методов.

Таким образом, нелинейно-динамическая концепция не запрещает прогнозирование эволюции природных систем вообще.