Определение предмета и методов современной геодинамики

  В настоящее время происходит радикальный пересмотр взглядов на роль геодинамического фактора при оценке экологического, социально-экономического и страхового рисков экологически опасных и особо ответственных объектов.
Учитывая некоторую дискуссионность в определении геоди- намических терминов, ниже приводятся формулировки основных определений понятий, их объектов и методов.
Существуют два подхода к определению геодинамики как научной дисциплины: кинематической и силовой [Кузьмин, 1999].
Сторонники первого подхода (астрономы, геодезисты и маркшейдеры) считают, что центральным предметом исследований в геодинамике является изучение основных кинематических характеристик (смещений, скоростей, векторов направленности и т.д.) движений земной поверхности в различных пространственно- временных масштабах их протекания с последующей реконструкцией исходного поля сил (напряжений).
Иной точки зрения придерживаются исследователи (геологи, геофизики и геомеханики), которые, основываясь на втором подходе, считают, что основной проблемой геодинамики является установление механизмов формирования движений в различных геосферах с последующей оценкой кинематических характеристик движений, предполагая полную унаследованность современных движений от процессов прошлых геологических эпох.
Результаты измерений в реальном масштабе времени в этом случае не являются основным предметом исследований, а служат элементом доказательности принятой схемы приложения тектонических сил (напряжений).
Наиболее гармоничное, учитывая оба подхода, определение основной задачи геодинамики дано в работе [Теркот, Шуберт, 1985], где утверждается, что «Геодинамика изучает движения и деформации, происходящие в земной коре, мантии и ядре, и причины таких движений и деформаций».

Однако и здесь имеет место двойственность определения — обособление движений и деформаций. Это и понятно, поскольку исследователям зачастую приходится изучать раздельно (особенно на модельном уровне) движения литосферных плит и/или блоков земной коры, как твердых (или жестких) тел, и деформации, которым подвержены эти тела в результате их взаимодействия.
Таким образом, имеет место обособление и противопоставление таких понятий, как напряжение — деформация и движение — деформация.
Вместе с тем представляется возможным снять обособления и противоречия при формулировании этих базовых понятий геодинамики.
Как известно, количественной основой для описания геодина- мических процессов служит механика деформируемого твердого тела. В рамках этой научной дисциплины возникновение деформаций (движений) обычно трактуется как результат действия на тело приложенных напряжений (сил).
Однако если обратиться к опыту, то справедливым оказывается и обратное утверждение. Известно, что при деформации твердых тел возникают силы, действующие как внутри тел со стороны одних частей на другие, так и между соприкасающимися телами. В случае объемных деформаций это справедливо также и для жидкостей и газов в полном соответствии с основной аксиомой реологии.
Таким образом, имеет место явное и принципиальное противоречие. Это противоречие исчезает, если вспомнить, что деформация — это изменение формы и размеров тела, изменение взаимного расположения отдельных частей тела относительно друг друга, т.е. результат различных перемещений (движений) отдельных частей тела. Следовательно, объяснить происхождение деформаций — это значит объяснить происхождение тех движений, которые привели к изменению взаимного расположения отдельных частей тела.
Деформации, таким образом, есть результат определенного движения, и непосредственной причиной деформаций является движение, а не силы (ши напряженш как сшы, делённые на площадь их пршоженш).
Конечно, силы играют существенную роль в возникновении движений, а значит, и в появлении деформаций. Но они являются лишь косвенной причиной деформаций.
14

Установить непосредственную связь между силами и деформациями не всегда возможно. Силы сами по себе еще не определяют деформаций, которые должны возникнуть. Только, если эти силы таковы, что разные части тела движутся по-разному, а взаимное расположение различных частей тела изменится, только тогда возникнут деформации.
В качестве простейшей иллюстрации сказанного можно рассмотреть следующий пример [Хайкин, 1967; Кузьмин, 1999].
Пусть имеются две массы т и М, между которыми находится недеформируемая пружина Я; коэффициент жесткости ее равен к. Масса пружины полагается пренебрежимо малой по сравнению с массами т и М, при этом система «массы — пружина» ориентирована горизонтально (расположена на столе).
Пусть на массу т начинает действовать сила Я (например, растягивать слева). Под действием этой силы масса т приобретает ускорение влево, а масса М в первый момент остается в покое, ибо на нее не действуют никакие силы. Следовательно, в начальный момент левая часть пружины начнет двигаться влево, а правая будет оставаться в покое, вследствие чего пружина начнет растягиваться. Вместе с деформацией пружины возникнет сила, действующая со стороны пружины на массу Мслева. Под действием этой силы масса М также приобретает ускорение влево. В конечном итоге появится некоторое установившееся удлинение пружины.
Чтобы оценить эту установившуюся деформацию пружины, необходимо составить уравнения движений. Если удлинение пружины равно X, то сила, действующая со стороны пружины на каждую массу, по величине равна к X, следовательно, ускорение массы т определяется уравнением:
mjm = F-kX              (i.i)
и соответственно ускорение массы М— уравнением:
MjM = к X.              (1.2)
Так как конечное ускорение обеих масс одинаково, то
jm~jMgt;              (1.3)
и при этом условии из уравнений (1.1) и (1.2) можно определить и деформацию X:

M F
т + М к
Таким образом, видно, что растяжение (удлинение) пружины X существенно зависит не только от жесткостных свойств пружины и величины приложенной силы, но и от величин масс Ми т.
Лишь в предельном случае, когда масса М гораздо больше массы т, растяжение пружины окажется равным статическому:
Х0 - — , т. е. тому растяжению, которое получилось бы, если пра- к
вая часть пружины была бы жестко закреплена. Во всех других случаях растяжение зависит от соотношения масс и не может быть найдено только из величины приложенной силы. В частности, когда масса т гораздо больше массы М, растяжение пружины близко к нулю, независимо от величины приложенной силы.
При различных соотношениях масс получаются все промежуточные значения растяжения — между растяжением, равным нулю, и растяжением, равным статическому. Следовательно, нельзя дать однозначного ответа на вопрос о том, как деформация пружины зависит от приложенной силы, пока не рассмотрены сами движения, вызванные этой силой.
Иными словами, и напряжения (силы), и деформации есть отражение различных форм (силовой и кинематической) единого процесса — движения и поэтому никакого обособления или противопоставления этих понятий при правильной трактовке не существует.
На практике, оперируя терминами «напряжение» и «деформация», исследователи часто упускают из вида, что наблюдаемыми (измеряемыми) величинами в геодинамике являются именно движения (горизонтальные, вертикальные или сдвиговые перемещения), а напряжения и деформации (как отношение перемещений к базе измерений) определяются по результатам вычислений. Поэтому в геодинамике (особенно современной) движения являются и объектом наблюдений, и объектом интерпретации одновременно.
Из основ классической механики (теорема Коши-Гельмгольца) следует, что любое движение можно представить как параллельный перенос и вращение участков среды как абсолютно твердых (жестких) тел и их деформаций (объемных и сдвиговых).

В этом случае геодинамика — это научная дисциплина, изучающая движения, происходящие в земной коре, мантии и ядре, и причины этих движений [Кузьмин, 1999].
Современная геодинамика как научное направление является составной частью общей геодинамики, и поэтому при определении основного предмета исследований здесь также имеется противоречивость определений.
Для формулировки понятия «современная геодинамика» необходимо иметь в виду ряд принципиальных обстоятельств. Как известно из механики, динамику можно определить в противопоставлении либо кинематике, либо статике. В первом случае динамика ответственна за изучение причин, вызывающих движения, во втором она понимается в более обобщенном смысле — и как изучающая (описывающая) сами движения, и как изучающая причины, их вызывающие. В этом, обобщенном, смысле традиционный термин «современные движения земной коры» может быть адекватно заменен термином «современная геодинамика».
Особо следует остановиться на трактовке термина «современный». Его, как правило, определяют двояким образом: либо подчеркивая инструментальный характер изучения (фиксации) движений, либо отмечая длительность протекания процессов в сравнении с геологическими масштабами времени.
В данном случае вновь возникает двойственность толкований основного предмета исследований в современной геодинамике. Так, в случае полной унаследованности движений от прошлых геологических эпох можно инструментально зарегистрировать движения, которые по длительности протекания формирующих их процессов не относятся к разряду современных.
С другой стороны, существует определенная относительность средств наблюдений к свойствам исследуемых объектов. Так, если измерять с помощью повторных нивелирований такой типичный для современной геодинамики процесс, как земноприливные деформации, то существует ограничение по чувствительности и временной детальности наблюдений. В случае, когда предпринимается попытка измерения движений плит или блоков земной коры наклономерами и деформографами, то возникает ограничение по пространственному масштабу наблюдений.


В целом следует отметить, что существующие понятия, которыми оперируют в современной геодинамике, а также методы изучения процессов в основном являются относительными.
Для демонстрации этого положения рассмотрим следующий мысленный эксперимент. Пусть на земной поверхности имеются два (А и Б) прочно закрепленных репера (два пункта наблюдений), которые ориентированы по азимуту «север — юг» таким образом, что пункт А расположен севернее пункта Б. Можно показать, что одной и той же деформации удлинения соответствует пять принципиально различных по кинематике ситуаций: пункты А и Б равномерно перемещаются в противоположных направлениях; пункт А неподвижен, а пункт Б перемещается на «юг»; пункт Б неподвижен, а пункт Л перемещается на «север»; пункт А и пункт Б перемещаются на «север», но скорость перемещения пункта А больше, чем пункта Б; пункт А и пункт Б перемещаются на «юг», но скорость перемещения пункта Б больше, чем пункта А.
Таким образом, абсолютному понятию «удлинение» соответствуют пять комбинаций относительных горизонтальных перемещений (движений), которые обусловлены различными геодинами- ческими обстановками.
Следует отметить также относительный характер понятий «укорочение — сжатие» и «удлинение — растяжение». Так, например, при горизонтальном сжатии фрагмента геологической среды происходит изгиб земной поверхности вверх, что приведет к естественному удлинению расстояния между пунктами Л и Б.
Аналогичным образом выглядит ситуация и с вертикальными смещениями земной поверхности. В этом случае, например, абсолютному понятию «наклон на север» будет соответствовать пять различных ситуаций с относительными вертикальными смещениями (движениями).
Следует подчеркнуть, что это утверждение справедливо в первую очередь для обсерваторских систем наблюдений при малом количестве станций или для коротких профилей с малым количеством наблюдательных пунктов. В случае, когда имеют место профильные наблюдения с достаточно высоким пространственно- временным разрешением, то имеется возможность (например, для 18

вертикальных движений) полностью зафиксировать аномалию в пределах измерительной системы и определить абсолютное значение данного аномального вертикального смещения земной поверхности.
Так, при локальных просадках земной поверхности можно считать, что амплитуда аномального изменения, отсчитываемая от нуля, определяемого точностью наблюдений, есть абсолютное вертикальное смещение земной поверхности, допускающее однозначное кинематическое объяснение.
Причиной такой неоднозначности является то, что практически все методы измерений (геодезические и геофизические), применяемые в геодинамике, являются относительными.
В самое последнее время появляется возможность использовать в современной геодинамике абсолютные методы измерений с использованием спутниковых технологий (GPS-системы). Однако к настоящему времени, из-за недостатка исследований по совмещенным (наземным и спутниковым) системам измерений в пределах единого геодинамического объекта наблюдений, имеются известные трудности по оценке степени адекватности получаемых GPS- системами результатов.
Основным методом интерпретации геодинамических наблюдений является решение обратных задач — установление глубинного источника аномальных движений по данным измерений на земной поверхности. Однако и в данном случае вновь возникает проблема относительности средств наблюдений к свойствам объекта.
Так, если имеет место фиксация унаследованного движения, например, вызванного конвекцией в мантии, методами современной геодинамики (астрономо-геодезическими, сейсмологическими и т.п.), то вследствие ограниченности (кратковременности) периода наблюдений возникает принципиальная невозможность решения обратных задач (как кинематики, так и динамики). Для однозначной интерпретации необходимо, чтобы «начало» и «завершение» наблюдаемого процесса целиком укладывалось в интервал между повторными циклами наблюдений.
Ситуация усугубляется еще и тем, что имеет место острый дефицит достоверных сведений о базовых характеристиках среды в условиях их естественного залегания в земных недрах. Хорошо известно, что даже анализ керновой информации страдает определенной степенью необъективности.

Кроме того, существенной проблемой является то, что измеряемые величины смещений известны с точностью до мм, а точность определения, например, геологических границ достигает, в лучшем случае, первых сотен метров. Вновь на лицо явная неоднозначность между достоверностью параметров наблюдаемого процесса и возможностью его достоверной интерпретации в существующих геологических параметрах и характеристиках среды.
В связи с этим одним из главных условий реальной трактовки наблюдаемых процессов является соизмеримость длительности протекания последних с длительностью самого измерения. В этом случае совершенно необходимо четко следовать принципу наблюдаемости Нильса Бора: существующим считается лишь то, что наблюдаемо ши может быть сделано таковым, который был разработан именно в тех областях естествознания, в которых базовые свойства объекта не всегда доступны прямому наблюдению.
Таким образом, современная геодинамика — это часть общей геодинамики, изучающая движения земных недр и причины, их вызывающие, когда время действий последних соизмеримо с длительностью самого процесса наблюдений [Кузьмин, 1990].
При этом под длительностью наблюдений понимается либо интервал между повторными (геодезическими, геофизическими, сейсмологическими) измерениями, либо период непрерывной регистрации параметров деформографами и наклономерами.
С позиций сформулированного определения, объектом изучения в современной геодинамике могут быть наиболее мобильные и активные структуры литосферы и, в первую очередь, зоны тектонических нарушений (разломов). Учитывая имеющуюся дискусси- онность в определении понятия «разлом», необходимо сформулировать авторскую позицию в этом вопросе.
Как правило, термин «разлом» или «разломная зона» используется как некая граница раздела между блоками, которые отличаются различной мобильностью или иными характеристиками. По мнению авторов, разломы следует рассматривать как специфические геологические тела, некий объем земной коры, имеющий аномальное строение и повышенную трещиноватость, возникшие в результате линейной деструкции среды.
Поэтому в данной работе такие понятия, как «разлом», «разломная зона», «зона разрывных нарушений», «зона повышенной трещи-
20

новатости», рассматриваются в качестве синонимов. Главным здесь является то, что зона разлома есть область, вмещающая породы с аномальными физико-механическими, геолого-геофизическими, флюидо-геохимическими и другими характеристиками.
В этом случае зоны разломов естественным образом являются концентраторами современного аномального напряженно-деформированного состояния, а следовательно, и базовым объектом изучения современных геодинамических процессов.
Принципиально важно то, что в отличие от геодинамики, изучающей только природные процессы, в современной геодинамике исследуются процессы как природного, так и техногенного происхождения.
Основные природно-техногенные явления, изучаемые в современной геодинамике, — это деформационные и сейсмические процессы в недрах, а также взаимосвязанные с ними вариации геофизических и флюидо-геохимических полей.
При этом следует помнить о следующих обстоятельствах. Очень часто сейсмичность относят к категории геодинамических явлений. Это действительно так. Сейсмичность — это «быстрая» составляющая геодинамического процесса. Движения (деформации), включая современные, относятся к «медленной» части спектра геодинамических явлений.
В последние годы среди специалистов в области геодинамики утвердилась тенденция медленные движения именовать геодинамикой (или деформационными процессами), а все, связанное с землетрясениями, определять как сейсмические процессы. Кроме того, при исследованиях в рамках геодинамического мониторинга особо ответственных и экологически опасных объектов зачастую употребляется термин «геодеформационные» процессы, которые отличаются от собственно деформационных процессов самих материалов конструкций изучаемых объектов.
Авторы считают, что при правильном и профессиональном использовании терминов «деформационные, геодеформационные и сейсмические процессы» по отношению к соответствующим объектам исследования путаницы в употреблении этих понятий не происходит.
Необходимо также определиться в использовании терминов «недра», «верхние слои земной коры», «геологическая среда», ко-

гда речь идет о характеристике тех объемов среды, в которых протекают современные геодинамические процессы.
Согласно определению, данному в законе РФ «О недрах», не дюа - это верхняя часть земной коры, расположенная ниже почвенного слоя, при его отсутствии - ниже земной поверхности и дна водоемов и водотоков, простирающаяся до глуоин, доступных
для геологического изучения и освоения.
Геологическая среда (по Е.М. Сергееву) - это верхняя часть литосферы, которая рассматривается как многокомпонентная динамическая система, находящаяся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека и, в свою очередь, в из
вестной степени определяющая эту деятельность.
Авторы под всеми перечисленными выше терминами понимают тот слой земной коры, в котором имеют место современные аномальные геодинамические процессы, обусловленные совокупностью природных и техногенных воздействии.
Таким образом, становится очевидным, что современная аномальная геодинамика недр — это современная геодинамика раз- ломных зон. 
| >>
Источник: Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер.. 2012

Еще по теме Определение предмета и методов современной геодинамики:

  1. Глава 1 ЗТНИСИЦИИДИГИЯ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ПРЕДМЕТ, МЕТОДЫ
  2. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер., 2012
  3. Метода банковского ценообразования Затратный метод определения цен
  4. 2.3. Предмет и метод правового регулирования
  5. Предметы ведения и полномочия местного самоуправления. Основные определения и принципы
  6. 1. Метод, предмет и задачи социологии
  7. 5.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОЛИТИКИ
  8. ТЕМА 1. ПОНЯТИЕ, ПРЕДМЕТ И МЕТОД ЖИЛИЩНОГО ПРАВА
  9. 1. Предмет, объект, функции и методы социологии
  10. § 10. Предмет, методы и система науки трудового права
  11. Понятие, предмет, метод, система и принципы трудового права