|
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ГЕОЛОГІЧНИХ НАУК
ШМУРАТКО Валерій Іванович
УДК 551.24.03
ГРАВІТАЦІЙНИЙ РЕЗОНАНС І ГЕОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ
(теоретичне обґрунтування концепції
і її практичне застосування)
04.00.01 - Загальна і регіональна геологія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора геологічних наук
КИЇВ - 2005
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі інженерної геології і гідрогеології
Одеського національного університету ім. І. І. Мечникова.
Офіційні опоненти: доктор геолого-мінералогічних наук, професор,
академік АН Казахстану, член-кореспондент
НАН України
Паталаха Євген Іванович,
завідувач відділу геотектоніки
(Відділення морської геології та осадочного
рудоутворення НАН України)
доктор геолого-мінералогічних наук, професор
Русаков Олег Максимович,
головний науковий співробітник
(Інститут геофізики ім. С. І. Суботіна)
доктор геологічних наук
Єсипович Станіслав Михайлович,
головний спеціаліст відділу геології нафти та газу (НАК “Надра України”)
Провідна установа: Київський національний університет
імені Тараса Шевченка
Захист відбудеться “___26____” ___жовтня_________________ 2005 р. о ___10_____годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.162.02 Інституту геологічних наук Національної Академії наук за адресою: 01054, м. Київ, вул. О. Гончара 55-б
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту геологічних наук НАН України за адресою: 01054, м. Київ, вул. О. Гончара 55-б
Автореферат розісланий “___23_____” ______вересня____________ 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат геологічних наук Т. М. Сокур
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
В роботі пропонується концепція гравітаційно-резонансного екзот ектогенезу (ГРЕ), заснована на теоретичних і емпіричних положеннях геології, геотектоніки, планетології і геофізики, які уявляються автору найбільш надійними в контексті сучасного світового геологічного досвіду. Концепція є “аксіоматичною” системою, відкритою для подальшого вдосконалення. Вона створювалася як методологічна основа для вирішення певної категорії неотектонічних і палеогеографічних задач новітньої геологічної історії південно-західного (ПЗ) Чорномор'я, а також інженерно-геологічних (ІГ) і еколого-геологічних (ЕГ) проблем території Одеси. Тому багато які її положення ілюструються і обґрунтовуються на регіональному фактичному матеріалі.
В основі концепції лежать три, взагалі кажучи, давно відомих принципи (просто в науках про Землю вони не розглядалися раніше як якась єдина теоретична основа): принцип симетрії (П. Кюрі), принцип міжпланетного резонансу (О.М. Молчанов) і принцип тектогенезу (Б.Л. Лічков, Г.М. Каттерфельд, В.Г. Бондарчук, І.І. Чебаненко). Ці принципи ми називаємо “базовими” постулатами. Крім того, нами сформульовані і обґрунтовані два “спеціальні” постулати: принцип бінарності і принцип планетарного резонансу. “Спеціальні” постулати, як частина концепції ГРЕ, є одним з положень дисертації, що захищаються. Відзначимо, що хоча вони сформульовані вперше, їх елементи можна зустріти в роботах багато яких дослідників. Так, у зв'язку з принципом бінарності ми не можемо не назвати імена О.В. Пейве, І.І. Чебаненко, В.В. Кесарєва, І.А. Одеського, В.Н. Жаркова, А.В. Чекунова. Принцип планетарного резонансу асоціюється, в першу чергу, з іменами Р. Вольфа і О.Л. Чижевського.
Концепція ГРЕ розвиває традиції української геологічної школи, представники якої спільно з ученими ленінградської школи, вперше в середині ХХ століття на просторі колишнього СРСР намітили, а потім успішно і послідовно проводили фундаментальні дослідження по вивченню планетарних і астрономічних чинників геологічного розвитку (Б.Л. Лічков, В.Г. Бондарчук, Н.А. Козирєв, М.В. Стовас, М.С. Ейгенсон, Г.Ф. Лунгерсгаузен, Г.М. Каттерфельд, І.І. Чебаненко, С.І. Субботін, Я.М. Бєлєвцев, Ф.П. Бєлянкин, М.П. Балуховській, В.О. Зубаков, М.Ф. Векліч, К.Ф. Тяпкин та ін.).
Актуальність теми. Протягом кількох десятиріч в Одеському національному університеті ім. І.І. Мечникова (ОНУ) розробляється два наукові напрями. Один пов'язаний з вивченням геологічної будови, неотектоніки, палеогеографії і пліо-плейстоценової історії ПЗ Чорномор'я, розробкою ЕГ проблем і виявленням законів формування ІГ властивостей ґрунтів в межах сучасної акваторії шельфу і прилеглої суші. Ціль другого — створення теоретичної і методологічної бази для вирішення ІГ і ЕГ проблем території Одеси, Одеської і Миколаївської областей, берегової зони Одеського регіону.
Дослідження 1960-80-х рр. привели до успішного рішення багатьох наукових і прикладних задач, але, разом з тим, на початку 1990-х років виявився ряд проблем, без рішення яких подальше просування як в теоретичній області, так і в практичних втіленнях, виявилось скрутним. Це призвело до необхідності розробити таку теоретичну модель, яка б сприяла їх розв'язанню. Запропонована концепція ГРЕ значною мірою відповідає цій потребі. З єдиних теоретичних позицій вона дозволяє по-новому підійти до рішення широкого кола регіональних проблем, і, — що не менш важливо, — застосовна не тільки до даного регіону, а є набагато більш універсальною (у методологічному відношенні), ніж це передбачалося на перших етапах її розробки.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на основі фактичного матеріалу і результатів, отриманих автором в ході досліджень ПНДЛ-1 ОНУ (1975-1999 рр.) в межах наукового напряму “Теорія і методика прогнозування і моделювання геологічних і техногенних процесів на узбережжі і дні морів і водосховищ” по ряду тем, де автор був одним з виконавців (реєстраційні номери тем: 76008737, 81076195), відповідальним виконавцем (0194U044441, 0197U008982, 0197U008990), і науковим керівником (0193U033114).
Мета і задачі дослідження. В ході роботи переслідувалися дві головні цілі. Перша — розробити логічно несуперечливу систему положень, здатну грати роль теоретичного інструменту геологічних досліджень прикладного характеру і інтерпретації одержуваних результатів. Друга — проаналізувати евристичні можливості теорії на конкретних прикладах. Об'єктом досліджень в роботі є тектоносфера і кліматосфера, які є найбільш важливими елементами природно-технічних і природних геосистем всіх можливих просторово-часових масштабів. Предметом досліджень було вивчення законів залежності еволюції геосистем від впливу астрономічних і планетарних чинників, що “вимушують”.
Вирішені наступні задачі:
1) виконано аналіз теоретичних і емпіричних досягнень сучасної науки в області геолого-геофізичних, геотектонічних і планетологічних досліджень, що дозволило сформулювати три базових і два спеціальні постулати, на основі яких створена концепція ГРЕ і базова геотектонічна модель;
2) виконано аналіз будови і історії геологічного розвитку земної кори ПЗ Чорномор'я, спрямований на виявлення ознак її поверхової геолого-геофізичної будови;
3) виконано аналіз плейстоценової історії Чорноморського басейну, спрямований на виявлення можливого резонансу його еволюції з астрономічними і планетарними подіями;
4) виконано морфометричний аналіз рельєфу основних геологічних поверхонь післясарматських відкладів в межах території Одеси і виявлена система диз'юнктивів, які створюють основні структурно-динамічні неоднорідності геологічного середовища міста;
5) на основі комп'ютерної обробки даних 30-річного гідрогеологічного моніторингу на території Одеси вивчена динаміка змін НДС порід і виявлено резонансний характер зв'язку цих змін з астрономічними і планетарними подіями, а також їх залежність від геометрії диз'юнктивних ґрат.
Фактичний матеріал. В роботі використані фондові матеріали Причорноморського державного регіонального геологічного підприємства (ПДРГП), Проблемної науково-дослідницької лабораторії № 1 ОНУ (ПНДЛ-1), Одеського Протизсувного управління, Управління інженерного захисту території міста. Теоретична частина роботи спиралася, головним чином, на численні опубліковані в наукових і академічних виданнях статті і монографії автора.
Наукова новизна отриманих результатів:
1) створено концепцію ГРЕ, засновану на системі постулатів, що узагальнюють емпіричний і теоретичний досвід наук про Землю; на її основі сформульована базова геотектонічна модель;
2) виконана нетрадиційна інтерпретація даних сейсмічної томографії і показано, що радіально-сферична симетрія тектоносферы в широтному розрізі біля екватору створюється спіральною структурою п'яти суперплюмов. Передбачається, що їхнє спіралєвидне переміщення до поверхні Землі і є основним ендогенним "рушієм", що, квазіциклічно "зароджуючись" у ядрі планети, забезпечує геотектонічну еволюцію протягом "галактичного року" (тектоно-магматичного циклу);
3) на кількісному рівні обґрунтовано резонансний характер зв'язку між астрономічними, планетарними і регіональними геолого-геофізичними (ГГФ) подіями. Цей факт може і повинен стати відправною точкою в розробці нового напряму досліджень по створенню методів прогнозу на основі астрономічних подій, які можуть бути передобчислені;
4) показано, що в стратегії вивчення геологічної історії ПЗ Чорномор'я ключову роль повинен грати факт бінарної будови тектоносфери, наявності в її складі георецепторів радіальної і сферичної симетрії;
5) сформульована і обґрунтована модель нелінійної залежності між ізотопно-кисневим (ІК) сигналом і глобальним об'ємом льоду; на цій основі обчислена крива гляціоевстатичних змін рівня Світового океану для останнього мільйона років;
6) обчислена, — з урахуванням специфічних особливостей зв'язку з океаном в плейстоцені, — крива гляціоевстатичних змін рівня Чорноморського басейну за останній мільйон років;
7) на основі чисельного моделювання створена регіональна неотектонічна модель ПЗ шельфу Чорного моря;
8) на основі даних буріння і морфометричного аналізу рельєфу основних геологічних поверхонь в межах території Одеси створена схема диз'юнктивів, формуючих ієрархічно-блокову структуру геосередовища міста і відіграючих граючих роль основних джерел її динамічної неоднорідності;
9) вперше в такому об'ємі виконано всебічний комп'ютерний аналіз даних, отриманих в ході 30-річного моніторингу РҐВ території Одеси; виявлено і обґрунтовано чисельним моделюванням резонансний зв'язок міжрічних коливань РҐВ з планетарними і астрономічними подіями; сформульовані моделі структурно-тектонічного дренажу та дисперсного екзотектогенезу;
10) на базі постулатів концепції ГРЕ розроблені основи методу довгострокового прогнозу РҐВ на території Одеси; показана принципова перевага методів прогнозування ГГФ параметрів стану геосистем на основі урахування резонансного зв'язку між ними і астрономічними і планетарними чинниками, що вимушують;
11) в межах ідеології концепції ГРЕ розроблені основи методів ЕГ типізації території Одеси і обґрунтована необхідність і перспективність їх подальшого вдосконалення.
Практичне значення отриманих результатів. Основні положення концепції ГРЕ протягом ряду років використовуються при виконанні наукових робіт з держбюджетної і кафедральної тематики ОНУ. Зокрема, в 1999 р. завершена робота по темі “Інженерно-геологічна типізація території міст на основі концепції бінарного екзотектогенезу з метою великомасштабного геоекологічного картування (на прикладі м. Одеси)”. Матеріали і результати досліджень, пов'язаних з мікроблоковою будовою території Одеси і режимом високочастотних змін НДС масиву порід, неодноразово використовувалися, — хоча, кінець кінцем, і не повністю взяті до уваги, — в ході обговорення проблеми захисту Одеського театру опери і балету. Управління інженерного захисту території міста Одеського міськвиконкому в своїй діяльності використовує результати, отримані нами при вирішенні прикладних задач, пов'язаних з оцінкою ІГ і гідрогеологічних умов на локальних ділянках території Одеси. В першу чергу — це закономірності внутрішньо- і міжрічних змін РҐВ, які дозволили дати довгостроковий прогноз підтоплення території міста як у часі, так і у просторі. Багато які аспекти концепції ГРЕ, а також отримані на її основі геологічні і гідрогеологічні результати використовуються в учбовому процесі, зокрема, при читанні лекцій і в ході семінарів з курсів “Геоморфологія з основами четвертинної геології”, “Системні методи інженерної геодинаміки” і “Еколого-геологічний моніторинг”.
Особистий внесок автора. Постановка і рішення всіх задач, перерахованих в пунктах “Мета і задачі дослідження”, “Наукова новизна отриманих результатів” і “Основні положення, що захищаються”, є розробками автора. Зокрема, автор самостійно (1) сформулював систему постулатів концепції ГРЕ та її наслідки, (2) сформулював основні положення оптимальної геотектонічної моделі, (3) на підставі новітніх даних сейсмічної томографії (H. Davies) построїв екваторіальний розріз Землі, (4) розробив методику порівняльного частотно-резонансного аналізу часових рядів ГГФ систем і зовнішніх чинників, що вимушують, (5) виконав комп'ютерний частотно-резонансний аналіз різних ГГФ часових рядів, (6) вичислив часовий ряд індексу астрономічних подій для інтервалу часу з 1701 до 2040 рр., (7) виконав аналіз опублікованих геолого-геофізичних даних щодо будови тектоносфери ПЗ Чорномор'я, який був спрямований на з'ясування її поверхової будови, (8) обґрунтував модель нелінійного зв'язку між ІК сигналом та рівнем Океану у плейстоцені, (9) на підставі моделі нелінійного зв'язку та новітньої еталонної ІК кривій (Shackleton та ін.) вичислив криві рівня Океану і Чорного моря для останнього мільйона років з кроком 3 тисячі років, (10) розробив (та реалізував на прикладі терасових рядів о-ва Сумба (Індонезія) та ПЗ шельфу Чорного моря) метод неотектонічного аналізу на основі гляціоевстатичних кривих рівня моря, (11) сформулював модель космозалежної геологічної еволюції ПЗ Чорномор'я у плейстоцені, (12) виконав комп'ютерне моделювання рельєфу основних геологічних поверхонь території Одеси і на цієї основі побудував карту диз'юнктивів, (13) виконав комп'ютерну обробку даних 30-річного моніторингу РҐВ на території Одеси, (14) сформулював модель структурно-тектонічного дренажу, яка пояснює поліциклічний характер коливань РҐВ в Одесі, та підтвердив комп'ютерним моделюванням її працездатність.
Апробація результатів дисертації. Частина теоретичних положень роботи і значна частина результатів прикладних регіональних досліджень були представлені на таких форумах: Міжнародному симпозіумі “Тектоніка і вулканізм планет” (Єреван, 1977), семінарі “Застосування експресних методів при виконанні екологічних досліджень” (Київ, 1996), 3-ій Українській науково-технічній конференції “Механіка ґрунтів і фундаментобудування” (Одеса, 1997), 1-му Азіатському симпозіумі “Environmental and Safety Concerns in Underground Construction” (Корея, 1997), науково-технічній конференції “Основні напрями забезпечення безпеки населення та стійкості функціонування господарства України при загрозі виникнення природних та техногенних катастроф” (Київ, 1996), науково-технічній конференції “Проблемі техноприродних аварій і катастроф у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів” (Київ, 1997), 2-й міжнародній конференції “Environment Management (ICEM2)”, (Австралія, 1998), науково-методичній конференції, присвяченій 85-річчю В.Д. Ломтадзе (С.-Петербург, 1997), 8-му міжнародному конгресі “Engineering geology and environment” (Канада, 2000), 2-ій міжнародній конференції “Application Micro- and Meioorganisms to Environmental Problems” (Канада, 2000).
Публікації. Всього по темі дисертації опубліковано 35 наукових робіт, у тому числі: 2 монографії (об'ємом 10,8 і 29,0 друк. арк.), 19 статей в наукових спеціалізованих виданнях, 14 статей в “Матеріалах” і “Тезах” симпозіумів і конференцій.
Структура й обсяг роботи. Обсяг тексту складає 333 сторінки, робота складається з "Вступу", 6 розділів, "Висновків" і списку літературних джерел (249 найменувань). Робота містить 63 малюнка і 12 таблиць.
Подяки. На протязі кількох років автор відчував постійну увагу і доброзичливе відношення до його роботи з боку друзів і колег — О.І. Висоцького, Ю. Гороховича, В.М. Забудського, Л.В. Іщенко, Т.В. Козлової, В.М. Кравцова, О.Г. Ліходедової, О.П. Прошіна, Є.О. Чеміза, Є.А. Черкеза. Їх тепло і підтримка були важливим стимулом в роботі. Автор вдячний М.Ф. Ротарю, яки взяв на себе турботи по перекладу тексту автореферату на українську мову. Автор вдячний за допомогу співробітникам кафедри інженерної геології і гідрогеології — Н.В. Дащенко, О.В. Драгомірецкому, В.І. Калініченко, Є.Г. Конікову, О.В. Кругловії, І.М. Крижановськой, Д.В. Мелконян, Л.Ф. Назаренко, Г.С. Педан, М.Ф. Ротарю, О.Е. Чуйко, Є.С. Штенгелову. Автор вдячний Г.М. Каттерфельду, а також І.О. Одеському, А.Х. Кагарманову (Гірський ін-т ім. Г.В. Плеханова, С.-Петербург), В.П. Палієнко (Ін-т Географії НАНУ), Б.І. Кислому (Казахстан) за високу оцінку і ряд корисних зауважень по монографії “Гравітаційно-резонансний екзотектогенез”.
Консультантами автора з деяких питань були Е.А. Черкез і Ю.Д. Шуйський. Автор виражає їм свою вдячність.
Першими критиками і “жертвами” пошуків автора були його дружина Ніна і сини В'ячеслав і Олексій. Низький їм уклін за те терпіння і мужність, з якими вони “несли свій хрест”.
ЗМІСТ РОБОТИ
1. Базові принципи концепції ГРЕ. В розділі сформульовано три принципи, які можна вважати надійно обґрунтованими положеннями природознавства взагалі і наук про Землю, зокрема. Один з них — сформульований в 1896 р. П. Кюрі універсальний принцип симетрії. Звичне в кристалографії поняття симетрії було поширено їм на все фізичні явища. В межах концепції ГРЕ принцип симетрії сформульований таким чином: в загальному випадку будь-який об'єкт, що еволюціонує, містить елементи симетрії формуючого його середовища; в неспотвореному вигляді зберігаються тільки ті елементи власної симетрії, які співпадають з елементами симетрії середовища; диссиметрія об'єкту — це важлива діагностична ознака впливу на об'єкт якихось додаткових “екзогенних” або “ендогенних” чинників.
Важливо підкреслити, що в прийнятій нами інтерпретації принцип симетрії розповсюджується не тільки на просторовий, але і на часовий аспект взаємодії.
Другий базовий постулат — принцип міжпланетного резонансу — заснований на гіпотезі, запропонованій в 1960-х роках радянським математиком О.М. Молчановим: Сонячна система — це нелінійна коливальна система, яка в геологічному масштабі часу еволюціонує у напрямі максимальної синхронності більшості різночастотних астрономічних, планетарних і геофізичних подій. На сучасному часовому зрізі вона знаходиться в стані, близькому до резонансного; це виражається в наявності зв'язку між орбітальним рухом і осьовим обертанням деяких планетних тіл (спін-орбітальний резонанс), а також в том, що орбітальні частоти багатьох планетних тіл рівні, кратні або знаходяться в раціональних відношеннях між собою (орбітальний резонанс). Геологічно важливим окремим випадком є спін-орбітальний резонанс Землі.
Третій базовий постулат (в основі якого лежать головним чином результати робіт Б.Л. Лічкова, Г.М. Каттерфельда, В.Г. Бондарчука, І.І. Чебаненко) — принцип тектогенезу: тектогенез, як планетарне явище, — це функція маси планети, він можливий тільки на такому планетному тілі, гравітаційний потенціал якого, перевищує деяку критичну величину. Тектогенез включає два елементи: екзотектогенез (реакція тектоносфери на астрономічні події) і ендотектогенез (направлена еволюція протопланетної речовини). Енергетичне “підживлення” екзотектогенезу неухильно зростає за рахунок еволюційного наближення Сонячної системи до стану гравітаційного резонансу; енергія, яка “живить” ендотектогенез, навпаки, неминуче вичерпується в геологічному процесі у міру того, як вона витрачається на ускладнення структури тектоносфери. Відносна роль екзотектогенезу і структурованість спектру його активізації в геологічному часі зростають на фоні поступово затухаючого ендотектогенезу.
Запропонована нами теза “розділення” єдиного процесу тектогенезу на “ендогенний” і “екзогенний” компоненти важлива не тільки і, можливо, не стільки в змістовному відношенні, скільки з методичної точки зору. Мається на увазі перспектива розробки і вдосконалення методів вивчення реакції геосистем на зовнішні збурюючи впливи. В першу чергу це торкається “високочастотних” подій, актуальних при вивченні природи сучасних небезпечних геологічних процесів.
2. Бінарна структура тектоносфери. Глобальний тектогенез (і ендогенний, і екзогенний) відбувається під контролем гравітаційних сил. З принципу Кюрі витікає, що просторова симетрія тектогенезу в загальному випадку повинна підкорятися симетрії поля земного тяжіння, тобто в першому наближенні симетрії кулі. Осі і площини симетрії кулі повинні контролювати тип тектогенезу, який ми називаємо “радіальним”, а симетрія подібності А.В. Шубнікова, або “симетрія матрьошки”, — тип тектогенезу, названий нами “сферичним”. Основні тенденції розвитку геотектоніки підтверджують такий наслідок принципу Кюрі. Двом названим типам тектогенезу — сферичному і радіальному — відповідають, в порядку переліку, такі поняття сучасної геології як “тектонічна розшарованість” і “блоково-мозаїчна будова літосфери”. Перше з них в нинішній час зв'язується з концепцією тектонічної розшарованості літосфери (О.В. Пейве, С.В. Руженцев, В.Г. Тріфонов, Л.І. Лобковській, Ю.Г. Леонов, Ю.М. Пущаровській та ін.), а друге — з концепцією геоблокової подільності і геосинклінально-платформеної еволюції земної кори (Дж. Хол, Е. Ог, М.С. Шатський, В.В. Белоусов, В.Є. Хаїн, І.І. Чебаненко та ін.).
Фактичний матеріал, накопичений в межах названих концепцій особливо виразно підкреслює саме ті особливості будови тектоносфери, які теоретично виходять з базових принципів концепції ГРЕ — принципів симетрії і тектогенезу. Найважливіша з цих особливостей — тангенціальна і радіальна структурно-реологічна диференційованість речовини тектоносфери на “крихке” і “пластичне”, на “рухливе” і “інертне”. Концепція розшарованості і теорія геосинкліналей дають емпіричну базу, а принципи симетрії і тектогенезу — теоретичну підставу для того, щоб узагальнити уявлення про ГГФ неоднорідність властивостей речовини тектоносфери в понятті “георецептор”.
Георецептором ми називаємо елемент геосистеми будь-якого рівня ієрархії, що має максимальну "піддатливість" і здатний, завдяки цьому, першим реагувати на зовнішнє збурення, що змушує, активізуючи тим самим зв'язану з ним геосистему і погоджуючи тимчасову симетрію її відповідних реакцій із симетрією впливів, що змушують, у загальному випадку прагнучи перевести геосистему в резонансний режим з цими зовнішніми впливами.
Відповідно до симетрії гравітаційного поля, георецептори тектоносфери ми поділяємо на два класи — георецептори сферичної і радіальної симетрії. Георецептори сферичної симетрії –– це астеносфери й астеношари, розташовані на декількох гіпсометричних рівнях тектоносфери (вони контролюють тектогенез, який ми іменуємо сферичним). Георецептори радіальної симетрії — це дизъюнктивы різних ієрархічних рівнів, за посередництвом яких здійснюється енергомасообмін між астеносферами різних глибин (радіальний тектогенез).
З погляду концепції ГРЕ, саме георецептори — за фактом свого існування — не дозволяють тектоносфері залишатися незмінною у фізичних полях Землі, що змінюються, і Сонячної системи.
Сферичний тектогенез. Результати ГГФ досліджень і теоретичні моделі (В.Н. Жарков, В.В. Кесарєв, В.М. Миколаївський, В.І. Шаров, О.В. Пейве, А.В. Чекунов та ін.) дозволяють обґрунтовано говорити про існування, як мінімум, п'яти астеносфер планетарного масштабу. Це — внутрішньокоровий хвилевід, зона підвищеної пластичності поблизу межі Мохо, “класична” астеносфера, зона зниженої механічної добротності на глибині 700-900 км, зона низької механічної добротності на межі ядро-мантія. Перераховані “пластичні” геосфери (георецептори) чергуються з більш “в'язкими” (“інертними”) геосферами.
Концентрична вкладеність геосфер, спряжені пари яких володіють контрастними реологічними властивостями, створює сферично-симетричну бінарну структуру тектоносфери. Дві спряжені і взаємодіючі геосфери, одна з яких виконує роль георецептора, а інша — роль інертної ланки, утворюють своєрідний “бінарний квант” тектоносфери. Бінарні кванти сферичної симетрії в масштабі планетарної тектоносфери формують декілька структурно-геофізичних поверхів (СГП). На планетарному рівні обґрунтовано можна говорити про п'ять СГП — внутрішньокоровий, коровий, літосферний, верхньомантійний і ніжньомантійний. Літолого-петрографічна розшарованість геологічного розрізу будь-якого відносно крупного осадового басейну — універсальне явище. Тому виділення “бінарних квантів” структурно-геофізичних поверхів та ярусів (СГП і СГЯ) можливо і методично доцільно, якщо цього вимагає ціль дослідження, в геосистемах регіонального і локального масштабів.
Радіальний тектогенез контролюється і керується субвертикальною системою дискретності геопростору — системою потенційних і реально існуючих диз'юнктивів різного масштабу, різної природи і морфології; вони сприяють зменшенню інертності тектоносфери по радіальній координаті на різних її поверхах у відповідь на зовнішнє збурення, створюючи тим самим її “радіальну міру свободи”.
На відміну від традиційного розуміння цього терміна, у рамках концепції ГРЕ диз'юнктивом називається георецептор радіальної симетрії, такий, що фізичні властивості геосередовища усередині зони його впливу і за її межами істотно розрізняються; у структурному відношенні диз'юнктив — це тривимірне геологічне тіло, принаймні, один з лінійних розмірів якого набагато більше інших. Прикладами диз'юнктивів можуть бути зони підвищеної проникності, підвищеної тріщинуватості, глибинних розломів, геосинклінальні пояси, магматичні канали вулканічних структур, астеноліти, плюми і т. п.
Подібно сферичним георецепторам, радіальні георецептори — диз'юнктиви — утворюють складну ієрархічно побудовану систему. Відповідно до логіки концепції ГРЕ, система диз'юнктивів даного ієрархічного рівня генетично і просторово пов'язана зі “своєю” астеносферою, утворюючи тим самим тривимірну систему георецепторів даного СГП. З принципу глибинності В.Є. Хаїна і В.В. Белоусова (“чим ширше площа, охоплена однозначними рухами і деформаціями, тим глибше лежить джерело їх збудження”) витікає, що характерний тектонічний крок латеральної розчленованості даного СГП або СГЯ пропорційний глибині залягання його астенослоя. Тому у загальному випадку верхня частина земної кори — це найбільш складно побудована зона тектоносфери, куди, як на екран, “проектуються” диз'юнктиви всіх СГП і СТЯ; тут максимально можливу ширину має як діапазон характерних розмірів геоблоків (від багатьох тисяч кілометрів до декількох десятків метрів і менше), так і діапазон періодів активізації диз'юнктивів (від багатьох сотень млн. років до декількох діб і годин).
Радіально-сферична симетрія тектоносфери на глибинних рівнях до ядра переконливо підтверджується даними сейсмічної томографії. На підставі томографических карт Дж. Х. Девіса (Кардиффський університет, Уельс) нами побудований широтний розріз земної кулі по 20° півн. шир. (рис. 1). “Малюнок” розподілу плюмов (точніше, аномалій знижених сейсмічних швидкостей) відповідає теоретично очікуваній спіральній структурі (спіральна структура обумовлена гравітаційним впливом Місяця і планет, що приводить до поліциклічного зменшення швидкості осьового обертання Землі в геологічному часі, у результаті чого речовина астеносфер планети “біжить” вперед у напрямку її обертання відносно до більш в'язких геосфер). Радіальні рецептори тектоносферы (диз'юнктиви), що у верхніх поверхах тектоносфери представлені активними поясами, геосинклінальними зонами, глибинними розломами і т. п., на глибинних рівнях в екваторіальному зрізі планети утворюють п'ять спіральних рукавів перегрітої (“пластичної”) речовини. При цьому “внутрішня структура” рукавів також не випадкова. У “увігнутих” (західних) частинах кожного з п'яти рукавів спостерігаються субгоризонтальні “відгалуження”, що створюють у цілому асиметричну “пір'ясту” структуру рукавів.
Якщо наші припущення і наша інтерпретація приведених даних томографії є вірними, то в цілому для Землі варто визнати, по-перше, екваторіальне “скручування” геосфер із заходу на схід, по-друге, глибокі (до ядра) і досить стійкі в геологічному часі спіралєвидні енергетичні канали, що “живлять” тектонічну активність поверхневих геоструктур, по-третє, у цілому досить високу “пластичність” речовини тектоносфери. Останнє саме і дозволяє тектоносфері адекватно реагувати на зовнішні збурення в широкому діапазоні частот.
Зараз “відірваність” окремих плюмів один від одного, їх “плямистий” і, на перший погляд, хаотичний розподіл у просторі тектоносфери інтерпретується як указівка на те, що плюми здатні зароджуватися і зароджуються на різних гіпсометричних рівнях. У рамках концепції ГРЕ і з урахуванням спіральної структури екваторіального сейсмотомографічного зрізу Землі цей факт можна трактувати трохи інакше. У нашій інтерпретації, окремі “плями” плюмів у межах деякого спірального рукава є не самостійними плюмами, що зародилися на різних глибинах, а елементами єдиного енергомасопотоку, що виникає в головній “реакційній” геосфері планети — на границі ядро-мантія — на визначеному етапі тектоно-магматичного циклу. Потім, у ході подальшої еволюції енергомасопотоку, він переміщується нагору, зустрічаючи і перетинаючи кілька астеносфер. У межастеносферному просторі потік відносно “остигає” і “розривається”, а в просторі астеносфер, навпроти, “нагрівається” за рахунок ротаційно-інерційних сил, активізується й утворює бічні відгалуження від основного каналу.
Уява про бінарну структуру тектоносфери чудово узгоджується з відомими фактами і моделями регматогенезу, тобто теоретично пояснює зв'язки радіального тектогенезу з ротацією. Вона відкриває перспективи нових підходів до проблем “сферичний тектогенез і ротація”, “радіальний тектогенез і ротація” “георецептори і тектонічні хвилі”.
На закінчення 2-го розділу сформульований принцип бінарності: тектоносфера Землі має бінарний тип будови. Сферичні і радіальні георецептори утворюють планетарну ієрархічно побудовану тривимірну “астеномережу” радіально-сферичної симетрії, яка, перебудовуючись в ході геотектонічної еволюції, на будь-якому часовому зрізі закономірно “квантує” геологічний простір за реологічними та іншими геолого-геофізичними властивостями, забезпечуючи тим самим дві потенційні міри свободи для розповсюдження різночастотних тектонічних імпульсів. В геологічній еволюції система радіальних і сферичних георецепторів, по-перше, грає роль енергетичних субгоризонтальних поверхонь і міжастеносферних субвертикальних каналів енергомасопереносу і, по-друге, дає можливість синхронізації геолого-геофізичних і геотектонічних подій з подіями астрономічними.
3. Принцип планетарного резонансу. В даному розділі розглянуті можливості застосування принципу Кюрі у часовому аспекті. Траєкторію еволюції геосистеми можна представити у вигляді часових рядів зміни тих або інших параметрів її поточного стану. В цьому випадку спектр періодів зміни параметрів стану є ключем до розуміння природи геосистеми. У зв'язку з вивченням резонансних властивостей геосистем нами введено поняття “часової симетрії системи”. У нашому розумінні часова симетрія геосистеми — це властиві геосистеме будь-якого рівня ієрархії особливості активізації в часі, що віддзеркалюються у хронологічній структурі і періодограмі (частотному спектрі) часового ряду деякого параметра її стану.
Формування і розвиток будь-якої геосистеми, будь-якого планетного тіла і Сонця відбувається в середовищі Сонячної системи, тобто в просторі збурених фізичних полів, що безперервно змінюються, у тому числі і гравітаційного. Відповідно до принципу Кюрі, часова симетрія цих збурень може частково або повністю зберігатися в часовій симетрії функціонування більшості або навіть всіх типів ГГФ систем. Згідно принципу бінарності, необхідною умовою еволюції геосистем в резонансі (квазісинхронно) із зміною фізичних полів Сонячної системи є наявність в структурі геосистеми георецепторів. Для відповіді на питання, чи реалізується така можливість насправді, важливо з'ясувати в першу чергу, чи існує резонансний зв'язок між зміною параметрів екзосфери Сонця і гравітаційними збуреннями, створюваними рухом планет.
Як відомо, є дві гіпотези, покликані пояснити спостережувану періодичність сонячної активності — так звані “екзогенна” і “ендогенна”. Перша пов'язує циклічність з “елітними” конфігураціями планет (Е. Аббе, В. Делярю, К. Біркеланд, Е. Браун, Р. Вольф та ін.), друга — з процесами, що відбуваються на Сонці і пояснюються виключно направленою “самоорганізацією” зоряної речовини (В. Бьеркнес, Вальдмайер та ін.).
Певним конфігураціям планет вже давно надається провідне значення як чиннику, потенційно здатному генерувати в просторі Сонячної системи передбачені варіації фізичних полів (у тому числі і гравітаційного). В цьому відношенні найбільшу увагу привертають лінійні конфігурації — розташування двох і більш планет в якийсь момент часу на одній лінії одна з одній і по одну сторону від Сонця. Для епохи 1701-2040 рр. нами обчислений часовий ряд параметра, який ми назвали “індексом астрономічних подій F” (Індекс астрономічних подій F (індекс F) — сума таких потрійних з'єднань планет, що мали місце протягом даного року, при яких максимальний діапазон довготи трьох даних планет, розташованих по одну сторону від Сонця, не перевищував 10 градусів). Цей ряд використовується нами для з'ясування питання про можливу резонансну реакцію Сонця і геосистем різного типу на передбачувані гравітаційні збурення з боку планет.
Порівняльний частотно-резонансний аналіз рядів різних ГГФ процесів і індексу астрономічних подій виконувався на основі авторської методики, в основі якої лежить припущення про те, що Земля, як планетарна геосистема, що еволюціонує у фізичних полях Сонячної системи, що змінюються, і — у загальному випадку –– усі її підсистеми є нелінійними, дисипативними, здатними генерувати параметричні збуджені коливання. Як відомо, параметричний резонанс виникає за умови: 2p ≅ nw, де p — це період зміни зовнішнього впливу, w – період параметрично збуджених коливань у системі, n = 1, 2, 3 ... (чим більше n, тим менше енерговплив на систему).
Нами виконаний порівняльний аналіз часових рядів індексу астрономічних подій (F) і чисел Вольфа (W). З'ясовується, що на інтервалі 1701-2000 рр. сонячна активність знаходить велику кількість резонансів з астрономічними подіями. Між часовими рядами F і W на 40 різних частотах, відповідних періодам від 2,13 до 23,81 року, виявляються (с точністю не менш 1%) резонанси 2:1 (на 15-ти частотах), 1:1 (на 21-ої частоті), 2:3 (на 15-ти частотах), 1:2 (на 11-ти частотах), 2:5 (на 5-ти частотах), тобто всього 67 резонансів. Це означає що у формуванні різнопорядкової хронологічної структури циклів сонячної активності якщо не єдину, то важливу роль грають гравітаційні збурення планет. Ендогенна еволюція Сонця, що відбувається по “своїх” (“зоряних”) законах, узгоджується у часі з багаточастотним ритмом, що вимушує, який задається рухом планет.
З цього факту ми робимо висновок: Сонце — це своєрідний природний інструмент, який інтегрально реєструє часову симетрію гравітаційних збурень. Звідси витікає, що ряд W можна інтерпретувати не тільки як показник електромагнітних збурень сонячної атмосфери, але і як непрямий показник гравітаційних збурень в просторі Сонячної системи, він — фундаментальна динамічна характеристика її гравітаційного простору, простору, який є середовищем, де еволюціонують Сонце, планети і геосистеми будь-якого ієрархічного рівня. В цьому зв'язку важливим виявляється питання, чи існують подібні резонансні зв'язки між часовою симетрією астрономічних і ГГФ подій? Обчислення показують, що позитивна відповідь на це питання не тільки витікає, як логічний наслідок, з принципу Кюрі, але і узгоджується з фактичними даними.
Нами обчислені резонансні співвідношення між астрономічними (ряд F) і декількома ГГФ подіями, між геліофізичними (ряд W) і ГГФ подіями, а також між деякими ГГФ подіями. Всього, з цієї точки зору, нами вивчені резонансні зв'язки в 12 парах часових рядів (табл. 1). На рис. 2 для приклада показані результати аналізу частотно-резонансного зв'язку астрономічних подій і сейсмічної активності Землі. У тексті роботи аналогічні рисунки ілюструють усі пари часових рядів, яки указані в табл. 1. Наш загальний висновок можна сформулювати так: всі вивчені пари часових рядів, принаймні, не дають підстав відкинути гіпотезу про резонансний зв'язок астрономічних подій з ГГФ подіями і ГГФ подій між собою.
Отримані результати дозволяють вивести наступне. Вивчені ГГФ події на самих різних частотах відбуваються в резонансі з геліофізичними і астрономічними подіями. При цьому, природно, ми не заперечуємо внутрішніх причинно-наслідкових зв'язків в геосистемах. Зрозуміло, наприклад, що активність Сонця безпосередньо впливає на атмосферні і численні інші процеси в екзосфері Землі. Проте наша точка зору полягає в тому, що часова симетрія процесів в атмосферах Землі і Сонця (W-GT, W-SOI) обумовлена не стільки тим, що процеси в земній атмосфері породжуються варіаціями сонячної активності, а в основному тим, що існує загальна для них причина — гравітаційні збурення в просторі Сонячної системи (F-W, F-GT, F-SOI). Саме тому ми вважаємо, що електромагнітна активізація сонячній екзосфери, з одного боку, і активізація атмо-гідросферних подій і сейсмічності тектоносфери Землі, з іншого, — це процеси одного генетичного рівня. Вони мають загальний “хронометр”, загальні події, що “вимушують”, — багаточастотні гравітаційні збурення в просторі Сонячної системи.
Таблиця 1. Резонанс астрономічних і ГГФ подій
n — довжина часового ряду (в роках). P — теоретична сумарна кількість можливих резонансних співвідношень 2:1, 1:1, 2:3, 1:2 і 2:5, обчислених на основі часового ряду чинника. Q — кількість значущих періодів в періодограмі часового ряду параметра системи, що вивчається. N1 — сумарна кількість спостережуваних резонансних періодів (з точністю не менш 1%). N2 — сумарна кількість спостережуваних резонансних періодів (з точністю не менш 2%). R1,2 — індекс часової симетрії параметра геосистеми (R = N / Q ). Індекс диссиметрії D рівний, відповідно, D = 100 – R.
Першим в кожному рядку таблиці вказаний часовий ряд, що грає роль чинника, який вимушує.. F — індекс астрономічних подій. W — числа Вольфа. LOD – прискорення осьового обертання Землі. MAG — сумарна магнитуда зареєстрованих на Землі землетрусів. GT — глобальна температура атмосферного повітря на рівні моря. SOI — індекс Південного коливання. DAN — середньорічний об'єм природного стоку Дунаю. BSL — рівень Чорного моря. ODP — кількість атмосферних опадів в Одесі.
Висловлені результати, а також сучасні ІК літописі пліо-плейстоцену у зв’зку з теорією М. Міланковича, дозволяють сформулювати принцип планетарного резонансу: еволюційна самоорганізація геосистем відбувається не в “вільному режимі”, а під впливом багаточастотних збурень фізичних полів Сонячної системи, який змушує. У геологічному масштабі часу в широкому діапазоні частот виникає резонанс активізації геосистем, що піддається кількісній оцінці, і космічного середовища, у якій вони еволюціонують. Квазісинхронність геліофізичних і багатьох геолого-геофізичних подій виникає в результаті єдиної для всіх природних систем причини їхньої активізації — збурень гравітаційного й інших фізичних полів в біля-сонячному просторі.
Що стосується фізичних механізмів, за допомогою яких ті або інші геосфери реагують на збурення зовнішніх впливів, то для атмосфери такими механізмами можуть бути, наприклад, варіації електромагнітного поля, мінливість термобаричних полів і т. д., океан може відгукуватися, змінюючи структури глибинних і поверхневих течій, глобальна кліматична система — перерозподілом поверхневих вод і періодичною “консервацією” їх на суші у вигляді покривних і гірських зледенінь. Для тектоносфери можна назвати два найбільш вірогідних і ефективних механізму резонансного відгуку на зовнішні збурення — ротаційний і хвильовий, — які не виключають один одного.
З принципу Кюрі, факту дискретності астрономічних подій і принципу планетарного резонансу логічно витікає, що резонансно-залежні ГГФ процеси також повинні мати дискретну часову структуру, тобто геологічний час неминуче “квантується” відповідно до ієрархії спектру астрономічних подій. Це логічне слідство принципу планетарного резонансу сформульовано нами як принцип квантування “геологічної енергії”: еволюція геосистем, їх перехід з одного стану в іншій керується не тільки ендогенними законами розвитку, але і часовою симетрією (“тактовими частотами”) зовнішніх збурень, зокрема, збурень фізичних полів в просторі Сонячної системи; це виражається в екзогенно обумовленому (астрономічно обумовленому) квантуванні актуальних геологічних подій і геологічного літопису у широкому діапазоні частот.
Механізм квантування здатний змінювати характерну частоту якого-небудь одного геологічного процесу залежно від частоти іншого. Це значить, що якщо одна з взаємодіючих геосистем синхронізована із зовнішніми чинниками, що “вимушують”, цілком імовірно, що вона рано чи пізно здатна “настроїти” на відповідну частоту і систему, з нею взаємодіючу. У такий спосіб механізм квантування в ході геологічної еволюції може поступово “втягнути” безліч геосистем різних ієрархічних рівнів в структуру єдиного багаточастотного гравітаційно-резонансного спектру Сонячної системи.
4. Базова геотектонічна модель. Внутрішня логіка моделі ГРЕ полягає в наступному. Основним в системі постулатів є універсальний принцип симетрії Кюрі. Він визначає найбільш загальний закон взаємодії геосистем з навколишнім середовищем. Принцип міжпланетного резонансу визначає основну властивість Сонячної системи, як середовища, що “збурює” функціонування практично будь-якої геосистеми. Принцип тектогенезу дозволяє із усього спектру планетних тіл Сонячної системи виділити клас потенційно тектонічних, тобто таких, які, через свою надскладність і системність володіють емерджентними властивостями і тому в своїй еволюції підкоряються геологічним (планетологічним, в широкому значенні) законам, а не тільки законам фізики та хімії. Принцип бінарності стверджує, що тектоносфера володіє тривимірною багатопорядковою системою георецепторів, закони активізації і еволюції яких і є по суті законами геотектогенезу у всіх відомих його виявах і просторово-часових масштабах. Принцип планетарного резонансу постулює, що будь-яка планета, яку можна віднести до класу тектонічних, тривало еволюціонуючи в Сонячній системі, прагне до стану резонансної (квазісинхронної) взаємодії з навколишнім середовищем не тільки на рівні параметрів орбітального руху, але і в своєму ендогенному розвитку. Логічним слідством принципу планетарного резонансу є принцип квантування “геологічної енергії”, який зумовлює “нав'язану” астрономічними чинниками метрику геологічного літопису.
Методологія концепції ГРЕ дозволяє сформулювати тези “оптимальної” геотектонічної моделі, які логічно виходять з перерахованих вище постулатів. Основні з них вибірково приводяться нижче (нумерація пунктів збережена згідно тексту дисертації; текст деяких з приведених тут пунктів скорочено):
1) головна особливість тектогенезу полягає в тому, що його просторова симетрія підлегла сферично-радіальній симетрії гравітаційного поля планети, а часова симетрія — симетрії багаточастотного гравітаційно-резонансного спектру збурень в просторі Сонячної системи взагалі і в системі Земля-Місяць, зокрема;
2) екзотектогенез, як реакція тектоносфери на складний спектр збурень фізичних полів, можливий тільки завдяки специфіці тектоносфери: в її структурі є георецептори, яки забезпечують потенційну можливість як горизонтальних рухів, так і вертикальних;
7) активізація сферичних георецепторів, зароджуючись в головному реакційному шарі, — на межі ядро-мантія, — розповсюджується знизу нагору, послідовно активізуючи всі планетарні астеносфери аж до внутришньокорового хвилеводу. Процес цей розвивається квазіциклічно, підкоряючись багаточастотному спектру гравітаційних збурень. Можна припустити, що типовий період активізації астеносфери на межі ядро-мантія ініціюється астрономічними подіями, пов'язаними з галактичним рухом Сонячної системи, і відповідає в астрономічному “календарі” галактичному року і його “сезонам”, а в геотектонічному “календарі” — тектоно-магматичному циклу і його фазам;
8) неоднорідність тектоносфери призводить до того, що відцентрове розповсюдження тектонічних імпульсів, яки слідують один за однім, відбувається не рівномірно по всьому фронту сферичної “хвилі”, а переважно і з найбільшою швидкістю по “каналах” радіальних георецепторів. На межі ядро-мантія виникає декілька вогнищ активності, які поступово трансформуються в спіральні рукави прогрітої речовини мантії (суперплюми) (див. рис. 1);
10) чим вище за СГЕ, тим “жорсткіше” структурний план його радіальних георецепторов “прив'язаний” до системи координат еліпсоїда обертання, а ендогенні тектонічні процеси все більш ефективно “коректуються” ротаційно-інерційними силами;
12) у всіх частотних діапазонах поліциклічна нерівномірність осьового обертання планети створює знакозмінне силове поле, яке стимулює квазіперіодичну механічну і фізико-хімічну активізацію речовини радіальних і сферичних георецепторов, а услід за ними — відповідну активізацію тектоносфери в цілому, тобто багаточастотна зміна НДС порід верхніх СГП;
13) ротаційно-обумовлені поліциклічні пульсації георецепторів — один з найважливіших механізмів резонансного відгуку тектоносфери на зовнішні збурення. Цей механізм грає роль не тільки додаткового енергетичного чинника тектогенеза, але і чинника інформаційного, який просторово “структурує” і “організовує” в часі поліморфні перетворення, фазові переходи і інші процеси, що відбуваються в реакційних шарах (астеносферах). Всі автоколивальні процеси, які виникають в екзосфері і в тектоносфері планети, резонансно “налаштовуються” до збурення, що викликані астрономічними подіями. Спектр останніх настільки широкий, що будь-який автоколивальний геологічний процес ендогенної природи з легкістю “відшукає” в цьому спектрі “свій” екзогенний (астрономічний) частотний аналог. Без енергетичного підживлення ззовні ГГФ геотектонічні автоколивальні процеси будь-якої природи навряд чи підтримувалися б достатньо тривалий час;
14) астрономічні збурення “проникають” углиб тектоносфери залежно від їх частотності. За інших рівних умов можна чекати, що діапазон характерних частот активізації геосистем верхніх СГП буде максимальне широким. Тому астеносфери різних СГП можна розглядати не тільки як еволюційні рівні диференціації речовини тектоносфери, але і як рівні, що розрізняються особливостями їх взаємодії з Космосом;
15) тривалість періодів геологічної активізації не довільна: вона контролюється спектром астрономічних подій. Тому “пропуски” тих або інших циклів в геологічному літописі можуть бути відновлені на основі принципу квантування;
16) в рамках концепції ГРЕ найважливішим критерієм ЕГ класифікацій слід вважати ступінь рухливості георецептору (системи георецепторів). Саме цей параметр зумовлює ширину частотного діапазону активізації геосистеми, характерні частоти мінливості ключових параметрів її стану, особливості конкретних механізмів переходу геосистеми з одного рівноважного стану в інший. Звідси витікає, що в основі ЕГ досліджень повинні лежати пошук і вивчення властивостей георецепторів, керуючих даною геосистемою, в першу чергу тих з них, які найбільш “чутливі” до зовнішніх обурень;
17) недооцінка екзотектогенезу приводить до недооцінки квазіциклічних ГГФ подій, які грають роль коливального знакозмінного силового поля, що забезпечує “підготовку” геосистем (іноді достатньо тривалу і непомітну) до катастрофічних руйнувань. Тому в основі прикладних ЕГ досліджень повинен лежати екзотектонічний моніторинг геосередовища — пов'язаний аналіз астрономічних і ГГФ часових рядів і їх інтерпретація на основі уявлень про бінарну і радіально-симетричну структуру тектоносфери;
19) що стосується гіпотетичних механізмів глибинних процесів тектоносфери, то в вирішенні цього питання чималим евристичним потенціалом, — з позицій концепції ГРЕ, — володіє модель А. В. Чекунова (1988, 1991). Вона дозволяє інтерпретувати квазіциклічну активізацію глибинних рівнів тектоносфери в термінах фізики внутрішніх хвиль. Тектоносфера, на думку А. В. Чекунова, з фізичної точки зору, є коливальною системою вже тому, що вона “нестійко” стратифікована по щільності (часто має місце інверсія щільності). В зв'язку з цим, в рамках концепції ГРЕ, є очевидним такий логічний висновок: взаємодія тектоносфери (яка потенційно володіє властивостями коливальної системи) з фізичними полями Космосу, що безперервно змінюються, за мільярди років повинна була вивести її в режим гравітаційного резонансу, оскільки Космос теж може розглядатися в певному значенні як коливальна система, що грає в даному випадку роль сили, що змушує.
20) для створення надійних методів прогнозування високочастотних ГГФ подій першорядним завданням є вивчення законів, які управляють “трансформацією” астрономічних дій, що вимушують, в ГГФ події. Природні геосистеми нелінійні, і це істотно ускладнює рішення багатьох проблем. Проте, можна сподіватися, що розробка методів прогнозу небезпечних природних процесів і явищ на основі астрономічних подій (що передобчислюються на великі інтервали майбутнього) все ж таки принципово можлива, а пропонований шлях пошуку перспективний.
5. Модель космозалежної геологічної еволюції північно-західного Чорномор'я в плейстоцені. У розділі приведені описи використаних методів і результатів вивчення особливостей сучасного рельєфу ПЗ шельфу Чорного моря і прилеглої суші. На основі літературних даних аналізуються результати ГГФ вивчення глибинних рівнів тектоносфери регіону. Наводиться опис авторської методики обчислення кривої гляціоевстатичних змін рівня океану і Чорноморського басейну в плейстоцені, а також результати кількісного вивчення режиму вертикальних тектонічних рухів. Сформульовані основні положення пропонованої моделі космозалежної геологічної еволюції регіону в плейстоцені.
Нижче перераховані основні факти, що характеризують просторово-часові особливості геосередовища ПЗ Чорномор'я, які вдалося одержати на основі авторських розробок і узагальнення опублікованих даних інших дослідників.
1). Для сучасного рельєфу ПЗ Чорномор'я характерний своєрідний “ґратчастий” малюнок гідрографічної мережі. Локальні ґратчасті морфоструктури препаруються сучасною яружно-балочною і річковою мережами, а в межах сучасної акваторії шельфу вони утворені лінійними пониженнями рельєфу.
2). Рози-діаграми простягань елементів гідрографічної мережі регіону і свідчать про їх закономірне орієнтування: переважно розвинуто дві системи — ортогональна і діагональна.
3). Морфометричний аналіз рельєфу методом В. П. Філософова і отримані на його основі т. з. карти тектонічного рельєфу виявляють лінійні параметри ґрат тополінеаментів. Для ортогональних ґрат характерний крок від 7-10 до 20-25 км, для діагональної — на порядок більше (150-200 км).
4). Опубліковані результати геофізичних досліджень останніх десятиріч (В.Б. Соллогуб, А.В. Чекунов та ін.) дозволили виявити особливості глибинної структури тектоносфери на декількох гіпсометричних рівнях. Виявлена неоднорідність астеносфери з погляду її рельєфу і ступеня активізації. Виділяються мегаблоки діагонального орієнтування з характерними розмірами біля перших сотень кілометрів. Результати дешифрування космічних знімків (Н. А. Крилов та ін.) свідчать про збіг загального їх малюнка з даними по рельєфу астеносфери. Судячи з опублікованих геофізичних даних, для рельєфу поверхні Мохо характерне в основному субмеридіональне орієнтування протяжних структур з підвищеною і зниженою потужністю земної кори. Для рельєфу поверхні К0 переважаючим є субширотне орієнтування основних глибинних розломів (В.Б. Соллогуб, А.В. Чекунов, І.І. Чебаненко та ін.).
5). Вивчення глибоководних відкладів Світового океану сучасними методами (N. J. Shackleton та ін.) призвело до ряду фундаментальних результатів в кліматостратиграфії пліо-плейстоцену. Еталоном кліматичних варіацій в масштабі 20-40-100-тисячорічних циклів є еквідистантна ІК крива, обчислена з кроком, рівним 3 тисячам років, для епохи 3-х останніх млн. років. Важливо звернути увагу на синхронний характер зв'язку між еталонною ІК кривою, з одного боку, і кривими ексцентриситету і довготи перигелія земної орбіти, з іншого. Цей факт доводить, що часова канва кліматичного літопису пліо-плейстоцену зумовлюється своєрідним космічним метрономом, функціонування якого пов'язано із закономірними змінами параметрів орбітального і осьового руху Землі.
6). ІК сигнал несе двояку інформацію: він свідчить про зміни об'єму льоду на планеті і температури морської води. Тому принципово можливо обчислення кривої гляціоевстатичних коливань рівня Світового океану, виходячи з ІК літопису. Для цього необхідно знати перехідну функцію між ІК сигналом і об'ємом льоду. Для обчислення перехідної функції нами виконаний порівняльний аналіз висотного положення стародавніх коралових терас, розташованих в тектонічно стабільних регіонах планети, і ІК сигналу на інтервалі останні 150 тисяч років. Отримані дані свідчать про нелінійний зв'язок ІК сигналу і об'єму льоду; на цій основі обчислено дві, найбільш вірогідні, перехідні функції, названі нами “багамською” і “барбадоською”.
7). На основі багамської і барбадоської перехідних функцій обчислено два варіанти кривої гляціоевстатичних змін рівня Океану. Порівняння їх з астрономічним метрономом показує, що з періодичністю близько 100 тисяч років епохам зростання ексцентриситету земної орбіти відповідають епохи міжльодовиків'їв і тривалого високого положення рівня Океану, а епохам, коли орбіта Землі близька до кругової, — епохи зледенінь і регресій Океану.
8). Сучасні дані свідчать про те, що протягом останнього мільйона років всі трансгресії океану, Середземного і Чорного морів хронологічно співпадали. При цьому рівень Чорноморського басейну в плейстоцені ніколи не був нижчим за рівень Океану (В.О. Зубаков, Н.В. Єсін та ін.). На основі багамської і барбадоської моделей рівня Океану нами обчислені відповідні криві рівня Чорноморського басейну (рис. 3).
9). Гляціоевстатична модель рівня Чорноморського басейну, яка обчислена на основі детального ІК літопису, дозволяє на іншому, ніж раніше, рівні підійти до регіональних питань, пов'язаних з вертикальними тектонічними рухами. Нами обчислена неотектонічна модель вертикальних рухів о. Сумба (Індонезія), де знаходяться найбільш повні на планеті сходи плейстоценових коралових терас, вік найстародавнішої з яких складає близько 1 млн. років. Модель свідчить про те, що швидкість тектонічних рухів в цій частині Альпійського геосинклінального пояса змінювалася з періодичністю близько 200 тисяч років, що відповідає одному з циклів зміни нахилу земного екватора до площини екліптики (рис. 5, Е).
10). Результати досліджень, виконаних співробітниками Інституту геологічних наук НАНУ, ПДРГП, Одеського університету, показали, що в межах ПЗ шельфу Чорного моря фрагменти плейстоценових лиманно-морських відкладів маркірують самостійні стародавні берегові лінії восьми гіпсометричних рівнів, на сучасних глибинах близько 7, 14, 20, 25, 31, 32, 37 і 45 м.
11). Нами побудована гіпсометрична крива сучасного рельєфу дна ПЗ шельфу. Для шельфу характерний поділ на дві крупні гіпсометричні сходини, кожна з яких, у свою чергу, поділяється на декілька більш дрібних, так що загальна кількість сходин в рельєфі складає 12 (рис. 4, С). Внутрішній шельф відокремлений від зовнішнього чітко вираженим перегином, який в плані “прив'язаний” до діагональної мережі тополінеаментів. Аналіз особливостей залягання і потужності відкладів новоевксинсько-чорноморського етапу свідчить про те, що перегин рельєфу між внутрішнім і зовнішнім шельфом не може мати абразіонну природу. В першому наближенні ПЗ шельф можна розглядати як гігантський східчастий амфітеатр, “збудований” за канвою діагональних тополінеаментів і обернений у бік глибоководної западини.
12). Достовірну модель режиму вертикальних тектонічних рухів (ВТР) в межах ПЗ шельфу на основі ІК літопису і гляціоевстатичного еталону в нинішній час побудувати не вдається з двох причин. Одна з них — неповнота і фрагментарність геологічного літопису, друга — наявність декількох стратиграфічних схем морського плейстоцену Азово-Чорноморського басейну, які суперечать одна одній. Тому зараз доцільно обчислення декількох альтернативних моделей з метою їх подальшої фактичної перевірки і відбракування невдалих. На основі різних стратиграфічних схем нами обчислено 5 моделей сучасного гіпсометричного положення стародавніх берегових ліній за умови постійної швидкості тектонічних опускань в плейстоцені (т. з. “кореляційні” моделі) (рис. 4, А, В). Їх аналіз однозначно свідчить, по-перше, про те, що протягом плейстоцену середня швидкість ВТР в межах шельфу повинна була помітно змінюватися і, по-друге, про те, що протягом останнього мільйона років у межах шельфу могли сформуватися зворотні сходи терас, що складаються з 12-ти сходин. Звернемо увагу на те, що повна кількість терасових рівнів (теоретично отримано на основі ІК літопису) рівна кількості реально спостережуваних гіпсометричних рівнів сучасного рельєфу шельфу.
13). Нами обчислено дві неотектонічні моделі, найбільш інформативні з погляду подальшої їх перевірки фактичним матеріалом. Вони спираються на різні варіанти стратиграфічної кореляції терасових рівнів з ІК стадіями (рис. 5, А, В). В результаті одна з моделей (А) показала 4 етапи збільшення швидкості опускань (в середньому через 200 тисяч років) (рис. 5, С); для другої моделі (Б) характерна надзвичайно велика швидкість опускань в епоху останнього гляціального циклу, тобто на інтервалі останні 200 тисяч років (рис. 5, D).
Аналіз і інтерпретація перерахованих фактів дозволили на основі концепції ГРЕ сформулювати основні положення моделі космозалежної геологічної еволюції регіону, яка розглядається нами як перспективний напрям досліджень, орієнтованих на підвищення роздільної здатності традиційних геологічних методів. У роботі аргументується справедливість наступних положень:
— головна передумова високої “чутливості” геосередовища ПЗ Чорномор'я до зовнішніх збурень (у тому числі астрономічних) створюється ієрархічно побудованою системою різноповерхових астеносфер (внутрішньокоровий хвилевід, зона підвищеної пластичності поблизу поверхні Мохо, “класична” астеносфера). Енергетичний і тектонофізичний зв'язок між астеносферами здійснюється за допомогою різнопорядкових георецепторів радіальної симетрії — диз'юнктивів, генетично пов'язаних з відповідними астеносферами;
— для диз'юнктивних мереж різних рівнів характерне різне просторове орієнтування: диз'юнктиви астеносферного СГП орієнтовані переважно діагонально щодо географічної системи координат (тектонічний крок — перші сотні км), диз'юнктиви внутрішньокорового СГП — ортогонально (крок — перші десятки км), диз'юнктиви корового СГП утворюють складний плановий малюнок;
— кожний СГП має “свої” специфічні властивості і особливості. Тому ідентифікація конкретного диз'юнктивного порушення як елемента того або іншого СГП “автоматично” вирішує проблему типізації розривних порушень: в загальному випадку все диз'юнктиви даного поверху в заданому частотному діапазоні активізації в певному значенні ідентичні за геофізичними властивостями, тому що генетично пов'язані з одним і тим же рівнем глибинності тектоносфери. Ця теза може бути корисною в дослідженнях і практичних застосовуваннях, де важлива проблема районування території в деякому заданому аспекті. В цьому зв'язку ми спробували розробити тривимірну модель диз'юнктивних порушень трьох верхніх СГП північно-західного Чорномор'я. З зрозумілих причин запропонована в роботі карта-схема є лише ілюстрацією методичних аспектів проблеми і на більше не претендує;
— в морфологічному відношенні сучасний ПЗ шельф нагадує гігантський кутастий амфітеатр з 12 сходин, “вирізаних” по диз'юнктивах північно-східного і північно-західного простягань, розвернутий у бік глибоководної западини. Кількість геоморфологічно виражених сходин і кількість потенційних терасових рівнів (обчислена на основі кривої гляціоевстатичних змін рівня Чорного моря в плейстоцені) співпадає, що навряд чи є випадковим. Ми інтерпретуємо цей факт як резонансну реакцію тектоносфери на квазіперіодичні гляціоевстатичні трансгресії і регресії океану і Чорноморського басейну з періодами 20 і 100 тисяч років;
— основним “мотивом” регіонального тектогенезу в плейстоцені було послідовне розширення ПЗ шельфу за системою диз'юнктивів діагонального орієнтування (формування східчастого амфітеатру (“зворотних” сходів терас), що відбувалося синхронно з формуванням піднятих сходів терас Чорноморського узбережжя Кавказу). Процес занурення і розширення шельфу відбувався синхронно з трансгресіями і регресіями Чорноморського басейну, обумовленими гляціоевстатичним чинником. Можна припустити, що кожний трансгресивний етап (наступаючий з періодичністю близько 100 тисяч років), супроводжувався активізацією діагональної системи диз'юнктивів астеносферного СГП і формуванням чергової сходини шельфу;
— найбільш ймовірно, що основним періодом зміни швидкості ВТР в плейстоцені є період не 200, а 100 тисяч років. З періодичністю 100 тисяч років змінюються орбітальні параметри Землі, що є причиною найбільш виразних планетарних змін клімату і рівня Океану. Глобальні перерозподіли води, льоду і твердих опадів викликають відповідні ротаційні, геоїдальні і гідро-літоізостатичні ефекти, а це активізує астеносфери верхніх СГП, у тому числі і “класичну” астеносферу. В цьому зв'язку нами пропонується якісна модель зміни швидкості ВТР в межах шельфу в плейстоцені;
— процес тектонічних занурень і формування терасових сходин на шельфі з поступовим — від циклу до циклу — їх просуванням у бік суші ми пов'язуємо не тільки з реакцією тектоносфери на гляціоевстатичні варіації планетарного масштабу. Не виключено, що тут чимала роль належить ендотектонічним процесам, пов'язаним з формуванням і розширенням глибоководної западини Чорного моря, як елемента Середземноморського геосинклінального поясу. Процес безперервно-дискретного розширення ПЗ шельфу протягом плейстоцену відбувається в тісному генетичному і хронологічному зв'язку з розширенням глибоководної западини. В роботі наводяться докази (засновані на опублікованих ГГФ даних по шельфу і глибоководній западині) на користь такої гіпотези.
6. Модель космозалежної динаміки геологічного середовища Одеси. У розділі наводяться результати морфометричного аналізу рельєфу основних геологічних поверхонь на території міста, на основі якого побудована карта діз'юнктивів післясарматського СГЯ. Наводиться опис методик і результатів вивчення міжрічних змін УГВ на території міста. Сформульована гіпотеза структурно-тектонічного дренажу. Сформульовані основні положення моделі космозалежної динаміки НДС порід післясарматського СГЯ на території міста (стисло — модель КНДС).
Перерахуємо основні факти, що характеризують просторово-часові особливості геологічного середовища Одеси, які вдалося одержати на основі авторських розробок і узагальнення опублікованих в літературі даних інших дослідників.
1). Вивчення мікрорельєфу декількох геологічних поверхонь по розрізу уздовж профілю дренажної завіси виявляє мікроблокову будову геосередовища Одеси в прибережній зоні плато. Виділяється декілька характерних розмірів мікроблоків: 30-60, 100-200, 400-600 і 800-1200 м (Є. А. Черкез).
2) Аналіз даних 30-річного моніторингу за дебітом фільтросвердловин дренажної завіси показує, що існує декілька стійких у часі зон підвищеної водозбагаченості свердловин. Ці зони утворюють в просторі профілю триступінчату ієрархію і групуються в зони різної ширини. Від року до року водозбагаченість зон уздовж профілю відносно закономірно зміщується, а водозбагаченість в даній свердловині квазіциклічно змінюється. В тих точках профілю, де потужність водотривкого горизонту (червоно-бурих глин) зменшується до нуля, міжрічна мінливість дебіту свердловин принципово не відрізняється від неї там, де потужність водоупора максимальна.
3). Морфометричний аналіз рельєфу поверхонь пліоценових червоно-бурих глин, понтичного вапняку і меотичних глин виявляє дві системи тополінеаментів — діагонального і ортогонального орієнтування. Тополінеаменти групуються в декілька добре виражених зон: 4 зони північно-західного, 4 зони північно-східного, 3 зони широтного і 2 зони меридіонального простягання. Тектонічний крок діагональної системи — близько 1,0-1,2 км, ортогональної — 1-2 км.
4). Поєднання карти зон тополінеаментів з картою швидкості сучасних вертикальних деформацій поверхні, яка побудована на основі даних двох циклів високоточної нівеляції, показує принципову схожість малюнка ізоліній на цих картах (рис. 6).
5). Аналіз результатів 10-річного моніторингу деформацій поверхні схилу в районі Приморського бульвару і геодезичних даних в районі театру опери і балету показує, що малюнок ізоліній деформацій поверхні на цих ділянках утворює систему ортогонально орієнтованих лінеаментів з тектонічним кроком близько 50-100 м.
6). Як інструмент для вивчення властивостей геосередовища Одеси нами використовувалася режимна мережа гідрогеологічних свердловин і дані 30-річного моніторингу за РҐВ по 100-140 свердловинах з часовим кроком 1 місяць. По розробленій нами методиці вивчалася міжрічна динаміка рівня. Для двох ділянок території міста побудовано в цілому 696 карт гідроізогіпс четвертинного водоносного горизонту, а на їх підставі — дві криві, які інтегрально показують характер зміни об'єму обводненої частини лесової товщі за період з 1972 по 2000 рр. Ці криві виявили ряд закономірностей, а саме:
а) в річному циклі висота “купола” ґрунтових вод (в перерахунку на еквівалентний шар) на Північній ділянці (переважно історична частина міста) змінюється на 44 см, на Південній (переважно житлові райони забудови 1960-70-х років) — на 66 см;
б) виявляються три міжрічні цикли зміни рівня, співпадаючі за тривалістю з циклами сонячної активності. При цьому закономірність, що повторилася вже тричі, полягає в тому, що максимум підйому рівня наступає через 1-2 роки після мінімуму чергового циклу сонячної активності;
в) лінійна апроксимація кривих показує, що “вікові” тенденції зміни РҐВ на Північній і Південній ділянках принципово різні: на Північній середня швидкість зміни рівня (в перерахунку на еквівалентний шар) складає +36 мм/рік, на Південному — –2,5 мм/рік.
7). В багатьох спостережних свердловинах виразно виявляється річний цикл ходу РҐВ. На основі сезонного статистичного аналізу нами виконано порівняння сезонної компоненти РҐВ з відповідними компонентами швидкості осьового обертання Землі і кількості атмосферних опадів. Для пари кривих “РҐВ — швидкість обертання Землі” спостерігається їх морфологічна подібність і збіг по фазі. Пара кривих “РҐВ — атмосферні опади” для зимових місяців знаходить спряжений характер зміни, а для літніх — протилежний.
8). В просторовому відношенні річний хід РҐВ (статистично “середній” для періоду з 1972 по 2000 рр.) знаходить зв'язок з діагональною і з деякими елементами ортогональної систем тополінеаментів, про які йшлося вище.
9). Виконано чисельне моделювання міжрічного ходу РҐВ на території Північної і Південної ділянок на основі припущення про лінійний характер зв'язку модельованої кривої з різними поєднаннями кривих зміни кількості атмосферних опадів, швидкості осьового обертання Землі і чисел Вольфа. Найкращий результат одержується за умови обліку або тільки кривих швидкості осьового обертання і чисел Вольфа, або при сумісній участі всіх трьох кривих (рис. 7). Якщо збережуться спостережувані зв'язки даних чинників, чергове міжрічне підтоплення території міста слід чекати, відповідно до результатів моделювання, через 1-2 роки після завершення 23-го сонячного циклу.
Аналіз і інтерпретація перерахованих фактів дозволили на основі концепції ГРЕ сформулювати основні положення моделі КНДС:
— на території міста існує система диз'юнктивів з тектонічним кроком від перших кілометрів до перших десятків метрів, що створює головну передумову високої “чутливості” геосередовища до зовнішніх збурень (у тому числі астрономічних і антропогенних);
— реакція диз'юнктивів на зовнішні збурення виявляється в зміні НДС порід в зоні їх впливу;
— зміна НДС порід, яка обумовлена зовнішніми чинниками, відбувається одночасно на багатьох частотах, відповідних періодичності від доби до декількох десятків років, тобто в діапазоні, найбільш цікавому з еколого-геологічної точки зору;
— диз'юнктиви є вертикальними каналами, що пов'язують поверхню з глибокими горизонтами. Тому в циклі будь-якої періодичності “пропускна спроможність” диз'юнктивів (як каналів енергомасопереносу) протягом фази “розтягнення” збільшується, а протягом фази “стиснення” зменшується. Завдяки цьому система диз'юнктивів стає природним механізмом, який одночасно на багатьох частотах регулює режим зв'язку вище- і нижчезалягаючих геологічних горизонтів по численних параметрах. Таким чином може відбуватися, наприклад, перетікання ґрунтових вод в понтичний водоносний горизонт; цей же механізм може регламентувати рівень забрудненості того або іншого водоносного горизонту, речовинами, проникаючими з поверхні і т. п.;
— часова симетрія функціонування даного природного “регулятора” стану геосередовища, — тобто періодичність активізації, послідовність і тривалість наступаючих одна за однією фаз “розтягнення” і “стиснення” та ін., — все це підкоряється багаточастотному спектру астрономічних впливів;
— визнання моделі космозалежного НДС (і гіпотези структурно-тектонічного дренажу, як її окремого випадку) дає ряд методичних можливостей, зокрема, (1) ми одержуємо ключ для верифікації самої моделі, що навіть у разі її нереальності дає можливість більш глибокого і правильного розуміння природних процесів, (2) з'являється можливість прогнозувати еволюцію численних параметрів геосередовища і тим самим кількісно перевірити гіпотезу по її наслідках, що, як відомо, є однією з основних вимог, що пред'являються до гіпотез; (3) ми дістаємо потенційну можливість коректно “розрізняти” еколого-геологічні ефекти, обумовлені природними і антропогенними чинниками; (4) ми одержуємо теоретичне обґрунтовування для розробки принципово нових методів прогнозу небезпечних геологічних процесів на основі астрономічних подій, що передобчислюються.
Модель КНДС розширює методичні можливості еколого-геологічної типізації території міста. У роботі наводяться приклади типізації: (1) по ступеню підтоплення ґрунтовими водами, (2) по періодичності варіацій НДС порід, (3) по ступеню динамічної неоднорідності фізичних властивостей порід.
Інтерпретація карт останнього з перерахованих прикладів дозволила сформулювати модель “дисперсного екзотектогенезу”. Відповідно до неї, в результаті динамічної залежності між нижніми і верхніми рівнями тектоносфери екзотектогенез на верхніх поверхах набуває своєрідного, розосередженого в просторі, дисперсного, “миготливого” характеру. Поле напруг, що безперервно змінюється, створює і миттєво руйнує динамічні структурні утворення, які з цієї причини можна назвати “ефемерними”. Зони і ділянки стиснення і розтягування безперервно переміщаються в геологічному просторі відповідно до режиму активізації систем діз'юнктивів. Це гіпотетичне явище ми і називаємо “дисперсним екзотектогенезом”. Модель дисперсного екзотектогенезу, — якщо її справедливість буде підтверджена надалі, — через інваріантність принципів ГРЕ може виявитися “працездатною” стосовно геосистем різних просторово-часових масштабів, а не тільки на рівні локальних геосистем.
|
