III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Законы природы приводят к появлению определённого порядка из первоначального хаоса и затем усложнению и развитию образовавшихся упорядоченных структур [1]. Для того чтобы выработать подход, который имел бы возможность приложения к самым различным явлениям в разных научных дисциплинах, был предложен термин синергетика. Термин ввёл Г. Хакен (1980). Происходит слово от греческого «синергена» - содействие, сотрудничество (действующий, работающий). Под синергетикой Г. Хакен предложил понимать область науки, которая занимается изучением эффектов самоорганизации в физических системах, а также в родственных им явлениях в более широком классе систем. Лучшим определением синергетики являются высказывания крупнейших специалистов по нелинейной физике Ю.А. Данилова [2] и Б.Б. Кадомцева [1] - синергетика занимается исследованием процессов самоорганизации (образования, поддержания и распада структур в неравновесных сложных системах). Эти системы имеют вход и выход, то есть обмениваются с окружающей средой потоками энтропии (энергии, вещества, информации). Система может эволюционировать несколькими путями, а изменение параметров системы способно вызвать ветвление пути эволюции - бифуркацию [3].

Сама система является иерархией подсистем, образующих целостность. Протекающие процессы имеют кооперативный (коллективный) характер. К числу сложных систем с подсистемами можно отнести: минерал, горную породу, интрузивные и эффузивные тела, фации и формации в геологии; в биологии - клетка, организм, популяция животных; в ландшафтных зонах - города, страны и др. На рубеже очередного столетия и тысячелетия четко обозначились основные проблемы, с которыми столкнулось человечество, и сценарии дальнейшего развития.

Важное значение для синергетического миропонимания имеет понятие фрактальности (самоподобия). Фракталами обозначают явления масштабной инвариантности, когда последующие формы самоорганизации материальных и социальных систем напоминают по своему строению предыдущие. Такие явления мы довольно часто наблюдаем в природе. Например, изображения множества Мандельброта напоминают структуру некоторых агатов (фото. 1). Наукой давно подмечено, что строение Солнечной системы (как и всех звездных систем) в определенной мере подобно строению атома, но в больших на два десятка порядков пространственно-временных масштабах. Среди обширной литературы по синергетике и проблемам самоорганизации преобладают работы физиков, которые посвящены анализу физической сущности рассматриваемых явлений. Подавляющая часть геологических систем представляет собой системы с химическим взаимодействием, где в ходе физико-химических процессов образуются скопления минералов. 

Статистический подход к проблемам самоорганизации позволяет подойти к анализу самоорганизации открытых систем, критериев их относительной степени упорядоченности [4]. Часть работ по синергетике в области общей геологии и рудообразования уже были ранее выполнены российскими и зарубежными специалистами. Результаты исследований представлены на семинарах: «Геологическая синергетика», 1991г. (Алма-Ата), «Синергетика геологических систем», 1992г. (Иркутск) и «Самоорганизация природных и социальных систем», 1995г. (Алма-Ата). В докладах были обсуждены также явления, как периодичность в размещении рудных объектов; ритмическая кристаллизация расслоенных интрузий, даек и кварцевых тел; волновой и ступенчатый характер распределения металлов в рудах - результат синергетического развития природных систем. На основе синергетики появилась возможность предсказания событий природных и техногенных катастроф, раскрытия механизмов метасоматоза и метаморфизма, приводящих к концентрации рудных компонентов, что является одной из актуальных проблем геологоразведки.

Временные упорядоченные структуры

Эффекты самоорганизации, приводящие к образованию структур различной природы, упорядоченных во времени, возникают при протекании некоторых нелинейных химических реакций в литосфере при метасоматозе, метаморфизме и гидротермальном процессе, где скорость образования продуктов реакции нелинейным образом зависит от концентраций реагирующих компонентов. В геологии это образование скоплений рудных компонентов, процессы выщелачивания и заполнения пустот, образование сталактитов, сталагмитов. В следствие метаморфизма упорядоченные временные структуры возникают под воздействием давления, температуры и привноса-выноса компонентов.

В синергетике введено понятие - диссипативные структуры. Это струк­туры, образующиеся в результате рассеяния (диссипации) энергии. Структуры распадаются, как только прекращается поток энергии или вещества. Некоторые из таких структур являются по своей природе биологическими, другие физиче­скими или геологическими (вулканы, гейзеры, тайфуны, смерчи, ураганы). Все они возникают из хаоса - «праха» и вновь обращаются в «прах». Возникновение и исчезновение диссипативных структур можно рассмат­ривать как природные и техногенные автоколебательные системы разрывного типа. 

Под автоколебательной системой обычно понимают систему, в которой происходит преобразование энергии постоянного (неколеблющегося) источни­ка в энергию колебаний.

Автоколебательная система - это автономная консервативная система, в которой возникают незатухающие, ограниченные по амплитуде, колебания. Автоколебательная система нелинейна. Системы разделяются на два типа: 1) томсоновские (осциляторного типа); 2) релаксационные автоколебания (накопительного типа). В первом случае колебания в системе близки к гармоничным, во втором - колебания называют разрывным (рис.1).

Разрывные автоколебания с частичным сбросом энергии, в виде электромагнитной и акустической эмиссии, изменяют фон естественного импульсного электромагнитного поля Земли.

Эксперименты по моделированию генерации электромагнитного излучения при возбуждении минералов и горных пород показывают, что геолого-геофизическая подсистема получает энергию за счёт фазовых переходов первого и второго рода вещества литосферы, мантии и ядра, а также атмосферы [6]. Возросла роль техногенной накачки (ядерные взрывы, заземление всех типов электростанций и промышленных коммуникаций). Перераспределение энергии происходит на геологических структурах, возникает неустойчивое состояние геофизических полей и сброс энергии по волноводам в атмосферу, космос, обратно в техногенные сооружения в виде сейсмических колебаний (землетрясения), теплового излучения (извержения вулканов), электромагнитного излучения в виде мощных пучков, вихревых и тороидальных структур. Такая природная подсистема тесно взаимодействует со всеми остальными подсистемами (техносферой и биосферой). Взаимодействия различных оболочек Земли можно отнести к автоколебательным системам разрывного типа.  Например, Тунгусский феномен - 30 июля 1908 года.

Релаксация объемного заряда в литосфере и самоорганизация пространственных  структур электромагнитного поля.

Упорядоченные структуры образуются и при замыкании электромагнитных полей и создании долгоживущих плазменных образований в литосфере и атмосфере (электромагнитных систем), которые при выходе на поверхность образуют ямы (рис. 2, фото 2). Под электромагнитными системами понимают все объекты вещественной и полевой структуры в виде плазмоидов различной формы, наблюдающихся в атмосфере, литосфере, космосе, излучающие электромагнитные импульсы в широком диапазоне от гамма-излучения до радиодиапазона, света и тепла. Исследования показали, что накопление энергии в литосфере происходило за счет подготовки очага землетрясения, вследствие природно-техногенных процессов. 

В земной атмосфере при некоторых условиях возможно накопление электрических зарядов в облаках и образование грозового фронта. Когда напряженность электрического поля в грозовой туче достигнет значения, равного электрической прочности среды, то происходит разряд в виде линейной молнии. Накопившийся в туче заряд, стекает по каналу молнии и при определенных параметрах вихревого движения ионизированной плазмы силовые линии электрического и магнитного поля замыкаются, образуя тор (фото 3,4). 

В земных недрах возможно аналогичное явление - накопление объемного заряда в диэлектрических породах, при котором величина напряженности электрического поля достигнет значения электрической прочности диэлектрика (горной породы). Произойдет электрический разряд (пробой), аналогичный разряду молнии в атмосфере, и накопившийся объемный заряд потечет по каналу разряда из литосферы в атмосферу [7]. Так как электрическая прочность твердых диэлектриков в недрах Земли может быть на три-четыре порядка выше, чем электрическая прочность воздуха, то, естественно, и заряд, накопленный в недрах Земли, может быть на несколько порядков выше, чем заряд в атмосфере.

Концентрация зарядов в горных породах также будет превосходить концентрацию зарядов в атмосфере. Количество энергии, высвободившееся при разряде в недрах Земли, достигает 10⁹ Дж, что соответствует энергии, регистрируемой при слабом землетрясении.

Появление пространственных упорядоченных структур (электромагнитные системы) в неравновесных системах (канал электрического пробоя) связанно с фазовым переходом 1-го рода (проплавление горных пород) и 2-го рода, полиморфным переходом минералов (кварца, арагонита, серы и др.), которые дополнительно генерируют электромагнитную энергию в широком диапазоне частот, способствуя самоорганизации долгоживущих плазменных образований [8,9].

Синергетика новых катастрофических явлений природы

Импульсное электромагнитное излучение может быть вынесено из глубинного очага при наличии следующих свойств объекта: а) огромная мощность генерации импульсных электромагнитных полей в очаге подготовке землетрясения, б) наличие в геологических структурах волноводов, по которым электромагнитная энергия может достигать поверхности Земли в) предполагается, что от очага, например, землетрясения, во время его «пульсации» распространяется волна возбужденного состояния массива, вызывающая в момент прохождения фронта в данной точке массива электромагнитное излучение в результате локальных нарушений и уплотнений породы. Рассчитанная скорость фронта такой релаксационной волны возбужденного состояния составляет 2,1ּ10^-4 - 3,6ּ10^-4 км/с.

Среди геологов до сих пор нет единодушия в вопросе происхождения взрывных (эксплозивных, криптовулканических) структур [10]. Существуют две концепции: 1) результат падения на Землю крупных метеоритов; 2) результат эндогенных процессов при дегазации планеты. Наиболее убедительным доводом в пользу космогенной природы рассматриваемых образований, является обнаруженное в них обломочное и распыленное метеоритное вещество с иридием и другими характерными космогенными элементами.

Предположение о том, что метеоритное вещество приземлилось с «точным прицельным попаданием» в зону разлома, представляется маловероятным [11]. Поскольку трубки взрыва, несомненно, имеют эндогенную природу, то, следовательно, такую же природу должны иметь и связанные с ними взрывные структуры. Слабым местом в концепции эндогенного происхождения взрывных структур является предлагаемый «газовый» (химический) механизм взрывного процесса. Сторонники этой концепции вынуждены допускать образование в земных недрах резервуаров газа гигантских размеров - объем 2000-2500 км². Сторонники эндогенной концепции не используют в своих моделях другие механизмы взрывного процесса, в частности - электроразрядный. Следствием разрядов в литосфере являются два геологических процесса - землетрясения и образование кольцевых взрывных структур на поверхности небесного тела.

В Земле имеют место мощные электрические разряды, энергия которых, сконцентрированная на небольшом участке, достаточна для образования не только трубок взрыва, но и структур центрального типа. К.К. Хазанович-Вульф считает, что в результате взаимодействия электрических полей между телом пролетающего болида и поверхностью Земли могут иметь место электрические разряды. Крупные тектонические контакты являются генераторами высоких электрических полей. При площади свежей поверхности разлома 60 км² образовавшийся заряд соизмерим с электрическим зарядом Земли - 5,7ּ10⁵ Кл. В результате взаимодействия этих токов с токами, наведенными на поверхности Земли метеоритным телом, может быть мощный электрический разряд, который и приведет к образованию структуры на пересечении проекции траектории болида и зоны разлома. По мнению С.Ю. Баласаняна [12], роль «спускового механизма» электрического пробоя земной коры может сыграть резкое повышение отрицательного заряда на поверхности Земли под действием атмосферного электричества. 

В основе концепции К.К. Хазановича-Вульфа лежит допущение, что силовые электрические поля, сопровождающие полет крупных болидов в атмосфере Земли, как раз выполняют роль «спускового механизма» (триггера), для проявления электроразрядных пробоев земной коры [11].

А.Ю. Ольховатов [13] считает, что пролет болида приводит к активизации тектонических процессов, одним из проявлений которых могут быть различные звуковые ощущения, возрастает метеорологическое и сейсмическая активность. Установлено существование статистической связи между максимумами метеорных потоков и такими явлениями как суточное количество землетрясений в мире, начала извержений вулканов мира, максимумами различных метеорологических явлений (осадки, град и т.д.).

В.Н. Сальников [6], на основании изучения геоактивных зон, где, в основном, происходят выбросы литосферной энергии или её поглощение из атмосферы и космоса, пришел к выводу, эта полевая электромагнитная система может образовываться в литосфере при фазовых переходах в минералах, генерирующих электромагнитное излучение. Принимая квазикристаллическую структуру в эллиптическом пространстве Римана, такая система,предположительно, обладает сверхпроводимостью и может выноситься в атмосферу, компенсируя узлы квазикристалла амерами, атомами, молекулами, частицами горных пород, почвой, стремясь перейти из полевой дискретной, замкнутой структуры к вещественной (фото 5,6). Такие модели были разработаны В.И. Федощенко [8] . Построены модели образования таких электромагнитных систем с поглощением части солнечного спектра электромагнитных колебаний и описаны механизмы устойчивости черных и светящихся образований в атмосфере.

Аналогично приведенному материалу, можно предполагать, что одной из причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС является выход из литосферы электромагнитной системы по техногенным волноводам и разрушения энергоблоков.

Саяно-Шушенская ГЭС построена в районе геоактивной зоны с повышенной сейсмичностью, наличием геологических разломов и, соответственно, электромагнитными волноводами. Ещё в 1972 году при проведении экспедиционных работ по теме «Подземная гроза» на территории строящейся Саяно-Шушенской ГЭС профессор А.А.Воробьёв предлагал встроить в платину антенну для измерений естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) с целью прогнозирования геодинамических явлений (фото 7). Но предложения по прогнозу методом ЕИЭМПЗ не было реализовано, из-за непонимания важности таких исследований. Хотя метод ЕИЭМПЗ в последнее время получил широкое распространение, как наиболее перспективный при прогнозах землетрясений, горных ударов в шахтах, оползневых процессах, он не нашёл широкого применения в мониторинге геодинамических явлений в районах построенных гидроэлектростанций и при выборе мест их проектирования [14,15,16].  

Основываясь на электроразрядной гипотезе образования диатрем в литосфере, можно полагать (согласно представлениям о «Подземной грозе» А.А.Воробьёва и последним работам К.К.Хазановича-Вульфа), что башни в Нью-Йорке оплавились и осели в результате электроразряда между железным каркасом этих башен и самолётом (искусственным балидом).

Список литературы.

1. Кадомцев Б.Б., Рязанов А.И., Что такое синергетика?// Природа, 1983. - № 8. - С. 2-11.

2. Данилов Ю.А. Роль и место синергетики в современной науке// Онтология и эпистемология синергетики. М.: ИФ РАН, 1997. - С. 7-17.

3. Половцева Г.Ф., Пойзнер Б.И. Синергетика и сопредельные науки/ Краткий библиографический указатель. Томск: Изд-во ТПУ, 1993. - 54 С.

4. Летников Ф.А. Синергетика геологических систем. Н.: Наука, 1992. - 230 С.

5. Чупрынин В.И. Геофизические автоколебательные системы разрывного типа / Владивостокский гос. университет. - Владивосток, 1984. - 34 С. - Деп. в ВИНИТИ 7.08.84, Н709-85.

6. Сальников В.Н. Природно-техногенные зоны электромагнитной разгрузки/ Труды Межд. нучно-техн. шк.-семинара: Концептуальные подходы и гипотезы. Томск. ТПИ, 1991. - С. 137-179. - Доп. в ВИНИТИ 10.12.90, № 776-В91.

7. Воробьев А.А. Равновесие и преобразования видов энергии в недрах. Томск: Изд-во Томского университета, 1980. - 212 С.

8. Сальников В.Н., Арефьев К.П., Завёрткин С.Д и др. Самоорганизация физико-химических процессов в диэлектрических природно-техногенных средах. Томск: STT,2006.-524 С.

9. Дмитриев А.Н. Природные самосветящиеся образования. Н.:, 1998. - 242 С.

10. Хрянина Л.П. Метеоритные кратеры на Земле. М.: Недра, 1987.

11. Хазанович-Вульф К.К. Диатреморвые шлейфы астроблем или «Болидная модель образования кимберлитовых трубок». Петрозавоздск: Изд-во ГЕОМАСТЕР, 2007.-272 С.

12. Баласанян С.Ю. Динамическая геоэлектрика. Н.: Наука, 1990. - 232 С.

13. Ольховатов А.Ю. Об электрофонных явлениях// Физика Земли, 1993. - № 12. - С. 17-21.

14. Потылицына Е.С. Электромагнитный мониторинг геодинамики Алтая-Саянской складчатой области/Сб.трудов Межд. науч. конф. посвящённой 100-летию со дня рождения профессора А.А.Воробьёва. Томск:ТПУ,2009-С.-347-351.

15. Завёрткин С.Д., Сальников В.Н., Арефьев К.П. Электромагнитная эмиссия при фазовых переходах в минералах и диэлектрических материалах. Томск: ТПУ, 2010.-403с.

16. Саломатин В.Н. Многолетний опыт применения ЕИЭМПЗ при решении комплекса задач в Украине/ Сб.трудов Межд. науч. конф. посвящённой 100-летию со дня рождения профессора А.А.Воробьёва. Томск:ТПУ,2009-С.384-391.

Код для цитирования: Скопировать