«ФИЗИКА ЗЕМЛИ И ГЕОДИНАМИКА Допущено УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 020302 Геофизика Петропавловск – ...»

При сопоставлении плотности планет земной группы (включая Луну) выясняется интересная зависимость. Оказывается, что средняя плотность вещества планеты (с приведением к одному давлению) растет с увеличением размеров и массы планеты.

Получается, что чем больше планета, тем больше в ней тяжелых элементов, т. е.

преимущественно железа. Таким образом, Луна и Марс почти не содержат железа и не имеют ядра. Земля и очень близкая к ней по размеру Венера имеют большое плотное ядро.

Исключением из этой закономерности является маленький, но очень плотный Меркурий.

Объяснить такое закономерное и очень значительное изменение содержания железа в планетах пока не удается.

Также не очень понятен путь образования железного ядра. В «термическом разделе» было показано, что при возникновении Земли температура в ее недрах была везде существенно ниже точки плавления. Таким образом, возникновение ядра путем плавления железных включений и их стекания к центру стало возможным на более позднем этапе. Но если в этих условиях еще можно как-то представить стекание железного расплава, то очень трудно понять, как силикатная или окисная масса, занимавшая место будущего ядра, поднялась вверх в мантию и как при этом возникла четкая граница ядро-мантия.

Все эти трудности снимаются, если предположить, что граница ядро – мантия не химическая, а фазовая, отделяющая мантию с веществом в неметаллическом состоянии от ядра того же состава, но с веществом в металлической фазе. Если это так, то плотность и давление в модели «А» Гутенберга – Буллена можно рассматривать как уравнение состояния для вещества планет.

Для решения проблемы необходимо показать возможность перехода в металлическую фазу пород и минералов, слагающих мантию Земли. Такой переход («резонансный») в металлическую фазу происходит у элементов IV группы (С, Si, Ge), имеющих четыре валентных электрона, что и приводит к резонансу, если число ближайших соседей больше четырех. Видимо, то же имеет место для соединений элементов III и V групп с тремя и пятью электронами.

Для приложения этого объяснения к гипотезе металлизации вещества Земли следует учесть, что основой всех силикатов служат сложные ионы SiO4, которые также имеют четыре валентных электрона. Таким образом, можно ожидать, что их поведение под давлением будет аналогично поведению элементов IV группы.

Другая трудность, встающая перед гипотезой фазовой природы границы мантия – ядро, состоит в том, что при переходе к ядру совершается переход не только в металлическую, но и в жидкую фазу. Термодинамические соображения подтверждают возможность существования такой границы. Такая граница может быть пропущена продольными волнами, однако крайне неправдоподобно, что ее не замечают поперечные волны, например, SH, для которых такая граница была бы сильной. Это, видимо, серьезный аргумент против рассматриваемой схемы.

Таким образом, приходится признать вероятными два варианта объяснения природы границы ядра Земли.

1. Граница является химической по природе, и ядро состоит из некоторого сплава железа.

2. Граница обусловлена фазовым переходом, и ядро состоит из вещества нижних частей мантии, но в металлической фазе. В этом случае вещество глубоких частей мантии должно обладать не совсем типичной фазовой диаграммой. Однако такая диаграмма возможна и в ряде случаев действительно существует, как показывают опыты. Таков переход в металлическую фазу Sn, C (алмаз), InSb, InP и ряд других соединений и элементов.

Полностью вопрос о физике и составе ядра и мантии Земли может быть решен только в результате проведения дальнейших экспериментальных и теоретических исследований. Не последнюю роль в решении этого вопроса могут играть данные о строении других планет солнечной системы. Например, согласно представлениям модели «горячей» Земли [Кузнецов, 2008], ядро нашей планеты содержит значительное количество водорода.

Проблема же земной коры и верхней мантии в силу большой сложности только с трудом поддается теоретико-физическому анализу. В этой области главное слово, видимо, будет принадлежать эксперименту, как лабораторному, так и полевому, в виде целого комплекса геофизических, геологических и геохимических наблюдений вплоть до сверхглубинного бурения с проникновением в мантию Земли.

Ботт М. Внутренне строение Земли. М.: Мир, 1974. 376.

Викулин А.В. Мир вихревых движений. Петропавловск-Камчатский: КГТУ, 2008.

230 с.

Вихри в геологических процессах / Ред. А.В. Викулин, 2004. 297 с.

Геологический словарь в двух томах. Т. 1. М.: Недра, 1978. 487 с.

Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. М.: КДУ, 2005. 496 с.

Гутенберг Б. Физика земных недр. М.: ИЛ, 1963. 264 с.

Джекобс Дж. Земное ядро. М.: Мир, 1979. 306 с.

Джеффрис Г. Земля, ее происхождение, история и развитие. М.: Изд-во Иностранной литературы, 1960. 485 с.

Жарков В.Н. Внутренне строение Земли и планет. М.: Наука, 1983. 416 с.

Жарков В.Н., Паньков В.Л., Калачников А.А. и др. Введение в физику Луны. М.:

Наука, 1969. 312 с.

Жарков В.Н., Трубицын В.П. Физика планетных недр. М.: Наука, 1980. 448 с.

Жарков В.Н., Трубицын В.П., Самсоненко Л.В. Физика Земли и планет. Фигуры и внутреннее строение. М.: Наука, 1971. 384 с.

История механики. С древнейших времен до конца XVII века / Ред. А.Т.

Григорьян, И.Б. Погребысский. М.: Наука, 1971. 298 с.

Кольский Г. Волны напряжений в твердых телах. М.: Изд-во Иностранной литературы, 1955. 192 с.

Кузнецов В.В. Введение в физику горячей Земли. Петропавловск-Камчатский:

КамГУ, 2008. 367 с.

Ламб Г. Гидродинамика. В 2-х томах. М.-Ижевск: НИЦ «регулярная и хаотическая динамика», 2003.

Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 848 с.

Магницкий В.А. Основы физики Земли. М.: Гостехиздат, 1953. 290 с.

Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М.: Недра, 1965. 380 с.

Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М.: Наука, 2006. 390 с.

Милановский Е.Е. (ред.) Ротационные процессы в геологии и физике. М.:ДомКнига, 2007. 528 с.

Николаев А.В. (ред.) Проблемы геофизики XXI века. Сборник научных трудов в двух книгах. М.: Наука, 2003.

Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. М.: Недра, 1966. 447 с.

Новая глобальная тектоника (тектоника плит). Сборник статей / Ред Л.П.

Зоненшайн, А.А. Ковалев. М.: Мир, 1974. 472 с.

Советский энциклопедический словарь / Ред. А.М. Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1985. 1600 с.

Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Развитие Земли. Учебник. М.: МГУ, 2002. 560 с.

Стейси Ф. Физика Земли. М.: Мир, 1972. 342 с.

Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Геологические приложения физики сплошных сред. В двух частях. Т. 2. М.: Мир, 1985. 360 с.

Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е. Общая и экологическая геофизика. М.:

ФИЗМАТЛИТ, 2005. 576 с.

Физический энциклопедический словарь / Ред. А.М. Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1983. 928 с.

Хайкин С.Э. Физические основы механики. М.: Изд-во физмат литературы, 1963.

772 с.

Хаин В.Е., Короновский Н.В. Планета Земля от ядра до ионосферы. М.: КДУ, 2007.

244 с.

Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. М.: Наука, 1983. 400 с.

Шейдеггер А. Основы геодинамики. М.: Недра, 1987. 384 с.

ЧАСТЬ II

ВВЕДЕНИЕ В «ВИХРЕВУЮ» ГЕОДИНАМИКУ

В наблюдаемой области Вселенной, в Метагалактике, сферическом объеме радиусом 31025 м, содержится масса 1050 кг. В этой области имеется приблизительно миллион сверхскоплений и десять миллиардов галактик различных типов, среди которых преобладают спиральные, подобные нашей Галактике.

Вращательное движение как характерное свойство пространства-времени Вселенной [Викулин, 2004, 2008] В фундаментальной научной и учебной литературе по геологии, тектонике и тектонофизике, вышедшей в свет как у нас, в России, так и за рубежом (см., например, [Геологический…, 1978; Гончаров, Талицкий, Фролова, 2005; Земля…, 1974;

Короновский, 2006; Пущаровский, 2005; Сорохтин, Ушаков, 2002; Структурная…, 1990Хаин, Ломизе, 1995, 2005]), такие понятия как вихревые структуры (складки) и/или вихревые движения не определяются, хотя «созвучные» словосочетания в тексте встречаются. Так, на рис. 5 в третьем томе Структурной геологии и тектоники, на котором изображены центры диастрофизма, окруженные горными дугами Альпийской системы, показаны две вихревые складки, одна из которых (Генуя) закручена против часовой стрелки, вторая (Дунай) – по часовой стрелке [Структурная…, 1991, с. 206]. В основополагающем геотектоническом с основами геодинамики учебнике [Хаин, Ломизе, 2005, с. 217-224] обсуждаются кольцевые структуры, природа которых никаким образом не связана с тектоническими движениями; вращение же тектонических плит, по мнению авторов [Хаин, Ломизе, 2005, с. 48], является не результатом геодинамических явлений, а всего лишь следствием теоремы Эйлера.

«Очень близко» к сути проблемы вихревых движений в геологии подошли авторы одного из последних тектонофизических учебников [Гончаров, Талицкий, Фролова, 2005].

Согласно данным этой работы, наличие «в деформируемом твердом теле вихревого механического поля» возможно [с. 218-219]. Использование таких представлений, «в рамках синергетического подхода», по мнению авторов, позволяет описывать «поле поворотных моментов» [с. 220]. При этом, «геодинамика иерархически соподчиненных геосфер», связанных «с поднятием Антарктиды и опусканием Арктики» определяется «по правилу буравчика» [386] и связано с «вынужденной» конвекцией [с. 390-391].

В специальной литературе, особенно литературе последних лет [Вихри…, 2004;

Ротационные…, 2007] примеров вихревых структур приводится достаточно много, однако природа их происхождения и процессы их развития во времени, как правило, не обсуждаются. Чрезвычайно редко в специальной геофизической литературе встречается и фамилия китайского ученого Ли Сы-гуана, который впервые описал такие структуры [Ли Сы-гуан, 1952, 1958; Lee, 1928]. Уже эти обстоятельства указывают на ту весьма незначительную роль, которую вихревые структуры «играют» в науках о Земле в настоящее время.

Достаточно емкие и образные обзорные данные о вихревых движениях содержатся в работах сборника [Борисов, Мамаев, Соколовский, 2003], следовать которому будем при изложении материала этого раздела.

Ранние исследования по теории вихревого движения восходят к Декарту, Гюйгенсу, Иоганну и Даниилу Бернулли (ХVII век). В этот период были установлены некоторые закономерности вихревых взаимодействий, но вихревая теория не достигла такого совершенства и полноты, как ньютоновская теория гравитации. Несмотря на ожесточенную полемику картезианцев (приверженцев Декарта) и ньютонианцев, она вскоре была вытеснена ньютоновской картиной мира и почти совсем забыта. Исторически первые труды Эйлера и Лагранжа, создававших ньютоновскую гидродинамику (а также теорию сплошных сред), ограничивались описанием потенциальных (безвихревых) полей.

Возрождение интереса к вихревой динамике относится к середине XIX столетия.

Это труды Гельмгольца, Кельвина и Кирхгофа, приведшие не только к существенно новым гидродинамическим результатам, но и к созданию наиболее общей вихревой теории материи. Необходимость создания такой теории в значительной степени возникла из потребности объяснить свойства атмосферных циклонов и антициклонов.

Особое значение в вихревой теории имеет теорема Гельмгольца, которую А. Пуанкаре считал наиболее значительным вкладом в гидродинамику. Ее сутью является закон вмороженности вихревых линий, позволяющий рассматривать вихревые образования как некоторые материальные объекты, подобные массам в классической механике. Следуя общей идее XIX века, согласно которой объяснения различных физических феноменов следует искать в подходящих механических интерпретациях, лорд Кельвин (1867 г.) предложил теорию вихревых атомов. В этой теории мир понимается как некоторый эфир (аналог идеальной жидкости), в котором взаимодействуют вихри Гельмгольца, подобные атомам, образующим молекулы. Идеи Кельвина так и не были реализованы и вскоре были полностью вытеснены атомной и квантовой механикой.

В последние десятилетия, особенно в связи с интенсивным развитием возможностей вычислительной техники, теория вихревых движений получила интенсивное развитие и в глубь и в ширину. В рамках Геофизической гидродинамики – области гидромеханики, сложившейся за последние три десятилетия в качестве ее самостоятельного раздела, - стало возможным решение ряда актуальных гидродинамических проблем планетарного характера. Перспективные направления в теории связаны с исследованием вихревых движений с крупномасштабными течениями, топографией и береговым рельефом. Исследование топографических вихрей позволило выявить существование в пределах мирового океана определенных структур, связанных, в том числе, и с «захватом» шельфовых волн неоднородностями (см. также [Ефимов, Куликов, Рабинович, Файн, 1985]). Гидрологическое исследование района одной из подводных гор Гавайского хребта в Тихом океане, например, показало наличие столбчатой структуры в распределении гидрологических, гидрохимических и биологических параметров среды, при этом на картах динамической топографии четко выделялась замкнутая антициклоническая циркуляция. Показано, что существенную роль в процессе формирования вихревых структур в районах подводных гор играют также приливы и другие явления.

Как видим, успехи, достигнутые геофизической гидромеханикой, впечатляющие.

Однако такого рода работы рассматривают явления, происходящие исключительно в гидросфере Земли и атмосферах планет, и совершенно не касаются проблемы вихревых структур в геологии. Нам не известна ни одна такая работа.

Следует отметить, что квантовая механика «ушла» от решения проблемы появления у частиц вихревых (вращательных) движений – спина, путем придания ему смысла квантового числа. Современное положение дел в квантовой механике наиболее точно, пожалуй, характеризует цитата из работы создателя кварковой модели строения материи М. Гелл-Манна [1984]: «Квантовая механика – это полная загадок и парадоксов дисциплина, которую мы не понимаем до конца, но умеем применять». Представляется, что если бы идеи лорда Кельвина были реализованы, то роль и значение вихревых (вращательных) движений в современном естествознании и науках о Земле, в том числе и вихревых структур в геологии, возможно, была бы совершенно иной (?). Время покажет.

Вращательное движение как характерное свойство пространства-времени Вселенной Вращение материи Вселенной как ее характерное (внутреннее) свойство с очевидностью проявляется для двух крайних ее «предельных» состояний - галактик и элементарных частиц.

Галактики. Следуя [Гуревич, Чернин, 1983], можно констатировать, что вращение – очень распространенное свойство галактик. Фактически все они – спиралевидные, эллиптические и неправильные - так или иначе, вращаются. Среди всех известных нам галактик и по числу, и по сосредоточенной в них массе преобладают (более 70-80%) спиральные галактики, диски которых обладают быстрым, предельно сильным вращением (рис. 10.1).

Центральная часть галактики вращается с постоянной скоростью и периодом (твердотельное вращение), а звезды, расположенные в пределах ее «хвоста», вращаются с переменными периодами, что, фактически, означает их вращение, в соответствии с третьим законом Кеплера, в гравитационном поле, создаваемом, главным образом, массой центральной области галактики, как и планеты в поле тяготения Солнца. Линейная скорость вращения нашей Галактики в районе Солнца (рис. 1.1) составляет 220 – 250 км/с.

Момент количества движения нашей Галактики примерно составляет I ~ 1074 эрг·с.

Вращение других спиральных галактик обычно составляет 100 – 300 км/с.

Рис. 10.1. Спиральная галактика в созвездии Гончих Псов.

Гипотезы, с помощью которых пытались объяснить вращательное движение вещества, возникали не однократно. Первым был И. Кеплер, который еще в 1609 г.

рисовал Солнце в центре некого мощного вихря, который разбрасывает планеты по их орбитам и заставляет вращаться вокруг Солнца. Р. Декарт, обобщая эту картину на всю Вселенную, писал в 1644 г., что в процессе формирования космических тел мировое пространство было заполнено огромным числом вихрей разнообразной формы и размеров.

Эти идеи не прошли мимо И. Ньютона, хотя он и отнесся к ним критически, высказав подозрение, что космогония Декарта не способна объяснить Кеплеровы законы движения планет. Критика Ньютона содержалась в его знаменитых «Началах» (1687 г.), где он писал, между прочим, что теория вихрей пренебрегает наблюдаемыми астрономическими явлениями, создает больше проблем, чем объясняет, делает вещи более трудными, а не более легкими и т.п. Для вихрей же самих по себе, как писал Ньютон, нет никаких доказательств существования и, следовательно, их нужно отвергнуть. В результате, как мы видели выше, ньютонианцы «победили» картезианцев, и идеи Декарта были на долго, более чем на столетие, забыты.

Глубокий анализ проблем вихревой космогонии дал позднее И. Кант, а П. Лаплас построил на этой основе свою небулярную гипотезу (1796 г.), которая, по существу, и до сих пор находится в центре космогонических дискуссий, развиваясь и обогащаясь новыми теоретическими идеями и наблюдательными данными. Как говорил А. Пуанкаре (в г.): «Несмотря на многочисленные возражения, выдвигавшиеся против нее, несмотря на все новые поразительные открытия в астрономии, способные удивить ее творцов, вихревая космогония остается все еще с нами».

В ХХ веке процесс выдвижения гипотез, объяснявших природу вращения галактик, был продолжен. Согласно гипотезе К. Вейцмана, выдвинутой в конце 40-х годов, вращение галактик имеет космологическое происхождение; оно обязано изначальным вращательным, вихревым движениям космической среды, порожденным в том же процессе, в каком родилась сама Вселенная, и возникло ее общее расширение. В те же годы Ф. Хойл предложил гипотезу приливного происхождения вращения. По его идее, никакого вращения во Вселенной не существовало вплоть до эпохи обособления протогалактических облаков, и вот тогда приливное гравитационное взаимодействие этих облаков друг с другом и заставило их вращаться.

В 1952 г. Г.А. Гамов, создатель теории горячей Вселенной, решительно и с энтузиазмом стал на точку зрения вихревой космогонии. Он говорил тогда, что в распределении и движении галактик определенно заметны следы догалактической турбулентности и что на этом пути он видит самые заманчивые перспективы. Что же касается происхождения догалактических вихрей, то Г.А. Гамов высказал предположение, что вихри существуют во Вселенной изначально и имеют ту же природу, что и само космологическое расширение. Как видим, точки зрения Г.А. Гамова и К. Вейцмана во многом совпадают.

В 1970 г. А.Д. Чернин предложил новую гипотезу о природе вращения галактик, согласно которой вращение галактик обязано мощным вихревым движениям, возникавшим в разрывных сверхзвуковых движениях метагалактической среды.

Сказанное относительно вихревого движения галактик, по всей видимости, может быть отнесено и к более крупным структурам Вселенной. Действительно, согласно последним данным, галактики образуют скопления, сверхскопления, а возможно и наиболее крупные образования Вселенной – клетчатые или ячеистые структуры, которые напоминают пчелиные соты или, быть может, кружева. Размеры ячеек достигают ста мегапарсеков (~1024 м) при размере видимой части Вселенной около ~ 1025 - 1026 м [Гуревич, Чернин, 1983].

Мы не ставим себе целью перечислить здесь все гипотезы, объясняющие природу вращения галактик. Однако из проведенного обзора уже просматривается вполне определенная «закономерность». А именно, и И. Кеплеру, и Р. Декарту, как механикам, было ясно, что вихревое вращательное движение не может взяться ниоткуда. Оно, в соответствии с законами сохранения, либо существует в природе, либо его нет. Ньютон – один из основателей механики, законы которой в то время, в принципе, объясняли практически все известные физические, механические и астрономические данные, действительно, мог не видеть надобности в вихревой гипотезе, хотя прекрасно понимал, что вращательное движение, в отличие от поступательного равномерного движения, абсолютно. К тому же, в рамках написанных им, по сути, линейных дифференциальных уравнений движения, такая гипотеза является не просто «более трудной», а, как теперь ясно, практически неразрешимой. Кроме того, вихревая структура галактик была во времена Ньютона в силу «слабости» телескопов неизвестна, да и само их понятие ученым было пока не ведомо. Нельзя сбрасывать со счетов и упоминавшуюся выше борьбу научных школ Ньютона и Декарта; такая борьба во все времена накладывала значительный отпечаток на развитие всех научных направлений.

Частицы. В первой половине ХХ века окончательно утверждает свое положение квантовая механика. Одним из основных ее положений является понятие спина элементарной частицы как собственного момента количества движения, квантовый характер которого в долях постоянной Планка I h ~ 10-27 эрг·с постулируется. К этому времени вихревая структура галактик становится общепринятой. И проблема вращательного движения теперь уже становится и квантовой, и космологической.

Как известно [Ландау, Лифшиц, 1974; с. 38], «волновое уравнение Шредингера играет в квантовой механике ту же роль, что уравнение Ньютона в классической механике». При этом, в квантовой механике связь момента количества движения со свойствами симметрии по отношению к вращениям «становится в особенности глубокой, делаясь по существу основным содержанием понятия о моменте…Момент приобретает смысл квантового числа… Становится несущественным вопрос о его происхождении, и мы приходим естественным образом к представлению о «собственном» моменте, который должен быть приписан частице вне зависимости от того, является ли она «сложной» или «элементарной»» [Левич, Вдовин, Мямлин, 1971; с. 234-235]. По-видимому, по этой причине, согласно обзору [Эстерле, 2003], во многих возникших независимо друг от друга теориях (Гельмгольц, Томсон, Ацюковский, Бауэр и др.) элементарные частицы, ядра атомов, атомы, молекулы и др. образования до галактик и силовых полей включительно рассматриваются как вихревые структуры среды, заполняющей Вселенную. Квантовый характер образований в таких теориях естественным образом вытекает из свойств этой среды, поскольку вихревые структуры могут иметь только такие параметры, которые допускают существование целого числа стоячих волн. Если принять, что пространство имеет свойства жидкости с очень малой вязкостью и плотностью (аналог квантовой жидкости гелия-II), то все структуры Вселенной от элементарных частиц до галактик, их скоплений и физических полей можно представить в виде вихрей (вихревых колец, вихревых нитей) этой жидкости [Madelung, 1926]. При таком подходе квантовая механика, фактически, становится разделом гидродинамики, вихревые структуры в такой среде легко образуются, долго существуют, что и приводит к их накоплению.

И в этой связи, на наш взгляд, вовсе не случайно появление гипотезы ГамоваВейцмана, авторы которой, по сути, на новом качественном уровне наших знаний о Вселенной возвращаются к идее Декарта-Канта-Лапласа и связывают природу вихревого движения во Вселенной, фактически, с процессами, объясняющими ее рождение. Другие (тоже многочисленные) теории и гипотезы вихревых движений, как нам представляется, есть обычный, во многом традиционный результат исследования, проводимый, в основном, в рамках гидродинамики.

Приведенный материал показывает, что вращательные (вихревые) движения действительно являются характерным и неотъемлемым (внутренним) свойством материи галактик R 1020- 1022 м, их скоплений R 1023 - 1024 м и всей видимой части Вселенной R 1026 м со временем жизни около 1010 лет 1017 с и элементарных частиц R 10- м, наименьшее время жизни которых (так называемых резонансов) составляет min 10- Солнечная система. Имеющиеся данные убедительно показывают, что вращательные (вихревые) движения характерны для вещества и на «промежуточных»

пространственно-временных масштабах и не зависимы от его состояния. Так, на звездном уровне, например, в нашей солнечной системе планеты вращаются вокруг Солнца, их спутники – вокруг планет, а сами планеты – вокруг собственных осей вот уже в течение нескольких миллиардов лет. На планетарном уровне достаточно интенсивные вращательные движения проявляются в течение продолжительных отрезков времени в виде: 1) Циклонов (R 106-7 м) в атмосферах Земли (рис. 10.2), Сатурна, Юпитера (Большое красное пятно Юпитера непрерывно наблюдается уже в течение более 300 лет [Незлин, 1986]) и, по-видимому, Нептуна [Орленок, 2000]; 2) Замкнутых течений в мировом океане Земли, а также 3) Кольцевых [Кац, Козлов, Полетаев и др., 1989; Кулаков, 1986], вихревых (рис. 10.3) [Ли Сы-гуан, 1958; Мелекесцев, 1979; Мясников, 1999;

Слензак, 1972] и других более экзотичных (рис. 10.4) образований (R 102 –106 м), объединенных в пределах твердой части литосферы в орогенную планетарную систему [Шейдеггер, 1987][. Результатом движения блоков твердой среды является образование дислокаций и дисклинаций. Их размеры и характерные времена изменяются в широких пределах: от микротрещин R 10-8 м, 10-8 с [Вопросы…, 2002] до очагов сильнейших Рис. 10.2. Космический снимок циклона в Охотском море и вихревой структуры с центром в землетрясений R 106 м, 100 лет 109 с [Викулин, 2003] и, возможно, сейсмических поясов R 108 м, 108 лет 1015 с [Викулин, 2003; Викулин, Мелекесцев, 1997].

Эффекты поворота макрообъемов на углы 100 и более (эффекты вращения) установлены и в твердых телах в лабораторных условиях [Владимиров, Романов, 1970]. Как показали результаты, полученные в последние десятилетия, такие эффекты связаны с перестройкой структуры «лабораторного» твердого тела, происходящей на «мезоуровне» R 10-7 – 10- м, 10-8 с [Рыбин, 2002].

Рис. 10.3. Пример вихревой структуры центрального типа, имеющей размер около 80- км в диаметре; территория Соловьевского свода, Верхнее Приамурье [Мясников, 1999].

Одним из результатов семинара «Вихри в геологических процессах», прошедшего в марте 2003 г. в Петропавловске-Камчатском, является вывод [Викулин, 2004]: несмотря на большое количество накопленных данных о вихревых структурах как на Земле, так и в Солнечной системе на других планетах и их спутниках, проблема вихревых движений в геологических процессах по-прежнему находится на уровне 20х - 50х годов прошлого столетия, когда она впервые и была обозначена Ли Сы-гуаном [Ли Сы-гуан, 1952, 1958;

Lee, 1928]. С тех пор появилось много данных, прямо или косвенно указывающих на существование вихревых (кольцевых) структур в литосфере, выделенных на геологическом материале всех геологических эпох на самых разных масштабных уровнях:

от локального до планетарного [Вихри…, 2004; Волков, 2002; Кац, Козлов, Полетаев и др., 1989; Кулаков, 1986; Мелекесцев, 1979; Полетаев, 2002; Ротационные…, 2007;

Слензак, 1972]. Существование вихревых движений в земной коре подтверждается данными прямых геодезических и геофизических наблюдений [Викулин, 2008;

Геодезические…, 1970; Международный…, 2003; Мелекесцев, 1979; Сато, 1984].

Самой большой по размеру кольцевой «дислокационной» структурой Земли является Тихоокеанское кольцо. Анализ структурных, вещественных, морфологических, геофизических и геодинамических данных позволяет сделать вывод о круговой симметрии Тихоокеанского пояса [Маслов, 1996]. Вектор движения Тихоокеанской плиты испытывает периодические повороты по и против часовой стрелки при амплитуде угла вращения около 10 градусов [Берсенев, 1964], что приводит к смещениям, достигающим нескольких сотен километров [Маслов, 1996]. При этом периодам 30-23, 16-13, 6-0 млн лет тому назад отвечает субширотное сжатие (вращение по часовой стрелке), периодам 22-17, 12-7 млн лет – субширотное растяжение (вращение против часовой стрелки) [Jackson, Shaw, Bargar, 1975; Takeuchi, 1986].

Рис. 10.4. Структура «Спираль» в районе о. Ольхон (оз. Байкал). Жесткие геологические тела (метагабброиды, ультрабазиты), а также ядра гранито-гнейсовых куполов испытывают вращение и возникают вихревые структуры. Светлое – мраморы, гранитные жилы (нитевидные белые линии), темное – гнейсы и кварциты. Аэрофото масштаба 1:5000 [Розен, Федоровский, 2000].

В результате получены данные, которые никак не укладываются в рамки существующих представлений о движении вещества. Например, согласно [Волков, 2002] «в океанских рифтовых системах Земли существуют вихревые зоны с размерами 2-3 тыс км каждая, поворот в которых выполняется трансформными разломами». При этом направление вращения вихрей (правое, если смотреть от центра Земли наружу) всюду одинаковое – и в Северной полярной области, и в Южной, и в четырех экваториальных областях. Удивление (по мнению Ю.В. Волкова [2002] и, на наш взгляд, вполне обоснованное) вызывает то обстоятельство, что такую ориентацию вихрей нельзя объяснить ни действием обычных сил Кориолиса - очевидно, ни с помощью уравнений гидродинамики Навье-Стокса (и Эйлера), так как эти уравнения не содержат выделенного направления.

В физике законы сохранения и, следовательно, уравнения движения тесно связаны с симметрией пространства-времени. Поэтому вихревые структуры необходимо рассматривать в их тесной взаимосвязи, в первую очередь, с проблемой организации структуры вещества в пространстве и во времени.

Интересный вывод содержится в работе [Бери, 1993]. «Основными источниками регулярных и периодических вариаций являются процессы обращения и вращения небесных тел и их систем вокруг центров тяжести. Во время этих движений системы проходят особые области орбит и космического пространства, которые оказывают прямо или косвенно энергетические и управляющие воздействия на земные процессы (см. так же [Леви и др., 2002; 2003]. Отклик на эти воздействия зависит от частотных и энергетических характеристик земных оболочек и Земли в целом. Таким образом, при развитии литосферы в ее структуре и составе записывается не только собственная история Земли, но и история всей Вселенной. Литосфера хранит данные за последние 3,6 млрд лет, которые могут быть использованы для построения и проверки новых и известных ранее геолого-космологических теорий. Отсутствие крупного научного направления на стыке геологии и астрономии связано с неоправданной специализацией образования в области естественных наук».

Время. После Эйнштейна неоднократно предпринимались попытки понять суть времени. Например, И. Пригожин в своей неравновесной термодинамике [Пригожин, Стенгерс, 1986] сделал шаг в правильном направлении, предсказав, что необратимость не может возникать на химическом уровне материи, а должна существовать уже на самых глубинных уровнях микромира или, с учетом выше сказанного, на самых начальных стадиях жизни Вселенной. Однако наиболее глубокое представление о времени имеют именно геологи, так как они непосредственно работают с материалом, время жизни которого огромно – миллиарды лет. И они знают, что все в этом мире изменяется – независимо от того, покоится нечто или движется – и что время не обязательно течет равномерно, существуют как медленные изменения, так и скачки, бывает и ускоренное развитие [Эстерле, 2003]. Неслучайно проблеме времени в геологических процессах посвящены обстоятельные работы, наиболее полный список которых приведен в [Симаков, 1999]. Неразработанность концепции геологического времени вызвана, в первую очередь, отсутствием глубокого философского осмысления его специфической природы, с одной стороны, и кардинального отличия от обыденного (физического) времени – с другой [Симаков, 1999; с. 4]. Исследования в этом направлении только-только начинаются.

Пространство. В этом направлении сделано несколько больше. Внимательное изучение поверхности Земли открывает ряд удивительных закономерностей в ее строении [Маслов, 1996]. Это, например, антиподальность распределения территорий и акваторий [Каттерфельд, 1962]. Специальные исследования показывают, что симметрия в распределении форм рельефа может быть более сложной [Шолпо, 1986; Уфимцев, 1988, 1992]. Например, срединноокеанические хребты, островные дуги и другие крупные формы рельефа субмеридионального простирания распределены равномерно, примерно через 90 градусов [Милановский, Никишин, 1988; Шолпо, 1986; Hughes, 1973; Pan, 1985].

Такие закономерности форм рельефа являются следствием распределения напряжений земной коры, возникающих под влиянием ротационных сил Земли [Воронов, 1993;

Гущенко, 1979]. Как частный случай этой закономерности можно рассматривать подобие контуров Срединно-Акеанического хребта и Западно-Тихоокеанской активной зоны, совпадающих при повороте на 180 градусов [Ильичев, Шевалдин, 1986]. Обращает на себя внимание характерное S-образное очертание субмеридиональных форм рельефа, причем концы S приходятся на полюса, а его средняя часть проходит примерно по Тетису, «который всегда был ослабленной зоной земной коры» [Фурманье, 1971; с. 86]. Об Sобразном изгибе берегов Атлантического и Тихого океанов писали [Личков, 1931;

Haveman, 1929], связывая с ним относительный левый сдвиг северного и южного полушарий. Относительный сдвиг полушарий вдоль субэкваториальной зоны разломов отмечался и еще раньше [Hochstetter, 1886]. Закономерности современного распределения крупных форм рельефа, видимо, не случайны. В работе [Берсенев, 1964] приводятся данные, согласно которым размещение континентов относительно оси вращения было иным в конце Протерозоя, но также отражало вполне определенный порядок. В работе [Kanasewich, Havskov, Evans, 1978] показана высокая степень пространственной организации лика планеты для всего Фанерозоя.

Согласно [Шолпо, 2001], в настоящее время проблема организации структуры вещества применительно к вихревым образованиям в геологических процессах, протекающих на Земле и других космических телах, привлекает внимание все большего числа геологов, геофизиков и ученых других специальностей. Черты закономерной упорядоченности разного порядка и ранга обнаруживаются от глобальных масштабов до локального устройства сравнительно небольших регионов. Симметрии, антисимметрии, подобия обнаруживаются на разных масштабных уровнях. И, пожалуй, наиболее существенно то, что этот феномен глобальной упорядоченности установлен не только для поверхности твердой Земли – рельефа, но с достаточной надежностью прослежен в более глубокие оболочки планеты: литосферу, верхнюю мантию, и с меньшей уверенностью до границы с внешним ядром. Можно считать установленным, что структурная организация Земли наиболее полно отвечает симметрии куба. На сегодняшний день обобщено и сведено в целостную картину достаточно большое количество фактических данных, которые демонстрируют со всей очевидностью упорядоченную структурную организацию Земли. Не менее важно и то, что подобный феномен установлен на всех планетах земной группы. Это свидетельствует о том, что Земля, по крайней мере, по этому признаку – структурному устройству, не является уникальным объектом, а принадлежит к семейству околосолнечных твердотельных планет. Надо бы пытаться, как бы это ни было трудно, найти механизмы и физически обосновать их, чтобы понять, как из первичного, неоднородного и, скорее всего, хаотичного тела возникла сегодняшняя гармонично устроенная Земля и другие космические объекты.

Как видим, проблема вихревых структур в геологических процессах, по сути, является составной и неотъемлемой частью более общей задачи о вихревых движениях материи вообще. При этом каждая из составляющих задачи – будь то проблемы возникновения галактических вихрей, существования спина у элементарных частиц или генезиса вихревых структур в геологических процессах, имеет свои отличительные стороны, которые «пронизаны» для них общим и единым типом движения – вихревым вращением. Отличительной особенностью вихревого движения по сравнению с поступательным, является его способность преобразовывать тепловую энергию непосредственно в кинетическую энергию движения потока в пространстве, что на практике реализуется в теплогенераторах [Потапов, Фоминский, Потапов, 2000]. Данные многочисленных наблюдений показывают, что при вихревом движении при определенных условиях происходят очень интересные и во многом пока непонятные явления: свечение потока, в том числе инфракрасное (Большое Красное Пятно Юпитера!) и микроволновое (белые пятна Сатурна?) излучения; превращение массы в энергию; движение со сверхсветовыми скоростями; изменение веса гироскопа в зависимости от скорости и направления его вращения; уменьшение трения при увеличении скорости потока в канале и отрицательное сопротивление (т.е. засасывание в канал) после превышения некой критической скорости; в некоторых случаях струя стремится прийти во вращение даже без помощи кариолисовых сил и др. [Потапов, Фоминский, Потапов, 2000].

Относительно природы вихревых движений материи в соответствии с приведенными выше данными и обзором можно высказать следующее суждение. Гипотез, пытающихся объяснить вихревые движения, появилось уже достаточно много. Однако обращает на себя внимание вполне определенная закономерность, согласно которой через то или иное время на качественно новом уровне наблюдается возврат к физически очевидной идее об абсолютности вращательного движения. Поэтому, продолжая цепочку гипотез Декарта – Канта-Лапласа, Г.А. Гамов, как нам представляется, с неизбежностью и пришел к выводу о существовании «догалактической турбулентности». Из самых общих соображений очевидно, что в любой области Вселенной должны иметь место вращения всех масштабов: галактических, звездных, планетарных и т. д. до элементарных частиц включительно, что, по-видимому, и позволяет принять гипотезу о «равномерной завихренности» пространства. Такое фундаментальное свойство, как следует из гипотезы Г.А. Гамова, могло быть «придано» материи в момент Большого взрыва.

Резюме. Дать ответы на обозначенные вопросы и решить поставленные проблемы, как показывают приведенные выше данные и обзор, по-видимому, можно только рассматривая их во взаимосвязи и на качественно новом уровне. В рамках такого нового подхода необходимо будет учесть все особенности вихревых (вращательных) движений в пределах всего наблюдаемого масштаба: R ~ 1040 м, 1040 с, I ~ 10100 эрг·с. Такой путь решения проблемы с точки зрения физики, очевидно, будет испытывать наибольшие трудности при описании именно той составляющей этого сложного и многогранного вихревого движения материи, которая должна будет объяснить существование и генезис вихревых структур в геологических процессах.

В рамках такого нового подхода обязательно надо будет учесть и «сложившийся»

уже опыт борьбы научных школ, который во все времена, начиная с Декарта-Ньютона (см.

выше) и до настоящего времени [Потапов, Фоминский, Потапов, 2000], в значительной степени влияет на решение проблемы вихревых движений материи - по сути, тормозит.

В этой связи как не вспомнить противоборство других научных школ.

В 1987 г. научный мир отметил 300-летие механики Ньютона. Трудно перечислить все те достижения, которые были достигнуты человечеством с помощью этой фундаментальной физической теории. Тем не менее, в конце XIX века основы механики Ньютона были Э. Махом совместно с другими исследователями подвергнуты серьезной критике. Э. Мах выдвинул принцип (впоследствии названный его именем), согласно которому силы инерции в механике появляются при ускоренном движении относительно центра масс Вселенной. Эта критика оказалась столь плодотворной, что именно под ее влиянием возникла сначала бессиловая механика Герца, а затем релятивистская механика Лоренца-Эйнштейна и общерелятивистская механика Эйнштейна.

После того, как в начале ХХ века были сформулированы основные принципы и уравнения квантовой механики, физики-теоретики разделились на две группы:

«детерминистскую - Бог не играет в кости!» группу А. Эйнштейна (М. Планк, А.

Эйнштейн, Л.де Бройль, Э. Шредингер) и «вероятностную» - Н. Бора (Н. Бор, В.

Гайзенберг, Н. Борн, П. Дирак). Сам факт возникновения этих групп характеризует глубокий кризис (не забвение – уже прогресс!) в понимании физической реальности, который длится вот уже более полувека. Согласно [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993], вероятностный характер описания квантовой теории связан с тем, что материя представляет собой имеющие конечные размеры сгустки поля инерции, которые, по сути, представляют собой поля кручения. И так, опять в очередной раз «круг замыкается» и опять возвращаемся к идее об абсолютности вращательного движения: «свободные»

вихри Декарта, взаимодействующие вихри Гельмгольца, вихревые атомы Кельвина, квантовая механика – спин, инерционные поля кручения! Таким образом, теория инерционных полей кручения, по мнению [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993], «решает многолетний спор между А. Эйнштейном и Н. Бором в пользу Э. Эйнштейна, отказываясь от косвенного описания реальности и восстанавливая образное мышление в физике микромира» и, добавим – в вихревой геодинамике литосферы.

Вращательные движения и вихри как фактор формирования литосферы и геологогеографической среды Земли [Мелекесцев, 2004] С разнообразными проявлениями вращательных движений и вихревых структур человек познакомился буквально с момента своего появления как вида. При употреблении в пищу морских и наземных моллюсков древний человек не мог не обратить внимание на спиральное (право- и левозакрученные раковины) внутреннее строение раковин многих из них, которые к тому же использовались им еще и в качестве одних из первых украшений.

Столь же рано человек непосредственно испытал воздействие водяных вихрей водоворотов на реках, которые ему приходилось преодолевать, а позднее по ним и плавать. Сталкивался он и с мощными воздушными вихрями – смерчами, хотя вряд ли предполагал общую вихревую природу смерчей и водоворотов. Причем очень давно человек подсознательно видел в вихрях и нечто мистическое: недаром спиральные вихри часто присутствуют на древних наскальных рисунках и орнаментах.

С античных времен и позже с развитием механики, математики, астрономии вихри и вихревые движения уже использовались для различных технических целей, создания механизмов и приборов, построения космогонических гипотез. Регулярные метеорологические наблюдения позволили открыть, описать и объяснить происхождение гигантских спиральных воздушных вихрей – разнообразных типов циклонов и антициклонов. Как и все названные выше проявления вращательных движений и вихревых структур циклоны и антициклоны тоже обязаны своим возникновением именно ротационному эффекту, обусловленному быстрым вращением Земли. В свою очередь, через посредство глобальной циркуляции атмосферы и деятельность ее наиболее активных компонентов – циклонов и антициклонов – вращательные движения получили возможность влиять на весь комплекс физико-географических условий, динамику всех компонентов природной среды, рельефообразующие процессы и биосферу.

Что касается воздействия ротационного эффекта на собственно геологические процессы, имевшие место на Земле, то здесь существовало негласное табу, основанное на представлении о земной поверхности и верхней оболочке планеты как тверди. Твердь же, по определению, не должна была подвергаться воздействию от вращения Земли. В глобальном масштабе исключение допускалось лишь для работы текучей воды по известному закону Бэра-Бабинэ. Это правило, согласно которому реки, текущие на равнинах Северного полушария, подмывают преимущественно правые берега, а Южного – левые берега. В основе его лежит закон Кориолиса, утверждающий, что всякое тело, движущееся у поверхности Земли, независимо от направления движения, отклоняется в Северном полушарии вправо, в Южном – влево, вследствие вращения Земли с запада на восток.

Запрет о влиянии ротационного эффекта на другие геологические процессы был нарушен только в первой половине XX века. Этому способствовало несколько благоприятных факторов: 1) создание относительно точных и достоверных географических и геологических карт на обширные территории земного шара, 2) детальные геологические исследования и 3) высокоточные геодезические измерения.

Так, практически одновременно в конце двадцатых-начале тридцатых годов XX века появились две работы.

В первой из них молодой китайский геолог Ли Сы-гуан в своей публикации 1928 г.

[Lee, 1928] впервые выделил и описал вихревые структуры в геологических разрезах в Китае. Это были преимущественно вихревые структуры с горизонтальной осью вращения.

Изложенные там представления получили дальнейшее развитие в монографиях Ли Сыгуана "Геология Китая" [1952] и "Вихревые структуры Северо-Западного Китая" [1958].

Однако в СССР работы Ли Сы-гуана были встречены неоднозначно, что хорошо видно из "Предисловия" и раздела "От редактора" ко второй из этих книг. В "Предисловии" его автор – Министр геологии и охраны недр СССР П.Антропов писал: "Мы хорошо сознаем, что далеко идущие теоретические выводы, которые делает Ли Сы-гуан, такие, например, как вращение крупных масс земной коры в связи с вращением Земли, не могут быть доказаны только экспериментальным путем. Для этого необходимо проделать еще очень большую исследовательскую работу…" [с.5]. Научный редактор монографии профессор В.Павлинов отметил, что: "Вопросам развития структур в геосинклинальных или платформенных условиях, как они понимаются советскими геологами, Ли Сы-гуан отводит …скромное место…, так как автор…придерживается в основном идей А.

Вегенера (в СССР они в то время, по идеологическим соображениям, отвергались, т.к. А.

Вегенер симпатизировал фашистской идеологии) о горизонтальном дрифте материков… На современной стадии развития геотектонических знаний пока невозможно безапелляционно решить вопрос о справедливости всех заключений автора в отношении причин и механизма формирования складчатых и разрывных структур, возникших в результате вращательных движений отдельных масс земной коры" [с.7].

В 1933 г. была опубликована работа С. Фузыхара и др. [Fujiwhara, Tsujimura, Kusamitsu, 1933], подготовленная на основе данных результатов повторных геодезических работ в 1884-1889 гг. и 1924-1925 гг. в районе залива Сагами на Тихоокеанском побережье о. Хонсю (Япония). На помещенном там рисунке (рис. 10.5) впервые было показано вращение крупного блока земной коры вокруг залива Сагами. При этом весьма интересно, что вторая (1924-1925 гг.) серия измерений была проведена сразу после знаменитого мощнейшего (М = 8.2) землетрясения 1.09.1923 с эпицентром в заливе Сагами, откуда тогда подводным обвалом было удалено около 70 км3 осадков, а дно самого залива углубилось до 400 м.

Рис. 10.5. Вращение земной поверхности вокруг залива Сагами (о. Хонсю, Япония) после катастрофического землетрясения Канто 1.09.1923, М = 8.2. Вертикальные штрихи обозначают районы поднятия, горизонтальные – районы опускания. Направление и величина стрелок в условном масштабе показывают направление и величину перемещения точек [Fujiwhara Tsujimura, Kusamitsu, 1933].

Следующий крупный вклад в проблему изучения вихревых структур земной коры был сделан в 60-70-х годах XX в. после составления уточненных батиметрических карт океанов и массового распространения космических изображений земной поверхности.

Именно тогда исследователи самых разных специальностей смогли реально "увидеть" из космоса детальную структуру спиральных вихрей - циклонов, включая тропические циклоны – тайфуны, смотрящиеся наиболее эффектно. В то же время были открыты с помощью спутников спиральные вихри в океанах – ринги. Их диаметр составлял 300- км, а длительность существования достигала 3-4 лет. По сравнению с воздушными вихрями (циклонами) эти водяные вихри (ринги) жили примерно на два порядка дольше, что хорошо коррелируется с разницей (тоже на 2 порядка) вязкости воздуха и воды.

Кроме того, ряд исследователей обратил внимание на большое сходство изображений облачных систем циклонов с рисунком наземных геологических структур [Назиров, 1975]. Распределение вулканических образований, созданных за последние 50млн лет на дне океанов, позволило создать вихревую вулканическую гипотезу [Мелекесцев, 1979; 1980], так как многие вулканы там приурочены к спиральным вихревым структурам, очень напоминающим циклоны. Только вместо паровых облаков у них "облака" как бы выплавлены из камня.

С помощью космических аппаратов была выявлена гигантская вихревая структура на Марсе (рис. 10.6). Она охватывает большую часть северного полушария этой планеты.

На Юпитере активной вихревой структурой является Большое Красное пятно диаметром ~ 40 тыс км. При этом необходимо отметить, что на медленно вращающихся планетах вихревые структуры отсутствуют. Их нет, например, на Меркурии (период вращения земных суток), Венере (период вращения 243 земных суток). Наша Луна тоже лишена следов вихревых структур по аналогичной причине.

Рис. 10.6. Выраженные в рельефе следы планетарных вихревых структур в Северном полушарии Таким образом, полученные в XX в. данные уже сейчас позволяют сделать вывод о большом воздействии ротационного эффекта помимо физико-географической среды на формирование геологических структур, магматическую деятельность и распределение вулканов на быстро вращающихся планетах, включая Землю. Правда, показать с помощью точных расчетов, как и с помощью какого механизма все это происходило и происходит, пока еще не удалось.

Единство природы прослеживается во всем пространственно-временном масштабе от микромира - элементарные частицы, ядра: R 10-15-18 м, min 10-23 с, до макромира звездные системы, галактики, наблюдаемая часть Вселенной: R 1026 м, 1010 лет.

Действительно, во всем ряду физических объектов, имеющих характерные размеры R, времена, массы М, плотности, температуры Т и давления Р, изменяющиеся в пределах многих десятков порядков по величине:

- элементарные частицы: min 10-23 с, R 10-15-18 м, Мэлектрон 10-31 кг - ядра атомов: 1017 кг/м3, - атомы – молекулы, - макротела, вещество (кристаллы, жидкость, газ, плазма), - планеты: R 104 - 105 м, 109 – 1010 лет, средняя (0,7 – 5,5)103 кг/м3, - звезды (Солнце): R 109 м, 1010 лет, М 1030 кг, Т 107К, Р 1011 атм, в том числе нейтронные: 1017 кг/м3, - галактики: число звезд 109 – 1012, R 10 4 пс 1020 м, М 1041 кг, - Вселенная: R 1026 м, 1010 лет, число галактик 1011, М 1052 кг, выделено только четыре (!) вида фундаментальных взаимодействия, все остальные сводятся к ним:

- электромагнитное (R ) 10-3, - слабое (превращение элементарных частиц, R 10-16 м, 10-8 с) 10-14, - гравитационное (R ) 10-40.

При этом если в ядрах действует только сильное взаимодействие, в мире элементарных частиц – только слабое и электромагнитное, в веществе – только электромагнитное и гравитационное, в масштабе видимой части Вселенной – только гравитационное, то внутри нейтронных Звезд – одновременно гравитационное и сильное и, по-видимому, в некоторых их частях слабое и электромагнитное.

Следует отметить, что согласно данным работ [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993; Шипов, 2002], все четыре фундаментальных взаимодействия сводятся к одному, свойства которого определяются полями кручения.

Как видим, мир, несмотря на его кажущееся многообразие, управляется небольшим числом физических законов, являющимися следствиями симметрии пространствавремени. Именно действием этих законов и следует объяснять образование и Солнца и Солнечной системы (закон Боде (1.1), данные в табл. 1.1 и на рис. 1.3). Закономерное распределение плотности вещества в системах Земля – Луна и ядро Юпитера – его спутники (рис. 1.5) указывает на то, что и образование планет солнечной системы происходило по вполне определенным закономерностям.

Изучение таких физических закономерностей на примере планеты Земля и является предметом «Физики Земли».

При этом не нашли пока своего научного объяснения следующие важные экспериментально установленные факты, имеющие непосредственное отношение к процессам образования как Солнечной системы, так и, возможно, Вселенной в целом:

- Масса Солнца составляет 99,9% всей массы солнечной системы, в то время как планеты обладают 98% ее общего момента количества движения, при этом большая часть момента «принадлежит» планетам-гигантам. Не ясно, каким образом момент передается (или передался в момент образования системы) от центрального тела к внешним частям системы.

- Во время формирования планет внутри солнечного облака слагающее его вещество должно было сильно дифференцироваться по химическому составу, в результате чего Нептун и Уран оказались состоящими из элементов II группы, Сатурн и Юпитер – из элементов I группы, а планеты земной группы – из элементов III группы. Механизм такой химической дифференциации не ясен.

- Понимание природы вихревых движений во всем масштабе движений от галактик до элементарных частиц может привести к появлению новых физических представлений о свойствах пространства – времени.

Фактически, речь должна идти о формировании языка общения, на котором мы сможем вести «Новый диалог с Природой» (определение И. Пригожина и И. Стенгерс [1986]), задавая «рабочие» вопросы и получая адекватные ответы [Тимашев, 2003].

В этой связи весьма интересным представляется новый подход к Солнечно-Земным связям, развиваемый К.Г. Леви с соавторами [Леви и др., 2002; 2003].

Создан принципиально новый курс лекций, не имеющий аналогов, как в нашей стране, так и, по-видимому, за рубежом: «Современная геодинамика и гелиогеодинамика». Этот курс [Леви, Задонина, Бердникова и др., 2003, с. 3] «…призван ознакомить студентов с современными представлениями о геодинамике планеты, взаимосвязями различных природных и социальных процессов и причинами, порождающими экстремальные ситуации в природе и социуме с оценкой роли влияния Солнца на происходящие в окружающей среде изменения. Гелиогеодинамика – это самостоятельное естественнонаучное направление, изучающее взаимодействие геосфер Земли между собой и внешним миром. Основной целью гелиогеодинамики является, прежде всего, выявление периодичности возникновения экстремальных природный ситуаций и прогноз тех явлений, которые могут иметь место в случае неблагоприятного развития процессов не в одной, а одновременно в нескольких геосферах и в связи с проявлением солнечной активности. При этом авторы полагают, что в природе катастроф не бывает и что под термином «катастрофа» нужно понимать лишь социальноэкономическую оценку потерь в результате возникновения той или иной экстремальной природной ситуации. Окружающий нас мир чрезвычайно сложен по своей внутренней структуре, а взаимосвязи между экстремальными событиями и явлениями, происходящими вокруг нас, организованы иерархично и системно».

В результате большой работы коллектива авторов был проведен широкомасштабный сбор хронологических данных об аномальных явлениях в природе и социуме на большой по площади территории Сибири и Монголии в течение времени, превышающем последние 500 лет нашей истории [Леви, Задонина, Бердникова и др., 2003, с. 374]. «Не все закономерности развития процессов выявлены, не все сопоставления осуществлены, но сделано главное – положено начало планомерному сбору сообщений о тех или иных аномальных явлениях. Эта работа продолжает оставаться необходимой, несмотря на развивающиеся исследования в области мониторинга различных природных процессов так же, как и наблюдения за солнечными пятнами и вычисление чисел Вольфа, отражающих вариации солнечной активности. Наверное, не везде нам удалось убедить читателя в справедливости нашего взгляда на всеобъемлющее влияние Солнца на все, что происходит на нашей матушке – Земле, но начатые исследования мы намерены продолжать в этом направлении. Важным во взаимоотношениях в системе «СолнцеЗемля» является постоянное запаздывание реакции земных процессов на солнечное воздействие. Складывается впечатление, что природная среда накапливает в себе это воздействие или объем солнечной энергии до критических значений, после которых она не способна удерживать эту энергию в себе и реагирует возникновением аномальных природных явлений. Это проявление своеобразной «упругости» природной среды по отношению к солнечному воздействию».

Выявление физических механизмов, обеспечивающих такого рода комплексные взаимосвязи между геофизическими и социальными явлениями, по-видимому, дело будущего.

Однако существование взаимосвязей между этими явлениями и активностью Солнца, по-видимому, не вызывает сомнений и наводит на мысль о моментной, вихревой природе таких физических механизмов. Действительно, с одной стороны, согласно (Сидоренков, 2002), все геофизические явления в той или иной степени взаимосвязаны с режимом вращения Земли и его нестабильностями. С другой - согласно [Тимашев, 2003; с.

115-117], «…11-летняя цикличность обусловлена не собственной внутренней динамикой Солнца как звезды (трудно на основе собственных параметров Солнца сконструировать соответствующее «характерное время»), а со сложной динамикой всей солнечной системы. Еще в 1965 г. путем компьютерных расчетов было показано, что центр Солнца движется относительно центра масс солнечной системы (барицентра) по сложной траектории и может удаляться от барицентра на расстояния, превышающие удвоенный солнечный радиус [Долгачев, Доможилова, Хлыстов, 1991]. Причина этого состоит в том, что на долю Солнца приходится только около 2% общего момента количества движения солнечной системы, хотя массовая доля составляет 99,9%. Однако такое сложное движение центра масс Солнца (его характерный период составляет 179 лет), обычно, не связывают с инициированием 11-летнего цикла, несмотря на то что период обращения Юпитера, наиболее критичной в данном рассмотрении планеты, составляет около 11 лет.

(На долю Юпитера приходится более 60% орбитального углового момента (табл. 1.2) и около 80% собственного вращательного момента в солнечной системе (табл. 1.3) – А.В.).

Согласно [Тимашев, 1991; 1993] соответствующие оценки необходимо проводить, учитывая, что Солнце – деформируемая система. При сложном движении центра масс солнечного шара относительно барицентра вещество Солнца должно проявлять себя как вязкая сжимаемая среда, подверженная приливным воздействиям. Следует ожидать некоторого деформирования формы Солнца с изменением плотности приповерхностных участков, а также генерации противоположно направленных вихревых движений.

Интенсивность генерации вихрей зависит как от вектора ускорения центра масс Солнца относительно барицентра, так и от производной этого вектора по времени. Можно полагать, что именно такие вихри инициируют появление солнечных пятен».

Вихревые движения оказывают решающее влияние на жизнь Солнца, включая и его активность, и согласно данным работы [Потапов, Фоминский, Потапов, 2000].

Бери Б.Л. Периодичность геофизических процессов и ее влияние на развитие литосферы // Эволюция геологических процессов в истории Земли. М.: Наука, 1993. С. 53– 62.

Берсенев И.И. Осевое вращение Земли как одна из причин геотектогенеза // Строение и развитие земной коры. М.: Наука, 1964. С. 194–200.

Борисов А.В., Мамаев И.С., Соколовский М.А. (ред.) Фундаментальные и прикладные проблемы теории вихрей. Москва-Ижевск: ИКИ, 2003. 704 с.

Викулин А.В. Физика волнового сейсмического процесса // ПетропавловскКамчатский: КОМСП ГС РАН – КГПУ, 2003. 151 с.

Викулин А.В. (ред.) Вихри в геологических процессах. Петропавловск-Камчатский:

КГПУ, 2004. 297 с.

Викулин А.В. Мир вихревых движений. Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2008. 230 с.

Викулин А.В., Мелекесцев И.В. Сейсмичность, вулканизм Тихого океана и вращение планеты // Българско геофизично списание. 1997. Т. XXIII. № 1. С. 62-68.

Вихри в геологических процессах / Ред. А.В. Викулин. Петропавловск-Камчатский:

ИВГиГ ДВО РАН, 2004. 297 с.

Владимиров В.И., Романов А.Е. Дисклинации в кристаллах. Л.: Наука, 1970. 224 с.

Волков Ю.В. Вихревые структуры рифтовых зон Земли // Система планета Земля.

М. 2002. С. 257.

Вопросы материаловедения № 1 (29). СПб.: ЦНИИ КМ «Прометей». 2002. 480 с.

Воронов П.С. Роль ротационных сил Земли в истории становления структуры ее литосферы. // Эволюция геологических процессов в истории Земли. М.: Наука, 1993. С.

104–114.

Гелл-Манн М. Вопросы на будущее // Фундаментальная структура материи. М.:

Мир, 1984. С. 266.

Геодезические и геологические данные о японской островной дуге и ее обрамлении // Окраины континентов и островные дуги. М.: Мир, 1970. С. 216 – 236.

Геологический словарь. Т. 1, 2. М.: Недра, 1978. 942 с.

Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. Учебное пособие. М.: «КДУ», 2005. 496 с.

Гуревич Л.Э., Чернин А.Д. Происхождение галактик и звезд. М.: Наука, 1983. 192 с.

Гущенко О.И. Реконструкция поля мегарегиональных тектонических напряжений сейсмоактивных областей Евразии // Поля напряжений и деформаций в литосфере. М.:

Наука, 1979. С. 26–51.

Дмитриевский А.Н., Володин, И.А., Шипов Г.И. Энергоструктура Земли и геодинамика. М.: Нака, 1993. 156 с.

Долгачев В.А., Доможилова Л.М., Хлястов А.И. Особенности движения центра масс Солнца относительно барицентра // Тр. Гос. астроном. Ин-та им. П.К. Штернберга. 1991.

Т. 62. С. 111-115.

Ефимов И.И., Куликов У.А., Рабинович А.Б., Файн И.В. Волны в пограничных областях. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 280 с.

Земля. Введение в общую геологию. Т. 1, 2. М.: Мир, 1974. 847 с.

Ильичев В.И., Шевалдин Ю.В. О природе Западно-Тихоокеанской переходной зоны // Докл. АН СССР. 1986. Т.290. № 3. С. 570–573.

Каттерфельд Г.Н. Лик Земли. М.: ГИГЛ, 1962. 152 с.

Кац Я.Г., Козлов В.В., Полетаев А.И., Сулиди-Кондратьев Е.Д. Кольцевые структуры Земли: миф или реальность. М.: Наука, 1989. 190 с.

Короновский В.Н. Общая геология: учебник. М.: КДУ, 2006. 528 с.

Кулаков А.П. Морфоструктуры Востока Азии. М.: Наука, 1986. 176 с.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.:

Наука, 1974. 752 с.

Леви К.Г., Язев С.А., Задонина Н.В., Бердникова Н.Е., Воронин В.И., Глызин А.В., Куснер Ю.С. Современная геодинамика и гелиогеодинамика. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002. 182 с.

Леви К.Г., Задонина Н.В., Бердникова Н.Е., Воронин В.И., Глызин А.В., Язев С.А., Баасанджан Б., Нинжбадгар С., Балжинян Б., Буддо В.Ю. Современная геодинамика и гелиогеодинамика. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003. 383 с.

Левич В.Г., Вдовин Ю.А., Мямлин В.А. Курс теоретической физики. Том II. М.:

Наука, 1971. 936 с.

Ли Сы-гуан. Геология Китая. М.: Изд. иностр. литературы, 1952. 146 с.

Ли Сы-гуан. Вихревые структуры Северо-Западного Китая. М.-Л.:

Госгеолтехиздат, 1958. 130 с.

Личков Б.Л. Движение материков и климаты прошлого Земли Л.: АН СССР, 1931.

133 с.

Маслов Л.А. Геодинамика литосферы тихоокеанского подвижного пояса // Хабаровск-Владивосток: Дальнаука, 1996. 200 с.

Международный геолого-геофизический атлас Тихого океана. М.-СПб.:

Межправительственная океанографическая комиссия, 2003. 192 с.

Мелекесцев И.В. Вихревая вулканическая гипотеза и некоторые перспективы ее применения // Проблемы глубинного вулканизма. М.: Наука, 1979. С. 125-155.

Мелекесцев И.В. Вулканизм и рельефообразование. М.: Наука, 1980. 212 с.

Мелекесцев И.В. Взгляд геолога: вращательные движения и вихри как фактор формирования литосферы и геолого-географической среды Земли // Вихри в геологических процессах / Ред. А.В. Викулин. Петропавловск-Камчатский: ИВГиГ ДВО РАН, 2004. С. 20-23.

Милановский Е.Е., Никишин А.Л. Западно-Тихоокеанский рифтовый пояс // Бюлл.

Моск. общества испытателей природы. Отд. Геол. 1988. Т. 63. Вып. 4. С. 3–15.

Мясников Е.А. Магматические и рудоконтролирующие морфоструктуры центрального типа. На примере Верхнего Приамурья. Владивосток: Дальнаука, 1999.

84 с.

Назиров М. Исследование закономерностей формирования крупномасштабных геолого-геоморфологических структур по космическим фотоизображениям // Изв.

высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 1975. № 4. С. 67-75.

Незлин М.В. Солитоны Россби (экспериментальные исследования и лабораторная модель природных вихрей типа Большого Красного Пятна Юпитера) // УФН. 1986.

150. Вып. 1. С. 3–60.

Орленок В.В. Основы геофизики. Калининград: Калининградский гос.

Университет, 2000. 448 с.

Полетаев А.И. Сдвигово-ротационная мотивация структурной эволюции Земли // Тектоника и геофизика литосферы. Материалы совещания. Т. II. М.: 2002. С. 104–107.

Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Потапов С.Ю. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиции теории движения. Кишинев-Черкассы: Око-Плюс. 2000.

Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой.

М.: Прогресс. 1986. 432 с.

Пущаровский Ю.М. Избранные труды. Этюды. Т. 1. Тектоника и геодинамика. Т. 2.

Тектоника океанов. М.: Наука, 2005.

Розен О.М., Федоровский В.С. Граниты и гранитошнейсовые ареалы в коллизионных системах. 2000. http://geo.web.ru/~sgt/articles/1/page_3_4.htm Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.:

ДомКнига, 2007. 528 с.

Рыбин В.В. Закономерности формирования мезоструктур в ходе развитой пластической деформации // Вопросы материаловедения №1 (29). СПб.: ЦНИИ КМ «Прометей». 2002. С. 11–33.

Сато Х. Повторные геодезические съемки // Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии. М.: Недра, 1984. С. 108–120.

Сидоренков Н.С. Физика нестабильностей вращения Земли. М.: Физматлит, 2002.

384 с.

Симаков К.В. Введение в теорию геологического времени. Становление.

Эволюция. Перспективы. Магадан: СВКНИИ ДВО РАН, 1999. 557 с.

Слензак О.И. Вихревые системы литосферы и структуры докембрия. Киев:

Наукова Думка, 1972. 181 с.

Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Развитие Земли: Учебник. М.: МГУ, 2002. 560 с.

Структурная геология и тектоника плит. Т. 1–3. М.: Мир, 1990-1991. 1046 с.

Тимашев С.Ф. Роль химических факторов в эволюции природных систем. (Химия и экология) // Успехи химии. 1991. Т. 60. С. 2292-2331.

Тимашев С.Ф. Физикохимия глобальных изменений в биосфере // Журнал физической химии. 1993. Т. 67. С. 16—165.

Тимашев С.Ф. О базовых принципах «Нового диалога с Природой» // Проблемы геофизики XXI века. Книга первая. М.: Наука, 2003. С. 104-141.

Шейдеггер А. Основы геодинамики. М.: Недра, 1987. 384 с.

Шипов Г.И. Теория физического вакуума. М.: Изд-во ООО «Кириллица-1», 2002.

128 с.

Шолпо В.Н. Структура Земли: упорядоченность или беспорядок? М.: Наука, 1986.

160 с.

Шолпо В.Н. Феномен упорядоченности структуры Земли и проблемы самоорганизации // Система планета Земля. М. 2001. С. 6–9.

Уфимцев Г.Ф. Черты порядка в глобальном рельефе Земли. Тихоокеанская геология. 1988. № 4. С. 105–113.

Уфимцев Г.Ф. Мегарельеф Земли: общая симметрия, Западно-Тихоокеанская диссимметрия и планетарные процессы // Закономерности строения и динамики планет земной группы. Хабаровск. 1992. С.41–42.

Фурмарье П. Проблемы дрейфа континентов. М.: Мир, 1971. 256 с.

Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. Учебник. М.: МГУ, 1995. 480 с.

Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. Учебник. М.:

«КДУ», 2005. 560 с.

Эстерле О.В. Новое представление о пространстве и времени в рамках целостной парадигмы // Система планета Земля. М. 2003. С. 185–192.

Fujiwhara S., Tsujimura T., Kusamitsu S. On the Earth-vortex, Echelon Faults and allied Phenomena // Gerlands Beitrge zur Geophysik, zweite Supple mentband. 1933. P. 303-360.

Haveman H. Neues Erklarungsmoment zum Mechanismus der Kontinentsvershiebungen // Die Naturwissenschaften. 1929. B.17. H. 38. S. 748.

Hochstetter. Unser Wissen von der Erde // Geologie Th. 11. Kirchoff. 1886.

Hughes T. Coriolis perturbation of mantle convection related to a two phase convection model // Tectonophysics. 1973. V. 18. P. 215–230.

Kanasewich E.R., Havskov J., Evans M.E. Plate tectonics in the Phanerozoic // Canadian J. of the Earth Scieeces. 1978. V. 15. N 6. P. 919–955.

Lee J.S. Some Characteristic Structural Types in Eastern Asia and Their Bearing upon the Problems of Continental Movements // Geol. Mag. LXVI. 1928. P. 422-430.

Madelung E. Quantentheorie in hydrodynamischer Form. Z. fur Phys. 40. 3. 4. 1926. Jackson E.D., Shaw H.R., Bargar K.E. Calculated geochronology and stress field orientations along the Hawaiian chain // Earth Planet Sci.Lett. 1975. V. 26. P. 145–155.

Pan Ch. Polar instability, plate motion, and geodynamics of the mantle // J. Phys. Earth.

1985. V. 33. N 5. P. 411–434.

Takeuchi A. Pacific swing: Cenozoic episodicity of tectonism and volcanism in Northeastern Japan // Memoir of the Geological Society of China. 1986. N 7. P. 233–248.

Whitney M.I. Aerodinamic and vorticity erosion of Mars: Part II. Vortex features, related sistems, and some possible global patterns of erosion // Geol. Soc. America Bull. Part I. V. 90.

1979. P. 1128-1143.

11. ЭЛЕМЕНТЫ ВИХРЕВОЙ ГЕОДИНАМИКИ

Термин «геодинамика» не имеет общепризнанного толкования [Шейдеггер, 1987].

В нашей стране на рубеже 80-х годов появились и быстро прижились понятия «геодинамический анализ» и «геодинамические реконструкции», подразумевающие интерпретацию строения и истории развития континентальных территорий с позиций одной конкретной концепции – тектоники литосферных плит. На практике это вылилось в массовое использование метода аналогий. При этом, по сути, постулируется механизм ячеистой мантийной конвекции, восходящие ветви которой порождают срединноокеанические хребты, а нисходящие (субдуцирующие) – сложные островодужные ансамбли. Суть подобной методологии мог бы отражать, например, термин «химическая геодинамика» [Жуланова, 2003].

Если смотреть шире, включение в теоретический фундамент современной геологии термодинамики вырисовывает первоочередную методологическую задачу, особенно если вести речь о синтезе геофизики, тектоники и петрологии (геохимии), в целостную науку о движущих силах эволюции планеты – «глобальную геодинамику» [Хаин, 1995].

Акцентировать внимание на этом, по мнению автора работы [Жуланова, 2003], «заставляет не столько логика внутреннего развития самой геологии…, сколько общие достижения термодинамики необратимых процессов и родственного ей нового междисциплинарного направления – синергетики – в познании универсальных закономерностей и возникновения развития (самоорганизации) больших неравновесных (диссипативных) систем любой природы. Философия уже назвала синергетику парадигмой современного естествознания. Ведущим фактором самоорганизации она называет мощные энергопотоки, действующие на протяжении длительного времени и с определенной периодичностью порождающие скачкообразные эффекты структуирования систем за счет согласованного действия всех их элементов. Очевидная специфичность этого направления позволила предложить для него термин «геосинергетика»».

Синэнергетический подход в нелинейной геологии и проблема научного прогнозирования подробно обсуждается в фундаментальной работе Н.В. Короновского [2006, с. 493-513].

Нет сомнений, что за синергетикой большое будущее. Однако не будем увлекаться «философской» стороной дела, за которой часто стоят полукачественные или в лучшем случае качественные, не подкрепленные достаточно надежными количественными оценками, рассуждения. Примером тому – последняя геологическая парадигма – глобальная тектоника плит, которая «на пальцах» действительно объясняет все или почти все, но при количественных оценках сталкивается с трудностями принципиального характера (см. далее в этой главе раздел «Новые данные и нестыковки»).

Под Геодинамикой, вслед за [Геологический…, 1978, с. 143], будем понимать раздел наук о Земле достаточно общего плана: «о процессах, протекающих в системе «Земля», и о силовых (энергетических) полях, проявляющихся в этих процессах». Термин «геодинамика» в такой формулировке близок определению В.Е. Хаина [1995] и, несомненно, несет синергетические черты. Построенные в последующем количественные модели позволят исследователям в дальнейшем уточнять и конкретизировать как саму дисциплину «Геодинамика», так и, возможно, ее разделы.

Прежде чем говорить о движениях в геологии, т.е., прежде чем начинать строить геодинамические модели, необходимо остановиться на сути концепции времени в геологии, которая, как известно [Симаков, 1999], имеет свою специфику.

Геология начинается в поле с наблюдения материала, образующего Землю и определяющего его геометрическое и «структурное» расположение. Затем следует изучение временных взаимосвязей, которые могут быть логически выведены их этих наблюдений. Такие взаимосвязи, устанавливающие последовательность событий во времени и дающие схематическую модель процесса, затем объясняются на основе экспериментально подтвержденных физических законов.

Большая часть Земли скрыта от взгляда. Следовательно, значительная часть геологии является плодом воображения.

Имеющиеся в нашем распоряжении геологические данные свидетельствуют, что многие геологические процессы невозможно было бы ни наблюдать, ни понять, если бы они не были очень длительными. «Медленность» же многих земных процессов «компенсируется» большей протяженностью геологического времени их протекания. С точки зрения обычных человеческих стандартов Земля по своим размерам и возрасту – объект необычный. Действительно, состояние вещества внутри Земли характеризуется большими диапазонами Р (давление) – Т (температура) – (плотность) условий, а также химической и физической по пространству и во времени «неоднородностями» протекания геологических процессов. Все это вынуждает геологов при объяснении геологических процессов прибегать и к многочисленным предположениям и к существенным физическим и химическим упрощениям реальных геологических условий.

Время в геологии играет важнейшую роль. Другие естественные науки, например, химия или физика, изучают мир, главным образом, в современном его состоянии. В отличие от них геология имеет дело преимущественно с прошлым. Наши познания о геологических процессах обычно основываются на наблюдениях последовательности различных событий во времени, а, значит, почти полностью определяются хронологией. В большинстве случаев геолог, пытаясь реконструировать некоторые события, осуществившиеся в прошлом, задается вопросами: «Что случилось вначале? Что произошло потом? Были ли эти события одновременными?». Огромная продолжительность геологического времени помогает понять процессы, которые были бы совершенно необъяснимыми в рамках очень кратких по продолжительности отрезков времени лабораторных экспериментов или даже с точки зрения продолжительности человеческой жизни. Другими словами, геологи вынуждены допускать, что все физические законы проявлялись в прошлом так же, как они проявляются и в настоящее время, хотя заранее не ясно и это ниоткуда не следует, оставались ли численные значения констант, входящих в эти законы, неизменными в течение всех геологических эонов или эр.

В соответствии с современными представлениями термодинамики течение геологического времени сопровождается и, фактически, определяется необратимым рассеянием энергии или увеличением энтропии. Земля никогда не будет такой же, как в настоящий момент, как она никогда не была точно такой же и в прошлом. Земля совершенно неизбежно должна изменяться и эволюционировать. Это обстоятельство кардинальным образом ставит геологию в разряд исторических наук. Геология изучает преимущественно специфические случаи и уникальные проявления эволюции, отделенные друг от друга разными отрезками времени. Об их продолжительности мы можем судить только на основании современных представлений. Никакими геологическими данными о том, как в действительности протекало время в ту или иную геологическую эру или эон мы не располагаем. Эти обстоятельства в корне отличают геологию от физики и химии, которые изучают воспроизводимые явления в системах, существующих в настоящее время.

Геологам приходится иметь дело с весьма разнородными объектами: нет двух океанов, нет пары континентов или даже вулканов и очагов землетрясений, вполне похожих один на другой. Эта разнородность объектов обусловлена уникальным характером и невоспроизводимостью геологических событий. Отсюда и принципиальная неоднозначность интерпретации всех геологических теорий.

Хронология фанерозоя [Земля, 1974, с. 25-27, 266-267] Кристаллический фундамент континентальной коры на громадных площадях перекрыт чехлом осадочных пород. Во многих случаях можно изучить и провести измерения последовательности осадочных отложений, мощность которых может достигать сотен и даже нескольких тысяч метров. Общеизвестно, что в любой вертикальной последовательности осадочных пород пласты, залегающие выше по разрезу, несомненно, являются более молодыми. Этот принцип, известный под названием закона напластования Стено, явился тем основополагающим камнем, на котором позднее выросло здание науки стратиграфии – науки о напластованиях пород и той информации, которая в них записана происходящими событиями. Стратиграфия в свою очередь лежит в основе геологической хронологии.

Каждый раздел геологического времени устанавливается на основе местной стратиграфической последовательности. При этом корреляция событий, соответствующих этому времени в других районах Земли, проводится геологами на основе изучения ископаемых остатков.

Особый интерес радиометрического определения абсолютного возраста событий, совершавшихся в кембрии и позднее, заключается в возможности взаимного совмещения классической стратиграфии с радиологической хронологией. Каждая из этих двух систем датирования является достаточно строгой проверкой правильности другой системы. В результате многолетних исследований выяснилась хорошая сходимость радиометрических и стратиграфических данных. Серьезные противоречия между ними единичны.

Таким образом, к настоящему времени можно сформулировать следующие фундаментальные выводы. А именно, продолжительность фанерозойского эона составляет около 600 млн лет, т.е. несколько меньше одной седьмой установленной истории земной коры (около 4200 млн лет). При этом продолжительности всех основных периодов фанерозоя оказались примерно одинаковыми, так как четыре фанеройские шкалы времени, откалиброванные разными авторами по радиометрическим определениям абсолютного возраста, достаточно хорошо совпали между собой. Действительно, продолжительности следующих друг за другом фанерозойских периодов оказались примерно равными (в млн лет): Третичный (Т) – 68, Мел (С) – 66, Юра (J) – 54-59, Триас (Т) – 30-35, Пермь (Р) – 55, Карбон (С) – 65, Девон (D) – 50, Силур (S) – 35-45, Ордовик (О) – 60-70) и Кембрий (С) – 70, в среднем, Т = 60±10 млн лет, = 10 млн лет – величина среднеквадратичного разброса значений. Как видим, разброс средних продолжительностей невелик и, в среднем, не превышает 15-20%, что в первом приближении позволяет считать продолжительности всех основных периодов в фанерозое равными друг другу.

Примерное равенство друг другу продолжительностей основных фанерозойских периодов, определенных с помощью абсолютных радиоактивных методов, во времени «привязанных» к современному периоду, позволяет считать их проявлением некого общего колебательного геологического процесса, протекавшего на Земле в течение последних 600 млн лет. Этот вывод подтверждается данными работы [Милановский, 1995], в которой показано, что для фанерозоя характерно наличие «многоуровенной иерархической системы циклов разных рангов и длительностей». Все эти данные, в принципе, позволяют для фанерозойской эры строить Геодинамику, время в которой является категорией, близкой к категории времени, используемой в современной физике.

Приведенные в предыдущем разделе «Ротации во Вселенной» данные убедительно показывают большую распространенность вихревых движений во Вселенной на различных пространственных и временных масштабных уровнях. В работе [Викулин, Мелекесцев, 2007] показана важнейшая роль вихревых движений и для процесса возникновения жизни, ее генезиса, формирования Homo Sapiens и в последующем социума. Ниже кратко остановимся на узловых моментах, определяющих становление основополагающих представлений о вихревых движениях в геологических и геофизических процессах.

Ли Сы-гуан [Ли Сы-гуан, 1958; Lee, 1928] при изучении геологии Китая вводит термин «вихревые структуры». Он же на моделях демонстрирует возможность их образования. Это стало возможным благодаря важным «технологическим» изменениям, имевшим место в начале 20 в. в геологии: создание достаточно точных геологических карт, проведение детальных геологических исследований и выполнение высокоточных геодезических инструментальных наблюдений на больших базах.

Геодезические инструментальные измерения [Рикитаке, 1970; Сато, 1984], проведенные в конце 19 – первой половине XX вв. на японских островах (рис. 11.1), широкий комплекс геофизических исследований, выполненных в конце XX – начале XXI вв. на островах Пасха и Хуан-Фернандес в Тихом океане [Международный…, 2003], подтвердили существование вихревых структур в земной коре и литосфере [Мелекесцев, 1979; Слензак, 1971] и навели на мысль о преобладании вихревых (вращательных) движений тектонических плит над их поступательным движением [Викулин, Тверитинова, 2004].

Рис. 11.1. Векторное изображение смещений триангуляционных пунктов I класса за период Теоретические физические исследования трещины Гриффитса и моделирование тектонических разломов в лабораторных условиях в начале 50-х гг. прошлого века приводят к выводу о вращении образующихся в материале трещин [Магницкий, 1965;

Yoffe, 1951]. Тектонофизические исследования 1960-1970 гг. устанавливают пространственную волнистость крупных тектонических разрывов и формулируют вывод, что представления об их прямолинейности часто не соответствуют наблюдаемым фактам [Гзовский, 1975].

В конце 50 – 60 гг. ХХ в. устанавливается блоковый характер геологической среды, делается вывод о том, что каждый блок обладает самостоятельной движущей силой, связанной с вращением Земли [Пейве, 1961].

1965 г. Д. Кюхеманн [Kuchemann, 1965] приходит к важному, в том числе и для геодинамики, выводу, согласно которому «вихри – это мышцы и жилы гидродинамики»

[Сэффмэн, 2000, с. 7].

В начале 1970-х гг. обращается внимание на важность механических задач с собственным моментом количества движения макроскопических по размерам объемов вещества [Седов, 1973].

В 1960 – 1980 гг. разрабатываются механические блоковые модели геофизической среды [Садовский, Писаренко, 1991], включая и модели с поворачивающимися блоками [Николаевский, 1996], в рамках которых находит свое теоретическое объяснение волновая природа тектонического процесса [Викулин, 2003].

В 2004 и 2007 гг. выходят в свет первые специализированные сборники научных работ [Вихри, 2004; Ротационные, 2007], посвященные развитию представлений о вихревых движениях в геологии.

Моментная природа геодинамического процесса Становление ротационных вихревых представлений в тектонике подробно было описано на примере геофизической блоковой (в смысле А.В. Пейве – Л.И. Седова - М.А.

Садовского) среды. Основным результатом такого рассмотрения явилось доказательство возможности аналитического описания сейсмотектонического процесса в пределах переходных зон окраины Тихого океана в рамках волновой модели с характерной скоростью, определяемой угловой скоростью вращения Земли вокруг своей оси [Викулин, 1990; 2003; 2008а, б, с. 114-168; Викулин, Иванчин, 1998; Vikulin, Tveritinova, 2008]. Суть сводится к следующим узловым положениям, излагаемым в этом и следующем разделах.

Взаимодействие землетрясений. Анализ показал, что каждое из распределений северо-западно-тихоокеанских землетрясений ХХ века – пространственное (sp), временное (t), магнитудное (энергетическое, m) - имеет особенности в окрестностях двух точек:

что физически определяет два типа взаимодействия между их очагами. Первый тип взаимодействия соответствует «отталкиванию» очагов сильнейших ( M M 1, sp ) землетрясений (сейсмических брешей первого типа) друг от друга, что выражается в их непересечении в течение сейсмического цикла [Федотов, 1965, 1968], продолжительность которого для северо-западной окраины Тихого океана составляет:

Второй тип взаимодействия, наоборот, соответствует взаимному «притяжению»

сейсмических брешей второго типа (сейсмических дыр, зон молчания, зон затишья и др.) друг к другу, их «втягиванию» внутрь очага сильнейшего землетрясения [Викулин, Журавлев, 1987].

При этом распределение значений доверительной вероятности на фазовой плоскости (с осями магнитуда - временной интервал между совокупностями северозападно-тихоокеанских землетрясений ХХ века) образуют замкнутые линии, соответствующие характерному периоду сейсмического процесса продолжительностью:

Близость особых «пространственных» и «временных» значений магнитуд (11.1) M 1, sp M 1,t и продолжительностей характерных «пространственных» (11.2) и «временных» (11.3) периодов Tsp Tt позволяет предположить существование пространственно-временных закономерностей в распределении очагов землетрясений их миграции со скоростью, равной коэффициенту пропорциональности между координатами следующих друг за другом эпицентров землетрясений определенной магнитуды с одной стороны и временами в их очагах – с другой.

Все данные о скоростях миграции для тихоокеанской окраины собраны в [Викулин, 2001, 2003; Викулин, Водинчар, Мелекесцев и др., 2007: Осипова, 2008] и представлены на рис. 11.2.

Рис. 11.2. Значения скоростей миграции тихоокеанских землетрясений и определенные по ним зависимости M (LgV ). 1 – данные, полученные ранее [Викулин, 2001, 2003; Викулин, Иванчин, 1998]; 2-5 – более поздние данные, полученные в [Викулин, Водинчар, Мелекесцев и др., 2007; Осипова, 2008], 3 – скорость миграции сильнейших землетрясений-дуплетов с МW = 8,1-8,7 в 1897-1901 гг. вдоль окраины Тихого океана; 4 – скорости миграции толчков в дуплетах 4.11.1952, Камчатка, МW = 9,0 и 13.11.1963 Курилы, МW = 8,7 [Викулин, 2003; Викулин, Чернобай, 1986а, б]; 5 – скорость миграции, соответствующая максимальному значению магнитуды форшока М = 8,3, которым за 40 с предварялся основной толчок Чилийского землетрясения 1960, М = 8,3, MW = 9,5 [Duda, 1963]; Vp 8 км/сек и VS 4 км/сек – продольная и поперечная сейсмические скорости соответственно. (I) и (II) – зависимости магнитуды от скорости «глобальной миграции» вдоль окраины Тихого океана M 1 ( LgV1 ) и скорости «локальной»

миграции форшоков и афтершоков в очагах сильных землетрясений M 21 ( LgV2 ) соответственно. Рисунок построен Н.А. Осиповой.

Из данных, представленных на рис. 11.2, видно, что все данные по скоростям миграции землетрясений разбиваются на два поля точек. Одно из них связывает магнитуды землетрясений M 1 с их скоростями миграции V1 вдоль всей окраины Тихого океана – глобальная миграция:

при максимальных значениях скоростей V1, max в области предельных магнитуд:

Второе – связывает магнитуды афтершоков и форшоков с их скоростями миграции в пределах очагов сильных и сильнейших землетрясений – локальная миграция:

при максимальных значениях скоростей V2, max в области предельных значений магнитуд форшоков и афтершоков и сильнейших толчков-дуплетов:

При соотношении между магнитудой землетрясения М и размером его очага L lg L = 0,4 M 1 [Ризниченко, 1985] и сброшенной в его очаге упругой энергии Е M 1,8 lg E (соотношение Гутенберга-Рихтера) равенства (11.4) и (11.6) могут быть переписаны в виде:

Как видим, данные по миграции подтверждают сделанный выше на основании совместного статистического анализа пространственного, временного и энергетического распределений вывод о существовании двух типов взаимодействия между очагами тихоокеанских землетрясений – регионального, в пределах всей зоны, и локального, в пределах очага землетрясения – и дополняют его: механизмы существенно, в два раза, различаются значениями наклонов характеризующих их зависимостей:

Эффект Доплера. Близость «пространственного» (11.2) и «временного» (11.3) характерных квазипериодических интервалов времени позволяет предположить, что миграция землетрясений является волновым процессом. Тогда вследствие вращения Земли миграция форшоков и афтершоков в очагах широтных и долготных (вытянутых вдоль широты и долготы соответственно) землетрясений должна происходить с разными скоростями. А именно, вследствие связанного с вращением Земли эффекта Доплера значение «широтной» скорости волновой миграции форшоков и афтершоков должно «расщепляться» на два, в то время как значение «долготной» такой же скорости - нет. При этом вследствие увеличения скорости миграции с ростом магнитуд афтершоков и форшоков (рис. 11.2, II) эффект расщепления должен быть все более значимым. При М = и соответствующей такой магнитуде скорости миграции VM = 7 1 км/с теоретическая (th) оценка величины ее расщепления на широте, скажем, алеутской островной дуги = 500 600 с.ш. составляет:

где REarth – радиус Земли, - ее угловая скорость вращения вокруг своей оси.

Исследовался афтершоковый процесс пяти наиболее сильных (МW 9) в последнее столетие землетрясений планеты, очаги которых были вытянуты в «широтном» (latitude) и «долготном» (longitude) направлениях и имели протяженность около 1000 км и более [Викулин, 2006]. Такие землетрясения будем называть большими. Очаги трех землетрясений имели «широтное» (la) простирание и располагались вдоль Алеутских островов: 09.03.1957, М = 8,8, N1,2 = 421, 9, =520 ± 20, = 180 (1790 в.д. – 1630 з.д.);

28.03.1964, М = 9,0, N1,2 = 213, (8), =580 ± 20, = 150 (1420 – 1570 з.д.) и 04.02.1965, М = 8,7, N1,2 = 284, 3, =520 ± 20, = 100 (1700 в.д. - 1800). Двух «долготных» (lo)- вдоль Тихоокеанского побережья Южной Америки: Чилийское землетрясение 20.05.1960, М = 9,5, N1,2 = 63, 5, = 700 ± 50 з.д., = 400 (100 – 500 ю.ш.) и в Индийском океане:

землетрясение Суматра 26.12.2004, М = 9,0, N1,2 = 675, 4, = 980 ± 50 в.д., = 220 ( ю.ш. – 150 с.ш.). Здесь N1,2 – числа афтершоков с М 5 и с М 7,0 (М 6,5) соответственно. После этих землетрясений интенсивные собственные колебания планеты регистрировались в течение месяца.

Данные о временах и координатах эпицентров главных толчков и их афтершоков использовались из следующих источников. Для землетрясения 1957 г. – из каталога NEIC [Earthquake…]. Для землетрясений 1960 – 2004 гг. – из каталога ISC [International…].

Данные об афтершоках с магнитудами 5 М < 6 землетрясений 1964 и 1965 гг.

дополнялись данными из каталога [Викулин, 1984].

Развитие форшокового и афтершокового процессов в очагах широтного Аляскинского 1964 г. и долготного Чилийского 1960 г. землетрясений представлено на рис. 11.3, 11.4 и 11.5 соответственно.

Из данных, приведенных на рис. 11.3 – 11.5, видно, что распределения сильных форшоков и афтершоков в очагах сильнейших землетрясений в пространстве и во времени не случайны. Такие распределения, рассматриваемые совместно с эпицентрами главных толчков, с одной стороны, определяют формирование очага на стадии форшоков и его последующее развитие на стадии афтершоков. С другой - они характеризуют сейсмичность брешей, являющихся составными частями («элементарными» кирпичиками) сейсмического процесса в пределах всего сейсмического пояса. Видно, что характерной особенностью таких распределений является колебательный процесс с амплитудой, близкой протяженностям очагов сильнейших землетрясений - сейсмических брешей или элементарных сейсмофокальных блоков.

Достаточно сильные форшоки не отмечены в очагах Суматринского землетрясения и землетрясения 1965 на Алеутских островах.

Методом наименьших квадратов для совокупностей афтершоков М 5; М 5,5;

…; М 7,0 в каждом из исследуемых очагов землетрясений определялись зависимости частот (обратных временных интервалов между последовательными во времени афтершоками) и скоростей V от времени t [Викулин, Викулина, 2007]:

Рис. 11.3. Развитие афтершокового (афтер) и форшокового (фор) процессов в очаге Аляскинского 1964 и Чилийского 1960 землетрясений на различных магнитудных уровнях.

Цифрами обозначены последовательные во времени афтершоки (положительные числа) и форшоки (отрицательные числа). 0 – положение главного толчка [Викулин, Викулина, 2007].

Рис. 11.4. Условные обозначения смотри к рис. 11.3.

Рис. 11.5. Условные обозначения смотри к рис. 11.3.

Примеры зависимостей (11.10) и (11.11), построенных для афтершоков в очагах Алеутского 1957, Чилийского 1960, Аляскинского 1964 и Суматринского землетрясений, приведены на рис. 11.6.

Рис. 11.6. Примеры зависимостей для частот (повторяемостей) и скоростей V афтершоков от времени, полученные на разных магнитудных уровнях M 5 и M 6,5 для Алеутского 1957, Чилийского 1960, Адяскинского 1964 и Суматринского 2004 землетрясений [Викулин, Викулина, 2007].

Значения коэффициентов A, а и разностей B-b для частот и скоростей афтершоков во всех анализируемых очагах сильнейших землетрясений представлены табл. 11.1.

Таблица 11.1. Параметры (а, А; B - b) корреляционных зависимостей, определяющих частоты и скорости миграции (осцилляций) афтершоков в пределах «долготных» и «широтных»

очагов землетрясений планеты с MW 9 в 1957 – 2004 гг. [Викулин, Викулина, 2007].

Магнит- «Широтные» (lat, la)очаги землетрясений Алеутских островов Примечание: значения в скобках не учитывались ввиду их больших отличий от средних значений, превышающих утроенное среднеквадратичное отклонение.

Из данных, представленных в табл. 11.1, видно, что справедливы следующие равенства:

Из соотношений (11.12) видно, что имеют место следующие равенства коэффициентов: «наклонов» (первые два равенства в (11.12)) и «свободных членов»