Институт геофизики им. С.И. Субботина АН УССР, Киев
Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта АН СССР, Москва
Аннотация
Кратко изложено современное состояние тектонофизического моделирования, его цели, принципы возможности и тенденции. Приведены примеры иэучавшихся тектонофизических механизмов. Обсуждаются возможности понижения стенени неоднозначности обратной тектонофизической задачи. Дана классификация тектонических моделей.
Первые попытки воспроизведения в лабораторных условиях тектонических структур относятся к середине ХIХ в. Эпизодически они продолжались и в течение последующих ста лет, но опыты выполнялись без специальной теоретической и экспериментальной базы и служили в основном для иллюстрации той или иной тектонической идеи. Методологическая база экспериментальной тектоники, прежде всего в виде элементов теории подобия, стала закладываться в 30-40-е годы ХХ в, [11, 18, 19]. Начало систематическим экспериментально-тектоническим исследованиям в нашей стране положено в 1944 г. В.В. Белоусовым, а оформление тектонофизического научного направления можно связать с появлением основополагающих статей М.В. Гзовского [4, 5].
В настоящем обзоре делается попытка представить (по необходимости – кратко) современное состояние тектонофизического моделирования, его возможности, идеологию и тенденции.
Цель и принципы тектонофизического моделирования. Целью физического моделирования тектонических процессов и структур является установление механизмов тектогенеза, т.е. способов, видов силовых воздействий на определенные толщи, массивы, блоки горных пород или целые геосферы, и вызываемые этими воздействиями деформированное и напряженное состояние соответствующих объектов. Достижение этой цели означает, с одной стороны, продвижение к пониманию физических причин тектогенеза, с другой – возможность аргументированного прогноза геологических структур и месторождений полезных ископаемйх нё глубину и в пределы закрытых участков, характера и степени сейсьяческой опасности, других важных в практическом отношении явлений и объектов.
М.В. Гзовским сформулированы пять принципов тектонофизического моделирования: подобия, селективности, сепарации, аппроксимации и статистической обоснованности [6]. Последный принцип является непременным при всяких физических экспериментах, в том числе и при немоделировании. Потребность введения второго, третьего и четвертого принципов возникла из сути тектонофизической задачи как задачи обратной и физического эксперимента как задачи прямой. Физическое моделирование тектонических процессов – это решение обратной задачи способом подбора (результатов решения прямых задач). Иначе говоря, решая тектонофзическую задачу моделированием постепенно, последовательно подбирают, приводят в соответствие модель реальному объекту. Принципы селективности, сепарации и аппроксимации - это не что иное, как рекомендуемые правила такого приведения в соответствие.
Принцип подобия должен быть соблюден при всяком моделировании, однако при тектонофизическом моделировании он шире, чем при техническом. В последнем случае, например при моделировании конструкций самолетов или мостов, вид нагрузок на реальные объекты и реология их материалов, как правило, хорошо известны. При тектонофизическом моделировании способ нагружения геологических объектов – обычно самый неизвестжй элемент, подлежащий исследованию в первую очередь, поэтому здесь прежде всего нужно добитьоя качественного подобия. Нет смысла тщательно подбирать (количественные) параметры модели, если она нагружается не так, как природный объект и (или) если свойства ее материала принципиально не соответствуют свойствам материала природного объекта. Может оказаться, что модель по некоторым параметрам подобна реальному объекту, но в целом ему не соответствует или соответствует лишь частично.
Проблема однозначности решения тектонофизической задачи методом моделирования. Поскольку основная тектонофизическая задача (определить механизм образования структуры, имея результат действия такого механизма, и – обычно менее достоверно - начальное соотояние массива) по своей сути – обратная, ее решение в принципе неоднозначно. Такое положение, на первый взгляд, делает тектонофизическое моделирование неэффективным. В самом деле, если одна и та же структура может быть получена многими способами и нет возможности отдать предпочтение одному из них, казалось бы, незачем приступать к моделированию. К счастью, реальные ситуации не столь безнадежны. Помогает самая разнообразная априорная информация о природных объектах, включающая физико-механические представления о мыслимых и заведомо невозможных способах силового воздействия на массивы пород, геологические сведения об истории развития структуры, важные детали ее строения, в частности зафиксированные полевыми тектонофизическими наблюдениями общая геометрия, а также пространственное положение и тип трещин, макро- и микроскладок, степень и направление деформированности отдельных кристаллов и зерен минералов и др.
Представляется весьма эффективной такая последовательность тектонофизического моделирования. Вначале изучаются результаты различных воздействий на модели массивов, толщ горных пород: поперечный изгиб толщи, давление в торец пачки, горизонтальная составляющая силы тяжести, возникающая в наклонно залегающей толще, касательные напряжения, прикладываемые к подошве слоя, Архимедова сила и т.д. Иными словами – решаются прямые задачи. Устойчиво получающиеся в моделях структуры сопоставляются с реальными объектами и отыскиваются аналоги с учетом наибольшего числа важнейших коррелирующихся параметров. На основании близких модельных аналогов выдвигается гипотеза о механизме образования того или иного типа структур. Затем моделируется образование конкретных структур определенного типа с учетом их индивидуальных особенностей и истории развития. Если в результате моделирования "сами собой" получаются детали (геометрии, деформированного состояния, трещиноватости), совпадающие с деталями природного объекта, и не появляются существенные детали, отсутствующие в последнем, можно утверждать, что механизм образования конкретной структуры с большой вероятностью определен верно.
Известные модели тектонических структур можно классифицировать следующим образом.
В настоящее время наиболее распространены частично соответствующие модели механического ранга. Чаще моделируются типичные структуры, а выводы о конкретных объектах делаются по закономерностям типичных моделей. Как начальный этап исследования это допустимо, но для повышения достоверности и убедительности выводов, делающихся на основании тектонофизического моделирования, завершать исследование необходимо все же моделями конкретных геологических объектов.