gtcrustГеодинамика и тектонофизикаGeodynamics & Tectonophysics2078-502XInstitute of the Earth's crust of the Russian Academy of Sciences, Siberian Branch10.5800/GT-2010-1-2-0012gtcrust-103Research ArticleТЕКТОНОФИЗИКАTECTONOPHYSICSРЕАЛЬНАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ УСЛОВИЙ ПОДОБИЯ ПРИ ФИЗИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ТЕКТОНИЧЕСКИХ СТРУКТУРAPPLICABILITY OF SIMILARITY CONDITIONS TO ANALOGUE MODELLING OF TECTONIC STRUCTURESГончаровМихаил АдриановичGoncharovMikhail A.

докт. геол.-мин. наук, зав. лабораторией тектонофизики и геотектоники им. В.В. Белоусова, геологический факультет, кафедра динамической геологии,

119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы

Doctor of Geology and Mineralogy, Head of V.V. Belousov Laboratory of Tectonophysics and Geotectonics, Honoured Researcher of the Moscow University, Geological Faculty,

119991, Moscow, GSP-1, Leninskie Gory

m.a.gonch@mail.ruМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation20101309201512148168Copyright © Гончаров М.А., 20152015Гончаров М.А.Goncharov M.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gt-crust.ru/jour/article/view/103

Сопоставлены взгляды на рассматриваемую проблему двух выдающихся исследователей – основоположников отечественной тектонофизики – В.В. Белоусова и М.В. Гзовского. Показано, путем прямого цитирования, различие этих взглядов. В.В. Белоусов, которого в данном аспекте можно условно назвать «реалистом», придерживался либеральной точки зрения [Методы моделирования…, 1988, с. 21–22]. Напротив, М.В. Гзовский – «идеалист» (столь же условно) – считал выполнение условий подобия обязательным для корректности физического моделирования тектонических деформаций и структур [Гзовский, 1975, с. 88, 94].

Цели статьи: 1) еще раз упомянуть о желательности соблюдения условий подобия в экспериментальной тектонике; 2) указать на трудность их соблюдения; 3) показать, что часто они соблюдаются сами собой, т. е. автоматически; 4) указать на возможность упрощения моделирования без претензий на количественную оценку параметров процесса структурообразования. Эти цели реализованы следующим образом:

(1) При физическом моделировании тектонических деформаций и структур необходимо стремиться, по воз- можности, к соблюдению условий геометрического и физического подобия экспериментальной модели природ- ному объекту. В любом случае экспериментатор должен отчетливо представлять себе, какие из этих условий непосредственно относятся к конкретному опыту.

(2) Однако на пути к этому стремлению очень часто возникают подчас непреодолимые трудности: 1) из-за несовершенства приборов и технологии эксперимента (рис. 1–3); 2) по причине неопределенности оценки значений параметров процесса формирования природных структур, среди которых главные – размер структур (рис. 4), время их формирования (рис. 5), деформационные свойства среды их образования, в первую очередь вязкость (рис. 6) и предел прочности, и величина породивших эти структуры тектонических напряжений (рис. 7).

(3) Один из путей преодоления названных трудностей заключается в осознании того, что условия физического подобия часто соблюдаются сами собой, т. е. автоматически, поскольку в большинстве случаев фигурирующие в этих условиях множители подобия связаны между собой линейными соотношениями (рис. 8). Поэтому, например, уменьшив вязкость эквивалентного материала в несколько раз, мы, при прочих равных условиях, тем самым уменьшим время деформации образца до нужных размеров во столько же раз, с соблюдением условия подобия. Более того, можно использовать данное условие подобия, которое представляет собой уравнение с одним неизвестным, не для поиска эквивалентного материала, а для количественной оценки входящего в это условие природного параметра.

(4) Другой путь преодоления указанных трудностей – это упрощение моделирования для получения чисто качественного результата – структурного подобия модели и объекта – без претензий на количественную оценку параметров процесса структурообразования (рис. 9–14). На этом пути предстоит разработка принципиально новых критериев подобия при моделировании. В качестве примера можно привести отсутствие или наличие изначальной (додеформационной) структурированности геологической среды, обусловленной предыдущими деформационными процессами самоорганизации этой среды. Возможность имитации такой самоорганизации в модельном образце – это предмет будущего исследования. Сюда же относится и разработка новых критериев подобия при моделировании иерархически соподчиненных геодинамических систем и структурных парагенезов. До сих пор такое моделирование проводилось по принципу селективности (раздельного воспроизведения), сформулированному еще М.В. Гзовским [Гзовский, 1975]. В качестве примера можно привести раздельное моделирование процесса формирования складчатости и осложняющего ее кливажа.

Предлагаемая статья представляет собой попытку автора, который работает в области экспериментальной тектоники более 40 лет, повлиять на умонастроение как молодых исследователей, которых, возможно, отпугивает необходимость соблюдать условия подобия при физическом моделировании тектонических деформаций и структур, так и членов редколлегий и рецензентов научных журналов, требующих от авторов непременного указания на такое соблюдение. Подобное требование нередко приводит к тому, что авторы вставляют в статьи сложные формулы, которые зачастую не отражают реальное соблюдение условий подобия, а лишь демонстрируют математическую эрудицию этих авторов.

The publication is aimed at comparing concepts of V.V. Belousov and M.V. Gzovsky, outstanding researchers who established fundamentals of tectonophysics in Russia, specifically similarity conditions in application to tectonophysical modeling. Quotations from their publications illustrate differences in their views. In this respect, we can reckon V.V. Belousov as a «realist» as he supported «the liberal point of view» [Methods of modelling…, 1988, p. 21–22], whereas M.V. Gzovsky can be regarded as an «idealist» as he believed that similarity conditions should be mandatorily applied to ensure correctness of physical modeling of tectonic deformations and structures [Gzovsky, 1975, pp. 88 and 94].

Objectives of the present publication are (1) to be another reminder about desirability of compliance with similarity conditions in experimental tectonics; (2) to point out difficulties in ensuring such compliance; (3) to give examples which bring out the fact that similarity conditions are often met per se, i.e. automatically observed; (4) to show that modeling can be simplified in some cases without compromising quantitative estimations of parameters of structure formation.

(1) Physical modelling of tectonic deformations and structures should be conducted, if possible, in compliance with conditions of geometric and physical similarity between experimental models and corresponding natural objects. In any case, a researcher should have a clear vision of conditions applicable to each particular experiment.

(2) Application of similarity conditions is often challenging due to unavoidable difficulties caused by the following: a) Imperfection of experimental equipment and technologies (Fig. 1 to 3); b) uncertainties in estimating parameters of formation of natural structures, including main ones: structure size (Fig. 4), time of formation (Fig. 5), deformation properties of the medium wherein such structures are formed, including, first of all, viscosity (Fig. 6), ultimate strength, and tectonic stresses which caused formation of such structures (Fig. 7).

(3) A way to overcome the above mentioned difficulties can be found through awareness of the fact that physical similarity conditions are often met per se, i.e. automatically observed due to linear relationships between similarity coefficients (Fig. 8). For example, decreasing the viscosity of the equivalent material will result in corresponding decrease of time required for deformation of the given model, all other conditions being equal. Moreover, it is possible to use this similarity condition, i.e. an equation in one unknown, not only to select a required equivalent material, but also to quantitatively estimate the natural parameter in the given condition.

(4) Another way to overcome the above mentioned difficulties is simplification of modeling in cases when it is required to obtain qualitative results without any quantitative evaluations of parameters of structure formation (Figures 9 to 14). This necessitates development of fundamentally new criteria of similarity for modelling. For instance, it can be absence or presence of the original (pre-deformational) structuring of the geological medium that is preconditioned by previous deformation processes of self-organization of the givem medium. Possibilities of simulation of the selforganization shall be the subject of our future study. It is also needed to elaborate new similarity criteria for modeling of hierarchically subordinate geodynamic systems and structural parageneses. So far it has been accepted that simulations of the kind should be conducted on the principle of selectivity (separate simulation), established by M.V. Gzovsky [1975], such as, for example, separate simulation of folding and cleavage.

Having his own experience of 40+ years in experimental tectonics, the author addresses his views to young researchers, who are apprehensive about the need to ensure compliance with similarity conditions in physical modeling of tectonic deformations and structures, and to those members of editorial boards and reviewers of scientific journals who believe that authors should mandatorily declare such compliance. As a result, it is not uncommon that, striving to declare that this requirement is observed, an author saturates his/her papers with complicated equations which do not reflect the actual compliance with similarity conditions and thus become a mere demonstration of the author’s erudition in mathematics.

тектонические деформации и структурыфизическое моделированиеусловия физического подобияtectonic deformations and structuresphysical modellingconditions of physical similarityReferencesБелоусов В.В. Основы геотектоники. 2-е изд. – М.: Недра, 1989. – 382 с.Белоусов В.В. Основы геотектоники. 2-е изд. – М.: Недра, 1989. – 382 с.Белоусов В.В., Гзовский М.В. Экспериментальная тектоника. – М.: Недра, 1964. – 118 с.Белоусов В.В., Гзовский М.В. Экспериментальная тектоника. – М.: Недра, 1964. – 118 с.Белоусов В.В., Гончаров М.А. Автоматическое выполнение условий подобия в простейших случаях тектонического моделирования // Экспериментальная тектоника и полевая тектонофизика. – Киев: Наукова думка, 1991. – С. 16–20.Белоусов В.В., Гончаров М.А. Автоматическое выполнение условий подобия в простейших случаях тектонического моделирования // Экспериментальная тектоника и полевая тектонофизика. – Киев: Наукова думка, 1991. – С. 16–20.Гзовский М.В. Основы тектонофизики. – М.: Наука, 1975. – 536 с.Гзовский М.В. Основы тектонофизики. – М.: Наука, 1975. – 536 с.Гинтов О.Б., Исай В.М. Тектонофизические исследования разломов консолидированной коры. – Киев: Наукова думка, 1988. – 228 с.Гинтов О.Б., Исай В.М. Тектонофизические исследования разломов консолидированной коры. – Киев: Наукова думка, 1988. – 228 с.Гончаров М.А. Механизм геосинклинального складкообразования. – М.: Недра, 1988. – 264 с.Гончаров М.А. Механизм геосинклинального складкообразования. – М.: Недра, 1988. – 264 с.Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. – М.: Книжный дом «Университет», 2005. – 496 с.Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. – М.: Книжный дом «Университет», 2005. – 496 с.Гуревич Г.И. Об исходных предпосылках подхода к моделированию в тектонике // Тр. Института физики Земли АН СССР.– 1959. – № 2 (169). – С. 75–144.Гуревич Г.И. Об исходных предпосылках подхода к моделированию в тектонике // Тр. Института физики Земли АН СССР.– 1959. – № 2 (169). – С. 75–144.Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. 2-е изд. – М.: Гостехиздат, 1954. – 796 с.Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. 2-е изд. – М.: Гостехиздат, 1954. – 796 с.Методы моделирования в структурной геологии / В.В. Белоусов, А.В. Вихерт, М.А. Гончаров и др. – М.: Недра, 1988. – 222 с.Методы моделирования в структурной геологии / В.В. Белоусов, А.В. Вихерт, М.А. Гончаров и др. – М.: Недра, 1988. – 222 с.Паталаха Е.И., Смирнов А.В., Поляков А.И. Генетические типы геосинклинальной складчатости (Казахстан). – Алма-Ата: Наука, 1974. – 208 с.Паталаха Е.И., Смирнов А.В., Поляков А.И. Генетические типы геосинклинальной складчатости (Казахстан). – Алма-Ата: Наука, 1974. – 208 с.Разломообразование в литосфере. Зоны сдвига / С.И. Шерман, К.Ж. Семинский, С.А. Борняков и др. – Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1991. – 262 с.Разломообразование в литосфере. Зоны сдвига / С.И. Шерман, К.Ж. Семинский, С.А. Борняков и др. – Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1991. – 262 с.Рамберг Х. Сила тяжести и деформации в земной коре. – М.: Недра, 1985. – 399 с.Рамберг Х. Сила тяжести и деформации в земной коре. – М.: Недра, 1985. – 399 с.Ребецкий Ю.Л., Михайлова А.В., Сим Л.А. Структуры разрушения в глубине зон сдвигания. Результаты тектонофизического моделирования // Проблемы тектонофизики. К сорокалетию создания М.В. Гзовским лаборатории тектонофизики в ИФЗ РАН. – М.: Изд-во Института физики Земли, 2008. – С. 103–140.Ребецкий Ю.Л., Михайлова А.В., Сим Л.А. Структуры разрушения в глубине зон сдвигания. Результаты тектонофизического моделирования // Проблемы тектонофизики. К сорокалетию создания М.В. Гзовским лаборатории тектонофизики в ИФЗ РАН. – М.: Изд-во Института физики Земли, 2008. – С. 103–140.Спенсер Э.У. Введение в структурную геологию. – Л.: Недра, Ленинградское отделение, 1981. – 367 с.Спенсер Э.У. Введение в структурную геологию. – Л.: Недра, Ленинградское отделение, 1981. – 367 с.Теория складкообразования в земной коре / Ж.С. Ержанов, А.К. Егоров, И.А. Гарагаш и др. – М.: Наука, 1975. – 240 с.Теория складкообразования в земной коре / Ж.С. Ержанов, А.К. Егоров, И.А. Гарагаш и др. – М.: Наука, 1975. – 240 с.Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика: геологические приложения физики сплошных сред. Ч. 1, 2. – М.: Мир, 1985. – 736 с.Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика: геологические приложения физики сплошных сред. Ч. 1, 2. – М.: Мир, 1985. – 736 с.Файф У., Прайс Н., Томпсон А. Флюиды в земной коре. – М.: Мир, 1981. – 438 с.Файф У., Прайс Н., Томпсон А. Флюиды в земной коре. – М.: Мир, 1981. – 438 с.Шеменда А.И. Критерии подобия при механическом моделировании тектонических процессов // Геология и геофизика. – 1983. – № 10. – С. 10–19.Шеменда А.И. Критерии подобия при механическом моделировании тектонических процессов // Геология и геофизика. – 1983. – № 10. – С. 10–19.Шерман С.И., Бабичев А.А. Теория подобия и размерностей в приложении к тектоническому моделированию // Экспериментальная тектоника: Методы, результаты, перспективы. – М.: Наука, 1989. – С. 57–77.Шерман С.И., Бабичев А.А. Теория подобия и размерностей в приложении к тектоническому моделированию // Экспериментальная тектоника: Методы, результаты, перспективы. – М.: Наука, 1989. – С. 57–77.Яковлев Ф.Л. Диагностика механизмов образования линейной складчатости по количественным критериям ее морфологии (на примере Большого Кавказа). – М.: Изд-во ОИФЗ РАН, 1997. – 76 с.Яковлев Ф.Л. Диагностика механизмов образования линейной складчатости по количественным критериям ее морфологии (на примере Большого Кавказа). – М.: Изд-во ОИФЗ РАН, 1997. – 76 с.Яковлев Ф. Л. Исследования процессов и механизмов развития пликативных деформаций в земной коре (обзор существующих методических подходов) // Тектонофизика сегодня. – М.: Изд-во ОИФЗ РАН, 2002. – С. 311–332.Яковлев Ф. Л. Исследования процессов и механизмов развития пликативных деформаций в земной коре (обзор существующих методических подходов) // Тектонофизика сегодня. – М.: Изд-во ОИФЗ РАН, 2002. – С. 311–332.Bachmann D., Bouissou S., Chemenda A. Influence of weathering and pre-existing large scale fractures on gravitational slope failure: insights from 3-D physical modelling // Natural Hazards and Earth System Sciences. – 2004. – V. 4. – P. 711–717.Bachmann D., Bouissou S., Chemenda A. Influence of weathering and pre-existing large scale fractures on gravitational slope failure: insights from 3-D physical modelling // Natural Hazards and Earth System Sciences. – 2004. – V. 4. – P. 711–717.Boudier F., Nicolas A. Stress and strain estimates in the Lanzo peridotite massif (Western Alps) // Orogenic mafic and ultramafic association. – Paris, 1980. – P. 221–228.Boudier F., Nicolas A. Stress and strain estimates in the Lanzo peridotite massif (Western Alps) // Orogenic mafic and ultramafic association. – Paris, 1980. – P. 221–228.Girardeau J., Nicolas A. The structures of two ophiolite massifs, Bay of Islands, Newfoundland: a model for the oceanic crust and upper mantle // Tectonophysics. – 1981. – V. 77, № 1/2. – P. 1–34.Girardeau J., Nicolas A. The structures of two ophiolite massifs, Bay of Islands, Newfoundland: a model for the oceanic crust and upper mantle // Tectonophysics. – 1981. – V. 77, № 1/2. – P. 1–34.Hoeppener R., Brin M., Vollbrect A. Some aspects of the origin of fold-type fabrics − theory, experiments and field applications // Geologische Rundschau. – 1983. – Bd. 72. H. 3. – S. 1167–1196.Hoeppener R., Brin M., Vollbrect A. Some aspects of the origin of fold-type fabrics − theory, experiments and field applications // Geologische Rundschau. – 1983. – Bd. 72. H. 3. – S. 1167–1196.Koronovsky N.V., Gogonenkov G.N., Goncharov M.A., Timurziev A.I., Frolova N.S. Role of shear along horizontal plane in the formation of helicoidal structures // Geotectonics. – 2009. – V. 43, № 5. – P. 379–391.Koronovsky N.V., Gogonenkov G.N., Goncharov M.A., Timurziev A.I., Frolova N.S. Role of shear along horizontal plane in the formation of helicoidal structures // Geotectonics. – 2009. – V. 43, № 5. – P. 379–391.Moos D., Zoback M.D. Utilization of observations of well bore failure to constrain the orientation and magnitude of crustal stresses: application to continental, Deep Sea Drilling Project, and Ocean Drilling Program boreholes // Journal of Geophysical Researches. – 1990. – V. 95, № 6. – P. 9305–9325.Moos D., Zoback M.D. Utilization of observations of well bore failure to constrain the orientation and magnitude of crustal stresses: application to continental, Deep Sea Drilling Project, and Ocean Drilling Program boreholes // Journal of Geophysical Researches. – 1990. – V. 95, № 6. – P. 9305–9325.Naimark A.A. Coarsely discrete fractal structure of geological medium and challenges in tectonophysical modelling // Moscow University Geology Bulletin. – 2009. – V. 64, № 5. – P. 273–280.Naimark A.A. Coarsely discrete fractal structure of geological medium and challenges in tectonophysical modelling // Moscow University Geology Bulletin. – 2009. – V. 64, № 5. – P. 273–280.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.