РЕАЛЬНАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ УСЛОВИЙ ПОДОБИЯ ПРИ ФИЗИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ТЕКТОНИЧЕСКИХ СТРУКТУР

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.

1. Белоусов В.В. Основы геотектоники. 2-е изд. – М.: Недра, 1989. – 382 с.

2. Белоусов В.В., Гзовский М.В. Экспериментальная тектоника. – М.: Недра, 1964. – 118 с.

3. 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.

4. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. – М.: Наука, 1975. – 536 с.

5. Гинтов О.Б., Исай В.М. Тектонофизические исследования разломов консолидированной коры. – Киев: Наукова думка, 1988. – 228 с.

6. Гончаров М.А. Механизм геосинклинального складкообразования. – М.: Недра, 1988. – 264 с.

7. Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. – М.: Книжный дом «Университет», 2005. – 496 с.

8. Гуревич Г.И. Об исходных предпосылках подхода к моделированию в тектонике // Тр. Института физики Земли АН СССР.– 1959. – № 2 (169). – С. 75–144.

9. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. 2-е изд. – М.: Гостехиздат, 1954. – 796 с.

10. Методы моделирования в структурной геологии / В.В. Белоусов, А.В. Вихерт, М.А. Гончаров и др. – М.: Недра, 1988. – 222 с.

11. Паталаха Е.И., Смирнов А.В., Поляков А.И. Генетические типы геосинклинальной складчатости (Казахстан). – Алма-Ата: Наука, 1974. – 208 с.

12. Разломообразование в литосфере. Зоны сдвига / С.И. Шерман, К.Ж. Семинский, С.А. Борняков и др. – Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1991. – 262 с.

13. Рамберг Х. Сила тяжести и деформации в земной коре. – М.: Недра, 1985. – 399 с.

14. 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.

15. Спенсер Э.У. Введение в структурную геологию. – Л.: Недра, Ленинградское отделение, 1981. – 367 с.

16. Теория складкообразования в земной коре / Ж.С. Ержанов, А.К. Егоров, И.А. Гарагаш и др. – М.: Наука, 1975. – 240 с.

17. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика: геологические приложения физики сплошных сред. Ч. 1, 2. – М.: Мир, 1985. – 736 с.

18. Файф У., Прайс Н., Томпсон А. Флюиды в земной коре. – М.: Мир, 1981. – 438 с.

19. Шеменда А.И. Критерии подобия при механическом моделировании тектонических процессов // Геология и геофизика. – 1983. – № 10. – С. 10–19.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.