Физико-математические проблемы многомасштабной динамики геологической среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.22, доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Володин, Игорь Александрович

• Володин, Игорь Александрович
• доктор физико-математических наук в форме науч. докл.
• 2000

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Володин, Игорь Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ВВЕДЕНИЕ.:.

1. ФИЗИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ.

1.1 .Общие положения теории.

1.2. Основное динамическое уравнение.

1.3. Метод многомасштабных разложений.

1.4. Второй порядок теории возмущений, ультразвук.

1.5. Некоторые механизмы в динамике насыщенных сред.

2. СЕЙСМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МНОГОМАСШТАБНОЙ ДИНАМИКЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ.

2.1. Сейсмические процессы в нелинейной динамике продольных волн.

2.2. Сейсмические поля со сложной пространственной структурой.

2.3. Нелинейная динамика поперечных сейсмических волн в проблемах современной тектоники.

2.4. Некоторые проблемы рассеяния сейсмических волн на многомасштабных структурных неоднородностях реальной reo среды.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В НЕЛИНЕЙНОЙ ГЕОДИНАМИКЕ.

3.1. Особенности нелинейной динамики медленных продольных волн НЧ-диапазона.

3.2. Геодинамические процессы в нелинейных полях напряжений продольного типа (Р-геодинамика).

3.3. Геодинамические процессы в полях напряжений смешанного типа (PS-геодинамика).

3.4. Анализ явлений, возникающих при активном воздействии на геофизическую среду.*.

3.5. Теоретические основы формирования узконаправленного сейсмического канала.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-математические проблемы многомасштабной динамики геологической среды»

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В настоящее время развитие технологий экспериментальных исследований и накопление данных натурных измерений, касающихся огромного множества процессов, протекающих в твердой Земле, происходит стремительными темпами и значительно опережает развитие соответствующих теоретических представлений, способных охватить множество накопленной информации.

В связи с этим все очевиднее становятся еше нереализованные возможности геофизики в развитии технологии комплекного освоения минеральных и углеводородных ресурсов, изучение и прогнозирование природных катастроф. Прогностические функции науки в этой области, теоретическая база для описания процессов, протекающих в недрах Земли, недостаточны и требуется ее существенное развитие. В настоящее время для понимания геофизических процессов требуется создать новую парадигму, которая бы существенно приблизила к природе модели геосреды и reo динамических процессов.

Попытки применения результатов исследования динамики различных нелинейных сред, полученных в других областях естествознания, к описанию динамики геологической среды приводят с изучению отдельно взятых эффектов в большом многообразии явлений в геосреде и не дают достаточно общего представления о ее динамике. В современной математической физике нелинейные взаимодействия различной природы объединены в единую теорию. Опираясь на эти достижения можно предположить, что при создании соответствующих новых моделей геосреды и процессов применение в геофизике и геодинамике развитого аппарата математической теории нелинейных уравнений с частными производными окажется достаточно эффективным. Для реализации этого подхода необходимо на основе развития новой концепции при исследовании процессов, происходящих в твердой Земле, использовать целостность указанной математической теории для описания сложной динамики литосферы.

В связи с этим развитие новой теоретической базы для исследования динамики твердой Земли с использованием новых подходов в изучению динамических процессов, разработанных в современной математической физике, является актуальной проблемой.

Предметом исследований являются процессы в литосфере, изучаемые в рамках сейсмологии и геодинамики с позиций возможности построения единой нелинейной модели динамики геологической среды на всех пространственно-временных масштабах ее проявления. Объектом исследований является геологическая среда во всем многообразии процессов, протекающих в различных пространственных и временных масштабах, как место приложения принципов многоуровневой и многомасштабной организации сложных природных систем и связанных с ними физико-математических теорий.

В настоящей работе рассматривается одна из подсистем, составляющих основу динамики геологической среды - система коллективных движений, которая проявляется в геофизических и геодинамических процессах.

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Основной целью работы является построение физико-математической теории многомасштабной динамики структуризованной геологической среды и качественный анализ на ее основе широкого круга процессов, происходящих в твердой Земле.

Исходя из поставленной цеди, формулируются задачи исследований:

- разработать концептуальные основы построения реалистичной нелинейной математической модели физической механики геологической среды, а также физико-математические методы конструирования на ее основе многомасштабной системы связанных математических моделей нелинейной динамики геосреды для процессов от микромасштаба до масштаба глобальной геодинамики;

- провести аналитическое исследование на основе системы связанных математических моделей многомасштабной динамики геосреды одномерной задачи, физически реализуемой в виде плоских продольных возмущений, а также интерпретировать полученные формально-математические результаты в виде связанной системы моделей процессов, протекающих в литосфере во всех основных масштабах;

- изучить на основе построенной математической модели двумерную многомасштабную динамику геосреды, имеющую пространственную конфигурацию плоских поперечных возмущений, а также роль двумерных конфигураций в сложной структуре сейсмических полей, сопровождающих тектонические процессы;

- исследовать трехмерные пространственные конфигурации поля возмущений геосреды смешанного типа, допускающие эффективное аналитическое описание, и интерпретировать на их основе природу структурных особенностей сложнопостроенных сейсмических полей и квазистатических полей напряжений.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

1. Взаимосвязь между нелинейностью и многомасштабностью динамики геологической среды, установленная на основе метода многомасштабных разложений. Условия стабилизации динамики геологической среды в пространственно-временных масштабах от микромасштаба до планетарного имеют вид нелинейных уравнений с частными производными разных типов, которые при отсутствии диссипации совпадают с известными уравнениями солитонного типа: НУШ, КдФ, мНУШ, Ка-домцева-Петвиашвили, модель Хигтса.

2. Приемлемость описания сейсмических, геодинамических и тектонических процессов в виде системы нелинейных моделей математической физики, полученного на основе применения метода многомасштабных разложений к уравнениям динамики микронеоднородной геологической среды.

3. Механизмы взаимодействий между разномасштабными процессами в геосреде, установленные в рамках метода многомасштабных разложений; модельное описание и объяснение широкого класса явлений, которые исследователи ранее считали аномальными с позиций традиционного одномасштабного моделирования.

4. Комбинированное искусственное воздействие сразу в нескольких частотных диапазонах как на геосреду в натурных условиях, так и на лабораторные образцы горных пород, основанное на построенной теории, позволяет получить новые, недоступные традиционными методами, конструктивные эффекты, разработать новые методы исследований образцов и горных пород в естественном залегании.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Основной новый теоретический результат работы, имеющий приоритетное значение в отечественных и зарубежных исследованиях в области наук о Земле:

- разработана новая концепция коллективных движений применительно к геологической среде и на ее основе построена физико- математическая теория много масштабной динамики поля возмущений геологической среды от СВЧ - до СНЧ - диапазона, описывающая условия стабилизации коллективных движений на каждом масштабе, а также взаимодействия и обмен энергией между процессами, протекающими в разных пространственно- временных масштабах; в рамках концепции получены следующие новые результаты:

- разработана теория формирования спектров рассеяния волновых полей одних диапазонов на волновых пакетах других диапазонов: ультразвука (кГц) на сейсмических полях (10 Гц) и сейсмических (10 Гц) на группах волн НЧ- диапазона (до млГц);

- в геосреде с нелинейными свойствами обнаружены и исследованы механизмы формирования коллапсов сейсмических волновых пакетов, свойств мультистабильности с эффектами триггерного типа, нелинейного отражения (осциллирующий режим, гибридизация, стохастический резонанс) сейсмических волн от границ нелинейных зон при активном воздействии на нее виброисточником;

- в окрестности тектонических разломов и других нарушений в литосфере обнаружены и исследованы эффекты нелинейной дифракции сейсмических волновых полей с появлением наблюдаемой на космогеологи-ческих картах эквидистантности в системах линеаментов и кольцевых структур и установлена природа нелинейных механизмов сжатия-растяжения, регистрируемых на reo динамических полигонах;

- построена модель сейсмических полей и квазистатических полей напряжений, имеющих сложную трехмерную пространственную конфигурацию, что позволяет описать новые сейсмические процессы и reo динамические объекты, в том числе динамику в окрестности каналов внедрения изверженных пород;

- описаны автосолитонные механизмы формирования устойчивых флюидодинамических очагов в литосфере.

Таким образом в диссертации решается крупная проблема, имеющая важное научное значение - создание теоретической базы для математического описания многообразия нелинейных динамических процессов в литосфере, протекающих на различных пространственно-временных масштабах.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Результаты работы, полученные на основе построенных математических моделей, могут быть использованы при организации НИР:

- по исследованию тектонической активности и флюидодинамики в литосфере на основе теории нелинейной интерференции и дифракции, а также формирования режимов солитонного типа в установившихся сейсмических полях от различных источников;

- по экспериментальному изучению многомасштабной реакции геосреды на вибровоздействия на основе разработанной системы математических моделей;

- по воспроизведению естественной динамики геосреды при лабораторных экспериментах на образцах горных пород с использованием многочастотного воздействия;

- по комплексному анализу медленных вариаций геофизических параметров геодинамических полигонах на основе построенной математической модели; а также в следующих практических приложениях:

- разработке новых прямых геофизических методов поиска залежей углеводородов и тектонически активных зон в литосфере на основе описания специфических режимов отражения сейсмических волн от объемов геосреды со свойствами нелинейности и мультистабильносги;

- организации мониторинга динамики геосреды при техногенном воздействии, в том числе при разработке месторождений углеводородов, на основе выделения спектральных образов волновых пакетов НЧ и СНЧ-диапазонов в сейсмическом спектре;

- создания новых геотехнологий прогнозирования месторождений полезных ископаемых жильного типа, а также зон формирования ловушек углеводородов на теоретической основе динамической модели трехмерных конфигураций полей напряжений смешанного типа в литосфере.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ обеспечена на основе:

- использования опыта теоретического и экспериментального изучения нелинейных эффектов в различных средах, накопленного в современной физике;

- интерпретации результатов исследований аномальных сейсмических процессов, возникающих при активном воздействии на геосреду, на основе численного моделирования многомасштабных процессов;

- анализа и теоретического обобщения результатов исследований суточных вариаций геофизических параметров на геодинамических полигонах и их компьютерного моделирования с использованием граничной задачи для нелинейных уравнений;

- эффективности методов прогнозирования ловушек углеводородов в сложнопостроенных полях напряжений в литосфере.

Доказательством достоверности и обоснованности основных положений и выводов работы является согласованность теоретических и наблюдаемых описаний сейсмических и геодинамических явлений.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. Автором обобщен материал по методологии системного подхода и материалов 3-й Всесоюзной конференции "Системный подход в геологии" (автор был в числе ее организаторов); практических исследований в области нелинейной геодинамики и геофлюидодинамики в Институте проблем нефти и газа, в том числе интерпретации данных геодинамического мониторинга на полигонах (Терской зоны, Северный Кавказ; зона Речицкого разлома, Белоруссия); многочисленных наблюдений и исследований нелинейных эффектов в сейсмических полях, проводимых в Объединенном институте физики Земли им. О.Шмидта; исследований нелинейных эффектов в оптических средах, проводимых в Институте общей физики РАН и ЦЕНИ ИОФ РАН.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. ПУБЛИКАЦИИ. Результаты диссертации докладывались на: Международной конференции "Течение в пористой среде: теория и приложения для пласта" (Институт проблем механики РАН, Москва, 1992); XXIV Международном геологическом конгрессе (г.Киото, Япония, 1992); Центр Луи-де-Бройля (г.Париж, 1993); III семинаре " Нетрадиционные методы исследования неоднородностей Земной коры" (ОИФЗ РАН, Москва, 1993); Международной конференции по плейт тектонике, посвященной Л.П. Зоненшайну (ИО РАН, Геомар Германия, Москва, 1993); Международной конференции НАТО "Инициирование землетрясений подземными ядерными взрывами" (Москва, 1994); XXI Международном геофизическом конгрессе (Боулдер, Колорадо США, 1995); XV Международном конгрессе по осадочной геологии (Сент Пит Бич, Флорида США, 1995); заседании американского общества научных исследований (Лас-Вегас, Невада, США, 1997); XXXII Тектоническом совещании "Тектоника, геодинамика и процессы магматизма и метаморфизма" (МГУ, Москва, 1999) и др.

Содержание работы и результаты исследований отражены в 40 научных публикациях в отечественных и зарубежных научных журналах и изданиях, включая одну персональную и две коллективные монографии.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ. Исследования, представленные в настоящей работе, выполнены автором в МИНГ им. И.М.Губкина и, в последствии, в ИПНГ РАН. Основная часть результатов работы получена автором лично, либо совместно с А.Н.Дмитриевским, либо под руководством автора совместно с сотрудниками по планам научно-исследовательских работ возглавляемых им с 1986 г. в МИНГ им. И.М.Губкина лаборатории системных физико-геологических исследований и далее с 1989г. лаборатории нелинейной геодинамики ИПНГ РАН, а также в рамках заданий Государственной научно-технической программы России "Глобальные изменения природной среды и климата" и отраслевой программы "Фундаментальный базис новых технологий" ОАО Газпром.

БЛАГОДАРНОСТИ. Автор благодарен академику А.Н. Дмитриевскому за постоянную поддержку работы, совместные научные исследования и плодотворные обсуждения наиболее принципиальных вопросов разрабатываемой теории, сыгравшие очень важную роль в становлении и последующем развитии тематики настоящей работы.

Автор выражает особую благодарность сотрудникам Института проблем нефти и газа РАН: Э.Р.Казанковой, М.В.Багдасаровой, H.H. Сига-чевой, Т.И.Шиловской, Н.А.Скибицкой, Л.А.Абуковой, Н.В. Корниловой, А.А.Березину, Б.Н.Чигареву за предоставление материалов своих исследований для опробования теоретических моделей.

Автор приносит свои благодарности сотрудникам Объединенного института физики Земли РАН, Института общей физики РАН и ЦЕНИ ИОФ РАН и ряда других институтов и организаций, обсуждения с которыми соответствующих проблем оказали большое влияние на развитие данного научного направления.

ВВЕДЕНИЕ

Анализ нелинейных явлений в физике [Аскарян, Быков, Кадомцев, Петвиашвили, Прохоров, Сагдеев, Розанов и др.] сопровождался построением соответствующей математической теории [Богоявленский, Захаров, Кричевер, Лаке, Марченко, Новиков, Уизем, Эйлбек и т.д.]. Достаточно детально исследовался диапазон нелинейных явлений в микромасштабе (мкм, гГц) структуризованных сред с позиций микромеханики [Аксельрад] и микрофизики [Бараш, Дзялошинский, Питаевский, Фейнман], в том числе геологической среды как микронеоднородной [Беляева, Зайцев, Назаров].

Исследования системной организации и структуризованности геологической среды проводились в работах геологов [Дмитриевский] и геофизиков [Садовский, Писаренко]. В многочисленных работах изучались нелинейные сейсмические явления [Алешин, Гамбурцева, Кузнецов, Николаев, Пономарев, Сбоев, Светов, Соболев, Хаврошкин, Цыплаков, Шалашов и др.] с привлечения различных нелинейных математических моделей, в том числе при активном воздействии на геосреду [Бабешко, Барабанов, Береснев, Логинов, Николаев, Руденко, Собисевич и т.д.]. Большой опыт накоплен в теоретических и экспериментальных исследованиях полей напряжений в литосфере и нелинейной геодинамике [Бобров, Григорян, Кузьмин, Николаевский, Родионов, Ромашов, Сидоров, Спивак, Шемякин, Шолпо и др.].

В диссертации строится система связанных между собой математических моделей динамики геосреды на всех масштабах от микро-масштаба до планетарного [1,5,6,34] на основе использования метода многомасштабных разложений, эффективно применяемого в различных областях физики 1Додд Р., Эйблек Дж. и др., 1988]. При этом уравнения, которые формируются в каждом масштабе, являются условиями стабильности волновых пакетов в поле возмущений геосреды. Суть метода состоит в том, что отклонение от выполнения условий, задаваемых этими уравнениями, соответствует появлению резонансных эффектов, которые делают волновые пакеты сильно флуктуирующими, нестабильными, а флуктуации в них порождают процессы обмена энергией между масштабами.

Методология данного подхода была сформирована в работах [7-11, 14-21], в которых исследовались проблемы системной организации геологической среды и физических полей в ней, в том числе, сейсмического поля. Появление нелинейного уравнения Шредингера в задачах нелинейной динамики геосреды на основе системного подхода было обосновано в [2,3].

Важную роль в нелинейной динамике геосреды должно жрать введенное автором понятие системного равновесия геосреды, при достижении которого появляются нелокальные взаимодействия, величина которых задается новым параметром - структурным фактором. Сложное или системное равновесие геосреды в тектонических и reo динамических процессах рассмотрено в работах [3,11,22,23,34], где, в частности, сформулированы некоторые принципы нелинейной геодинамики, введено понятие системно-геодинамического объекта как самостоятельного объекта в геолого- геофизических исследованиях. Функция плотности энергии геосреды в состояниях неустойчивого равновесия была использована в задаче оптимального управления [24].

При исследованиях роли флюидов в тектонических процессах внимание было обращено на нелинейную динамику каналов глубинной дегазации [12,13], а также построению моделей нелинейной геофлюидодинами-ки [4]. Некоторые принципы организации геолого- геофизической информации в связи с рассматриваемыми проблемами изложены в работах [30-32].

Диссертация состоит из трех глав, основных выводов и заключения.

Сокращения, используемые в работе:

- УЗ - ультразвук, НЧ - низкие частоты, СНЧ - сверхнизкие частоты,

- ПВО - полное внутреннее отражение,

- НУШ - нелинейное уравнение Шредингера,

- мНУШ - модифицированный НУШ,

- уравнение КдФ - уравнение Кортевега-де Фриза,

- СГО - системно-геодинамиЧеский объект.

Заключение диссертации по теме «Геофизика», Володин, Игорь Александрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена крупная научная проблема, связанная с созданием теоретической базы для математического описания многообразия нелинейных многомасштабных динамических процессов в литосфере. В результате решения проблемы получены следующие качественно новые выводы.

1. При разработке теоретических основ физической механики геологической среды и многомасштабной системы срязанных математических моделей ее нелинейной динамики были установлены новые методические и физико-математические подходы к построению теории.

1.1. Оптимальным с точки зрения полноты описании динамики геосреды является микромасштаб (1 микрон; 10-9 сек), в котором представлены основные силы: нелинейная упругость, силы Ван-дер-Ваальса и порожденные ими нелокальные взаимодействия.

1.2. Нелинейность геосреды эффективно проявляет себя в системной организации многомасштабных коллективных движений в геосреде, что может быть описано на основе метода многомасштабных разложений. В различных пространственно-временных масштабах возникают относительно устойчивые образования типа огибающей с несущими модами, начинающимися с СВЧ-диапазона, и выстраивается пирамида коллективных движений.

1.3. Исследование на основе системы математических моделей нелинейной динамики геосреды устойчивости пирамиды коллективных движений и механизмов диссипации энергиии позволяет описать процессы разрушения этой пирамиды, порожденные интенсивными перетоками энергии с масштаба на масштаб, а также процессы рассеяния волновых полей на полях возмущений следующего за ним более мелкого масштаба.

2. В результате исследования многомасштабной одномерной динамики плоских продольных возмущений геосреды сделаны следующие выводы.

2.1. Волны сейсмического диапазона частот могут быть исследованы в лаборатории на образце горной породы в ультразвуковом (УЗ) шуме с использованием энергетической накачки в СВЧ-диапазоне, формирующей состояния равновесия образца, близкие к естественным, на основе решения обратной задачи рассеяния УЗ - волн на огибающей сейсмического диапазона частот. Этот же механизм рассеяния объясняет некоторые аномальные эффекты, наблюдаемые при ультразвуковых исследованиях в скважинах.

2.2. Уравнением огибающей для продольных волн сейсмического диапазона является НУШ с диссипацией в виде комплексного коэффициента при нелинейном члене, что позволяет эффективно исследовать условия существования сейсмических солитонов, волновых коллапсов, а также описать часть спектра сейсмического шума, соответствующую рассеянию сейсмических волн на сейсмических волнах, а также установившегося сейсмического поля.

2.3. Существуют параметрические взаимодействия типа обратной связи между различными масштабами коллективных движений. Действие этого механизма приводите мультистабильносги геосреды, к конечному набору состояний равновесия сейсмического волнового поля. Сейсмическая волна может переводить поле из одного состояния равновесия в другое, что приводит (< возникновению триггерного эффекта - автоволны Переключения, которые могут быть представлены в механизмах тектонических процессов.

2.4. Анализ четвертого порядка теории возмущений в одномерных продольных возмущениях привел к условию стабильности волновых пакетов НЧ-цоля четвертого масштаба в виде уравнения, совпавшего с КдФ, что является новым результатом в нелинейной теории. Показано, что учет диссипации приводит к задаче на собственные значения для этого уравнения. Рассеяние сейсмических волн на reo динамическом поле описано на основе метода обратной задачи путем выделения соответствующих образов в спектре сейсмического шума - геодинамических солитонов в виде резонансных частот и периодического геодинамического поля в виде зонной структуры.

2.5. Вариации параметров геосреды, определяемых на геодинамических полигонах в масштабе часы - сутки - годы, допускают комплексную интерпретацию на основе граничной задачи для уравнения КдФ. В числе качественных особенностей ее решений показано, что при отсутствии диссипации существует режим самовозбуждения геосреды типа эффекта перемежаемости, который исчезает при наличии диссипации. На основе этого эффекта могут быть описаны некоторые вариации геофизических полей.

2.6. Некоторые аномальные явления, наблюдаемые при активном воздействии на нее вибратором: понижение уровня подземных вод, появление деформационных СНЧ-волн в его окрестности, изменение уровня сейсмической эмиссии в зависимости от включения и выключения вибросейсмического поля, реакция огибающей микросейсмического шума в узкой полосе частот, допускают интерпретацию на основе модели многомасштабной динамики геосреды.

2.7. При учете в уравнениях динамики продольных возмущений геосреды еще одной координаты получено двумерное уравнение Кадомцееа-Петвиашвши солитонного типа. Граничная задача для этого уравнения может служить моделью динамики профильных разрезов, пересекающих разломы.

2.8. В результате анализа пятого порядка теории возмущений получен модифицированный НУШ, на основе которого описываются reo динамические поля или поля СНЧ-диапазона: солитоны в медленном времени как, например, зоны АВПД (аномально высокого пластового давления); волновые коллапсы как зоны сейсмической эмиссии; многозначность равновесных конфигураций ('} 1Ч-поля и существование СНЧ-волн переключения, что может представлять собой механизм тектонических движений.

3. Дри исследовании динамики геосреды, имеющей пространственную конфигурацию поперечных возмущений, сделаны выводы относительно неко торых свойств тектонического строения литосферы.

3.1. Уравнение огибающей для поперечных волн сейсмического диапазона имеет вид двумерного НУШ. На основе этого уравнения описана динамика установившегося сейсмического поля в осадочном чехле в окрестности разных типов источников поля в литосфере: линейного ио точника - разлома и точечного источника поля, например, нарушения в фундаменте в виде конца канала глубинной дегазации.

3.2. При наличии нарушений в литосфере, являющихся слабоактивными источниками поля применяется аппарат нелинейной дифракции Фраунгофера для описания наблюдаемой на космогеологических картах дифракционной картины на дневной поверхности, выраженной в эквидистантных системах линеаментов над разломами и кольцевых концентрических структур над источниками точечного типа. При интерференции в осадочном чехле трасс сейсмических полей от различных источников в фундаменте возникает эффект экранирования, который имеет убедительные образы на космогеологических картах.

3.3. В окрестности активного источника, например, над активным разломом фундамента, в осадочном чехле формируется солитонный канал сейсмического поля в виде ослабленной зоны. Вдоль него могут возникать зоны коллапсов, очагов сейсмической эмиссии. В зависимости от знака коэффициентов НУШ, определяемых параметрами геосреды и высокочастотного поля возмущений, в таких каналах в окрестности разлома возникает либо режим самофокусировки сейсмического поля - тектонического сжатия, либо расфокусировки - растяжения. При изменении свойств геосреды происходит переключение между этими режимами, что уже наблюдалось на геодинамических полигонах.

3.4. При анализе условий существования огибающей в пятом масштабе получен модифицированный двумерный НУШ, на основе которого могут быть описаны геодинамические режимы сжатия и растяжения в окрестности глубинных разломов, а также процессов формирования флюидизи-рованных очагов на каналах глубинной дегазации. Детальное исследование подобных механизмов играет важную роль при изучении процессов ф ормирования месторождений нефти и газа.

4. Анализ динамики трехмерных возмущений геосреды смешанного типа показал возможность формирования устойчивых пространственных конфигураций, являющихся сочетаниями продольных и поперечных волновых полей,' и привел к следующим выводам.

4.1. В третьем масштабе, сейсмическом диапазоне частот конфигурация поля смешанного типа описывается абелевой моделью Хиггса, с которой связано формирование систем вихревых трубок. В таких трубках возникает аномальная интенсивность преобразований вещества геосреды, с чем связано формирование месторождений жильного типа. Этими моделями может также описываться процесс внедрения изверженных пород в осадочный чехол.

4.2. Геодинамическое поле пятого масштаба (периоды 10 лет) описывается обобщенной абелевой модель Хиггса, которая является теоретическим обоснованием геодинамической технологии выделения в объеме литосферы разномасштабных систем скручивающих напряжений. Элементы этих систем - системно-геодинамические объекты (СГО) - Полезны для решения задач прогнозирования месторождений нефти и газа.

4.3. Существует принципиальная возможность формирования узконаправленного сейсмического канала за счет комбинированного воздействия на геосреду в трех частотных диапазонах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Возникающие при исследовании природных процессов физические проблемы можно условно разбить на следующие классы, имеющие общепринятые названия: статика - равновесные состояния совокупности полей и сред; динамика - движения различных масс под действием сил; термодинамика' - столкновения движущихся масс, многократные рассеяния полей, перенос энергии.

В данной работе при построении моделей динамики геосреды рассмотрены следующие задачи с точки зрения указанной классификации: 1) статики в микромасштабе как условия фонового электромагнитного равновесия, при котором возникает ненулевое значение структурного фактора; 2) динамики в масштабах от микромасштаба до планетарного с описаниями условий устойчивости динамических конфигураций на каждом из них; 3) термодинамики в микромасштабе, в котором рассеивающие элементы микроструктуры определяют дисперсионные соотношения [Зайцев, Назаров, Шульга, 1999], а динамические процессы являются как адиабатическими, так и изотермическими [Исакович, 1973].

Таким образом в диссертации задачи динамики рассмотрены во всех масштабах, а статики и термодинамики - только в микромасштабе. Поэтому дальнейшее развитие теории связано с двумя направлениями.

1. Изучение на всех остальных масштабах, кроме микромасштаба, статических условий равновесия в ансамбле крупномасштабных флуктуаций в веществе геосреды и формирования многомасштабного структурного фактора. Малая вероятность образования крупномасштабных флуктуаций компенсируется большими интервалами геологического времени. Сформированные таким образом состояния равновесия могут внести существенные измененения в существующие описания медленных геодинамических процессов.

Эти состояния, названные автором системными равновесиями сред, являются, как правило, неустойчивыми. В работах [25-27] впервые была исследована многомерная топологическая структура бифуркационных диаграмм, которая может быть положена в основу математического метода исследования неустойчивых состояний. Получил также развитие алгоритмический вариант представления топологической структуры в работах [28-29]. Дальнейшее развитие этих вопросов позволит глубже понять природу непокальности и дисперсии в геосреде, а также локальной (во времени) необратимости природных процессов.

2. Исследование многомасштабной термодинамики полей возмущений геосреды, которая связана с влиянием неоднородностей различных масштабов в литосфере на процессы рассеяния волновых полей в нелинейной динамике коллективных движений. Решение этой задачи приведет к коррекции системы нелинейных уравнений переноса энергии на каждом масштабе автоволнового типа. Иерархическая система неоднородностей в литосфере будет определять в этих уравнениях коэффициенты многомасштабной диффузии.

Синтез решений этих задач с построенной в настоящей работе моделью многомасштабной динамики геосреды может привести к реалистичному описанию процессов, протекающих в твердой Земле.