Современные представления о природных катастрофах

Современная математическая теория катастроф родилась на стыке двух дисциплин — топологии и математического анализа. Ее источниками являются теоретические разработки Уитни, Пуан­каре, Ляпунова и Андронова, слившиеся благодаря усилиям французского математика Тома в единую теорию катастроф. Катастрофы - скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий (с греч. - переворот, переломное важное событие, решающее судьбу или дело).

Геологические катастрофы обычно рассматривались как глобаль­ные явления, нашедшие отражение в геологической летописи. Ученые пытались понять причины, механизм возникновения. Природа таких внезапных событий может быть разной. Важно выявить причину резкого изменения внешних условий.

Современный подход к пониманию природы катастроф учитывает свойство нелинейных систем - теоретически, начиная с некоторых значений параметра, система может эволюционировать не по одному пути, а по нескольким, из которых она должна непременно выбрать какой-то один.

История любого, даже небольшо­го геологического объекта в течение относительно короткого времени непременно включает скачки, сопровождающиеся резкой перестройкой структуры. При этом процесс, плавный в одном масштабе исследования (напри­мер, макропластическое течение породного массива), обнаружива­ет в другом, «микроскопическом» масштабе множество скачков (эпизодов разнорангового растрескивания), внутри которых, в свою очередь, выделяются интервалы как плавного, так и прерывистого, катастрофического развития.

Подготовка катастрофического события включает создание необходимых для его реализации ус­ловий (рост значений управляющих параметров до критичес­кого уровня). Возникновение же условий, достаточных для осу­ществления скачка, сводится к мгновенному действию, предвидеть которое невозможно.

С позиций современного подхода, катастрофы — явления бифуркационной природы, присущие хаотической эволюции нелинейных, сильно неравновесных систем. Это час­тые, разномасштабные скачки со­стояний, принципиально непредсказуемые из начальных усло­вий, задаваемых со сколь угодно высокой, но конечной точно­стью, при плавном изменении даже всего двух-трех зависящих от внешних условийи несводимых к средним значениям управ­ляющих параметров.

Законы в геологии.

Закон (в геологии) - вербальное и/или математически сформулированное утверждение, описывающее существенные связи между различными геологическими понятиями, явлениями, предложенное в качестве объяснения геологических факторов и согласующееся с опытными данными.

Виды законов (в науке):

· Частные (специфические) - выражают отношения между специфическими явлениями или частными свойствами геологических объектов (закон Гука). Обладают строгим математическим выражением.

· Общие - характеризуют отношения между общими свойствами больших совокупностей объектов и др. явлений (закон сохранения массы и т.п.). Обладают строим математическим выражением. Общенаучные законы естествознания (физики, химии, тер­модинамики и др.) являются определяющими в развитии геоло­гических процессов. Современная минералогия, петрология, гео­химия активно используют их в изучении эволюции веществен­ного состава, при моделировании природных процессов.

· Всеобщие (универсальные) - общие философские законы, законы диалектики. Не обладают строгим математическим выражением (вербальные законы).

Соотношение понятий и видов законов: закон всеобщий <- закон общий <- закон частный <- закономерность общая <- частная закономерность.

Границы между законами условны, подвижны, т.к. в частных законах проявляется действие общих и всеобщих. Тем не менее, в геологии многие закономерности возводятся в ранг закона. Открытие новых свойств, явлений, закономерностей и законов - основная цель и сущность научных исследований.

В соответствии с уровнями научного знания можно разделить законы еще на два вида:

- Эмпирические – получаются при обработке корреляций, наблюдаемых в эксперименте. Они лишены свойств всеобщности и необходимости.

- Теоретические – не только выражают связи между наблюдаемыми свойствами вещей и явлений, но и объясняют их, раскрывая механизм процесса, вводя теоретические, ненаблюдаемые объекты.

Закрепление знаний законами - обязательная стадия их развития, поскольку позволяет построить объективную модель процесса или явления, определяющую их сущность.

Вернадский в науках о Земле выде­лял законы двух типов:

1. Законы, представляющие собой модификацию законов физики, химии и др. точных наук.

2. Законы-тенденции - связаны с историей развития Земли. Все законы-тенденции носят вероятностный, статистический характер, выявляются лишь при статистической обработке большого факти­ческого материала, и неизбежно содержат большое число отклонений и даже исклю­чений. Хаин выделяет следующие тенденции в развитии на­шей планеты: направленность (необратимость), цикличность, не­прерывность, прерывистость, синхронность, асинхронность, неравномерность, преемственность и обновление.

Например, закон необратимого эволюционного развития организмов был сформулирован бельгийским палеонтологом Долло в конце 19 в. Они играют конструктивную роль в науке, т.к. определяют процессы самоорганизации в от­крытых системах.

Направленностъ развития Земли прослеживается в про­цессах первичной дифференциации вещества, возникновении ядра и различных оболочек Земли, в ходе реализации эндогенных и экзогенных процессов.

Также наблюдается тенденция цикличного развития. Выделяются циклы продолжи­тельностью в сотни млн. лет и более высокочастотные, определяющие формирование лика Земли, ее внутренней струк­туры и строение ее верхних оболочек.

Неравномерность развития геологических процессов подтверж­дается широким диапазоном типов тектонических структур совре­менной Земли, отвечающих разным геодинамическим обстановкам и этапам их формирования.

На фоне тенденции неравномерного развития наблюдаются глобальная синхронность и асинхронность геологических процессов. Синхрон­ность подтверждается уверенной корреляцией позднемезозойских и кайнозойских отложений Мирового океана, проведенной по микро­фауне, по данным сейсмостратиграфии и палеомагнетизму, со стратиграфическими данными по континентам.

На фоне законов-тенденций в геологии сформулированы так­же более специальные законы, отражающие характер прояв­ления отдельных геологических процессов: философ Аристотель сформулировал закон о периодической смене суши и моря (III в. до н.э..); Стенон сформулировал закон суперпозиции слоев горных пород (вторая половина 17 в.) и др.

Специальные законы инженерной геологии:

1. Основной закон инженерной геологии. По В.Т. Трофимову, 1999: инженерно-геологические особенности любого объекта верхних горизонтов литосферы и их изменение определяются историей его геологического развития, современным пространственным (координатным) положением, контролирующим тектонический режим и климатические условия, а на освоенных территориях - и характером техногенных воздействий.

2. Закон адаптации геологической среды.

3. Закон геологического соответствия.