К оглавлению журнала

УДК 55.001.5

©И.А.Володин,1997

СИСТЕМНО-ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКЕ

И. А. Володин

Методы, используемые геологами, как правило, являются косвенными, а фактические данные - разрозненными. В этих условиях версии о строении и эволюции изучаемого геологического объекта оказываются весьма схематичными. При отсутствии прямых методов наблюдения геологического пространства возрастают требования к правильности выбираемых логических основ и физических образов, которыми пользуются при построении геологической модели. Развитие в последние годы нечеткой или системной логики дает возможность для пересмотра ряда позиций нефтегазовой геологии. Большой резерв развития нефтегазовой геологии заложен в использовании для описания геологических процессов тех направлений современной физики, которые ранее не применялись в геологических построениях - квантовой теории, общей теории относительности и т.д. [2 ].

В основу нового подхода к изучению геологических объектов может быть положена методология изучения природных систем на основе вакуумной концепции [1 ]. В рамках этой концепции определены вакуумные ступени системного движения материи, которые соответствуют материальным носителям уровней организации сложных систем.

Теоретическая часть вакуумной концепции закладывалась в процессе развития системного подхода в геологии и привела к рождению нового научного направления - системно-геодинамических исследований, в которых не ставится знак равенства между геодинамикой и неотектоникой, а в понятие "геодинамика" вносится системное содержание. Его суть сводится к признанию взаимообусловленности вещественной (породной и флюидной) и энергетической компонент земных недр. Другими словами, в рамках этого направления изучается взаимодействие энергоструктуры Земли с породами и флюидами в различных пространственных и временных масштабах. Системно-геодинамические исследования дают возможность проводить разномасштабное районирования геосреды, при этом определять типы фоновых состояний различных таксонометрических единиц геодинамического районирования, выявлять динамику их связей. Системно-геодинамическое районирование территорий весьма важно для решения задач прогноза зон нефтегазонакопления, выделения геоэкологически неустойчивых зон, детализации сейсмического районирования.

Системная геодинамика служит основой для изучения взаимодействий литосферы, атмосферы и гидросферы: в ее рамках определены области применимости нелинейной геодинамики и разработаны принципы квантовой геодинамики.

Предельные состояния системного равновесия геологической среды, описываемые моделями физического вакуума, дают возможность не только построить непрерывную эволюционную цепь преобразований природных систем, но и глубже понять принципы самоорганизации. В частности, описание этих состояний выходит за пределы моделей нелинейных процессов и требует пересмотра некоторых положений термодинамики. В качестве примера можно отметить, что энтропия среды в этих состояниях сингулярна и модели обычной термодинамики терпят разрыв. Геологически эти состояния выражаются в проявлениях разрывной тектоники.

Развитие системной логики привело к созданию эволюционных алгоритмов, которые еще называют алгоритмами самоорганизации, квантовыми или системными алгоритмами. Они позволяют выявить логику системного движения материи, сформулировать наиболее общий подход к эволюции сложных систем. В их структуре выделяются две ветви - восходящая и нисходящая, на каждой из которых находятся по четыре ступени, образующие в совокупности восемь ступеней системного движения (таблица). Из таблицы, в частности, видно, что системная динамика состоит из последовательно переходящих друг в друга этапов, на которых происходят процессы различной природы, что и составляет главную сложность моделирования природных явлений, так как попытки ограничиться моделями только одного класса физических процессов явно недостаточны. Как было отмечено в рамках вакуумной концепции, эволюционный процесс в системном движении материи представляет собой последовательную смену четырех основных типов равновесия геологической среды на восходящей и нисходящей ветвях:

1) статическое равновесие, связанное с положением элементов, например равновесие в поле микросейсм геосреды высокочастотного диапазона, порожденное полями напряжений и проявляющееся в виде аномальных давлений и специфического режима микросейсм;

2) динамическое равновесие в совокупности процессов, в частности в системе автоволновых процессов физико-химической кинетики геосреды, которое в пространстве среды и ее вещественном составе проявляется в виде стратов и диссипативных структур, например системы ревербераторов, которые составляют литологическую основу ревербераторной тектоники;

3) гиперстатическое равновесие в процессе структурной организации среды, например как результат ее многоуровневой организации на основе слабых и сверхслабых химических связей, которое достижимо в масштабе геологического времени, так как переходы в сверхтонкой структуре электронных уровней связаны с очень малыми энергиями квантов, что согласно принципу неопределенности требует значительного времени протекания процессов; это равновесие определяет уровни системной организации вещества на основе структурно-структурных сверхслабых молекулярных взаимодействий;

4) системное равновесие, предельное равновесие геосреды как собственно вакуумное, или когерентное, состояние всего множества динамических структур, которое образует пространственный фон следующего цикла эволюции системы.

Модели эволюционных циклов состояний и динамики вещества

Тип равновесия

Восходящая ветвь

Нисходящая ветвь

Статический

Множество точек-элементов сплошной среды. Аксиомы

Модели механики сплошной среды

Множество точек-элементов как волновых пакетов

Квазиклассическое приближение квантовой механики

Динамический

Множество связей в структуре вещества (например, валентных). Отрицание

Модели процессов автоволнового типа и кинетики химических реакций

Функциональные связи между полями точек

Уравнения квантовой механики. Волновая функция как интегральная связь

Гиперстатический

Резонансные и диссипативные структурные формы в среде с группами локальных симметрии. Существование

Нелинейные модели солитонного типа с дисперсией, диссипацией и волновой модуляцией, а также секулярные уравнения с волновыми неустойчивостями

Первичная структура в новом пространстве, например сложная система скручивания

Модели фазовых переходов в калибровочных полях,фрактальные структуры, первично возбужденный вакуум, например чистое вращение

Системный

Поле когерентного,однородного состояния элементов среды, фон, новое пространство. Единственность

Классификация коллективных резонансных возбуждений объема среды в терминах теории катастроф

Координаты в новом пространстве как параметры когерентного состояния

Основные тождества геометрии абсолютного параллелизма как вакуумные уравнения для калибровочных полей

Решение проблемы классификации типов равновесия сложных систем потребовало дальнейшей разработки методологической концепции системного движения материи, развития новых разделов в математике (структурная теория катастроф, квантовая логика), физике (геометрическая модель вакуума, физико-математическая концепция равновесной неустойчивости), физической химии (теория структурно-структурных взаимодействий) . Проведена классификация типов многофазного равновесия геологической среды, достигаемого на различных масштабных уровнях пространства и времени. Показано, что в системно организованной среде, состоящей из различных комбинаций четырех фаз состояний вещества, на разных масштабных уровнях его структурной организации существует 256 основных типов равновесия, которые определяют различные режимы протекания физических и химических процессов. Этот подход заставляет значительно расширить используемое в геологии и разработке понятие многофазной геосреды, а также класс физико-химических процессов, ответственных за формирование залежей УВ, что дает возможность находить новые поисковые геодинамические индикаторы, например связанные с ревербераторной тектоникой.

В этом и заключается суть применения системно-геодинамического подхода к проблемам нефтегазовой геологии, когда на основе множественной информации создается системный пространственно структуризованный образ геодинамических процессов, в особых точках которого и предполагается наличие месторождений УВ. Роль современной физики здесь состоит в обосновании этих системно-геодинамических построений.

В средах с различными типами равновесия сейсмические волны имеют неодинаковую природу, являясь колебаниями, вызванными сложным комплексом процессов вокруг обстановки фонового равновесия геологической среды. Эти представления особенно важны при изучении волн низкочастотного диапазона, где с учетом времени релаксации высокочастотных колебаний необходимо изменить масштаб рассматриваемых процессов. Вместо моделей распространения волновых полей на основе локальных процессов надо использовать модели процессов с характерными расстояниями, сравнимыми с длиной волны поля. Например, изучая сейсмические поля с частотами в десятки герц, надо исследовать характерные размеры в сотни метров. Параметры прохождения сейсмической волны этого диапазона в геологической среде являются системными параметрами ее организации в данном пространственно-временном масштабе при полной или частичной релаксации микропроцессов. Описанный подход был эффективно использован для исследования нелинейного низкочастотного сейсмического отклика геосреды при вибровоздействии. Построена модель конечной системы нелинейно связанных осцилляторов, где в качестве источников нелинейности рассматриваются флюидные системы. Математическая постановка аналогична модели возврата Ферми - Паста - Улама. В результате численного эксперимента удалось получить картины спектров, близких к экспериментальным, проводимым Н.Н.Востровым и др. на месторождениях Оренбургской области и ряде подземных газохранилищ. Эти результаты свидетельствуют о теоретической и практической возможности изучения флюидосодержащих пластов с помощью низкочастотной сейсморазведки.

В развитие представлений о ступенях системной организации вещества предложены новые подходы к комплексу физических проблем, связанных с типами равновесных и неравновесных состояний полей напряжений в земной коре. Установлены четыре основных типа равновесия в полях напряжений, обусловленных различными уровнями самоорганизации в полях микросейсм. Удалось построить эволюционный ряд самоорганизации сейсмического поля и развития сейсмических событий в земной коре [3 ], в котором имеют место "перетоки полей напряжений", образование зон сейсмической эмиссии, очагов землетрясений, а также при соответствующих режимах потери равновесия формирование месторождений полезных ископаемых. Переходные процессы между состояниями равновесия описываются законами нелинейного распространения сейсмических волн в средах, соответствующих различным состояниям и стадиям геологической эволюции. Циклическое повторение этих процессов приводит к фиксации их типичных конфигураций в морфоструктурах, что и создает основу для методов геодинамического прогнозирования сейсмических событий, месторождений нефти и газа. Эти методы применялись для прогноза крупных землетрясений (Г. В. Морозов), а также при оценке нефтегазоносности территорий Восточно-Европейской и Западно-Сибирской платформ.

Можно говорить о разных типах кинетики химических реакций на фоне различных типов равновесия, которые будут определять различные конфигурации диссипативных структур автоволновых процессов, наблюдаемые, например, в структурах минералов. Возможно также резонансное развитие химической динамики при наличии когерентных состояний в поле экситонов (возбуждений электронных орбит), что экспериментально наблюдалось в образцах со сложнонапряженными состояниями, в участках породы с процессами сейсмической эмиссии и т.д. В таких состояниях может значительно, на много порядков ускоряться течение химических реакций, а также могут происходить реакции, запрещенные в обычных условиях, например в зонах сейсмической эмиссии. Л. А. Абуковой показано влияние нелинейных геодинамических эффектов на размещение залежей нефти и газа в пределах мезозойских отложений платформенной части Туркменистана. При этом скопления УВ рассматриваются как диссипативные структуры регионального масштаба.

Представления о системном процессе в литосфере требуют значительного расширения знаний о закономерностях формирования залежей УВ. В частности, А.А. Шешуковым, Н.Н. Сигачевой в области ревербераторной тектоники (которая наиболее выразительна для типизации состояний равновесия геосреды) предложены новые методы реконструкции процесса нефтегазонакопления на территориях Восточно-Европейской и Западно-Сибирской платформ. Э.Р. Казанковой удалось описать объемную структуру геодинамического солитона полей напряжений Калужской кольцевой структуры и ранжировать типы напряженных состояний геологической среды. На этой основе с новых позиций рассмотрены проблемы эксплуатации Калужского и Якшуновского подземных газохранилищ.

Исходя из признания геостатического равновесия можно утверждать, что в земной коре должны существовать этажи по интервалам глубин, где существенно различны достижимые типы многофазного равновесия геологической среды, а значит, и допустимые классы физико-химических явлений. Из этого следует различие на разных этажах законов динамики сейсмического поля и процессов его самоорганизации, что подтверждается различием сейсмических событий на разных этажах гидрогеологических режимов (средний размер этажа 1,5 км), физико-химических преобразований и т.д.

Разработка методов определения типов равновесия геологической среды в различных пространственно-временных масштабах на основе геолого-геофизической, топографической, аэрокосмической, географической и тому подобной информации позволит описать многомасштабный системный геологический процесс, который включает как составную часть и комплекс геодинамических процессов. Возникающая в связи с этим богатая палитра математических, физических и физико-химических моделей позволит значительно усилить прогностические функции геологических исследований.

Литература

1. Дмитриевский А.Н. Фундаментальный базис геологии нефти и газа // Геология нефти и газа.- 1991.-№4.-С.2-5.

2. Дмитриевский А.Н., Володин И.А., Шипов Г.И. Энергоструктура Земли и геодинамика. - М.: Наука, 1993.

3. Pryanikov I., Flavisky N.,Volodin I. On Modelling of the Earthquakes Dynamics in Geodynamical Systems in the Coutext on Geological Medium System Organisation // Earthguakes Induced by Underground Nuclear Explosions. - NATO ASI Series.-1994.-P. 143-148.

 

ABSTRACT

The author proposes the further evolution of vacuum conception for systematic approach based on the new system of physical and logical ideas. Evolutional succession of geological medium states consists of eight stages, each of which has its own logical basis and physical nature of processes and is governed by four types of geological medium equilibrium as a complicated system.

These ideas make it possible to consider a systematic process in geological medium where geodynamic processes are a component part. Geologic-geophysical results of investigations of various aspects of systematic process and their application in oil and gas geology are discussed.