Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления

Within the limits of established views on geo-medium as an open nonlinear active hierarchically-heterogeneous system, an attempt has been made to analyze the processes in geo-systems. It has been noticed that the spontaneous seismo-acoustic and electromagnetic noise of lithospheric origin is a unive...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Геофизический журнал
Date:	2014
Main Author:	Шуман, В.Н.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України 2014
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101174
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления / В.Н. Шуман // Геофизический журнал. — 2014. — Т. 36, № 6. — С. 129-142. — Бібліогр.: 36 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860110282662084608
author	Шуман, В.Н.
author_facet	Шуман, В.Н.
citation_txt	Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления / В.Н. Шуман // Геофизический журнал. — 2014. — Т. 36, № 6. — С. 129-142. — Бібліогр.: 36 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Геофизический журнал
description	Within the limits of established views on geo-medium as an open nonlinear active hierarchically-heterogeneous system, an attempt has been made to analyze the processes in geo-systems. It has been noticed that the spontaneous seismo-acoustic and electromagnetic noise of lithospheric origin is a universal effect, produced by presence of diffusion. It is essential that spontaneous noise can be interpreted in terms of auto-vibrations, with characteristics determined by parameters of geomedium. The problems of synergetics of the system are under consideration, as well as the role of chaos, including the weak one, in their behavior. Transitional dynamics of geo-systems is analyzed and the criteria of proximity of bifurcation of stationary regime. The fundamental property of geosystems is accentuated — the presence of the stage of preparation of seismic events that is the evidence of reality of their forecast. However its realization is related to installation of adequate monitoring observation systems and methods of their processing while geophysicists are not ready yet. It is noticed that the solution of the problem of seismic events forecast is evidently connected with the results of projects but not the problems, which are usually tried to be solved within the limits of old but not new ideas. В рамках ставших вже класичними поглядів на геосередовище як на відкриту нелінійну активну ієрархічно-неоднорідну динамічну систему зроблено спробу аналізу процесів у геосистемах. Зазначено, що спонтанний сейсмоакустичний і електромагнітний шум літосферного походження - це універсальний ефект, зумовлений наявністю дифузії. Важливо, що спонтанний шум можна тлумачити в термінах автоколивань, характеристики яких визначаються параметрами геосередовища. Розглянуто питання синергетики геосистем, роль хаосу, зокрема слабкого, в їх поведінці. Проаналізовано перехідну динаміку геосистем і критерії близькості біфуркації стаціонарного режиму. Підкреслено фундаментальну властивість геосистем - наявність стадії підготовки сейсмічних явищ, що свідчить про реальність їх прогнозу. Однак його реалізація потребує постановки адекватних моніторингових систем спостережень і методів їх обробки, до чого геофізики поки що не готові. Зазначено, що успіх у розв'язанні проблеми прогнозу сейсмічності тісно пов'язаний з результатами масштабних науково-технічних проектів, а не питань, які зазвичай намагаються вирішувати у межах старих ідей.
first_indexed	2025-12-07T17:33:38Z
format	Article
fulltext	НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ГЕОСРЕДЫ: ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И КРИТИЧЕСКИЕ ... Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 129 Введение. В настоящее время нелинейная динамика как математическая теория эволю- ции динамических систем в значительной сте- пени расширила свои рамки и описательные возможности, в том числе и в многочисленных приложениях к задачам наук о Земле. В част- ности, в рамках сформировавшихся взглядов на геосреду как открытую иерархическую не- однородную нелинейную динамическую си- стему идеи и методы нелинейной динамики послужили основой для постановки и решения ряда актуальных вопросов физики, особенно- стей и механизмов формирования очагов раз- рушения в земной коре, прогноза и прогнози- руемости сейсмического процесса, генерации спонтанного сейсмоакустического и электро- магнитного шума, получения информации о свойствах геосреды, особенностях строения и условиях ее деформирования. Разумеется, центральной проблемой в рас- сматриваемом контексте является проблема изучения закономерностей формирования очагов разрушения в земной коре с целью прогноза координат и времени катастрофиче- ских событий (землетрясений). При этом сама эволюционная природа и свойства режимов УДК 550.3 Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления © В. Н. Шуман, 2014 Институт геофизики НАН Украины, Киев, Украина Поступила 2 сентября 2014 г. Представлено членом редколлегии В. И. Старостенко В рамках ставших вже класичними поглядів на геосередовище як на відкриту нелінійну активну ієрархічно-неоднорідну динамічну систему зроблено спробу аналізу процесів у гео- системах. Зазначено, що спонтанний сейсмоакустичний і електромагнітний шум літосферного походження — це універсальний ефект, зумовлений наявністю дифузії. Важливо, що спон- танний шум можна тлумачити в термінах автоколивань, характеристики яких визначаються параметрами геосередовища. Розглянуто питання синергетики геосистем, роль хаосу, зокрема слабкого, в їх поведінці. Проаналізовано перехідну динаміку геосистем і критерії близькості біфуркації стаціонарного режиму. Підкреслено фундаментальну властивість геосистем — наяв- ність стадії підготовки сейсмічних явищ, що свідчить про реальність їх прогнозу. Однак його реалізація потребує постановки адекватних моніторингових систем спостережень і методів їх обробки, до чого геофізики поки що не готові. Зазначено, що успіх у розв’язанні пробле- ми прогнозу сейсмічності тісно пов’язаний з результатами масштабних науково-технічних проектів, а не питань, які зазвичай намагаються вирішувати у межах старих ідей. Ключові слова: нелінійна геодинаміка, перехідні процеси, сейсмічність, електромагнітна емісія, метастабільність, стійки переходи. геосистем стимулируют привлечение методов нелинейной динамики. Получила существенное развитие и сама нелинейная динамика. Центр ее интересов сместился в область исследования сложных динамических систем. Новая парадигма нелинейной динамики — теория самоорганизованной критичности (СОК) — привела к переоценке взглядов на динамику иерархических систем (см., напри- мер, [Макаров, 2012]). Как известно, свойством самоорганизован- ной критичности обладают только многомас- штабные иерархически структурированные системы, к которым относится и геосреда — открытая диссипативная динамическая систе- ма, способная к самоорганизации. При этом ключом к пониманию сути сложных явлений и процессов является диссипативность и не- линейность динамической системы. Характерные особенности решений урав- нений нелинейной динамики — аттракторы, хаотическое поведение, бифуркации, самоор- ганизованная критичность, наличие медленной динамики, режимов с обострением и др. [Ма- каров, 2012]. В. Н. ШУМАН 130 Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 Построена теория бифуркаций многомерных динамических систем, достаточно пол но изучена теория перехода от детерми нированнного пове- дения к хаотическому, проведено исследование нелинейных волн и локализованных состояний во многих пространственно-распределенных системах [Некоркин и др., 2008]. Теоретически и экспериментально обосно- вана концепция многоуровневого описания деформируемого твердого тела как нелиней- ной иерархически организованной системы [Панин и др., 2012; Пантелеев и др., 2013]. Сформулированы ключевые идеи и на каче- ственном уровне обоснованы представления об особенностях неупругого деформирования и последующего разрушения «пластичных» и «хрупких» сред. Отмечается, что любой про- гноз разрушения в принципе невозможен без учета многомасштабной иерархической при- роды процесса разрушения. Установлено, что для сложных иерархических систем типичным являются: – коррелированное поведение их подси- стем, – самоорганизованный характер критич- ности, – наличие длинных причинно-следственных связей. Появились работы, анализирующие ре- шения уравнений механики деформируемых твердых тел [Даниленко, 2010]. Автомодельность — важная особенность эволюции деформируемых нелинейных си- стем в случае коррелированного поведения их подсистем. Имеются весомые основания предполагать, что такая сложная динамическая система, как геосреда, которая упорядочивает себя в за- висимости от скорости. с которой поступают энергия и вещество, может быть представле- на в виде автоколебательной системы, в кото- рой реализуются нелинейные процессы как в пространстве, так и во времени. При этом акценты современной теории автоколебаний также сместились в сторону более сложных, в том числе хаотических колебаний, в основу которой положены следующие динамические принципы [Некоркин и др., 2008]: – исследование структурно устойчивых си- стем и явлений, поведение которых устойчиво к малым вариациям параметров; – анализ структуры разбиения фазового пространства системы; – исследование эволюции колебательно- волновых процессов, выявление бифуркаций, определяющих принципиальную перестройку этих процессов [Лоскутов, 2013]. Подвергается существенной переоценке роль хаоса в процессах эволюции нелинейных сложных систем. Во-первых, хаос необходим для вывода системы на один из возможных ат- тракторов. Во-вторых, хаос лежит в основе ме- ханизмов объединения более простых структур в сложные. И, в-третьих, хаос может выступать в роли механизма смены режимов поведения системы. Заметим, что здесь следует отличать детерминированный хаос, математическим об- разом которого служит странный аттрактор, от стохастических процессов в классическом смысле, которые для своего описания требуют учета флуктуаций в переходных динамических уравнениях либо непосредственно подчиняют- ся уравнениям для плотности распределения вероятностей статистической теории. Отмечается возрастающий интерес к за- дачам прогностической реконструкции (по- строению параметризованных математиче- ских моделей) систем, порождающих наблю- даемые переходные процессы (сейсмический, сейсмоакустический, электромагнитный и др.) [Лоскутов, 2013]. Установлена важная особенность коллек- тивных процессов и явлений в сложных ди- намических системах. В их поведении весьма отчетливо проявляются аналогии, свидетель- ствующие о наличии общих принципов их эволюции независимо от микроскопической природы. Это обстоятельство послужило осно- вой для разработки некой типовой схемы ре- конструкции уравнений их динамики. В част- ности, предложены и получили развитие два способа построения прогностических моделей их эволюции: – на основе уравнений движения, уравне- ний для силовых полей и др.; – эмпирических моделей динамических си- стем, построенных на основе прямого анализа наблюденных данных [Лоскутов, 2013]. При этом большую роль в описании поведе- ния системы играет геометрическое представ- ление ее эволюции «в целом», т. е. в терминах аттракторов, переходных состояний, устойчи- вости, бифуркаций, динамического хаоса и др. Основной элемент такого исследования — про- слеживание фазового портрета и его измене- ний при непрерывном изменении параметров модели вдоль некоторой кривой в простран- стве параметров. Заметим, что с позиций математики бифур- кация — это смена топологической структу- НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ГЕОСРЕДЫ: ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И КРИТИЧЕСКИЕ ... Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 131 ры разбиения фазового пространства дина- мической системы. Точки бифуркации или структурно-фазовых переходов являются ключевыми, так как в них гармонизируются адаптивность и динамическая устойчивость сложной системы в процессе эволюции при изменяющихся внешних условиях притока энергии. Качественно перестройка фазового портрета представляется бифуркацией, а уста- новившееся движение — аттрактором. Предложены фундаментальные теоретиче- ские идеи и методы, обосновывающие типовые схемы реконструкции уравнений динамики. В частности, при выборе структуры уравнений — это теоремы Такенса для восстановления значений вектора состояния системы и обоб- щенной аппроксимационной теоремы для за- дания оператора ее эволюции [Лоскутов, 2013] при оценке параметров (минимизация различ- ных целевых функций, а при проверке адекват- ности модели расчет метрических и топологи- ческих характеристик аттрактора). Тем не менее, в геофизической практике получить удовлетворительную модель процес- са, в частности сейсмического, с помощью су- ществующих универсальных подходов все еще не удается. Очевидно, трудности моделирова- ния геосистем связаны, в первую очередь, с их необычностью и сложностью, проблемой вы- бора удобных для измерений и достаточных для динамического описания переменных, их адекватного усреднения и абстрагирования от деталей. Не существует и оптимального рецепта построения пространства динамиче- ских переменных эмпирической модели по пространственно-распределенным экспери- ментальным данным. В то же время их удач- ный набор и предопределяет эффективность эмпирической модели, поскольку тем самым задается проекция ее аттрактора, на которой и строится оператор эволюции. Очевидно, опти- мальность такого выбора и является ключевой проблемой эмпирического моделирования рас- пределенных динамических систем. Проблема, которая при таком подходе тре- бует особого внимания — это выбор удобных для измерений и достаточных для динамиче- ского описания переменных. Такие конструк- ции в настоящее время активно развиваются многими специалистами по нелинейной дина- мике. Однако стали вырисовываться и пределы применимости этих подходов. Во-первых, раз- мерность динамических систем должна быть не очень большой и, во-вторых, характерные временные масштабы в исследуемых системах не должны очень сильно различаться. В итоге, несмотря на обилие математических моделей в данной области, их возможности при расши- рении задач прогноза весьма ограничены. Тем самым воспользоваться сложившейся типовой схемой реконструкции уравнений динамики, исследовании фазового пространства системы и пространство параметров модели с целью получения информации о поведении системы предсказать ее возможные бифуркации в гео- физической практике пока не удается. Развитие и адаптация соответствующих ал- горитмов применительно к прогнозу сейсмиче- ских событий были реализованы в Междуна- родном институте математической геофизики и теории прогноза землетрясений РАН. В этом контексте, очевидно, следует упомянуть регу- лярно обновляемый уже на протяжении 25 лет среднесрочный прогноз на основании алгорит- мов M8 и MSc. Как известно, алгоритм М8 основан на ана- лизе текущих данных каталогов землетрясений и нацелен на обнаружение совокупности ано- малий сейсмичности заданного вида, а алгоритм MSc служит для уточнения пространственной области грядущего события [Левин и др., 2011]. Установлено, что в рамках типичных си- стем с самоорганизованной критичностью существует модель сейсмического процесса, крупные события которой эффективно прогно- зируемы с помощью адаптированных предвест- ников сильных землетрясений [Шаповал, 2011]. Показано, что предвестники сильных зем- летрясений достаточно универсальны. Но, как следствие этой универсальности, соответству- ющие алгоритмы прогноза обладают опреде- ленной ограниченностью в их использовании без необходимой детализации [Шаповал, 2011]. В итоге проблема прогноза сильных земле- трясений оказалась существенно более слож- ной, чем это предполагалось еще несколько лет назад, а соответствующие алгоритмы — недо- статочными для реального практического при- менения [Гуфельд, 2013]. И хотя вытекающие из теории самоорганизованной критичности следствия и алгоритмы не привели к конкрет- ным результатам, они способствовали по- ниманию сложности проблемы и послужили основой для создания более совершенных и адекватных природным ситуациям моделям [Состояние…, 2013; Любушин, 2011; Пантеле- ев и др., 2012]. Заметим, что подход А. А. Любушина осно- ван на выявлении скрытых признаков роста синхронизации сейсмических шумов (в част- В. Н. ШУМАН 132 Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 ности, на анализе коэффициентов множест- венной синхронизации мультифрактального спектра сингулярности). Работа [Пантелеев и др., 2012] посвящена рассмотрению ключевых вопросов физики и механики разрушения с целью моделирования процесса формирования потенциального очага землетрясения. Тем не менее до настоящего времени сейс- мология и прогноз сейсмичности переживают сложный период. Детали сейсмического про- цесса все еще не изучены с достаточной полно- той, не существует и его общепризнанной ме- ханической модели. Существует мнение о без- ысходности в представлениях о сейсмическом процессе [Гуфельд, 2013]. При этом в связи с неудачей многочисленных попыток прогноза кажется естественным вопрос: действительно ли существует принципиальная возможность его реализации с необходимой точностью? Со- гласно весьма распространенным представле- ниям, он, в принципе, возможен, по крайней мере, в вероятностном понимании [Родкин, 2008]. Иначе говоря, тезис о непредсказуемости не соответствует реальной ситуации: теорети- чески невозможный прогноз оказался отчасти реализованным на практике, хотя предикторы, обладающие определенной надежностью, мо- гут быть получены, очевидно, лишь из теоре- тических представлений о физике процесса. При этом в качестве основной задачи стано- вится краткосрочный прогноз эпицентраль- ной области сильных сейсмических событий. Однако реальность и возможность решения этой задачи остаются весьма дискуссионными. Так, согласно [Короновский, Наймарк, 2013], имеющиеся немногочисленные успешные про- гнозы объясняются «…удачным совпадением с реальностью», а в качестве обоснования такого тезиса отмечается, что «… можно предвидеть детерминированно-хаотический характер не- линейного процесса в целом, отдельных его стадий, сценариев перехода от одной стадии к другой. Но требуемая надежность и точность краткосрочных прогнозов конкретных собы- тий остаются недостижимыми». Приведем еще одно, совсем недавнее, ут- верж дение аналогичного рода: «… доказано, что сейсмотектонические системы принад- ле жат к классу систем с самоорганизован- ной критичностью, в которых реализуется де терминированно-хаотическое поведение с не предсказуемостью конкретной динамики и катастроф (землетрясений, оползней)» [За- харов, 2014]. Разумеется, такой вывод по существу бро- сает тень на существующую методологию и алгоритмы прогноза сейсмичности. Он соот- ветствует идеям конца прошлого века, в соот- ветствии с которыми системы, обладающие масштабной инвариантностью, было принято считать непредсказуемыми. Но так ли это в действительности? Во всяком случае, очевидно, пришло время подумать, почему мы так думаем (или считаем) и что по этому поводу свидетельствуют новей- шие экспериментальные и теоретические ис- следования сейсмического процесса? К ним могут быть отнесены результаты по анализу стационарных режимов активных систем, у которых диссипация компенсируется прито- ком энергии, новые идеи и подходы, основан- ные на изучении нестационарных процессов и метастабильных состояний, синхронизации автоколебательных процессов, в том числе синхронизации хаотических автоколебаний, структурной устойчивости переходных режи- мов, синергетики геосистем [Лоскутов, 2007, 2010; Спивак, 2008; Анищенко и др., 2010; Лет- ников, 2011; Руманов, 2013; Шуман, 2014а и б]. Несомненный интерес представляют экспе- риментально установленные факты о специфи- ческой модификации спектра флуктуаций на заключительной стадии подготовки сейсмиче- ского события, наличия отчетливых периодов активизации и затишья [Гульельми и др., 2014]. Таким образом, круг вопросов, требующих дальнейших исследований в этой области, весь- ма широк. Однако, не отрицая важности ана- литических и численных результатов, опыта и интуиции сейсмологов, решение проблемы прогноза связано, скорее всего, с результатами проектов, а не проблем, которые обычно пыта- ются решать в рамках старых, а не новых идей. В настоящей статье коснемся отдельных аспектов этой весьма сложной проблемы, об- суждение которых начато в предыдущих пу- бликациях автора, не нашедших пока должного отражения в геофизической литературе. Геосистемы и процессы в них. Принято счи- тать, что литосферу в целом, как и ее части, целесообразно рассматривать как систему. На- помним, что геосистемы — это совокупность составных частей литосферы, объединенных потоком энергии и вещества. Они являются динамическими системами. В них всегда идут необратимые диссипативные процессы, в ко- торых растет энтропия. Важная функция гео- системы — внутреннее перераспределение и рассеивание энергетических и информацион- НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ГЕОСРЕДЫ: ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И КРИТИЧЕСКИЕ ... Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 133 ных ресурсов, поступающих из низов литосфе- ры и окружающей среды, а пространственно- временная «конкуренция» за эти ресурсы ее подсистем — это и есть тот динамический механизм, который и обеспечивает ее неста- ционарное поведение. При этом геосистема упорядочивает себя в зависимости от скорости поступающих в нее энергии и вещества. В свою очередь, она состоит из подсистем, каждая из которых представляет сложноорганизованную структуру с различной нелинейностью, кото- рая, вообще говоря, в значительной степени и определяет в них пространственно-временную изменчивость, явления и процессы. Эти под- системы функционируют скоординированно на некоторых интервалах времени, распадаясь затем и формируя новые образования за счет возникающих и исчезающих функциональных связей, обусловленных вариациями поступаю- щих энергетических ресурсов. Протекающие при этом процессы также имеют кооператив- ный (коллективный) характер. Сейсмический процесс — тоже результат эволюции такой многомасштабной иерархически организован- ной нелинейной динамической системы. Как известно [Кадомцев, 1994], при под- питке энергией извне диссипативная система может испытывать устойчивые (в фазовом пространстве) колебания или перейти в режим сложного стохастического движения (странно- го аттрактора). В таких системах в процессе развития их фазовый объем сокращается, а все траектории в фазовом пространстве при- надлежат соответствующему аттрактору. При выведении системы с помощью внешнего воз- действия из заданного аттрактора она эволю- ционирует к другому, зона притяжения (бас- сейн) которого покрывает точку начального состояния системы. Процесс упорядочения, который может раз- виваться в условиях открытой неравновесной структуры, — литосферы — с включением флюидных систем. Разумеется, весьма про- блематично дать общее определение, которое включало бы все эффекты взаимодействую- щих в этом процессе подсистем, так как каж- дая из них также представляет собой сложную динамическую систему со своими временными масштабами. Перечислим некоторые процессы, которые являются типичными и могут быть реализова- ны в геосистемах: синхронизация под действи- ем внешнего периодического или случайного воздействия; авторезонанс как резонанс под действием силы, порождаемой самой систе- мой; динамический и стохастический резо- нанс; шумоиндуцированные переходы; пере- межаемость как непрерывный переход от ре- гулярного движения к хаотическому. К важнейшим типам колебательных процес- сов в геосистемах относятся так называемые автоколебательные процессы или автоколеба- ния. Важное свойство автоколебательных си- стем, независимо от начальных условий «само- настраиваться» на режим функционирования, определяемый исключительно внутренними параметрами диссипативной системы [Ани- щенко и др., 2010]. Выделяют класс нелиней- ных диссипативных систем, которые не явля- ются автоколебательными, — стохастические автоколебательные системы, в которых шум приводит к возникновению колебаний, обла- дающих чертами автоколебательного режима. Для автоколебательных систем характерны такие явления, как синхронизация и конкурен- ция мод — подавление одних колебательных мод другими. Эти эффекты оказываются прин- ципиально важными и для появления высоко- организованных структур в неравновесных диссипативных средах. В таких средах, помимо автоколебаний, возможно формирование авто- структур, не связанных с граничными условия- ми пространственно-временных образований, параметры которых всецело определяются лишь свойствами такой среды. Автоколебательные системы разделяются на два типа: осцилляторные и релаксационные. При этом релаксационные автоколебания с частичным сбросом энергии в виде сейсмоа- кустической и электромагнитной эмиссии из- меняют фон естественных импульсных элек- тромагнитных и сейсмоакустических полей Земли. Известны различные источники автогене- рации волн в активных средах. В частности, в неоднородных системах источником бегущих волн могут быть области, в которых собствен- ная частота колебаний выше, нежели в окру- жающем их пространстве. Причем в случае наличия нескольких таких источников среда синхронизируется самым высокочастотным из них [Васильев и др., 1979]. Примечательно, что неоднородные активные среды вследствие по- рогового эффекта могут гасить автоволновые процессы. Автоволны взаимодействуют между собой и координируются, в итоге формируется и сохраняется наиболее устойчивая и геоме- трически простая конфигурация со стоячими волнами. Напомним, что синхронизация, ко- торую можно рассматривать в качестве ме- В. Н. ШУМАН 134 Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 тода самоорганизации взаимодействующих систем, возникает лишь в автоколебательных системах. Важно, что активные среды в ходе автоволновой синхронизации могут сопрягать процессы, соизмеримые в пространстве и вре- мени. К настоящему времени известно несколько типов автоволновых процессов: бегущие им- пульсы, стоячие волны, синхронные колебания во всем пространстве, диссипативные струк- туры и др. [Васильев и др., 1979]. Термин «дис- сипативная структура» подчеркивает термоди- намический аспект проблемы: они рождаются и существуют в термодинамически активных системах (геосреде) за счет диссипативных процессов утилизации энергии. Геодинамические системы и хаос. Анализ нелинейных хаотических динамических си- стем — актуальная задача современного этапа исследований, а фракталы и хаос — подходя- щее средство исследования геосистем. Уста- новлено, что хаос в нелинейных динамических системах может возникать универсальными способами, независимо от природы системы. При этом случайность может быть обусловлена как ее внутренними свойствами, так и внеш- ними факторами [Лоскутов, 2010]. Как известно, долгое время представление о хаосе ассоциировалось с тем, что в системе не- обходимо, по крайней мере, возбуждение боль- шого числа степеней свободы. Но, как оказа- лось, существо дела даже здесь не в сложности системы и не во внешних шумах, а в появлении при некотором значении параметров системы экспоненциальной неустойчивости движения. Динамика систем, обусловленная такого рода неустойчивостью, получила название детерми- нированного (или динамического) хаоса. Неожиданным явилось установление факта, что именно хаос определяет основные черты поведения системы, а не шумы внешнего про- исхождения [Лоскутов, 2007]. В то же время проблема слабого хаоса все еще остается не- решенной [Дайсон, 2010]. Она состоит в том, что хаотические движения часто ограничены определенными рамками и не приводят к ката- строфической неустойчивости. Слабость хаоса — ключевое условие существования литосфе- ры. Слабый хаос существенно отличается от полностью хаотического поведения. Он прояв- ляется в том, что хотя близко расположенные траектории и расходятся вначале экспоненци- ально, но их дальнейшее удаление ограничено, и система как целое не разлетается на куски [Дайсон, 2010]. При этом в некотором диапазо- не частот система может усиливать мощность шума, а колебания системы обладают свой- ством «синхронизуемости» как под действи- ем внешнего воздействия, так и в результате взаимодействия [Анищенко и др., 2010]. Заметим, что по мере становления нели- нейной динамики и с появлением теории ди- намического хаоса явление синхронизации было обобщено и на хаотические колебания в системах весьма различной природы. При этом под синхронизацией хаоса понимается явле- ние возникновения периодического режима под влиянием внешнего воздействия на хао- тические автоколебания или в результате взаи- модействия хаотических движений элементов системы (ее подсистем). Однако этот переход от хаотических колебаний к регулярным реа- лизуется лишь при достаточной интенсивности взаимодействия подсистем (что указывает на существование порога) и связан, очевидно, с механизмом синхронизации через подавление хаотических автоколебаний. Следовательно, синхронизацию можно рассматривать как метод самоорганизации взаимодействующих подсистем. При этом реализуется эффект уве- личения крупномасштабных флуктуаций при подавлении мелкомасштабных, причем неза- висимо от начальных условий. С физической точки зрения этот эффект является следствием конкурентной динамики в развитии и органи- зации подсистем, их способностью объеди- няться во взаимно синхронизованные ансамб- ли в соответствии с принципом максималь- ной диссипации энергии. Именно при таком объединении возникают структуры, которые получают преимущества в «конкуренции» за внутреннее перераспределение энергетиче- ских ресурсов. Другая важная сторона рассматриваемых нелинейных систем — временное запаздыва- ние в связях между их элементами (подсисте- мами), обусловленное конечной скоростью распространения сигналов и наличием в си- стемах медленной динамики, т. е. динамически скоррелированных процессов, существенно более медленных, чем быстрый (со скоростью распространения возмущений) информаци- онный обмен в динамической системе. При этом медленную динамику деформируемой нелинейной системы в деформируемых сре- дах составляют процессы локализации дефор- маций и повреждений, формирование дефор- мационных фронтов различных масштабов и различных волн повреждений. Как оказалось, роль медленных фронтов деформаций велика НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ГЕОСРЕДЫ: ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И КРИТИЧЕСКИЕ ... Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 135 как в процессах формирования областей ло- кализации неупругих деформаций в пластич- ных средах, так и очагов разрушения в хруп- ких [Макаров, 2012]. Исследования показали, что временное запаздывание в связях может приводить к существенному и неформальному усложнению коллективной динамики системы, возникновению в ней новых динамических свойств, в частности существенному росту длительности переходных процессов, росту областей мультистабильности и появлению ее новых типов. В итоге мультистабильность можно считать одним их характерных свойств ансамблей подсистем (блоков) с запаздываю- щими связями [Клиньшов, Некоркин, 2013]. С этой точки зрения динамический анализ метастабильных состояний и переходных ди- намических процессов, связанных с взаимо- действием различных подсистем, их конкурен- цией (подавлением в автоколебательных систе- мах одних мод другими) и синхронизацией во времени означает, очевидно, рождение нового направления в развитии теории геосистем и ее практических приложений. Весьма вероятно, что именно эти ключевые динамические объ- екты окажутся способными перевести моде- лирование поведения и развития геосистем на новый уровень понимания и реализации. Сфокусируем дальнейшее рассмотрение на некоторых аспектах, особенностях и возмож- ностях такого описания, новых подходах к сбо- ру экспериментальных данных и их обработке. Синергетика геосистем и спонтанный шум литосферы. Как уже упоминалось, в со- ответствии с флуктуационно-диссипативной теоремой статистической физики геометри- ческий (спонтанный) шум литосферы — это универсальный эффект. Он обусловлен толь- ко наличием диффузии и может проявляться при генерации возмущений весьма различной природы. И эмиссионное сейсмоакустическое и электромагнитное излучение является отра- жением собственной эволюции геосреды, а его спектр отражает стадию этой эволюции. Сле- дует учитывать также возможность различного физического содержания процессов его гене- рации на различных уровнях геометрически самоподобной блоковой геосистемы, в част- ности генерации связанных акустоэлектро- магнитных возмущений в диапазоне Гц—кГц [Дмитриевский, Володин, 2006; Шуман, 2012]. Очевидно, эмиссия должна рассматривать- ся в терминах динамических понятий устойчи- вости, аттракторов в фазовом пространстве и их бифуркаций. Как известно, одна из моделей описания флуктуаций сейсмоакустической и электромагнитной эмиссии в процессе пере- стройки структуры пород связана с перколя- ционной моделью диффузионного фронта. Модель фронта градиентной скалярной пер- коляции (протекания) как неравновесного фазового в открытой системе, в принципе по- зволяет дать физическую интерпретацию на- блюдаемых параметров сейсмоакустических и электромагнитных шумов как неравновесного самоорганизованного критического явления [Зосимов, Лямшев, 1995]. С эксперименталь- ной точки зрения именно фронты самоорга- низованной критичности являются наиболее энергетически активным источником спон- танных излучений — и сейсмоакустических, и электромагнитных. Таким образом, суть нового подхода к опи- санию эмиссий геосреды состоит в утверж- дении, что сейсмичность, спонтанная геоаку- стическая и электромагнитная эмиссии — это непрерывные во времени переходные дина- мические процессы, связанные с взаимодей- ствием различных ее подсистем (блоков) и с их синхронизацией во времени. В стабильном состоянии большинство этих подсистем демон- стрируют сложную хаотическую динамику, которая отражает относительно слабое (фо- новое) взаимодействие протекающих процес- сов, характеризующихся разными временны- ми масштабами. Такое поведение и состояние обеспечивает геосреде возможность быстрого реагирования и адаптации на поступающую из низов литосферы дополнительную энергию, негэнтропию или изменения ее (геосреды) физических характеристик. Имеются весомые основания считать, что геометрический шум литосферы может быть истолкован в терминах автоколебаний. Как известно, энергетическая и флюидная под- питка вызывает увеличение неравновесности и неустойчивости геосистемы. Рост неустой- чивости ведет к формированию флуктуаций, которые при дальнейшем росте энергетиче- ской подпитки преобразуются в автосолитоны, тип которых определяется их характерными пространственно-временными масштабами. При этом структура колебаний определяется масштабами, ограничивающими диапазон про- явления фрактальных свойств. Существенно, что образование фрактальных агрегатов резко увеличивает мощность генерируемых средой эмиссий. Имеются экспериментальные под- тверждения резких изменений фрактальной размерности генерируемых эмиссий при при- В. Н. ШУМАН 136 Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 ближении к точке бифуркации системы (к сейсмическому событию) [Зосимов, Лямшев, 1995]. Очевидно, для описания многомасштабной структуры и свойств геосреды как диссипатив- ной динамической системы требуются новые весьма специфические концепции и подходы. Один из них — многоуровневый подход к мо- делированию процессов деформации и раз- рушения твердых (и хрупких, и пластических) тел, согласно которому деформируемая среда представляет собой самоорганизующуюся не- линейную многоуровневую систему, в которой возникшая при нагрузке деформация самосо- гласованно развивается как последовательная эволюция механизмов релаксации локальных напряжений и диссипации энергии [Псахье, 2013]. Важная особенность отклика такой де- формируемой среды — образование диссипа- тивных мезоструктур и фрагментация дефор- мируемого материала. Возможные механизмы релаксации напряжений: – в виде квазипластического деформирова- ния среды; – в виде локализованной катакластической деформации, мигрирующей по пространству; – в виде лавинно-неустойчивого роста де- фектов в локализованной пространственной области, уменьшающейся с течением времени; – в очаге хрупкого разрушения [Макаров, 2012; Панин и др., 2012]. Установлены механизмы формирования локальных зон сильнонеравновесных состоя- ний, в которых зарождаются дефекты различ- ного масштабного уровня. При этом необходи- мость самосогласования сдвигов на различных структурно-масштабных уровнях обуславлива- ет распространение в деформируемом твердом теле нелинейных волн канализированных ло- кальных структурных превращений [Панин и др., 2012]. Новый аспект проблемы, не нашедший пока должного отражения в литературе — исследо- вание совместного действия полей напряже- ний и диффузионного потока легких газов (во- дород, гелий и др.), пронизывающего литосфе- ру. И. Гуфельд подчеркивает две основные осо- бенности эффектов имплантации легких газов в различные геоматериалы: структурные пере- стройки и аморфизация структуры [Гуфельд и др., 2011]. Общим следствием их имплантации является формирование внутреннего состоя- ния, проявляющегося в эффектах ползучести и изменении объема. Важно, что прохождение восходящего потока легких газов непосред- ственно ведет к непрерывному изменению деформационных параметров горных пород на различных пространственно-временных масштабах [Гуфельд, 2007, 2013]. Существенно, что эксперимент свидетель- ствует о синергетическом характере поведе- ния этих факторов: отклик системы многократ- но возрастает. Удается наблюдать деформации, на порядок больше тех, которые возникают при воздей- ствии каждого из этих факторов по отдельно- сти [Спивак, 2008]. Возможно, это связано с возникновением особого состояния вещества, способствующего дополнительному сниже- нию его устойчивости к действию сдвиговых деформаций. В итоге становится возможным возникновение (или инициирование) кратков- ременных высокоамплитудных (катастрофиче- ских) сдвиговых смещений. Важным представляется и влияние на эти процессы шумов как внешнего, так и внутрен- него происхождения. Следовательно, возника- ет важная с прикладной точки зрения задача исследования совместного действия напря- жений и параметров диффузионного потока легких газов (водорода, гелия), изучение от- клика такой системы на многочастотные и шу- мовые воздействия. В известной степени это дополняет и расширяет исходные принципы физической мезомеханики, акцентирующей внимание на описании твердого тела как ие- рархически организованной системы, волно- вом (автоволновом) характере распростране- ния элементарного сдвига, разрушении как нелинейного волнового процесса глобальной потери сдвиговой устойчивости нагружаемого тела [Панин и др., 2012]. Заметим, что в ста- бильном состоянии геосреда демонстрирует сложную хаотическую динамику. Такое со- стояние, как известно, обеспечивает геосреде возможность быстрого реагирования на вновь поступающую извне энергию, упорядочивая себя в зависимости от скорости поступления энергии и вещества. Переходная динамика и критерии бли- зости бифуркации стационарного режима. Согласно устоявшимся традициям, поиск и изучение предвестников землетрясений явно или неявно основаны на теоретических прин- ципах и результатах теории катастроф. С ма- тематической точки зрения теория катастроф — это определение качественных изменений решений нелинейных дифференциальных уравнений, определяющих состояния, далекие от равновесия в зависимости от управляющих НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ГЕОСРЕДЫ: ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И КРИТИЧЕСКИЕ ... Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 137 параметров: это совокупность, синтез прило- жений теории особенностей гладких отобра- жений К. Уитни и теории бифуркаций А. Пу- анкаре и А. Андронова. Катастрофа происходит в виде резкого изменения состояния системы при плавном изменении управляющих параметров. Уста- новлено, что с приближениям к катастрофе (бифуркации) происходит аномальный рост флуктуаций в системе, критическое замед- ление, понижение частот колебаний для не- которых мод («смягчение» мод вблизи «точки разрушения» [Гульельми и др., 2014]), рост времен релаксации и корреляционных длин, ряд других явлений. Наиболее исследованный предвестник сейсмического события — повы- шение сейсмической активности в разные ин- тервалы времени, предшествующие сильным землетрясениям, сейсмическое затишье или сочетание активизации и затишья в разных пространственно-временных областях [Па- нин и др., 2012]. В то же время классический способ предсказания катастроф связан с вос- становлением по экспериментальным данным (временным рядам) неизвестных уравнений. Однако такую процедуру реально провести лишь в случае небольшого числа степеней сво- боды (числа уравнений), что в случае распреде- ленных систем крайне проблематично. Кроме того, эффективность моделирования остается весьма ограниченной ввиду отсутствия необ- ходимых данных и соответствующих техно- логий исследования геосреды с достаточным пространственным и временным разрешени- ем. Имеющийся опыт динамического модели- рования включает в себя набор элементарных моделей геосреды, развитой техники анализа, необходимой для понимания ее поведения хотя бы в целом. Ведущую роль в таком описании несомненно играет геометрическое представ- ление эволюции геосистемы в малоразмерных проекциях ее фазового пространства. При этом поведение системы может быть описано в терминах аттракторов, переходных состояний, устойчивости, бифуркаций хаоса и др. [Рабинович, Мюезинолу, 2010]. Ее динами- ка определяется временами пребывания в ат- тракторах и переходами между ними, а «плав- ные» деформации фазового пространства не приводят к качественным изменениям дина- мики системы. Однако в последнее время ста- ли ясны и пределы применимости такого под- хода. В частности, такое описание динамики сложных диссипативных систем, состоящих из многих взаимодействующих подсистем, действительно, если плотности всех потоков, пронизывающих систему (энергии, материи и информации), достаточно сбалансированы и стационарны, а связи между подсистемами близки к симметричным [Рабинович, Мюези- нолу, 2010]. Именно в этом случае фазовое про- странство разбивается на области притяжения разных аттракторов — равновесию, периоди- ческим колебаниям или странному аттракто- ру, одному из которых может соответствовать разрушение системы. В общем случае систе- ма может стремиться к одному из возможных аттракторов. При ее выведении из заданного аттрактора система будет эволюционировать к другому аттрактору, зона притяжения которо- го покрывает точку начального состояния си- стемы. В таких сложных физических системах с многими аттракторами может развиваться процесс самоорганизации [Кадомцев, 1994]. Напомним, если мы имеем некоторую ма- трицу взаимодействия между подсистемами или элементами системы ϕij(E), где E — энергия или энтропия, поступающая в систему, то при связях, близких к симметричным ϕij(E)ffiϕji(E), система демонстрирует мультистабильность или сосуществование в фазовом простран- стве двух или более устойчивых состояний. При этом то состояние, к которому приходит система, определяется начальными условиями. Иначе говоря. в случае симметричных связей динамика системы представляет собой прибли- жение к какому-либо устойчивому состоянию равновесия. Что мы имеем в случае геосреды? Очевидно, поток энергии из мантии в литосферу, опреде- ляемый восходящим потоком легких газов во- дорода и гелия, непрерывен. Происходит про- цесс непрерывных преобразований структуры и свойств геосреды литосферы. И хотя процес- сы дегазации на современном этапе эволюции геосреды носят слабопеременный характер, на этом фоне проявляются импульсы дегазации на различных пространственных масштабах — от локального (в пределах отдельных блоков, их кластеров или отдельных граничных струк- тур) до регионального. Постоянно изменяются физико-химические и физико-механические свойства элементов и параметров контактного взаимодействия (связей) в граничных струк- турах и внутри блоков за счет их взаимодей- ствия с этими восходящими потоками легких газов и флюидов. Быстрая изменчивость па- раметров может коренным образом менять геотектонические условия — от фоновых до критических. Сейсмический процесс в итоге В. Н. ШУМАН 138 Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 также в значительной степени контролируется интенсивностью этих восходящих потоков, их пространственной распределенностью в рас- сматриваемый период времени и степенью их разгрузки в приповерхностный ненагружен- ный слой земной коры. Следовательно, пред- положение о стационарности и сбалансиро- ванности открытых нелинейных геосистем, о симметрии связей между ее отдельными под- системами (элементами) явно нереалистично. Напомним также, что геосреда может по- ниматься также как иерархия подсистем с различной нелинейностью. Но, как известно, сильная нелинейность может усилить дисси- пацию и разрушить фазовую структуру систе- мы. Перечисленные факторы резко осложня- ют или, возможно, закрывают возможности традиционных подходов к моделированию ее динамики, в частности сложных переходных состояний. Действительно, в частности, хотя в этом случае устойчивые состояния и суще- ствуют, однако при этом область притяжения к тому или другому аттрактору может постоян- но или даже весьма быстро меняться. Понят- но, что описание таких динамических систем требует новых идей и подходов. Разумеется, в общем случае для полного описания систем, к которым относится и геосреда (открытая не- равновесная система кроме баланса массы, импульса и энергии), необходимо рассматри- вать и баланс энтропии, включающий качество приходящей к системе энергии и производство энтропии в физико-химических процессах, происходящих в системе [Изаков, 1997]. Но, к сожалению, такой подход весьма затруднен и очень сложно формализуется. В итоге полу- чила широкое распространение теория состоя- ний, далеких от равновесия, как синтез трех направлений исследований, а именно — ме- тодов описания существенно неравновесных процессов, термодинамики открытых систем и теории катастроф. Это синергетика или теория диссипативных структур. Новая парадигма нелинейной динамики (те- ория самоорганизованной критичности — эво- люции системы к критическому состоянию без настройки каких-либо параметров) привлекла к себе повышенное внимание и переоценку взглядов на динамику иерархических систем. Предложены новые идеи и подходы, основан- ные на анализе нестационарных процессов и метастабильных состояний как ключевых динамических объектов. Получили развитие работы по исследованию спектра шумов в сложных системах. Установлено, что нарас- тание низкочастотных мод в спектре шумов системы и рост обобщенной синхронизации являются надежными признаками приближе- ния бифуркации стационарного режима — предвестниками катастроф. Заключение. Можно предположить, что проблема прогноза сейсмической активности в настоящее время переживает период, в ко- тором сочетаются черты эволюции и кризи- са. На данный момент не удается отобразить имеющуюся обширную эмпирику на одина- ково разделяемой всеми аксиоматике. Однако тезис о принципиальной непредсказуемости сейсмических событий не имеет под собой до- статочных оснований и не отвечает реальной ситуации. Стало очевидным, что такой про- гноз невозможен без понимания основных механизмов, особенностей и закономерностей локализации деформационных процессов и формирования очагов разрушения в геосре- де. Имеются весомые основания предполагать, что в основе большинства явлений в геосреде являются свойства открытых диссипативных систем. Как известно, их эволюция характери- зуется самоорганизацией протекающих в них процессов и иерархией масштабов. Новая парадигма заключается в том, что и сейсмичность, и спонтанная электромагнитная эмиссия литосферы — это результат устойчи- вой переходной активности геосреды, непре- рывных во времени переходных динамических процессов, связанных с взаимодействием раз- личных подсистем (блоков) геосреды, их «кон- куренцией» за энергетические ресурсы и син- хронизацией (координацией) во времени. При этом метастабильность и устойчивые переходы — одни из ключевых динамических объектов, которые способны перевести моделирование на новый уровень понимания и реализации. Важно, что и сейсмоакустическая, и электро- магнитная спонтанная эмиссия обладают ярко выраженными свойствами нелинейных процессов, способностью к самоорганизации и хаотизации, характерному поведению при приближении к катастрофе и выхода из нее. С этой точки зрения на повестке дня — проект динамической сейсмологии и геоэлектрики. Диссипативность динамики, компенсация энергетических потерь за счет внешних ис- точников, активность отдельных подсистем или элементов геосреды (блоков разного ран- га) являются типичными для автоколебатель- ных систем нелинейной динамики. Термины автоколебания, автоволны, автоволновые про- цессы подчеркивают тот факт, что их характе- НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ГЕОСРЕДЫ: ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И КРИТИЧЕСКИЕ ... Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 139 ристики определяются параметрами геосреды и, что весьма важно, не зависят от начальных и граничных условий, т. е. задание текущего состояния системы. Кажется очевидным, что в условиях, когда невозможно точно оценить начальные условия, идея использовать с целью прогноза параметры и характеристики процес- са, формирующиеся в условиях быстрого забы- вания (короткой памяти) о начальных данных как и положение о слабости хаоса в реальных геосистемах, весьма перспективно. Важно, что и акустосейсмический и электромагнитный (геометрический) спонтанный шум как уни- версальный эффект, который в соответствии с флуктуационно-диссипативной теоремой физики обусловлен только наличием диффу- зии и проявляется при генерации возмущений различной природы, может быть истолкован в терминах автоколебаний. Ввиду неизбежно- сти генерации автоволн в активной геосреде, представление об автоволновых механизмах самоорганизации получает в последнее время все более широкое распространение. Соот- ветственно, спонтанная эмиссия литосферы может быть истолкована в терминах динами- ческих понятий устойчивых состояний, аттрак- торов в фазовом пространстве и их бифурка- ций, а ее динамика определяется временем пребывания в этих состояниях (аттракторах) и переходами между ними. При этом сам пере- ходный процесс — это движение, которому со- ответствует фазовая траектория в области при- тяжения аттрактора. При отсутствии внешнего шума фазовая траектория будет принадлежать тому или иному аттрактору в зависимости от начальных условий. Достаточно наличие шума любой интенсивности, чтобы в ансамбле под- систем геосреды наблюдался эффект стохасти- ческого резонанса. Исследование синхронной динамики автоколебательных систем различ- ной природы и влияния шумов на синхрониза- цию — одна из актуальных задач современной нелинейной динамики, а одно из главных ее достижений ХХ в. — обнаружение универ- сальных сценариев перехода от упорядочен- ного движения к хаотическому при изменении параметров системы. В частности, нарастание низкочастотных мод в спектре шумов геоси- стемы и рост обобщенной синхронизации — надежные предвестники приближающейся бифуркации стационарного (метастабильного) режима. Этот тандем в определенной степени решает проблему диагностики перехода от рус- ла к джокеру, поставленную Г. Г. Курдюмовым и С. П. Малинецким. Весьма вероятно, что в столь сложной си- туации динамический анализ метастабильных состояний и переходных процессов может означать появление нового направления в мо- делировании геосистем. При этом, очевидно, динамическая модель геосреды должна состо- ять из двух подсистем: одна нацелена на описа- ние сейсмического (и электромагнитного) про- цесса в настоящем, а вторая дает возможные варианты будущего ее развития на основании анализа порождаемых системой временных рядов (наблюдаемых) в прошлом и использует нынешнее метастабильное состояние в каче- стве начальных условий. Важный аспект проблемы — физика и при- рода быстрой изменчивости параметров гео- среды и учет факторов, способствующих раз- рушению фазового пространства системы. Весьма вероятно, что ввиду исключительной сложности геосистем для успешного их описа- ния необходимо найти оптимальный уровень усреднения ее параметров и абстрагирования от деталей. Фундаментальное свойство геосистем — стадия подготовки сильных сейсмических со- бытий: с приближением к событию происходит аномальный рост флуктуаций и так называемое критическое замедление, т.е. понижение частот колебаний некоторых мод (эффект резонанса на нулевой частоте), удлинение шкалы времен релаксации, эффекты синхронизации, увеличе- ние крупномасштабных флуктуаций при пода- влении мелкомасштабных, наличие локальных зон затишья и формирование диссипативных структур — цугов медленных деформационных фронтов. Эти признаки универсальны, могут быть обнаружены экспериментально, что все- ляет определенный оптимизм. Примечательно, что имеющиеся успешные попытки прогноза вписываются в эту схему. Таким образом, проблема прогноза сейс- мичности, в том числе наиболее актуального — краткосрочного, отнюдь не безнадежна и не свидетельствует о патологической привержен- ности автора к этой идее. Но для ее решения необходим адекватный мониторинг состояния геосреды, в том числе активный, к которому геофизики пока не готовы, да, собственно го- воря, и не ставили такой цели. Можно предположить, что ближайшей за- дачей является организация мониторинга на иерархических уровнях организации геоси- стем, которые в зависимости от этого уровня могут проявлять свойства детерминирован- ных, стохастических, хаотических и сложных В. Н. ШУМАН 140 Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 Анищенко В. С., Вадивасова Т. Е., Стрелкова Г. И. Автоколебания динамических и стохастиче- ских систем и их математический образ — ат- трактор. Нелинейная динамика. 2010. Т. 6. № 1. С. 107—126. Васильев А. Н., Романовский Ю. М., Яхно В. Г. Авто- волновые процессы в распределенных кинети- ческих системах. Успехи физ. наук. 1979. Т. 128. Вып. 4. С. 625—666. Гульельми А. В, Собисевич Л. Е., Собисевич А. Л., Лав- ров И. П. О форшоках сильных землетрясений. Физика Земли. 2014. № 4. С. 43—49. Гуфельд И. Л. Возможен ли прогноз сильных коро- вых землетрясений? Вестник РАН. 2013. Т. 83. № 3. С. 236—245. Гуфельд И. Л. Сейсмический процесс. Физико- химические аспекты. Научное издание. Королев: ЦНИИМаш, 2007. 160 с. Гуфельд И. Л., Матвеева М. И., Новоселов О. Н. По- чему мы не можем осуществить прогноз сильных коровых землетрясений. Геодинамика и текто- нофизика. 2011. Т. 2. № 4. С. 378—415. Дайсон Ф. Птицы и лягушки в математике и физике. Успехи физ. наук. 2010. Т. 180. № 8. С. 859—870. Даниленко В. А. Автомодельні ударні хвилі в гео- середовищах з просторовою нелокальністю. Геоінформатика. 2010. № 2. С. 39—45. Дмитриевский А. Н., Володин И. А. Формирование и динамика энергоактивных зон в геологической среде. Докл. РАН. 2006. Т. 411. № 3. С. 395—399. Захаров В. С. Самоподобие структур и процессов в литосфере по результатам фрактального и дина- мического анализа: Автореф. … дис. д-ра геол.- мин. наук. Москва, 2014. 35 с. Зосимов В. В., Лямшев Л. М. Фракталы в волновых процессах. Успехи физ. наук. 1995. Т. 165. № 4. С. 361—401. Изаков М. Н. Самоорганизация и информация на планетах и в экосистемах. Успехи физ. наук 1997. Т. 167. № 10. С. 1087—1094. Кадомцев Б. Б. Динамика и информация. Успехи физ. наук. 1994. Т. 164. № 5. С. 449—530. Клиньшов В. В., Некоркин В. И. Синхронизация ав- систем, развитие и внедрение адекватных ме- тодов обработки больших массивов данных, дополнение пассивного мониторинга актив- ным. Но трудности на этом пути значительны — они связаны как с недостаточной разрабо- танностью самой нелинейной динамики, так и со сложностью и многообразием процессов, происходящих в геосистемах. Список литературы токолебательных с запаздывающими связями. Успехи физ. наук. 2013. Т. 183. № 12. С. 1323— 1336. Короновский Н., Наймарк А. Землетрясения: воз- можен ли прогноз. Наука и жизнь. 2013. № 3. С. 37—43. Левин Б. В, Родкин М. В., Тихонов И. Н. Великое Японское землетрясение. Природа. 2011. № 10. С. 14—22. Летников Ф. А. Синергетические аспекты геологи- ческого развития Земли. Изв. Томск. политехн. ун-та. 2011. Т. 319. № 1. С. 6—11. Лоскутов А. Ю. Динамический хаос. Системы классической механики. Успехи физ. наук. 2007. Т. 177. № 9. С. 989—1015. Лоскутов А. Ю. Очарование хаоса. Успехи физ. наук. 2010. Т. 180. № 2. С. 1305—1329. Лоскутов Е. М. Эмпирическая реконструкция ди- намических систем: построение и оптимизация прогностических моделей: Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. Нижний Новгород, 2013. 27 с. Любушин А. А. Прогноз Великого Японского земле- трясения и сингулярности сейсмического шума. http://www.seismicweather.com/down loard/russian nature journal.pdf. 2011. Макаров П. В. Возможности современных методов геомеханического моделирования в приложении к задачам наук о Земле. Москва: ИФЗ, 2012. 14 с. Некоркин В. И., Безручко Б. П., Пономаренко В. И., Прохоров М. Д., Смирнов Д. А., Тасс П. А. Мо- делирование и диагностика взаимодействия нелинейных колебательных систем по хаотиче- ским временным рядам (приложения в нейро- физиологии). Успехи физ. наук. 2008. Т. 178. № 3. С. 323—329. Панин В. Е., Егорушкин В. Е., Панин А. В. Нелинейные волновые процессы в деформируемом твёрдом теле как многоуровневой иерархически органи- зованной системе. Успехи физ. наук. 2012. Т. 182. № 12. С. 1351—1357. Пантелеев И. А., Плехов О. А., Наймарк О. Б. Модель геосреды с дефектами: коллективные эффекты развития несплошностей при формировании по- тенциальных очагов землетрясений. Геодинами- ка и тектонофизика. 2013. Вып. 4. № 1. С. 37—51. НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ГЕОСРЕДЫ: ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И КРИТИЧЕСКИЕ ... Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 141 Пантелеев И. А., Плехов О. А., Наймарк О. Б. Не- линейная динамика структур обострения в ан- самблях дефектов как механизм формирования очагов землетрясений. Физика Земли. 2012. № 6. С. 43—55. Псахье С. Г. Многоуровневый подход к моделиро- ванию процессов деформации и разрушения. Вестник РАН. 2013. Т. 83. № 5. С. 398—406. Рабинович М. И., Мюезинолу М. К. Нелинейная ди- намика мозга: эмоции и интеллектуальная дея- тельность. Успехи физ. наук. 2010. Т. 180. № 4. С. 371—387. Родкин М. В. Прогноз непредсказуемых катастроф. Вокруг света. 2008. № 6. С. 64—73. Руманов Э. Н. Критические явления вдали от рав- новесия. Успехи физ. наук. 2013. Т. 183. № 1. С. 103—112. Состояние исследований по прогнозу землетря- сений в Прибайкалье, 2013. Инновационно- Anishchenko V. S., Vadivasova T. E., Strelkova G. I., 2010. Self-sustained oscillations of dynamical stochastic systems and their mathematical image — an attrac- tor. Nelineynaya dinamika 6(1), 107—126 (in Rus- sian). Vasil’ev V. A., Romanovskiy Yu. M., Yakhno V. G., 1979. Autowave processes in distributed kinetic systems. Uspehi fizicheskih nauk 128(is. 4), 625—666 (in Rus- sian). внедренческий центр Ин-та земной коры СО РАН. Иркутск. in-vc.ru/tourism/prognoz.html. Спивак Л. В. Синергетические эффекты деформаци- онного отклика в термодинамически открытых системах металл — водород. Успехи физ. наук. 2008. Т. 178. № 9. С. 897—922. Шаповал А. Б. Вопросы прогнозируемости в изо- тропных моделях с самоорганизованной кри- тичностью: Автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. Москва, 2011. 35 с. Шуман В. Н. Электромагнитная эмиссия литосфе- ры: всегда ли мы адекватно трактуем то, о чем как будто знаем? Геофиз. журн. 2012. Т. 34. № 2. С. 4—19. Шуман В. Н. О прогнозе и прогнозируемости сейс- мического процесса. Геофиз. журн. 2014а. Т. 36. № 3. С. 48—71. Шуман В. Н. Сейсмический процесс и современные мониторинговые системы. Геофиз. журн. 2014б. Т. 36. № 4. С. 50—64. Nonlinear dynamics of geomedium: transitional processes and critical phenomena © V. N. Shuman Within the limits of established views on geo-medium as an open nonlinear active hierarchically- heterogeneous system, an attempt has been made to analyze the processes in geo-systems. It has been noticed that the spontaneous seismo-acoustic and electromagnetic noise of lithospheric origin is a universal effect, produced by presence of diffusion. It is essential that spontaneous noise can be interpreted in terms of auto-vibrations, with characteristics determined by parameters of geo- medium. The problems of synergetics of the system are under consideration, as well as the role of chaos, including the weak one, in their behavior. Transitional dynamics of geo-systems is analyzed and the criteria of proximity of bifurcation of stationary regime. The fundamental property of geo- systems is accentuated — the presence of the stage of preparation of seismic events that is the evidence of reality of their forecast. However its realization is related to installation of adequate monitoring observation systems and methods of their processing while geophysicists are not ready yet. It is noticed that the solution of the problem of seismic events forecast is evidently connected with the results of projects but not the problems, which are usually tried to be solved within the limits of old but not new ideas. Key words: nonlinear geodynamics, transients, seismic, electromagnetic emission, metastable, stable transitions. References Gul’iel’mi A. V., Sobisevich L. E., Sobisevich A. L., Lav- rov I. P., 2014. About foreshocks strong earthquakes. Fizika Zemli (4), 43—49 (in Russian). Gufeld I. L., 2013. Is it possible to forecast strong crustal earthquakes? Vestnik RAN 83(3), 236—245 (in Rus- sian). Gufeld I. L., 2007. The seismic process. Physical and chemical aspects. Research publication. Korolev: TSNIIMash, 160 p. (in Russian). В. Н. ШУМАН 142 Геофизический журнал № 6, Т. 36, 2014 Gufeld I. L., Matveeva M. I., Novoselov O. N., 2011. Why can not we implement forecast strong crustal earth- quakes. Geodinamika i tektonofizika 2(4), 378—415 (in Russian). Dyson F., 2010. Birds and frogs in mathematics and physics. Uspehi fizicheskih nauk 180(8), 859—870 (in Russian). Danilenko V. A., 2010. Self shock waves in geomedia with spatial nonlocality. GeoInformatika (2), 39—45 (in Ukrainian). Dmitrievskiy A. N., Volodin I. A., 2006. Formation and dynamics of energy active zones in the geological environment. Doklady RAN 411(3), 395—399 (in Russian). Zakharov V. S., 2014. Self-similarity of the structures and processes in the lithosphere on the results of the fractal and dynamic analysis: Author’s abstract. Dr. geol.-min. sci. dis. Moscow, 35 p. (in Russian). Zosimov V. V., Lyamshev L. M., 1995. Fractal in wave processes. Uspehi fizicheskih nauk 165 (4). 364—401 (in Russian). Izakov M. N., 1997. Selforganisation and information for planets and ecosystems. Uspehi fizicheskih nauk 167 (10), 1087—1094 (in Russian). Kadomtsev B. B., 1994. Dynamics and information. Us- pehi fizicheskih nauk 164(5), 449—530 (in Russian). Klin’shov V. V., Nekorkin V. I., 2013. Synchronization of delay-coupled oscillator networks. Uspehi fiz- icheskih nauk 183(12), 1323—1336 (in Russian). Koronovskiy N., Naymark A., 2013. Earthquakes: Is it possible to forecast. Nauka i zhizn (3), 37—43 (in Russian). Levin B. V., Rodkin M. V., 2011. The Great Japanese Earthquake. Priroda (10), 14—22 (in Russian). Letnikov F. A., 2011. Synergistic aspects of the geo- logical evolution of the Earth. Izvestiya Tomskogo politehnicheskogo universiteta 319(1), 6—11 (in Russian). Loskutov A. Yu., 2007. Dynamical chaos. Systems of classical mechanics. Uspehi fizicheskih nauk 177 (9), 989—1015 (in Russian). Loskutov A. Yu., 2010. Fascination of chaos. Uspehi fiz- icheskih nauk 180(2), 1305—1329 (in Russian). Loskutov E. M., 2013. Empirical reconstruction of dy- namical systems: the construction and optimization of prediction models: Author’s abstract. Dr. phys.- math. sci. dis. Nizhny Novgorod, 27 p. (in Russian). Lyubushin A. A., 2011. Forecast great Japanese earth- quake and the singularity of seismic noise (in Rus- sian). http://www.seismicweather.com/down loard/ russian nature journal.pdf. Makarov P. V., 2012. Capabilities of modern methods of geomechanical modeling as applied to the earth sciences. Moscow: IPE, 14 р. (in Russian). Nekorkin V. I., Bezruchko B. P., Ponomarenko V. I., Prokhorov M. D., Smirnov D. A., Tass P. A., 2008. Methods of wave-based physics in neuroscience problems and applications. Uspehi fizicheskih nauk 178(3), 323—329 (in Russian). Panin V. E., Egorushkin V. E., Panin A. V., 2012. Non- linear wave processes in a deformable solid as in a multiscale hierarchically organized system. Uspehi fizicheskih nauk 182(12), 1351—1357 (in Russian). Panteleev I. A., Plekhov O. A., Naymark O. B., 2013. Model of geomedia containing defects: collective effects of defects evolution during formation of po- tential earthquake foci. Geodinamika i tektonofizika 4(1), 37—51 (in Russian). Panteleev I. A., Plekhov O. A., Naymark O. B., 2012. Nonlinear dynamics of structures exacerbation in ensembles of defects as a mechanism for the forma- tion of foci of earthquakes. Fizika Zemli (6), 43—55 (in Russian). Psakhie S. G., 2013. A multi-level Approach to the Mod- eling of Deformation and Destruction Processes. Vestnik RAN 83(5), 398—406 (in Russian). Rabinovich M. I., Myuezinoglu M. K., 2010. Nonlinear dynamics of the brain: emotion and cognition. Us- pehi fizicheskih nauk 180(4), 371–387 (in Russian). Rodkin M. V., 2008. Forecast unpredictable disasters. Vokrug sveta (6), 64—73 (in Russian). Rumanov E. N., 2013. Critical phenomena far from equi- librium. Uspehi fizicheskih nauk 183(1), 103—112 (in Russian). Status of research on earthquake prediction in the Bai- kal region, 2013. Innovation center of the Institute of Earth’s Crust. Irkutsk. in-vc.ru/tourism/prognoz. html. Spivak L. V., 2008. Synergy effects in the deformation response of thermodynamically open metal — hy- drogen systems Uspehi fizicheskih nauk 178(9), 897—922 (in Russian). Shapoval A. B., 2011. Questions predictability in the iso- tropic model with self-organized criticality: Author’s abstract. Dr. phys.-math. sci. dis. Moscow, 35 p.(in Russian). Shuman V. N., 2012. Electromagnetic emission of the lithosphere: Do we always adequately interpret what seemed to know? Geofizicheskiy zhurnal 34(2), 4—19 (in Russian). Shuman V. N., 2014a. On predictability seismic process. Geofizicheskiy zhurnal 36(3), 48—71 (in Russian). Shuman V. N., 2014b. Seismic processes and advanced monitoring systems. Geofizicheskiy zhurnal 36(4), 50—64 (in Russian).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101174
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0203-3100
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T17:33:38Z
publishDate	2014
publisher	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
record_format	dspace
spelling	Шуман, В.Н. 2016-05-31T18:29:56Z 2016-05-31T18:29:56Z 2014 Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления / В.Н. Шуман // Геофизический журнал. — 2014. — Т. 36, № 6. — С. 129-142. — Бібліогр.: 36 назв. — рос. 0203-3100 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101174 550.3 Within the limits of established views on geo-medium as an open nonlinear active hierarchically-heterogeneous system, an attempt has been made to analyze the processes in geo-systems. It has been noticed that the spontaneous seismo-acoustic and electromagnetic noise of lithospheric origin is a universal effect, produced by presence of diffusion. It is essential that spontaneous noise can be interpreted in terms of auto-vibrations, with characteristics determined by parameters of geomedium. The problems of synergetics of the system are under consideration, as well as the role of chaos, including the weak one, in their behavior. Transitional dynamics of geo-systems is analyzed and the criteria of proximity of bifurcation of stationary regime. The fundamental property of geosystems is accentuated — the presence of the stage of preparation of seismic events that is the evidence of reality of their forecast. However its realization is related to installation of adequate monitoring observation systems and methods of their processing while geophysicists are not ready yet. It is noticed that the solution of the problem of seismic events forecast is evidently connected with the results of projects but not the problems, which are usually tried to be solved within the limits of old but not new ideas. В рамках ставших вже класичними поглядів на геосередовище як на відкриту нелінійну активну ієрархічно-неоднорідну динамічну систему зроблено спробу аналізу процесів у геосистемах. Зазначено, що спонтанний сейсмоакустичний і електромагнітний шум літосферного походження - це універсальний ефект, зумовлений наявністю дифузії. Важливо, що спонтанний шум можна тлумачити в термінах автоколивань, характеристики яких визначаються параметрами геосередовища. Розглянуто питання синергетики геосистем, роль хаосу, зокрема слабкого, в їх поведінці. Проаналізовано перехідну динаміку геосистем і критерії близькості біфуркації стаціонарного режиму. Підкреслено фундаментальну властивість геосистем - наявність стадії підготовки сейсмічних явищ, що свідчить про реальність їх прогнозу. Однак його реалізація потребує постановки адекватних моніторингових систем спостережень і методів їх обробки, до чого геофізики поки що не готові. Зазначено, що успіх у розв'язанні проблеми прогнозу сейсмічності тісно пов'язаний з результатами масштабних науково-технічних проектів, а не питань, які зазвичай намагаються вирішувати у межах старих ідей. ru Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України Геофизический журнал Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления Нелінійна динаміка геосреди: перехідні процеси і критичні явища Nonlinear dynamics of geomedium: transitional processes and critical phenomena Article published earlier
spellingShingle	Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления Шуман, В.Н.
title	Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления
title_alt	Нелінійна динаміка геосреди: перехідні процеси і критичні явища Nonlinear dynamics of geomedium: transitional processes and critical phenomena
title_full	Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления
title_fullStr	Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления
title_full_unstemmed	Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления
title_short	Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления
title_sort	нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101174
work_keys_str_mv	AT šumanvn nelineinaâdinamikageosredyperehodnyeprocessyikritičeskieâvleniâ AT šumanvn nelíníinadinamíkageosrediperehídníprocesiíkritičníâviŝa AT šumanvn nonlineardynamicsofgeomediumtransitionalprocessesandcriticalphenomena

Нелинейная динамика геосреды: переходные процессы и критические явления

Institution

Similar Items