М.: Геокарт - Геос, 2009. — 392 с. — ( Серия методических
руководств по синергетическим методам геологических исследований.
Выпуск 2). — ISBN 978-5-89118-458-9.
В книге приведен детальный анализ с позиций теории самоорганизации
двух принципиально различных рудных комплексов: месторождений
железистых кварцитов Кольского полуострова и апатито-нефелиновых
месторождений Хибинского массива. Показано, что, несмотря на
различную природу этих комплексов (метаморфогенную в первом случае,
магматогенную во втором), они имеют необычайно большое число общих
черт: и железорудные, и апатитовые тела формируют фрактальные
штокверки (D=2.2–2.7) в осевых зонах фрактальных же (D=2.5–2.7)
рудовмещающих комплексов (гнейсо-амфиболитовой сети в тоналитах и
фоидолитовой сети в фойяитах, соответственно); контролируют
симметричную структурно-вещественную зональность последних; сложены
рудами с фрактальной текстурой, определяемой сочетанием фрактальных
полосчатости (D = 0.6–0.9) и плойчатости (D = 1.0–1.3) и связанной
с составом и свойствами самих руд и слагающих их минералов;
приурочены к приповерхностным частям рудных зон и сопровождаются
фрактальными брекчиями, бескорневыми дайками основных пород
(долеритов и меланефелинитов, соответственно), много численными
телами пегматитов и гидротермалитов, сконцентрированнми на границах
рудных тел, и др. На основании полученных данных разработаны
критерии для выделения диссипативных геологических структур и ряд
подходов к их исследованию.
За шесть лет, прошедших после публикации нашей книги Самоорганизация минеральных систем, заметно возросло внимание геологов к решению традиционных и нетрадиционных задач геологического анализа на основе теории самоорганизации. Мировая геология стремительно накапливает опыт своей адаптации к достижениям физики и химии и вполне обоснованно начинает претендовать на достойное место в ряду естественных наук. В письме на имя Ильи Пригожина, сопровождавшем нашу книгу, мы изложили свое понимание той роли, которую она могла бы играть в развитии теории самоорганизации. Роли, как нам тогда казалось, очень скромной и никак не претендующей на сколько-нибудь значимое место в огромном массиве специальной физической литературы. В ответном письме с лестной оценкой нашей работы И. Пригожин возразил: ни один физик-экспериментатор не располагает услугами и результатами столь уникальной и совершенной лаборатории, какой является литосфера Земли с ее огромным разнообразием необычных, но очень содержательных для теории самоорганизации структур. Заслугу нашу он видел в том, что мы не только проиллюстрировали геологическими примерами основные теоремы и механизмы самоорганизации, но также описали и проанализировали практически не известные физикам объекты. Размеры последних охватывают огромный интервал масштабов от планетарных и региональных до локальных и даже микроскопических. К сожалению, этого времени все же оказалось недостаточно для прорастания принципов теории самоорганизации в почве традиционных понятий, бесчисленных аксиом, допущений и принципов формирования геологических теорий. Наши выступления в серьезных аудиториях, общение со специалистами разного уровня и направлений позволили понять, что геологическое сообщество вполне готово воспринимать физические основы теории самоорганизации и обсуждать адекватность ее геологических иллюстраций. Но как только мы выказывали сомнения в адекватности таких канонических столпов геологии как принципы историзма или, скажем, суперпозиции, то немедленно возникал барьер отторжения и даже протеста. Приходилось терпеливо разъяснять, что дело не в отрицании возможностей познать, не в агностицизме, а в отсутствии фундаментального обоснования подавляющего большинства привычных геодинамических конструкций. Возможно, наиболее сложным при переходе к новой парадигме будет принятие обновленного физического смысла историзма – базовой идеологической конструкции геологии (геология – наука историческая). Напомним, что в классической геологии историзм – это фиксация четко детерминированного ряда событий, записанных в слоях, всплесках магматической или гидротермальной активности, в структурно-тектонических и метаморфических эпизодах и, несомненно, в смене фаун. И это даже не просто фиксация, а восстановление динамики процессов по их результату, симметрии действующих сил, по симметрии наблюдаемой структуры, – при том принимаемом по умолчанию условии, что системы пассивно реагируют на внешнее воздействие. В геодинамике же нелинейных систем, в диссипативных, хаотически-детерминированных структурах правила игры меняются кардинально. Какие выходы из такого положения видят авторы предлагаемой работы? Их, по крайней мере, два, и они вполне очевидны. Один связан с существенным обновлением стандарта вузовского геологического образования. Курс математики должен включать разделы о нелинейных дифференциальных уравнениях и границах устойчивости их решения, о фракталах и фрактальном анализе, об аттракторах, бифуркациях, об элементах теории хаоса, о самоорганизованной критичности. В курсе физики должны быть разделы об автоколебаниях, термогравитационной неустойчивости, о феноменологии кооперативных процессов на примере лазера, о перколяции и агрегации. Курс химии должен содержать разделы о периодических реакциях, химических (авто)волнах. Опыт преподавания синергетики на геологическом факультете Петрозаводского университета показал, что она не должна вводиться как самостоятельная учебная дисциплина: затраты времени, средств, нервных ресурсов на это нерациональны. Процессы самоорганизации должны рассматриваться на профилирующих курсах: геотектонике, структурной геологии, минералогии, петрологии, геологии рудных месторождений. Такое предложение должно стать предметом внимательного изучения соответствующих ведомств. Однако в любом случае стандарт геологического образования должен опираться на научно -методическую литературу, теоретические обзоры. Ни того, ни другого пока нет в достаточном количестве и качестве. Такая литература предшествует созданию учебников как по основам нового междисциплинарного направления, так и по профилирующим геологическим дисциплинам, – с обязательным акцентом на противоречиях канонических понятий и анализом возможностей нового подхода к их устранению. Это и определяет сущность второго направления усилий научного сообщества – создание отечественной научной и научно-методической литературы по теории геологической самоорганизации, отвечающей мировому уровню или даже опережающей его. Начиная с 1993 г., такую работу проводит коллектив лаборатории самоорганизации минеральных систем Геологического института Кольского научного центра РАН в г. Апатиты. За это время по данной проблеме изданы 3 монографии и десятки статей в отечественной и зарубежной периодике (Иванюк, Яковенчук, 1995; Базай, Иванюк, 1996; 1997; Егоров, Иванюк, 1996а, б; Горяинов, Иванюк, 2001а, б; 2005; 2006а, б; Горяинов и др., 1997а, б; 1998; Иванюк, 1997; Иванюк и др., 1996а; 1999в; Goryainov, Ivanyuk, 1998; 2003; Goryainov et al., 1997b и др.). Работы нашего коллектива с самого начала находились в поле зрения выдающихся ученых: нобелевского лауреата И. Р. Пригожина и Г. Хакена, – приветствовавших создание такой группы и морально нас поддерживавших. Они хорошо представляли, насколько сложно формировать практически с нуля новое научное направление в геологии со свойственной ей изолированностью от современных достижений естествознания. Как убедить коллег, особенно практических геологов, вникнуть в суть новой парадигмы естествознания и пересмотреть на ее основе хорошо им известный огромный экспериментальный материал? И. Р. Пригожин не дал, да и вряд ли мог дать здесь сколько-нибудь конструктивных рекомендаций. В одном из своих последних писем он призывал нас к терпению, к терпеливому движению в избранном направлении, ссылаясь на перипетии своей научной жизни: Не одни генералы науки определяют ее судьбу. Настанет время, и в ваш диалог с Природой вступит много новых интересных собеседников. Задуманную Министерством природных ресурсов РФ серию книг по синергетическим принципам геологических исследований следует понимать и как отношение к достижениям нашего творческого коллектива, и как моральную и материальную поддержку исследований в данном направлении. Настоящая книга – второй выпуск серии – является изложением нашего опыта практической работы с уникальными рудно-геологическими комплексами на основе принципов, положений и вытекающих из них методов теории самоорганизации. Цель обращения к подобным объектам проста и предельно ясна: показать возможности новых подходов при решении традиционных задач геологии на примере уникальных природных ансамблей. Значит, это должны быть такие объекты, на которых сформированы многолетние исследовательские традиции, набраны огромные массивы геологической информации, сложилась история представлений об их геологии и генезисе с ее увлекательной драматургией, колоритными персонажами и научными дискуссиями между представителями различных направлений и школ. В качестве таких объектов мы выбрали месторождения железистых кварцитов Кольского полуострова, – пожалуй, наиболее изучен ных представителей полосчатой железорудной формации в мире – и крупнейшие в мире апатито-нефелиновые месторождения Хибинского массива нефелиновых сиенитов и фоидолитов. Железорудная формация является базовым объектом для различного рода литологических, тектонических и геодинамических реконструкций докембрийских комплексов, в том числе, и в духе тектоники плит, тогда как Хибинский массив – общепринятый стандарт интрузий центрального типа (и не вполне общепринятый – купольно-горстовых структур и тектонических плюмов). Первый объект, таким образом, – это стереотип процессов латерального скучивания или, в общем виде, мобилистской динамики. Второй – эталон тектоники горячих точек, мантийных плюмов, в котором минимально проявлена анизотропия внешних силовых полей. Мы специально прибегаем к такому подходу для того, чтобы продемонстрировать общие принципы протекания процессов структурно-вещественной самоорганизации для объектов принципиально различной геодинамической природы. Тем самым мы хотим показать, что физический смысл процессов динамической эволюции следует искать вовсе не в пассивном отклике геологического объекта на внешние воздействия (в виде движения латеральных литосферных масс или всплывающих мантийных диапиров). В обоих примерах, привычно характеризующих резко различающуюся динамическую среду зарождения и функционирования рудных ансамблей, обнаруживается ряд общих черт, которые говорят о структурно-вещественной самоорганизации вещества литосферы по единым (макроскопическим) законам. Для возникновения любой диссипативной структуры необходимо выполнение следующих четырех условий (Эбелинг, 1979):
Система является термодинамически открытой, т. е. может обмениваться веществом и/или энергией с внешней средой;
Динамические уравнения системы нелинейны;
Отклонение от равновесия превышает критическое значение;
Микроскопические процессы происходят кооперативно.
За шесть лет, прошедших после публикации нашей книги Самоорганизация минеральных систем, заметно возросло внимание геологов к решению традиционных и нетрадиционных задач геологического анализа на основе теории самоорганизации. Мировая геология стремительно накапливает опыт своей адаптации к достижениям физики и химии и вполне обоснованно начинает претендовать на достойное место в ряду естественных наук. В письме на имя Ильи Пригожина, сопровождавшем нашу книгу, мы изложили свое понимание той роли, которую она могла бы играть в развитии теории самоорганизации. Роли, как нам тогда казалось, очень скромной и никак не претендующей на сколько-нибудь значимое место в огромном массиве специальной физической литературы. В ответном письме с лестной оценкой нашей работы И. Пригожин возразил: ни один физик-экспериментатор не располагает услугами и результатами столь уникальной и совершенной лаборатории, какой является литосфера Земли с ее огромным разнообразием необычных, но очень содержательных для теории самоорганизации структур. Заслугу нашу он видел в том, что мы не только проиллюстрировали геологическими примерами основные теоремы и механизмы самоорганизации, но также описали и проанализировали практически не известные физикам объекты. Размеры последних охватывают огромный интервал масштабов от планетарных и региональных до локальных и даже микроскопических. К сожалению, этого времени все же оказалось недостаточно для прорастания принципов теории самоорганизации в почве традиционных понятий, бесчисленных аксиом, допущений и принципов формирования геологических теорий. Наши выступления в серьезных аудиториях, общение со специалистами разного уровня и направлений позволили понять, что геологическое сообщество вполне готово воспринимать физические основы теории самоорганизации и обсуждать адекватность ее геологических иллюстраций. Но как только мы выказывали сомнения в адекватности таких канонических столпов геологии как принципы историзма или, скажем, суперпозиции, то немедленно возникал барьер отторжения и даже протеста. Приходилось терпеливо разъяснять, что дело не в отрицании возможностей познать, не в агностицизме, а в отсутствии фундаментального обоснования подавляющего большинства привычных геодинамических конструкций. Возможно, наиболее сложным при переходе к новой парадигме будет принятие обновленного физического смысла историзма – базовой идеологической конструкции геологии (геология – наука историческая). Напомним, что в классической геологии историзм – это фиксация четко детерминированного ряда событий, записанных в слоях, всплесках магматической или гидротермальной активности, в структурно-тектонических и метаморфических эпизодах и, несомненно, в смене фаун. И это даже не просто фиксация, а восстановление динамики процессов по их результату, симметрии действующих сил, по симметрии наблюдаемой структуры, – при том принимаемом по умолчанию условии, что системы пассивно реагируют на внешнее воздействие. В геодинамике же нелинейных систем, в диссипативных, хаотически-детерминированных структурах правила игры меняются кардинально. Какие выходы из такого положения видят авторы предлагаемой работы? Их, по крайней мере, два, и они вполне очевидны. Один связан с существенным обновлением стандарта вузовского геологического образования. Курс математики должен включать разделы о нелинейных дифференциальных уравнениях и границах устойчивости их решения, о фракталах и фрактальном анализе, об аттракторах, бифуркациях, об элементах теории хаоса, о самоорганизованной критичности. В курсе физики должны быть разделы об автоколебаниях, термогравитационной неустойчивости, о феноменологии кооперативных процессов на примере лазера, о перколяции и агрегации. Курс химии должен содержать разделы о периодических реакциях, химических (авто)волнах. Опыт преподавания синергетики на геологическом факультете Петрозаводского университета показал, что она не должна вводиться как самостоятельная учебная дисциплина: затраты времени, средств, нервных ресурсов на это нерациональны. Процессы самоорганизации должны рассматриваться на профилирующих курсах: геотектонике, структурной геологии, минералогии, петрологии, геологии рудных месторождений. Такое предложение должно стать предметом внимательного изучения соответствующих ведомств. Однако в любом случае стандарт геологического образования должен опираться на научно -методическую литературу, теоретические обзоры. Ни того, ни другого пока нет в достаточном количестве и качестве. Такая литература предшествует созданию учебников как по основам нового междисциплинарного направления, так и по профилирующим геологическим дисциплинам, – с обязательным акцентом на противоречиях канонических понятий и анализом возможностей нового подхода к их устранению. Это и определяет сущность второго направления усилий научного сообщества – создание отечественной научной и научно-методической литературы по теории геологической самоорганизации, отвечающей мировому уровню или даже опережающей его. Начиная с 1993 г., такую работу проводит коллектив лаборатории самоорганизации минеральных систем Геологического института Кольского научного центра РАН в г. Апатиты. За это время по данной проблеме изданы 3 монографии и десятки статей в отечественной и зарубежной периодике (Иванюк, Яковенчук, 1995; Базай, Иванюк, 1996; 1997; Егоров, Иванюк, 1996а, б; Горяинов, Иванюк, 2001а, б; 2005; 2006а, б; Горяинов и др., 1997а, б; 1998; Иванюк, 1997; Иванюк и др., 1996а; 1999в; Goryainov, Ivanyuk, 1998; 2003; Goryainov et al., 1997b и др.). Работы нашего коллектива с самого начала находились в поле зрения выдающихся ученых: нобелевского лауреата И. Р. Пригожина и Г. Хакена, – приветствовавших создание такой группы и морально нас поддерживавших. Они хорошо представляли, насколько сложно формировать практически с нуля новое научное направление в геологии со свойственной ей изолированностью от современных достижений естествознания. Как убедить коллег, особенно практических геологов, вникнуть в суть новой парадигмы естествознания и пересмотреть на ее основе хорошо им известный огромный экспериментальный материал? И. Р. Пригожин не дал, да и вряд ли мог дать здесь сколько-нибудь конструктивных рекомендаций. В одном из своих последних писем он призывал нас к терпению, к терпеливому движению в избранном направлении, ссылаясь на перипетии своей научной жизни: Не одни генералы науки определяют ее судьбу. Настанет время, и в ваш диалог с Природой вступит много новых интересных собеседников. Задуманную Министерством природных ресурсов РФ серию книг по синергетическим принципам геологических исследований следует понимать и как отношение к достижениям нашего творческого коллектива, и как моральную и материальную поддержку исследований в данном направлении. Настоящая книга – второй выпуск серии – является изложением нашего опыта практической работы с уникальными рудно-геологическими комплексами на основе принципов, положений и вытекающих из них методов теории самоорганизации. Цель обращения к подобным объектам проста и предельно ясна: показать возможности новых подходов при решении традиционных задач геологии на примере уникальных природных ансамблей. Значит, это должны быть такие объекты, на которых сформированы многолетние исследовательские традиции, набраны огромные массивы геологической информации, сложилась история представлений об их геологии и генезисе с ее увлекательной драматургией, колоритными персонажами и научными дискуссиями между представителями различных направлений и школ. В качестве таких объектов мы выбрали месторождения железистых кварцитов Кольского полуострова, – пожалуй, наиболее изучен ных представителей полосчатой железорудной формации в мире – и крупнейшие в мире апатито-нефелиновые месторождения Хибинского массива нефелиновых сиенитов и фоидолитов. Железорудная формация является базовым объектом для различного рода литологических, тектонических и геодинамических реконструкций докембрийских комплексов, в том числе, и в духе тектоники плит, тогда как Хибинский массив – общепринятый стандарт интрузий центрального типа (и не вполне общепринятый – купольно-горстовых структур и тектонических плюмов). Первый объект, таким образом, – это стереотип процессов латерального скучивания или, в общем виде, мобилистской динамики. Второй – эталон тектоники горячих точек, мантийных плюмов, в котором минимально проявлена анизотропия внешних силовых полей. Мы специально прибегаем к такому подходу для того, чтобы продемонстрировать общие принципы протекания процессов структурно-вещественной самоорганизации для объектов принципиально различной геодинамической природы. Тем самым мы хотим показать, что физический смысл процессов динамической эволюции следует искать вовсе не в пассивном отклике геологического объекта на внешние воздействия (в виде движения латеральных литосферных масс или всплывающих мантийных диапиров). В обоих примерах, привычно характеризующих резко различающуюся динамическую среду зарождения и функционирования рудных ансамблей, обнаруживается ряд общих черт, которые говорят о структурно-вещественной самоорганизации вещества литосферы по единым (макроскопическим) законам. Для возникновения любой диссипативной структуры необходимо выполнение следующих четырех условий (Эбелинг, 1979):
Система является термодинамически открытой, т. е. может обмениваться веществом и/или энергией с внешней средой;
Динамические уравнения системы нелинейны;
Отклонение от равновесия превышает критическое значение;
Микроскопические процессы происходят кооперативно.