Нелинейность рельефообразующих процессов и экстремальные ситуации

Рельефообразующие процессы на земном шаре чрезвычайно сложны и ни одна из созданных теоретических парадигм (геосинклинальное учение, концепция тектоники плит и др.) не смогла однозначно объяснить их эндогенную составляющую. Тем более трудно создать единую систему объяснения происхождения взаимодействующих эндо- и экзогенных процессов. Поэтому в геоморфологии, как и в других науках о Земле, появляется тенденция более широкого подхода к анализу множественности и разновременности факторов формирования иерархически организованных форм рельефа.

Традиционные подходы в морфоструктурно-морфоскульптурном анализе уделяли основное внимание однородности типологических единиц, их иерархии, порядку, равновесию. В монографии сделан акцент на неоднородности форм рельефа, неустойчивость, неравновесность, нелинейность явлений в развитие идей переориентации научного мышления на изучение сложных процессов [1,2].

Монография написана в новых для науки условиях, отражающих кардинальные сдвиги, происшедшие в понимании данной проблематики. Аргументация, обосновывавшая истинность той или иной научной теории или концепции ее совместимостью с установками диалектического материализма, совершенно неприемлема. Нами рассмотрены лишь некоторые аспекты поставленных в названных работах проблем, представляющих общий интерес для географов, изучающих разномасштабные, полихронные и полигенетические процессы в природе и обществе, тем более, что идея их коэволюции^ современном естествознании является весьма плодотворной. В последние годы большое внимание всех географов, как и ученых других направлений, привлекают проблемы философско-экологической направленности, в аспекте которых природа рассматривается не просто как источник материалов и энергии, необходимых для существования человека, но как своеобразный целостный самоорганизующийся механизм (биогеосистему).

Мы сознательно сузили тематику, ограничившись рассмотрением географических аспектов синергетики — области знания, ориентированной на выявление общих принципов эволюции и самоорганизации сложных систем. Поиск этих принципов, как известно, осуществляется на основе нелинейных математических моделей, разработанных в Институте прикладной математики РАН, транслируемых на смежные и более отдаленные области знания [3, 4 ].

Речь может идти о некой «новой синергетической философии», дающей несколько необычную и главное физически обоснованную трактовку таких важных для географии и геологии понятий, как «нелинейность», «пороговые ситуации и фазовые переходы», «цепные реакции», «эволюция и катастрофы» [5 ].

Приведем несколько основных тезисов этой концепции, важных для географии. Подчеркивается, что относительно простые нелинейные дифференциальные уравнения (в степени > 1) описывают мир нестационарных быстроразвивающихся процессов, в котором возникают локализованные структуры и имеет место интеграция, архитектурное объединение структур по законам эволюционного целого.

Подобный тезис, обоснованный огромным числом математических расчетов, не только удивительно точно корреспондируется с учением о морфоструктуре и морфоархитектуре, разрабатываемым в Институте географии РАН уже более 50 лет на основании конкретного изучения разномасштабных элементов в рельефе Земли (локальных, региональных, глобальных) в их эволюционном развитии, но и вносите это учение новые идеи. Нелинейные палеогеоморфологические процессы в процессе замыкания океана Тетис и в частности сверхбыстрое движение Индо-станской плиты, например, привели к возникновению такой геоморфологической аномалии как поднятие Высокой Азии (архитектура); своеобразию Памиро-Гималайских морфоструктур и морфоскульптур, выразившейся в максимальной геоморфологической контрастности и интенсивном проявлении рельефообразующих процессов.

Математическое понятие нелинейность начинает использоваться все более широко, приобретает мировоззренческий смысл, развертываясь в идеи многовариантности путей эволюции, неравномерности темпа и необратимости эволюции. Анализ современных работ в науках о Земле показывает, что для выявления нелинейности процессов во времени принципиально важно понять и объяснить парадигму ускорения природных процессов и катастрофизма. Дилемма формулируется так: беспредельный актуализм или пределы актуализма.

Нужно подчеркнуть следующие особенности феномена нелинейности, имеющие значение, с нашей точки зрения, при изучении географических процессов. В определенных условиях нелинейность (непропорциональность) может резко усиливать флуктуации — делать малое отличие макроскопическим. Ниже определенного порога интенсивности геоморфологических процессов («порога чувствительности») их проявление уменьшается, стирается, не оставляет следов, иными словами не формирует структур. Выше порога все многократно возрастает, что может привести к разрушению (деструкции) структур. Образование (конструкция) геоморфологических структур происходит в довольно узком интервале динамически равновесных эндогенных и экзогенных процессов.

Эти положения можно иллюстрировать примером из региональной геоморфологии. Известно, что образование Курильской гряды связано с пульсационным движением Тихоокеанской плиты с востока на запад. При азимуте движения > 270° ЗСЗ преобладали сдвиговые деформации, при скачкообразном изменении азимута на несколько градусов резко возрастали деформации взбросов и вертикальных поднятий. Незначительные изменения направления движения плиты (на 1—2°) вызывают бифуркации во всей триггерной цепи, под которой понимается детерминированная или стохастическая причинно-следственная связь («внешние возмущения», «цепные реакции»). Можно выделить два типа таких цепей.

Сильные внешние воздействия инициируют детерминированные проявления: интенсификация движения Тихоокеанской литосферной плиты в 1978—1981 гг., зафиксированная светодальномерами — лазерами и деформографами на о-ве Хонсю — сейсмичность и вулканизм — цунами — сейсмовибрация — оползни — подъем уровня грунтовых вод — сели. Новое усиление сейсмичности приурочено к периоду 1992— 1995 гг., когда регистрируется также повышенная частота цунами (о-ва Окусири, Шикотан, Кунашир, Ява и т. д.).

Относительно слабые внешние воздействия также вызывают нелинейные эффекты: абразия и эрозия активизируют более грандиозные по энергии обвалы и оползни; заполнение водохранилищ обусловливает землетрясения.

Предсказуемость «поведения» сложных природных систем требует анализа баланса адаптационных и бифуркационных механизмов. Слабая предсказуемость характерна для ситуаций, когда тенденции внешнего воздействия (бифуркации) усиливаются тенденциями и особенностями внутреннего строения (адаптация): большие уклоны рельефа, маломощная кора, сейсмичность, вулканизм. Условная предсказуемость характеризует ситуации когда адаптационные механизмы превалируют над бифуркационными: пологие склоны, мощная земная кора, слабые сейсмичность и вулканизм.