Изложенное в предыдущих разделах показывает многообразие задач геологии как науки. Они, однако, сводятся в конечном счете к одной главной задаче — к прогнозированию глубинных и приповерхностных земных процессов. Без такого прогнозирования человечество не могло бы оптимально приспосабливаться к окружающей природной среде, грамотно и эффективно воздействовать на нее. А это и составляет важнейшую проблему экологии человека.
Не случайно поэтому, что курс общей геологии, закладывающий фундамент изучения и прогнозирования геологических объектов и процессов, завершается темой нелинейности: эта концепция вызвала в последние годы, и не только в геологии, настоящий переворот именно в проблеме прогнозирования.
Обнаружилось совершенно неожиданно, что прежние подходы к прогнозированию были не просто малоудачны, но во многом принципиально ошибочны. Это учитывается теперь в новых, активно развиваемых научных направлениях — нелинейной геологии, нелинейной гео-
| О О и О
физике, нелинейной геодинамике, нелинейной металлогении. Важно знать, какие фундаментальные принципы лежат в их основе. Необходимо понять:
• в чем сущность концепции нелинейности и каково ее значение для прогнозирования геологических процессов;
• в чем состоит и как реализуется в геологии традиционное линейное прогнозирование;
• каковы особенности прогнозирования нелинейных процессов;
• какие препятствия к долгосрочное™ и надежности прогнозирования преодолимы, а какие — нет и почему?
Работа геолога: от наблюдений и описаний — к прогнозированию. Из предыдущих глав учебника ясно, сколь разнообразны геологические объекты и процессы на поверхности и в глубинах Земли и сколь непохожей может быть работа геологов, которая, тем не менее, имеет много общего. Ее обычно начинают описаниями в точках наблюдения — у обнажений горных пород, в скважинах. Эти отрывочные данные затем сопоставляют и распространяют по площади на разрезах и картах. Последние вместе — уже обобщенные, объемные изображения геологического строения некоторого массива земной коры. Разновозрастные слои горных пород, сохраняющиеся обычно в прерывном напластовании, позволяют восстановить вначале тоже лишь отдельные отрезки геологической истории. Поиск и сопоставление точек с недостающими частями разреза приводят к более полной картине не только строения, но и развития массива в длительном временном интервале. Подобное заполнение всегда имеющихся пробелов геологической изученности должно сводиться, по существу, к решению множества прогнозных задач.
С понятием «прогнозирование» обычно связывают поиски месторождений полезных ископаемых, предсказания землетрясений и других опасных событий, т. е. довольно специфические исследования. В действительности же прогнозирование пронизывает каждодневную практическую работу любого геолога. Обдумывает ли он предстоящий маршрут, выбирает ли место заложения скважины, прослеживает ли распространение плохо обнаженных пластов, проводит ли их границы на карте или разрезе, прогнозирует ли развитие в будущем или восстанавливает геологическую историю (тоже прогноз, но с обратным знаком во времени) — во всех этих случаях по имеющимся частным, локальным данным стремятся сделать общие заключения о возможном местонахождении, строении, залегании геологического объекта, о прошлом и предстоящем развитии процесса на территориях и на временных интервалах, для которых данные отсутствуют.
Нередко к прогнозу идут и противоположным путем: исходя из общих физических законов пытаются представить, какими теоретически должны быть условия возникновения, например, землетрясений, а затем выясняют, где конкретно выполняются такие условия.
Первый и второй пути прогнозирования родственны математическим процедурам интерполирования и экстраполирования, хорошо знакомым каждому, кто по отдельным точкам строил обобщенные изображения, например топографические профили или карты. Суть подобных процедур в том, что, если для некоторой точки пространства или некоторого момента времени задано начальное значение, или начальное условие, интересующей нас переменной величины или функции (например, глубины залегания, падения пласта, объема блока породы, амплитуды смещения и т. п.), а также если предполагается по отдельным точкам определенный характер ее зависимости в некотором интервале значений аргумента, то можно предсказать ее непрерывные значения между точками или за пределами такого интервала.
При этом обычно подразумевают, что при наличии достаточного и достоверного фактического материала, надежных и эффективных методик любой интересующий нас процесс всегда в принципе предсказуем. Но именно подобный взгляд и пересматривают сейчас с позиций концепции нелинейности.
Это должно казаться странным: что же еще способно препятствовать прогнозированию, кроме недостаточности фактических данных или отсутствия подходящих методик? Чтобы разобраться в этом, посмотрим вначале, какими путями (в принципе, без деталей) геологи традиционно идут к прогнозу. Рассмотрим несколько простых моделей прогнозирования залегания и распространения геологических объектов. О прогнозировании процессов скажем позже.
Прогнозирование и линейность. Пусть в первом примере по скважинам и обнажениям в нескольких точках линии геологического разреза зафиксирована глубина залегания какого-то пласта (рис. 21.1). Поскольку диаметры скважин и размеры обнажений колеблются от нескольких сантиметров до нескольких метров, а расстояния между точками могут составлять километры и десятки километров, возникает задача прогнозирования положения границы пласта как между точками (в этом случае говорят об интерполировании опытных данных), так и за пределами данного отрезка профиля (это экстраполирование).
Как получить такой прогноз? Требуется ли, например, дополнительное разбуривание? Даже беглый взгляд на такой предельно упрощенный рисунок подскажет, что без этого вполне можно обойтись: прогноз строится уверенно и без труда. Почему?
Ответ прост: глубина залегания пласта здесь — явная функция расстояния от некоторой начальной точки, причем функция линейная. А она обладает несколькими очень удобными для прогнозирования свойствами:
1) прямой пропорциональной зависимостью значений функции от значений аргумента, здесь — глубин от расстояния;
2) однозначностью — тому или иному расстоянию отвечает одно, и только одно, значение глубины;
3) суммативностью — глубина залегания на некотором расстоянии от начальной точки есть простая сумма приращений глубин на промежуточных отрезках плюс начальная глубина (свойство суперпозиции).
Следует отметить, что было бы очень просто прогнозировать всегда именно в таких условиях. Но подобное прогнозирование было бы еще и абсолютно надежным, если бы: а) определения в скважинах нужной геологической границы, замеры глубин и расстояний были абсолютно точны;
щр, »}»»т>т Щяфт Ьтр, ч»тту