Геология и физика

Когда содрогается земля и рушатся стены домов, извергается пламя и разыгрываются трагедии Помпеи; когда промышленность переходит на голодный паек и перед государством встает тягостная проблема геологического сырья, — встревоженные глаза людей с вопросом и надеждой обращаются к геологам: почему? где? когда? И геологи отвечают, ищут, нередко даже с большим успехом. Однако часто они не знают, что ответить и далеко не всегда их поискам сопутствует удача. Они еще не владеют методами точного прогноза: где и что лежит на глубине. Им не хватает для этого многих фактических данных, приобретение которых обходится очень дорого. Но в особенности им не хватает точной теории, а чтобы создать ее, нужно сил и средств не меньше, если не больше, чем для отыскания сырья. А их пока еще прилагают намного меньше.

Что дороже: теория или практика?

Для нас сегодня показалось бы странным, если бы широкий интерес, скажем, к ядерной физике был вызван лишь ее практическими успехами в применении ядерной энергии. Однако нам не кажется странным, что сейчас геология привлекает к себе широкое внимание главным образом своими открытиями подземных кладов.

И литераторы, и ученые обращаются в своих статьях и выступлениях к успехам в поисках полезных ископаемых. Не всегда, но часто — слишком часто.

Слов нет, богатства недр — материальный источник общего благополучия людей. Но как-то забывается о том, что люди живут на Земле и они должны знать: что она такое и как она обойдется со своими жителями завтра.

Упования на медлительность геологических событий не всегда оправдываются, даже когда они касаются образования границ океанов и архипелагов. Легенда об Атлантиде имеет свои резоны. Ни одна специально исследованная точка земной поверхности не оказалась неподвижной. Все они с заметной скоростью перемещаются вверх, вниз, в стороны.

Земля живет напряженной геологической жизнью и познание ее энергии и того, как эта энергия преобразуется в сложную гамму геологических процессов, — одна из общих задач познания мира, без которого человечество не может жить и развиваться. Без него и практическая деятельность людей обречена на слепой поиск и случайные удачи. Почему и где образуются «геохимические опухоли» в теле земной коры — месторождения руд и горючих ископаемых? Как использовать для своих нужд энергию Земли, овладеть ею, чтобы регулировать геологическую стихию, да и какова эта энергия на глубине?

На любой вопрос не ответить исчерпывающе точно, если не знать развития всего организма планеты. Нужна подробно разработанная теория этого развития, — а ее-то как раз и нет.

В чем причина такого, как говорилось выше, «потребительского» подхода к геологии? Привычка смотреть на отчий дом как на примелькавшееся и познанное место? Отчасти, видимо, да. Но и другое: очень мало еще в геологии прорывов в неведомое, подобных тем, которые совершены новейшей физикой, новейшей биологией.

А они готовятся. И они, конечно, будут. И это в значительной мере связано с перспективой взаимной дружбы геологических и физических наук.

Стихия в упаковке теории

Может показаться, что геология давно уже живет в тесном контакте с физикой. Есть даже особая наука — геофизика со своей мощной технической базой и сильным аналитическим аппаратом. В лабораториях геологов — научные приборы и установки, свойственные современным физическим и химическим институтам: рентгеновские аппараты и генераторы нейтронов, масспектрографы и радиоспектрометры и многое другое. Весь арсенал новейших физических методов исследования, так или иначе, находит себе применение при изучении вещества Земли. И все-таки этого еще мало для тесного взаимодействия двух наук.

Исследуя вещество Земли и ее поля — гравитационные, магнитные, электрические, поля упругих сейсмических напряжений, — геофизикам удается видеть невидимое, находить то, что скрыто в толще коры, изучать даже ядро планеты, находящееся на тысячекилометровых глубинах. Но от геофизических карт и профилей еще далеко до геологической картины глубин Земли: как далеко от неясных ночных силуэтов — до сверкающих жизнью и красками дневных видений природы. В ночных же силуэтах — это легко себе представить — можно увидеть совсем разные картины. Так оно нередко и бывает: геологи и геофизики часто толкуют геофизические данные и так и эдак — многозначно и неопределенно.

Причина ясна: толкования воздвигаются на слабом фундаменте аналогий и некоторых основ общей теории Земли. А эти основы, увы, жидковаты: еще мало развито учение о химии и, особенно, физике геологических процессов, вообще еще нет геофизики как полнокровной науки о физике Земли — физике ее энергии, вещества, макро- и микрополей, структур и процессов. Ведь современная геофизика — это не полная и единая физическая наука о Земле, а лишь один из ее разделов.

Многие нетрадиционные разделы геофизики рассеяны по разным отделам геологии. Где-то сбоку существуют «петрофизика» и «тектонофизика», изучающие физические свойства пород и их деформации. Особняком располагается «физика нефтяного пласта». Геотермика, исследующая тепловые поля Земли (планета на глубине — очень горячая, а на ее поверхности есть зоны вечной мерзлоты!), расплылась по многим дисциплинам: криологии — науке о вечной мерзлоте, гидрогеологии — учении о подземных водах, вулканологии, магматической геологии и геологии рудных месторождений. Все эти разрозненные и рассеянные элементы физики Земли лишь начинают объединяться, стягиваться в крупные разделы геофизики — геотеплофизику, геогидродинамику, геомеханику и т. д.

Еще только начинают проникать в геофизику исторические проблемы: например, палеомагнетизм — изучение того, как в течение тысяч лет менялись место и, вероятно, характер магнитных полюсов Земли и как это сказывалось на некоторых важных свойствах геологических толщ. Едва лишь начали как следует развертываться геолого-исторические исследования, которые используют продукты распада радиоактивных элементов, содержащихся в горных породах и рудах. Радиоактивные метки позволяют нарисовать более точную геохронологическую карту планеты.

Кто встает из кресла?

Геологический анализ раскрывает нам события в жизни планеты как нечто комплексное, лежащее на скрещении многих законов. Без этого реальность непостижима, ибо простота реальности всегда бесконечно сложна.

Но чтобы представить объект геологический как объект физический, мы должны расчленить эту реальность на составляющие ее физические элементы и показать их отношения между собой. Для этого нужно не только упростить объект, но и преобразовать его в некие модели, которые соответствуют поставленной цели, и выбрать из них самую лучшую. Дело происходит как на конкурсе парикмахеров: в кресло садится дама, а после того, как мастер над ней поработал, из кресла поднимается уже образец моды.

Создать геологическую модель, пригодную для физического анализа, не так-то просто. Это, пожалуй, одно из самых каверзных препятствий в дружбе геологии и физики. Иногда получается так, как у того естествоиспытателя, который, желая узнать анатомию лягушки, пропустил ее через мясорубку. Произведя моделирование неправильно, мы еще тем самым не лишаемся возможности исследовать эту модель дальше. Наоборот, можно с успехом вложить ее в машину физико-математического анализа и, прокрутив по всем правилам, получить вполне наукообразный результат. Однако он будет иметь слабое отношение к реальной геологической действительности.

Поэтому геологи прилагают сейчас серьезные усилия для создания теории моделирования. Их затруднения легко понять, ведь путь поиска им перекрывают требования одновременного и строгого физического и математического подобия и — подобия геологического, без которого все хлопоты напрасны. Надо, чтобы и волки физико-математического анализа были сыты, и овцы геологической специфики остались целы!

Но, допустим, модель создана — и даже правильно. И тут возникает множество неприятностей. Некоторые из тех разделов физики, которые нужны для геологов сегодня, еще недостаточно разработаны с чисто физической стороны. Это и теория диффузии сквозь капиллярно-пористые среды, и теория энергомассопереноса в тех же средах, и эволюция теплового поля, связанного с развитием в земной коре магматических превращений вещества, и многое другое.

А тут еще вторая загвоздка — коэффициенты. Чтобы от общего анализа перейти к расчету конкретного случая, нужно ввести в формулу коэффициенты диффузии, теплопроводности, проницаемости и множество других, причем таких, которые действуют именно в данных условиях. Но многих из них взять негде — их нет, они не выведены. В толстых физических справочниках — коэффициенты в основном для веществ и материалов, с которыми имеет дело техника и почти не встречается геология, и для низких температур и давлений. Поэтому геологи часто вынуждены стоять у величественных памятников из отличных формул, с благоговением взирая на них и будучи не в состоянии оживить их магической силой коэффициентов.

О ручейках и научной жажде

Современной геологии приходится стоять у истоков некоторых физических проблем, и она тщетно пытается порой почерпнуть из слабых ручейков начинающегося знания необходимую для нее живую воду физических истин. Впрочем, это вполне естественно. Физика не может развиваться в отрыве от реальных фактов, а факты, которыми она питается, отражают, прежде всего, самые общие стороны действительности или же — потребности техники. Между тем у естественных наук есть к физике свои запросы. И к химии — тоже.

И потому сегодня в геологических институтах, отделах и лабораториях решается множество собственно физических и собственно химических задач. Над ними трудятся и переквалифицировавшиеся геологи, и пришедшие им на помощь профессиональные физики и химики. В этом — знамение времени.

Дальнейшее развитие физики и химии как фундаментальных наук должно протекать не только в атмосфере собственных общих проблем или проблем техники, но и в атмосфере биологии, геологии, космологии, без чего общее полотно науки не будет, ни сплошным, ни прочным.

Немало проблем естественные науки могут решить только в тесном единстве. Например, исследовать, как длительные отрезки времени, и крупные массы вещества влияют на течение физических и химических процессов. На отрезках житейского времени и времени геологического эти процессы, вероятно, во многом различаются — точно так же, как и групповое взаимодействие разных факторов при малых и очень крупных масштабах развивающейся системы. Земля — единственная пока экспериментальная база науки, которая позволяет в самом детальном виде изучать физическую роль масштаба времени и масс.

Другой пример. Вся земная кора иссечена трещинами. Объединяясь, они создают сетки трещин в горных породах — их каждый может видеть в скалах. На них накладываются сетки трещин все более крупных масштабов. Все вместе эти многомасштабные сетки и зоны, протягивающиеся на огромные расстояния, образуют так называемую «геотектоническую решетку» всей планеты — ее своеобразную чешуйчатую структуру, без которой не обходится ни одно событие в земной коре. А физической теории, требующей обобщения напряжений по многим объемам, — нет.

Геология нуждается в теории, которая раскрывала бы полупроводниковые свойства больших геологических масс, находящихся в переменных тепловых полях и полях переменных механических напряжений.

Во всех подобных случаях геология выступает не просто как потребитель достижений физики. Она становится одним из генераторов этих достижений, необходимым звеном в общей цепи теоретического знания.

Автор: Г. Поспелов.