Геологія та фізика

Коли здригається земля і валяться стіни будинків, вивергається полум’я і розігруються трагедії Помпеї; коли промисловість переходить на голодний пайок і перед державою постає тяжка проблема геологічної сировини, — стривожені очі людей з питанням і надією звертаються до геологів: чому? де? коли? І геологи відповідають, шукають, нерідко навіть з великим успіхом. Проте часто вони не знають, що відповісти, і далеко не завжди їх пошуки супроводжує удача. Вони ще не володіють методами точного прогнозу: де і що лежить на глибині. Їм не вистачає для цього багатьох фактичних даних, придбання яких обходиться дуже дорого. Але особливо їм не вистачає точної теорії, а щоб створити її, потрібно сил і засобів не менше, якщо не більше, ніж для відшукання сировини. А їх поки ще докладають набагато менше.

Що дорожче: теорія чи практика?

Для нас сьогодні здалося б дивним, якби широкий інтерес, скажімо, до ядерної фізики був викликаний лише її практичними успіхами в застосуванні ядерної енергії. Однак нам не здається дивним, що зараз геологія приваблює до себе широку увагу головним чином своїми відкриттями підземних скарбів.

І літератори, і вчені звертаються у своїх статтях і виступах до успіхів у пошуках корисних копалин. Не завжди, але часто — занадто часто.

Слів немає, багатства надр — матеріальне джерело загального добробуту людей. Але якось забувається про те, що люди живуть на Землі і вони повинні знати: що вона таке і як вона поведеться зі своїми жителями завтра.

Сподівання на повільність геологічних подій не завжди виправдовуються, навіть коли вони стосуються утворення меж океанів та архіпелагів. Легенда про Атлантиду має свої резони. Жодна спеціально досліджена точка земної поверхні не виявилася нерухомою. Всі вони з помітною швидкістю переміщаються вгору, вниз, в сторони.

Земля живе напруженим геологічним життям і пізнання її енергії і того, як ця енергія перетворюється в складну гаму геологічних процесів, — одне із загальних завдань пізнання світу, без якого людство не може жити і розвиватися. Без нього і практична діяльність людей приречена на сліпий пошук і випадкові удачі. Чому і де утворюються «геохімічні» пухлини в тілі земної кори — родовища руд і горючих копалин? Як використовувати для своїх потреб енергію Землі, оволодіти нею, щоб регулювати геологічну стихію, та і яка ця енергія на глибині?

На будь-яке питання не відповісти вичерпно точно, якщо не знати розвитку всього організму планети. Потрібна докладно розроблена теорія цього розвитку, — а її якраз і немає.

У чому причина такого, як говорилося вище, «споживчого» підходу до геології? Звичка дивитися на отчий дім як на примелькане і пізнане місце? Почасти, мабуть, так. Але й інше: дуже мало ще в геології проривів у невідоме, подібних тим, які вчинені новітньою фізикою, новітньою біологією.

А вони готуються. І вони, звичайно, будуть. І це в значній мірі пов’язано з перспективою взаємної дружби геологічних і фізичних наук.

Стихія в упаковці теорії

Може здатися, що геологія давно вже живе в тісному контакті з фізикою. Є навіть особлива наука — геофізика зі своєю потужною технічною базою і сильним аналітичним апаратом. В лабораторіях геологів — наукові прилади та установки, властиві сучасним фізичним і хімічним інститутам: рентгенівські апарати і генератори нейтронів, маспектрографи та радіоспектрометри і багато іншого. Весь арсенал новітніх фізичних методів дослідження, так чи інакше, знаходить собі застосування при вивченні речовини Землі. І все-таки цього ще мало для тісної взаємодії двох наук.

Досліджуючи речовину Землі та її поля — гравітаційні, магнітні, електричні, поля пружних сейсмічних напруг, — геофізикам вдається бачити невидиме, знаходити те, що приховано в товщі кори, вивчати навіть ядро планети, що перебуває на тисячі кілометрових глибинах. Але від геофізичних карт і профілів ще далеко до геологічної картини глибин Землі: як далеко від неясних нічних силуетів — до блискучих життям і фарбами денних видів природи. У нічних ж силуетах — це легко собі уявити — можна побачити зовсім різні картини. Так воно часто й буває: геологи і геофізики часто тлумачать геофізичні дані і так і сяк — багатозначне і невизначене.

Причина ясна: тлумачення споруджуються на слабкому фундаменті аналогій і деяких основ загальної теорії Землі. А ці основи, на жаль, рідкуваті: ще мало розвинене вчення про хімію і, особливо, фізику геологічних процесів, взагалі ще немає геофізики як повнокровної науки про фізику Землі — фізику її енергії, речовини, макро – і мікрополів, структур і процесів. Адже сучасна геофізика — це не повна і єдина фізична наука про Землю, а лише один з її розділів.

Багато нетрадиційних розділів геофізики розсіяні по різних відділах геології. Десь збоку існують «петрофізика» і «тектонофізика», що вивчають фізичні властивості порід і їх деформації. Осібно розташовується «фізика нафтового пласта». Геотерміка, що досліджує теплові поля Землі (планета на глибині — дуже гаряча, а на її поверхні є зони вічної мерзлоти!), розпливлася по багатьом дисциплінам: кріології — науки про вічну мерзлоту, гідрогеології — вчення про підземні води, вулканології, магматичної геології та геології рудних родовищ. Всі ці розрізнені і розсіяні елементи фізики Землі лише починають об’єднуватися, збиратися у великі розділи геофізики — геотеплофізику, геогідродинаміку, геомеханіку, тощо.

Ще тільки починають проникати в геофізику історичні проблеми: наприклад, палеомагнетизм — вивчення того, як протягом тисяч років змінювалися місце і, ймовірно, характер магнітних полюсів Землі і як це позначалося на деяких важливих властивостях геологічних товщ. Тільки-но почали як слід розгортатися геолого-історичні дослідження, які використовують продукти розпаду радіоактивних елементів, що містяться в гірських породах і рудах. Радіоактивні мітки дозволяють намалювати більш точну геохронологічну карту планети.

Хто встає з крісла?

Геологічний аналіз розкриває нам події в житті планети як щось комплексне, яке лежало на схрещенні багатьох законів. Без цього реальність незбагненна, бо простота реальності завжди нескінченно складна.

Але щоб представити об’єкт геологічний як фізичний об’єкт, ми повинні розчленувати цю реальність на складові її фізичні елементи і показати їх відносини між собою. Для цього потрібно не тільки спростити об’єкт, але і перетворити його в якісь моделі, які відповідають поставленій меті, і вибрати з них найкращу. Справа відбувається як на конкурсі перукарів: у крісло сідає дама, а після того, як майстер над нею попрацював, з крісла піднімається вже зразок моди.

Створити геологічну модель, придатну для фізичного аналізу, не так-то просто. Це, мабуть, одна з найкаверзніших перешкод у дружбі геології та фізики. Іноді виходить так, як у того природодослідника, який, бажаючи дізнатися анатомію жаби, пропустив її через м’ясорубку. Провівши моделювання неправильно, ми тим самим не позбавлені можливості досліджувати цю модель далі. Навпаки, можна з успіхом вкласти її в машину фізико-математичного аналізу і, прокрутивши за всіма правилами, отримати цілком наукоподібний результат. Однак він матиме слабке відношення до реальної геологічної дійсності.

Тому геологи зараз докладають серйозні зусилля для створення теорії моделювання. Їх труднощі легко зрозуміти, адже шлях пошуку їм перекривають вимоги одночасної і суворої фізичної і математичної подібності і — подібності геологічної, без якого всі клопоти марні. Треба, щоб і вовки фізико-математичного аналізу були ситі, і вівці геологічної специфіки залишилися цілі!

Але, припустимо, модель створена — і навіть правильно. І тут виникає безліч неприємностей. Деякі з тих розділів фізики, які потрібні для геологів сьогодні, ще недостатньо розроблені з чисто фізичної сторони. Це і теорія дифузії крізь капілярно-пористі середовища, і теорія енергомасопереносу в тих середовищах, і еволюція теплового поля, пов’язаного з розвитком в земній корі магматичних перетворень речовини, і багато іншого.

А тут ще друга проблема — коефіцієнти. Щоб від загального аналізу перейти до розрахунку конкретного випадку, у формулу потрібно ввести коефіцієнти дифузії, теплопровідності, проникності і безліч інших, причому таких, які діють саме в даних умовах. Але багатьох з них взяти ніде — їх немає, вони не виведені. У товстих фізичних довідниках — коефіцієнти в основному для речовин і матеріалів, з якими має справу техніка і майже не зустрічається геологія, і для низьких температур і тисків. Тому геологи часто змушені стояти у величних пам’ятників з відмінних формул, з благоговінням дивлячись на них і будучи не в змозі пожвавити їх магічною силою коефіцієнтів.

Про струмочки та наукову спрагу

Сучасній геології доводиться стояти біля витоків деяких фізичних проблем, і вона марно намагається деколи почерпнути з слабких струмочків знання необхідну для неї живу воду фізичних істин. Втім, це цілком природно. Фізика не може розвиватися у відриві від реальних фактів, а факти, якими вона харчується, відбивають, насамперед, найбільш загальні сторони дійсності або ж — потреби техніки. Між тим у природних наук є до фізики свої запити. І до хімії — теж.

І тому сьогодні в геологічних інститутах, відділах та лабораторіях вирішується безліч власне фізичних і власне хімічних задач. Над ними працюють і перекваліфіковані геологи, і професійні фізики та хіміки, які прийшли їм на допомогу. В цьому — знамення часу.

Подальший розвиток фізики і хімії як фундаментальних наук має протікати не тільки в атмосфері власних загальних проблем або проблем техніки, але і в атмосфері біології, геології, космології, без чого загальне полотно науки не буде, ні суцільним, ні міцним.

Чимало проблем природничих наук можуть вирішити тільки в тісній єдності. Наприклад, дослідити, як тривалі відрізки часу, і великі маси речовини впливають на перебіг фізичних і хімічних процесів. На відрізках життєвого часу і часу геологічного ці процеси, ймовірно, багато в чому різняться — точно так само, як і групова взаємодія різних факторів при малих і дуже великих масштабах системи, що розвивається. Земля — єдина поки експериментальна база науки, яка дозволяє в самому детальному вигляді вивчати фізичну роль масштабу часу і мас.

Інший приклад. Вся земна кора посічена тріщинами. Об’єднуючись, вони створюють сітки тріщин в гірських породах — їх кожен може бачити в скелях. На них накладаються сітки тріщин все більших масштабів. Всі разом ці багато масштабні сітки і зони, що протягуються на величезні відстані, утворюють так звані «геотектонічні ґрати» всієї планети — її своєрідну лускату структуру, без якої не обходиться жодна подія в земній корі. А фізичної теорії, що вимагає узагальнення напружень по багатьом обсягам, — немає.

Геологія потребу в теорії, яка розкривала б напівпровідникові властивості великих геологічних мас, що перебувають у змінних теплових полях і полях змінних механічних напруг.

У всіх подібних випадках геологія виступає не просто як споживач досягнень фізики. Вона стає одним з генераторів цих досягнень, необхідною ланкою в загальному ланцюгу теоретичного знання.

Автор: Р. Поспєлов.