CC BY
215
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА Том 148, кн. 4 Естественные науки 2006
УДК 55
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИНТЕГРАЛЬНАЯ ГЕОЛОГИЯ
Р.Х. Сунгатуллин Аннотация
Предложена универсальная методика исследования геологического пространства, основанная на технологии компьютерно-математического моделирования и системном анализе природных и техногенных объектов. Методика позволяет осуществить переход от преобладающего эмпирического знания в геологии к теоретическому, междисциплинарному обобщению накопленной и постоянно растущей информации. Определено и методологически разработано новое научное направление - интегральная геология. Предметом интегральной геологии является изучение информационно-энергетических функций сфер планеты Земля высокого уровня организации.
Измеряй все доступное измерению и делай недоступное измерению доступным
Галилео Галилей
Геология в системном аспекте исследует соотношения объектов различных уровней организации в условиях планеты Земля. Это требует при рассмотрении основных элементов геологического пространства изучения специфической (геологической) формы движения материи [1], которую можно принять как синтез более простых форм (процессов): механической, физической, химической, биологической. Синтез заключается в установлении генетической и структурной связей между отдельными формами при создании общей картины геологической формы движения материи как высшего уровня обобщения, основанного на принципах креативности и эволюционного холизма. Данные принципы рассматривают многообразие природных явлений в порождающем единстве, обладающем новым качеством. Развитие геологической системы, в общем, можно выразить в виде трех стадий [2]. Первая стадия связана с трансформацией исходного космического вещества на поверхности Земли и приводит к формированию трех сфер: лито-, атмо- и гидросферы. Вторая стадия -возникновение, развитие жизни на Земле с формированием биосферы и преобразованием лито-, атмо- и гидросфер под влиянием деятельности организмов. Третья стадия (техногенная) отвечает преобразующей деятельности человечества, роль которого постоянно увеличивается. Особенности развития геологической системы определяют и специфику ее познания, которое должно учиты-
вать как особенности отдельных участков геологического пространства, так и общие закономерности его развития.
С другой стороны, многочисленные данные свидетельствуют о сложности природных процессов и невозможности их исчерпывающего описания, а в некоторых случаях и выявления в рамках традиционных представлений. Внимание исследователей Земли все больше привлекают объемные структурные картины природы разного уровня, такие, как ритмы, событийные изменения, взрыв, необратимость, флуктуация, аттракторы, биниальность, моделирование быстрых процессов [3-5 и др.]. Некоторые из этих феноменов относятся к сфере интересов отдельных направлений геологии. Например, в последние столетия деятельность человека интенсивно влияет на природные процессы на мак-ро-, мезо- и микроуровнях, переводя геологические сферы в состояние нестабильности. Причем идея нестабильности в естествознании рассматривается как альтернатива преобладающему до настоящего времени детерминизму [3]. Отсюда нестабильность, непредсказуемость и время становятся важными факторами в преодолении разобщенности между изучением природы и социальными исследованиями. Наибольшая трудность здесь заключается в организации и синтезе геологических знаний с данными, относящимися к сфере экологии и социологии. Основой такого слияния может выступить системный анализ (подход), с единых позиций рассматривающий необратимость процессов в различных по физической природе, свойствам и масштабам объектах планеты Земля. Однако полнота казуальных исследований в геологии сдерживается наличием сложной и не всегда явной связи между природными и техногенными процессами. Новые математические методы (теории фракталов, хаоса, анализ нелинейных структур и др.) позволяют преодолеть это препятствие и дать количественную оценку всего разнообразия процессов. Применение количественных методов при изучении механизмов геологических событий, их сопряженности с техногенными процессами и взаимообусловленности является перспективным направлением исследований геологического пространства как сложной самоорганизующейся среды, которая способна оптимально распределять непрерывно поступающие в нее эндогенную, экзогенную и техногеннную энергии [6]. По мнению некоторых исследователей [7, 8], сопряженность и взаимообусловленность природных и техногенных процессов могут рассматриваться как пример самоорганизации и организации геосистем, сопровождаемых поглощением или выделением энергии.
Исходя из вышесказанного и учитывая неосуществимость в настоящее время долгосрочного прогноза последствий техногенеза на окружающую среду, человек обязан более внимательно и осторожно относиться к процессам в геологическом пространстве. Это определяет дальнейшее сосуществование человека с природой и требует системного анализа разных уровней окружающего мира [9]. Подобный анализ должен учитывать взаимосвязь природных, техногенных и природно-техногенных сфер и возможность моделирования геологического пространства. Суть системного (или целостного) анализа заключается в отбрасывании несущественных деталей, проведении различного уровня обобщений для создания генеральной картины явления, которая наиболее адекватно отвечает состоянию самоорганизации нестабильной структуры для определен-
ного времени. Поэтому одной из главных задач современной геологии является системный анализ исследования процессов взаимосвязи и взаимоотношения различных сфер в пространственном аспекте. Необходимо отметить, что в современной философии сложилось представление о системно-структурном фундаментализме [10], который основан на постулате об универсальности принципов системности и их применимости при рассмотрении изменений организованных (структурированных) объектов любой природы. Здесь можно вспомнить слова одного из основателей системного анализа Л. фон Берталанфи: «если мы хотим верно представить и оценить современный системный подход, саму идею системности имеет смысл рассматривать не как порождение преходящей моды, а как явление, развитие которого вплетено в историю человеческой мысли».
С общенаучных позиций структура геологического пространства представляется в пространственно-временной неоднородности и нестабильности. Последние являются результатом дискретности, постоянного перераспределения вещества и энергии от зарождения и эволюции планеты до настоящего времени с сохранением, по-видимому, подобного процесса и в будущем. Примерами неоднородности в литосфере служат следующие факты: стратифицированность и временная неоднородность; фациальная изменчивость в период осадконакоп-ления; зональность и стадиальность литогенеза; тектонические структуры плитного и блокового характера; обособленность зон повышенной проницаемости, отвечающих «горячим» точкам, пятнам, полям; эпицентры землетрясений; геохимические аномалии, провинции, блоки и геохимическая зональность; концентрации химических элементов в виде месторождений; геофизические аномалии; гипсометрические характеристики рельефа и геоморфологические аномалии; разнородная техногенная инфраструктура и др. Подобные неоднородности в пространстве можно рассматривать как пример организации упорядоченной (ячеисто-сотовой) структуры из хаоса, как дискретность возможных состояний, в которые может переходить система в процессе эволюции. Так, в физике факт организации упорядоченной структуры из хаоса подтверждается формированием «ячеек Бенара». Последнее явление отвечает самопроизвольному образованию за счет конвекционного потока на поверхности нагреваемой снизу вязкой жидкости правильных шестиугольных ячеек, напоминающих пчелиные соты, и выступает классическим примером создания пространственно-временных структур при фазовом неравновесном переходе. Подобная самоорганизация системы напоминает образование за счет глубинных конвективных потоков тесно взаимосвязанных поверхностных геологических объектов-ячеек. При взаимодействии объектов между ними происходит обмен информацией, т. е. каждый объект несет следы взаимодействия с другим объектом. Причем развитие исследуемой, относительно автономной ячейки обусловлено взаимодействием с окружающими ее ячейками, принадлежащими к тому же иерархическому уровню на определенный период времени. Тогда возникновение явлений и процессов в отдельной ячейке может быть соотнесено с периодичностью собственного развития данной ячейки и с периодичностью в развитии окружающих ячеек.
Исходя из вышеизложенного, ячеисто-сотовая (или мозаичная) структура рассматривается нами как одна из полных характеристик геологического пространства. Подобная упорядоченность отвечает фундаментальному делению окружающего мира на два типа структур: иерархический и модульный [11]. Первый из них соответствует интенсивному (вертикальному) соподчинению объектов и вещества; второй тип характеризует экстенсивное (горизонтальное) взаиморасположение элементов разного масштаба. Поэтому ячеисто-сотовая структура геологического пространства системно учитывает пространственные и временные взаимосвязи между вертикальными блоками (ячейками) и горизонтальными структурами-средами (сотами) и отвечает «разделяющим» и «схватывающим» характеристикам пространства и времени [12]. В свою очередь, эти две характеристики образуют третье свойство, которое объединяет пространство-время.
Неоднородность и ячеисто-сотовая структура геологического пространства позволяют исследовать закономерности построения мозаик, образованных природно-техногенными объектами, и проводить количественную оценку территорий, опираясь на статистические методы обработки разнообразной информации, представленной в виде пространственно распределенных характеристик [13, 14]. При этом формируются системы моделей, которые способствуют решению проблемы достоверности оценок, быстрому перестраиванию моделей при расширении информационной основы, определяют обоснованность прогнозных решений. В подобных системных моделях неизмеримо повышается адекватность информации реальному геологическому строению и степени техногенной нагрузки. Именно поэтому в геологии представляется перспективным направлением переход от традиционного (в большей части описательного и субъективного) картографирования к количественному моделированию природных и техногенных процессов, основанному на анализе и синтезе информации. При этом моделирование отражает с большой достоверностью реальную картину окружающего мира, интегрируя воедино три базовые группы геологических признаков: вещественные (геологические тела, их ассоциации, состав), пространственные (геологические структуры и поля) и временные (геоистори-ческие эпохи, этапы, события). Широкое внедрение в данную область технологии ГИС (географические информационные системы) позволяет на основе системного и интегративного подходов выполнять анализ многомерного признакового пространства, привязанного к географическим координатам. Такой анализ требует переосмысления методики моделирования с ориентацией на широкое использование количественной информации и творческую формализацию данных. При этом количественное моделирование уменьшает долю персонифицированного фактора, включающего индивидуальные пристрастия и предпочтения исследователя-анализатора в преобладающем на сегодня визуальнокачественном сопоставлении различных карт.
В последнее десятилетие геологическое пространство рассматривается также с позиций фрактальности как универсального свойства геометрии природы для разноразмерных природных образований [15-17 и др.]. Исходя из фрактальности, «разделяющей» пространство [12] и повторяющей малое в большом и наоборот, можно полагать, что геологическое пространство обладает подоби-
ем для разных уровней организации вещества. Единство временных и площадных масштабов геосистем широкого диапазона позволяет выделить главные микро-, мезо- и макроуровни, для которых характерны общие тенденции относительной стабильности, метастабильности и нестабильности (рис. 1). К первому уровню (микроуровню) организации вещества относятся атомный и минеральный геологические уровни, ко второму (мезоуровню) - петрографический и фациальный уровни, к третьему (макроуровню) - формационный и планетарный уровни. Выделенные главные уровни рассматриваются с точки зрения самоподобия геологических объектов, формирования единой структуры геологического поля и «одновременности» процессов. Проведенные статистические расчеты подтвердили иерархичность геологических объектов, при этом более точные результаты изучения геологических полей и моделей в настоящее время прогнозируются для мезоуровня организации вещества (рис. 1). Статистическая зависимость структурной организации устанавливается для большинства объектов живой и косной природы [18], что является подтверждением тесной связи геологии с другими областями знания.
Несмотря на кажущуюся противоречивость, дискретность и фрактальность являются взаимодополняющими свойствами геологического пространства как открытой и неравновесной динамической природной системы. Как отмечалось выше, дискретность (ячеисто-сотовая неоднородность) позволяет изучать геологическое пространство статистическими методами. С другой стороны, фрак-тальность геологического пространства выражается в структурном подобии разных уровней организации вещества или отдельных сред. Фрактальный аппарат может выступать как инструмент для познания скрытого порядка в неупорядоченных системах, каковыми являются геологические объекты в условиях интенсивного техногенного воздействия. Учитывая масштабную инвариантность геологических объектов и структур, компьютерное моделирование динамических систем становится насущной необходимостью. При этом интегральные характеристики модели рассматриваются как элементарные для моделей следующего иерархического уровня. Из вышесказанного следует, что неоднородность и фрактальность геологического пространства можно изучать на основе системного анализа многомерного признакового пространства с применением универсального инструмента исследования - математического моделирования. Подобное моделирование окружающего мира, основанное на интеграции и количественном анализе сложных природных объектов и процессов, способствует приближению геологии к точным наукам, оказывая непосредственное влияние на теоретические основы геологии и создавая предпосылки для ревизии этих основ.
Внедрение в последние годы системных идей в геологию способствовало интенсивному развитию классификации природных объектов, моделирования и применения математических методов при исследовании отдельных сред. Так, в настоящее время существуют направления моделирования, изучающие раздельно геологические, экологические, географические, геохимические, геофизические и другие составляющие природно-техногенной среды. Однако современное геологическое моделирование характеризуется отсутствием общих подходов синтеза информации геологического и экологического содержаний. Ак-
туальной представляется систематизация критериев и методов построения интегральных моделей, максимально динамично выражающих единство пространства-времени в природных и техногенных процессах. По мнению автора, современный уровень развития геологии как науки должен определяться разработанностью информационного поля в геологическом пространстве-времени. Степень же разработки информационного поля напрямую зависит от уровня развития моделирования как наиболее высокотехнологичного процесса изучения геологического пространства. При этом геологическое моделирование основано на двух подходах: теоретическом (научном) и эмпирическом (утилитарном). Согласно первому подходу, геологическое моделирование и геологическая модель - теоретическая структура (система), основанная на эмпирических закономерностях и позволяющая предвидеть развитие геологического пространства. Второй подход рассматривает модель как структуру (систему), отражающую на практике объединенность (согласованность) отдельных геосфер на определенный период времени. Геологическое пространство характеризуется наличием известных свойств в любой его точке, что достигается в значительной степени методами интерполяции между прямыми нерегулярными данными. В отличие от традиционной карты, основанной на значениях в отдельных точках, структура с известными свойствами в любой его точке представляет собой модель полноопределенного геологического пространства [19], которая изначально несет в себе элементы прогноза и гипотез.
Основываясь на системном анализе и моделировании, изучение геологического пространства схематически можно представить как трехэтапный процесс получения научного знания (рис. 2). Первоначальный (накопительный) этап сводится к сбору фактов в ячейки. На втором (аналитическом) этапе создается сотовая структура геологического пространства в образе отдельных моделей с выявлением вертикальных связей между параметрами в отдельной ячейке и горизонтальных связей между ячейками. Заключительный (продуцентный) этап включает получение интегральной информации пространственного характера с созданием качественно нового продукта (интегральной модели), обладающего эмерджентными свойствами и пригодного для многоцелевого использования. Выделенные этапы соответствуют трем исторически выраженным стадиям развития науки [2]: описательной, аналитической и синтетической. Для первой характерен поверхностный охват явлений действительности, основанный на сборе эмпирических фактов. Вторая стадия, основываясь на анализе в познании, формирует отдельные науки со специфическими областями, методами и границами. Третья стадия отвечает за исследования отношений и общих закономерностей как единого процесса познания природы с применением системного анализа [20]. Причем рассматриваемое целое, испытывая зависимость от образующих его объектов, не сводится к сумме их свойств, а формирует новое знание. Именно последняя стадия характеризует объяснительное направление геологии, приводящее к созданию теорий, парадигм и открытию геологических законов.
Реализация предлагаемой схемы системного изучения геологического пространства предполагала разработку методики компьютерно-математического моделирования, позволяющей интегрировать различные природные и техно-
^ Т = 2.1321 +0.62985 * ^ Ь Коэффициент корреляции = 0.98090 ''*• ^ 95% доверительный интервал
о - нестабильные элементы о - метастабильные элементы о - стабильные элементы
Условно среднее время формирования (Т), ^10 лет
10 11 12 Условно средний размер (Ь), ^10° м
Рис. 1. Уровни организации геологического пространства
АНАЛИЗ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИНТЕГРАЛЬНАЯ ГЕОЛОГИЯ
ел £
В
л 2
к ^
н Рн
я £
м т > £ 2а
эЕ
К
«
В ,,я
о <с м и Е 3
К н
н <С
^ Й
Ч X
< О X ^
<
Интегральные модели:
футуромодель
современная
палеомодель
О - нестабильные элементы О - метастабильные элементы О - стабильные элементы
Сводная
блок-
диаграмма
Модели:
социальная
биотическая механическая химическая
I ц | физическая
С
<
н ^ <^эК Ж К
3 В к о
4 й м ^
Н И
К « ^ со
С
о
<
к
Параметры:
социальные
биотические
механические
химические
физические
Рис. 2. Этапы изучения геологического пространства
Создание базы данных по различным средам
Лі-
Построение моноэлементных (традиционных 2Ь) карт-моделей
ЧУ
Создание объединенной грид-сетки
Статистический анализ геологических сред; выбор природных и техногенных факторов
Создание интегральной геологической модели (3Ь)
Создание объемной геологической модели (4Ь)
Рис. 3. Методика создания моделей геологического пространства
метастабильные элементы
нестабильные элементы
стабильные элементы
Рис. 4. Создание интегральной модели геологического пространства:
I - III - модели «природного» фактора: I - структурная; II - геологическая; III - современный рельеф;
IV - VI - модели «природно-техногенного» фактора: IV - литохимическая (первичные ореолы рассеяния), V - геохимическая (потоки рассеяния), VI - гидрохимическая (поверхностные водотоки);
VII - IX - модели «техногенного» фактора: VIII - развитие экзогенных геологических процессов, VIII - защищенность подземных вод, IX - техногенная нагрузка на геологическое пространство;
X - интегральная (ячеисто-сотовая) модель геологического пространства.
Точками показаны пункты наблюдений (опробования) по отдельным средам
А
я
5
Я
Е
и
♦
/$£* с2> ,
// Со> ^
/С-О <о>
ч ^ н ые диСЦИ п ^ ^
^ФизикШГеохими;;^ :-нико* ф С25
О О
«&х
О О ®\\ ^ ^ 1^1 І^ІІ * *§3 Г£* Со> $/
Ф
Я К
« в & в
и я
« 5
>ооО<^ О©
*Ж8
„ич
^ ...'■'■ ц ГОЖ^ЖОЇ
Строение элементарной ячейки
техногенная составляющая КОДГ природно-техногенная составляющая составляющая
Рис. 5. Структура геологических знаний
; элементы
(^) - нестабильные :
(2) - метастабильные элементы 1^) - стабильные элементы
■ вертикальные информационно-энергетические потоки
■ горизонтальные информационно-энергетические потоки
Рис. 6. Взаимоотношения интегральной геологии с традиционными геологическими дисциплинами и направлениями по [37]
генные составляющие [21]. Алгоритм создания отдельных и интегральных моделей включает систему следующих последовательных операций (рис. 3): формирование базы количественных и качественных (формализованных) данных по различным средам; построение по ГИС-технологии моделей 2Б (геополей); создание общей грид-сетки для отдельных сред, обладающих разной сетью опробования; статистический анализ (корреляционный, кластерный, факторный и другие методы) общей грид-сетки по отдельным средам; выбор «природного», «техногенного», «природно-техногенного» и других факторов на основе интерпретации геологических и экологических представлений с учетом относительного вклада отдельных параметров в факторные нагрузки; построение по выделенным факторам качественно новых (интегральных) объемных моделей 3Б; создание интегральной геологической модели пространства и переход на моделирование 4Б с учетом времени. Статистический анализ общей грид-сетки геологической, химической, физической, экологической и других сред позволяет выявить отдельные факторы и создать на их основе интегральные объемные модели 3Б (рис. 4). Наряду с хорошей сопоставимостью относительно традиционных однокомпонентных геополей 2Б, интегральные модели 3Б при создании топографии любой поверхности учитывают весь комплекс пространственной информации по исследуемым средам. Цифровая трехмерная модель максимально полно реализует все (обычно весьма разнородные) данные, которые с различной детальностью характеризуют исследуемый объект. Математическая интегральная модель существенно облегчает процесс исследования геологического пространства. Она позволяет не только воссоздавать и визуализировать структуру поверхностей, но и оперативно корректировать модель по мере получения новых геологических, экологических и других данных, заново интерпретируя информацию с проведением генерализации модели [22]. Именно поэтому компьютерные модели являются универсальным инструментом описания природных, техногенных объектов и явлений, помогающим вскрыть сущность геологических процессов [8].
Предлагаемая компьютерно-математическая методика объединяет различные среды через систематизацию количественных и формализацию качественных признаков. Можно предположить, что реализация подобного количественного подхода в геологии позволит получать совершенно новую информацию и перейти в будущем к объемному геологическому моделированию. Данная методика максимально опирается на взаимосвязи и взаимообусловленность параметров различных геологических уровней организации для создания объемных геологических моделей, обладающих эмерджентными свойствами. Итогом моделирования геологического пространства является получение нового многофункционального знания о земных недрах, основанного на изучении количественных оценок взаимосвязи отдельных сред техногеосистемы. Для проведения мониторинговых и природоохранных мероприятий в техногеосистемах важным элементом является время, которое отражает необратимость процессов в окружающем мире и возможность создания прогнозных моделей 4Б. Изучение открытых систем, к которым относятся и геологические процессы, обнаружило в последнее время новые характеристики времени как процесса качественных изменений по сравнению с традиционным понятием времени как инструмента
измерения длительности [23, 24]. Именно моделирование может выступить основой системного знания о геологическом пространстве, объединяющего пространственно-временные аспекты разных природных и техногенных объектов с целью гармонизации окружающей среды.
Анализ современных геологических дисциплин и направлений [25-31] свидетельствует о необходимости создания в геологии новой парадигмы (или парадигм) XXI века. По теории смены парадигм Т. Куна настоящее состояние геологии можно определить как «научную революцию» или период распада (смены) парадигм. Парадигма выступает концептуальной моделью постановки проблем, их решения и методов исследования, которые господствуют в течение определенного времени в научном сообществе. Например, по мнению В.Н. Страхова [30], смена парадигм - это смена стереотипов мышления. Поэтому важнейшим условием становления новой парадигмы является разрушение существующего стереотипа мышления. Во многих дисциплинах и направлениях геологии господствуют стереотипы мышления, сложившиеся 15-25 лет тому назад и являющиеся тормозом в их развитии, который подлежит разрушению. Новая парадигма (парадигмы) должна дать представление о мире, соответствующее современным фактам, и объединить на качественно новом уровне науки о Земле и обществе. Вывод о необходимости новых парадигм следует также из анализа структуры современных геологических знаний (рис. 5). Последнюю можно представить в виде своеобразного дерева, верхние ветви которого отвечают узко специализированным дисциплинам, таким, как общая геология, геоэкология, геотектоника, геохимия, геофизика, палеонтология, стратиграфия, геология месторождений, седиментология, петрография, минералогия, кристаллография, гидрогеология, геоморфология, инженерная геология и др. Это характеризует в целом процесс дифференциации геологических научных знаний [32]. Средняя часть дерева соответствует более широким геологическим направлениям (доменам). Наконец, нижняя часть, или ствол, определяет саму возможность существования «геологического дерева». Именно здесь заключены и через него проходят все питающие ветви флюиды, т. е. основополагающие обобщения, принципы, парадигмальные установки и т. п. И обратно: факты и частные обобщения многих геологических дисциплин идут от ветвей к стволу, где они должны быть интегрированы в те флюиды, которыми живо все дерево. Без изучения ствола как структуры, интегрирующей все частные данные, невозможно понять перспектив развития ни геологии в целом как науки, ни ее отдельных научных и прикладных дисциплин. Однако в настоящее время отсутствует научная геологическая дисциплина, которая изучала бы строение именно ствола и его взаимоотношения с другими частями дерева, хотя для каждого уровня четко проявлено самоподобие (фрактальность) отдельных частей дерева. Самоподобие определяется наличием для каждой геологической дисциплины природной, природно-техногенной и техногенной составляющих (рис. 5), что позволяет проводить общий анализ данных различной природы.
Последующий прогресс наук о Земле в значительной мере зависит от их математизации. Это связано с тем, что математика непосредственно затрагивает теоретические основы любой науки или создает предпосылки для ревизии этих основ. Еще В.И. Вернадский указывал, что «научное мировоззрение, про-
никнутое естествознанием и математикой, есть величайшая сила не только настоящего, но и будущего». В этой связи наметившийся в последние десятилетия процесс интенсивного проникновения математики в геологию можно считать закономерным. При этом одной из важнейших задач геологии становится создание адекватных объективной реальности абстрактных математических моделей геологических объектов, явлений и процессов. Отсутствие у подобных моделей индивидуальных особенностей, их формализованность и относительная простота позволяют описывать их математически. При анализе моделей получаются нетривиальные выводы, и результаты подобного моделирования применимы для познания гораздо более широкого класса природных явлений по сравнению со сложными всеобъемлющими моделями, разработанными для единичного объекта. В то же время, геология сегодня значительно отстает от бурного развития вычислительной техники, ГИС-технологий, широчайших возможностей применения аппарата точных наук. Поэтому математизацию и моделирование можно рассматривать как наиболее перспективные направления развития геологии [33, 34], которые позволяют выполнять количественную оценку закономерностей, наблюдаемых в природных и техногенных процессах.
Для дальнейшего совершенствования геологии и приближения ее к фундаментальным наукам большое значение имеют решение эволюционно-исторических проблем, связанных с изучением взаимодействия геологических, физических, химических, биологических и техногенных процессов в их динамике, а также расширение исследований в области общей теории Земли. Однако до настоящего времени составляющие компоненты (параметры) геологического пространства изучаются отдельными направлениями геологии с существенно отличающейся методологией. Поэтому весьма важным и актуальным направлением в геологии представляется расширение исследований по разработке информационно-логического и математического аппаратов, позволяющих адекватно отображать разнообразные природные и техногенные процессы в геологическом пространстве. Для этого необходима разработка общих принципов, обеспечивающих возможность использования результатов различных исследований для интегрального моделирования техногеосистемы как целостной совокупности элементов геологического пространства и продуктов техногенеза.
Описанные выше свойства геологического пространства (неоднородность, фрактальность, открытость геологических систем, активная человеческая деятельность и др.) требуют необходимости синтеза многих явлений при создании интегральной модели окружающего мира. Происходящая во многих отраслях геологических знаний в настоящее время смена (иногда, кардинальная) парадигм знаменует собой переход от концепции стабильности и устойчивости развития геологических объектов к представлениям о метастабильности и нестабильности; от неизменного порядка к динамичному хаосу, генерирующему новые упорядоченные структуры; от независимости и обособленности к взаимо-связности («всё связано со всем»); от причинно-следственного детерминизма к целевому преддетерминизму с природными аттракторами; от размерности к фрактальному самоподобию объектов и структур [23, 35, 36]. Подобный переход ставит совершенно новые проблемы, решение которых связано с поиском и открытием неизвестных ранее закономерностей в протекании процессов, их
сопряженности, с разработкой частных моделей различных процессов, с развитием общих подходов к их изучению в природных, техногенных, социальных системах и с созданием интегральных моделей.
Выход из «кризисного» состояния геологической науки, на наш взгляд, возможен при применении системного анализа для изучения недр и их минерально-сырьевого потенциала. Наиболее весомые результаты системный анализ обещает принести в сферу информационных технологий и, в частности, создание интегральной модели геологического пространства как своеобразного математического ядра (фундамента) нового геологического междисциплинарного направления. Учет иерархической и таксономической принадлежности моделируемых объектов на разных уровнях организации вещества (рис. 1) кардинально меняет стратегию создания информационных моделей в геологии. Последние становятся системами, накапливающими и хранящими информацию не только о случайных индивидуализированных объектах, но и об объектах более высокого уровня, которые подчиняются общим закономерностям. В подобных системах-моделях неизмеримо повышается адекватность содержимой ими информации реальному геологическому строению как для отдельных геологических областей, так и в целом для планеты Земля. При этом процесс геологического познания сводится к открытию, изучению всё новых материальных и идеальных моделей или систем-структур [10].
Как отмечалось выше, в науках о Земле вследствие глубокой дифференциации знаний и «субъективизации» научного познания часто отсутствует соединение усилий исследователей различных направлений при решении комплексных проблем. Тенденция синтеза в геологических дисциплинах обусловлена необходимостью получения интегрального (теоретического) знания об основных геологических проблемах, таких, как геологическая форма движения материи, энергетика геологических процессов, роль в них био- и техносфер и др. Учитывая вышеприведенное, имеются все предпосылки для создания и развития интегрального направления геологии, объединяющего различные аспекты изучения геологического пространства на основе междисциплинарного и системного подходов [37]. Переход к новому научно-философскому направлению в геологии, объединяющему информацию разных дисциплин для создания общей модели полноопределенного геологического пространства на количественно-статистической основе, есть необходимый компонент изучения окружающего мира. Нами под «интегральной геологией» (от integer - целый) понимается совокупность сложившихся к настоящему времени геологических дисциплин, направленная на объединение их результатов. Термин «интегральная геология» является нейтральным в семантическом смысле словосочетанием, которое не наделяет приоритетом ни одно из перечисленных выше геологических дисциплин и направлений. По нашему мнению, для создания базовой концепции изучения Земли возникла необходимость нового научного междисциплинарного направления, исследующего геосистемы высокого уровня организации. Опираясь на совокупность своих методов и понятий, достаточных для описания закономерностей изучения геологического пространства, интегральная геология синтезированно трактует геологические процессы прошлого, настоящего и будущего, а также совместно исследует природные и эколого-соци-
альные проблемы. Любое новое научное направление вызывает изменения в способах постановки проблем и научного исследования, в концептуальном арсенале и используемых моделях. Учитывая, что составляющие компоненты геологического пространства изучаются различными научными дисциплинами с существенно отличающейся методологией, возникает необходимость в разработке языка-посредника или диалогового языка [38], который обеспечивает возможность использования результатов различных исследований и выработки основных принципов моделирования объектов.
В методологии принято характеризовать науку (научное направление) по объекту и предмету, целям и задачам, методам и средствам. Совокупность этих элементов образует единое целое или систему, т. е. то, что и следует понимать под наукой в широком смысле. Исходя из вышеприведенного, объектом интегральной геологии являются сферы планеты Земля высокого уровня организации (микро-, мезо- и макроуровней), которые выступают источником собственного эмпирического материала (табл. 1). Кроме природных геосфер, объектом изучения интегральной геологии выступают и сферы, техногенно-преобразованные человеческой деятельностью. Предметом данного научного направления являются интегративные информационно-энергетические функции земных сфер как совокупность (система) моделей. Цель интегральной геологии заключается в создании количественной модели геологического пространства с использованием ее в прикладном и теоретическом аспектах. Например, применение подобной модели для гармонизации (структурирования) геологического пространства и биоса, включая человеческое сообщество. Учитывая объект, предмет и цели интегральной геологии, можно предположить, что она способна выработать современную развитую теорию геологии как необходимого атрибута подлинной науки для решения фундаментальных задач [39]. К таким задачам относятся: 1) постижение природы геологических явлений и процессов; 2) реконструкция геологического прошлого (ретроспективный анализ); 3) открытие законов функционирования техногеосистем; 4) прогнозирование будущего состояния геологического пространства с его количественной оценкой. Основным методом интегральной геологии является моделирование геосфер, основанное на системном подходе и статистическом анализе. Применяемые средства включают разработку диалогового математического языка-посредника для использования результатов различных исследований и выработки основных принципов моделирования объектов в ячеисто-сотовой структуре геологического пространства. Результат отражения геологических объектов в сознании человека как образов (сочетание объективного и субъективного) в диалоговой теории определяется понятием «реализация» [38], которое используется для представления конкретных ситуаций в любой степени абстрагирования. Формой реализации структурных пространств во времени является модель, а моделирование выступает методом создания, организации и функционирования геологических моделей как систем. При этом диалоговый язык должен относительно легко согласовывать существенно-различные модели процессов и явлений, исходящие из многовариантности и полипарадигменности геологических построений. Последние принципы требуют выразительных
Табл. 1
Методология интегральной геологии, по [37]
Объект Сферы планеты Земля высокого уровня организации
Предмет Интегративные информационно-энергетические функции земных сфер
Цель Создание интегральной количественной модели геологического пространства
Задачи 1) Природа геологических явлений и процессов 2) Реконструкция геологического прошлого и ретроспективный анализ 3) Законы функционирования техногеосистем 4) Прогнозирование будущего состояния геологического пространства и его количественная оценка
Методы 1) Системный анализ 2) Синергетика техногеосистем 3) Компьютерно-математическое моделирование
Средства 1) Ячеисто-сотовая структура геологического пространства 2) Диалоговый математический язык
средств этого языка для удобной, простой и свободной работы с многозначными отображениями с целью корректного описания структурных пространств.
Таким образом, интегральная геология есть новое научно-философское направление геологии, изучающее информационно-энергетические функции сфер планеты Земля высокого уровня организации (микро-, мезо- и макроуровни) для создания моделей геологического пространства и постижения природы геологических процессов, выработки законов функционирования техногеосистем, реконструкции геологического прошлого и прогнозирования будущего состояния окружающей среды. Взаимоотношения интегральной геологии с традиционными геологическими дисциплинами и направлениями (рис. 6) позволяют использовать результаты интегративных исследований для объединения на междисциплинарной основе разных геологических уровней организации окружающего мира (рис. 1) и создания новой геологической парадигмы.
Развитие интегративного подхода в геологии будет означать переход от преобладающего в настоящее время описательного, фактографического знания в геологии к аналитическому, теоретическому и междисциплинарному обобщению. Подобный переход требует преодоления исторически сложившегося перекоса геологии в сторону преобладания эмпиризма и пренебрежения гипотезами, теориями, парадигмами [20]. На наш взгляд, именно интегральная геология способна освободить геологов от «комплекса теоретической неполноценности» [39]. Здесь можно вспомнить Анри Пуанкаре, который еще 100 лет назад отмечал, что «люди, относящиеся с полным презрением к теории, тем не менее, не колеблясь, извлекают из нее постоянные выгоды». Применение универсальной методики моделирования позволит интегральной геологии провести замену традиционных эмпирических средств познания теоретическими: «непредвзятого», максимально детального и полного изучения геологических объектов избирательной модельной схематизацией, конкретизацию абстраги-
рованием, нестрогих (субъективных) описаний формализацией, индукцию из единичных фактов дедукцией проверяемых следствий-гипотез из уже известных общих законов [40]. По мнению А.А. Наймарка [39], игнорирование подобной замены, наивная абсолютизация роли «объективных» и «достоверных» конкретных опытных фактов как якобы достаточной основы для истинных общих заключений обрекают геологию на статус в лучшем случае ремесла, но не науки.
Представленную работу можно рассматривать как один из вариантов перехода в геологии от прикладного и специализированного знания к интегративному теоретическому знанию. Такой переход требует определенной методологии анализа, обобщения и абстрагирования, подготовки общей универсальной схемы изучения геологического пространства, пригодной для теоретического и практического применений. С другой стороны, как показывает мировой опыт, синтез различных наук и проблемы, возникающие на границах научных дисциплин и направлений, нередко приводят к качественным прорывам в области научного знания, которые имеют не только теоретические, но и прикладные последствия. Например, именно междисциплинарный подход явился основанием выделения геоэкологии как нового научного направления, которое привело к новому пониманию взаимодействия живой и косной материи, получению новых результатов в области практического использования и охраны окружающей среды.
В заключение приведем высказывание И. Пригожина: «Не нами выбран мир, который нам приходится изучать; мы родились в этом мире и нам следует воспринимать его таким, каким он существует, приспосабливая к нему, насколько возможно, наши априорные представления. Да, мир нестабилен. Но это не означает, что он не поддается научному изучению. Признание нестабильности - не капитуляция, напротив - приглашение к новым экспериментальным и теоретическим исследованиям, принимающим в расчет специфический характер этого мира».
Выводы
1. Разработана универсальная методика исследования геологического пространства, включающая изучение природных, природно-техногенных и техногенных образований и объектов разного уровня организации на основе системного анализа и технологии компьютерно-математического моделирования. Последняя базируется на неоднородности геологического пространства и учитывает вертикально-горизонтальные информационно-энергетические связи. Методика компьютерно-математического моделирования позволяет получать дополнительную информацию о структурно-вещественном составе геологического пространства и во многом усиливает исследовательский потенциал современной науки о Земле.
2. Методика позволяет осуществить переход от преобладающего в настоящее время фактографического (эмпирического) знания в геологии к теоретическому и междисциплинарному обобщению накопленного и постоянно растущего фактического материала. При этом создание нового продукта - интегральной модели геологического пространства - позволяет постигать природу
геологических процессов, законы функционирования техногеосистем, реконструировать геологического прошлое и прогнозировать будущее состояние окружающей среды.
3. Определено и методологически разработано новое научное направление - интегральная геология, которая изучает информационно-энергетические функции сфер планеты Земля высокого уровня организации. По своей сути, интегральная геология является научным направлением по получению и синтезированию информации о Земле. Интегральная геология позволяет приблизиться к созданию целостной картины окружающего мира, основанной на математических законах, моделировании и выявлении эмерджентных свойств. Обнаружение качественно новых свойств геологического пространства способствует решению многоцелевых задач теоретической и прикладной направленности.
Summary
R.Kh. Soungatoulline. System analysis, modeling and integrated geology.
This is a multi-purpose technique of exploration of geological space, based on technology of digital-mathematical modeling and system analysis of natural and man-caused objects. This technique allows to accomplish transfer from empirical knowledge of geology to theoretical, interdisciplinary summarizing of accumulated and ever-growing information. Determined and methodologically worked up the new scientific direction - integrated geology. The object of research of integrated geology is the study of informative and energetic functions of planet Earth sphere's of high organization levels.
Литература
1. КедровБ.М. Предмет и взаимосвязь естественных наук. - М.: Наука, 1967. - 436 с.
2. Куражковская Е.А. Геологическая материальная система и закономерность ее развития. - М.: Знание, 1971. - 48 с.
3. Пригожин И. От существующего к возникающему: Время и сложность в физических науках. - М.: Наука, 1985. - 328 с.
4. Пущаровский Ю.М. Линейность и нелинейность в геологии // Геотектоника. -1999. - № 3. - С. 42-49.
5. Tsunemasa S. Reading of the trigger records of sedimentary events - a problem for future studies // Sediment. Geol. - 1996. - No 1-3. - P. 249-255.
6. Горяинов П.М., Иванюк Г.Ю. Самоорганизация минеральных систем: Синергетические принципы геологических исследований. - М.: Изд-во ГЕОС, 2001. - 311 с.
7. Руденко А.П. Самоорганизация и синергетика // Синергетика. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000. - С. 61-99.
8. Шолпо В. Н. Процессы самоорганизации в тектонике и геодинамические модели // Геотектоника. - 2002. - № 2. - С. 3-14.
9. Прозоров Л.Л. Экологические функции литосферы (естественнонаучная трактовка) // Геоэкология. - 2002. - № 1. - C. 78-83.
10. Разумовский О.С. Идея структурного фундаментализма. Динамика и развитие иерархических (многоуровневых) систем. - Казань: Изд-во Волга Пресс, 2003. -С. 22-36.
11. Сороко Э.М. О природе иерархий-аттракторов. Динамика и развитие иерархических (многоуровневых) систем. - Казань: Изд-во Волга Пресс, 2003. - С. 20-22.
12. УайтхедА.Н. Избранные труды по философии. - М.: Прогресс, 1990. - 718 с.
13. Викторов А. С. Методы математической морфологии ландшафта в инженерной геологии и геоэкологии // Геоэкология. - 2003. - № 5. - С. 448-455.
14. Кузнецов О.Л. Дискретная структура Земли // Разведка и охрана недр. - 2000. -№ 3-4. - С. 5-6.
15. Красный Л.И. Система делимости - от Вселенной до микромира // Докл. РАН. -2002. - Т. 383, № 6. - С. 796-800.
16. Мирлин Е.Г. Фрактальная дискретность литосферы и геодинамика // Докл. РАН. -
2001. - Т. 379, № 2. - С. 231-234.
17. Симонов Ю.Г., Симонова Т.Ю. Фрактальность рельефа земной поверхности и географические проблемы ее изучения // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. -
2002. -№ 4. - С. 17-20.
18. Хакимов Э.М. Моделирование иерархических систем. Теоретические и методологические аспекты. - Казань: Изд-во Казан. ун-та, 1986. - 160 с.
19. КосыгинЮ.А. Тектоника. - М.: Недра, 1988. - 462 с.
20. Шарапов И.П. Метагеология: Некоторые проблемы. - М.: Наука, 1989. - 208 с.
21. Сунгатуллин Р.Х. Комплексный анализ геологической среды (на примере Нижнекамской площади). - Казань: Изд-во Мастер-Лайн, 2001. - 140 с.
22. Финкельштейн М.Я. Автоматизированная генерализация карт геологического содержания на базе ГИС - INTEGRO // Геология и разведка. - 2002. - № 4. - С. 4042.
23. Лазарев С. С. Геохронология, геохронометрия и хроностратиграфия: время геологическое, физическое и химерическое // Бюл. МОИП. Отд. геол. - 2002. - Т. 77, Вып. 3. - С. 62-69.
24. Winter H. de L. R. Time in stratigraphy // Geobulletin Geol. Soc. South Africa. - 1997. -V. 40, No 3. - P. 9-16.
25. Гладенков Ю.Б. Тенденции развития стратиграфии на рубеже XX и XXI веков // Изв. секции наук о Земле РАЕН. - 1998. - № 1, Спец. вып. - С. 86-96.
26. Зыков В.А. Становление парадигмы и методологии техногеофизики // Изв. вузов. Геология и разведка. - 2003. - № 4. - C. 64-69.
27. Красный Л.И. Развитие тектонических идей и некоторые проблемы минерагении // Отечеств. геология. - 2003. - № 4-5. - С. 3-11.
28. Лазарев С.С. Особенности типизации в стратиграфической классификации // Стратиграфия. Геол. корреляция. - 1997. - Т. 5, № 2. - С. 91-104.
29. Пущаровский Ю.М. Новые веяния в тектонике // Геотектоника. - 1997. - № 4. -С. 62-68.
30. Страхов В.Н. Становление новой парадигмы - это разрушение господствующего стереотипа мышления (на примере гравиметрии и магнитометрии) // Физика Земли. - 2002. - № 3. - С. 3-20.
31. Шокальский С.П. и др. Геологическое картографирование и формационный анализ: состояние, проблемы, перспективы интеграции // Геология и геофизика. - 2003. -Т. 44, № 12. - С. 1391-1407.
32. Виноградов А.П. Науки о Земле и их будущее // Сов. геология. - 1969. - № 1. -С. 6-10.
33. Перский Н.Е. Географические информационные системы - опыт применения в поисковой геологии // Отечеств. геология. - 1999. - № 5. - С. 6-11.
34. Страхов В.Н. О геофизическом «диалекте» универсального «языка» естественных наук - «языка» математики // Актуальные вопросы математической геофизики. -М.: Изд-во ОИФЗ РАН, 2001. - С. 180-184.
35. Пашкин Е.М., Панкратов А.В. Природные аттракторы в геоэкологии. Ст. 1 // Изв. вузов. Геология и разведка. - 2002. - № 4. - С. 133-137.
36. Пущаровский Ю.М. Нелинейная геодинамика (кредо автора) // Геотектоника. -1993. - № 1. - С. 3-6.
37. Сунгатуллин Р.Х. Интегральная геология - новое научное направление // Развитие идей Н. А. Головкинского и А. А. Штукенберга в Казанской геологической школе. -Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2004. - С. 152-155.
38. Мельников Б.Н., Мельников Ю.Б. Геотехногенные структуры: теория и практика. -Екатеринбург: Уральское изд-во, 2004. - 556 с.
39. НаймаркА.А. Возможны и нужны ли теории в геологической науке? // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. - 2003. - № 2. - С. 63-69.
40. Лоссовский Е.К. Дедуктивно-аксиоматическая реконструкция геологического знания и новая глобальная тектоника // Геол. журн. - 1992. - № 6. - С. 37-46.
Поступила в редакцию 04.09.06
Сунгатуллин Рафаэль Харисович - кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры региональной геологии Казанского государственного университета. E-mail: [email protected]
