Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры

Обговорено нові ідеї, підходи та методи сучасної сейсмології, насамперед стосовно високоорганізованих просторово-часових структур у дисипативних середовищах, далеких від термодинамічної рівноваги, зокрема автоструктур. Розглянуто деякі деталі уже проведених досліджень і їх наслідки, на які звичайно...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автор:	Шуман, В.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України 2015
Назва видання:	Геофизический журнал
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103737
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры / В.Н. Шуман // Геофизический журнал. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 24-41. — Бібліогр.: 46 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-103737
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1037372016-06-24T03:02:50Z Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры Шуман, В.Н. Обговорено нові ідеї, підходи та методи сучасної сейсмології, насамперед стосовно високоорганізованих просторово-часових структур у дисипативних середовищах, далеких від термодинамічної рівноваги, зокрема автоструктур. Розглянуто деякі деталі уже проведених досліджень і їх наслідки, на які звичайно не звертали достатньої уваги, але які можуть бути вирішальними для майбутніх робіт. При цьому замість поширеного розуміння сейсмічності як фундаментального наслідку еволюції геосистем до стану самоорганізованої критичності, обмеженого рамками систем з аномально повільною динамікою, запропоновано його інтерпретацію як метастабільних станів геосередовища та їх послідовності. Суть нового підходу - парадигма переходів просторових образів у неоднорідному багатомасштабному ієрархічно організованому активному геосередовищі, які відображуються в просторовій структурі спонтанних емісій літосферного походження - сейсмічній та електромагнітній. Передусім маються на увазі задачі теорії переходів просторових образів замість відомих задач теорії біфуркацій динамічних систем. Підкреслено роль і вплив на динамічні процеси в геосередовищі завад різної інтенсивності та кольорності, які сприяють появі режимів його функціонування, які не можуть бути реалізованими в разі їх відсутності. Дискутуються можливі та видимі варіанти застосування запропонованого підходу. New ideas, approaches and methods of modern seismology are being considered, which are focused on highly organized spatio-temporal structures in dissipative media far from thermodynamic equilibrium, auto-structures in particular. Some details of studies conducted and some of their consequences, which were paid not enough attention but which might be decisive to conduct further studies are being considered. In this case, instead of widespread understanding of seismic- ity as a fundamental consequence of evolution of geo-systems toward the state of self-organized criticality limited to the framework of systems with anomalously slow dynamics, its interpretation as meta-stable states of geo-medium and the succession of such states is under consideration. The essence of new approach is a paradigm of transitions of spatial shapes in heterogenous multi-scale hierarchically organized active geo-medium, which are reflected in the spatial structure of spontaneous emissions of lithospheric origin - seismic and electromagnetic ones. Here the problems of the theory of transitions of spatial shapes instead of known problems of the theory of bifurcations of dynamic systems are brought to the fore. The role and impact on dynamic processes running into geo-medium of noise of different intensity and chromaticity, which promote induction of the regimes of its functioning, impossible to be realized without are being accentuated. Possible and visible applications of the proposed approach are being discussed. 2015 Article Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры / В.Н. Шуман // Геофизический журнал. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 24-41. — Бібліогр.: 46 назв. — рос. 0203-3100 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103737 550.3 ru Геофизический журнал Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Обговорено нові ідеї, підходи та методи сучасної сейсмології, насамперед стосовно високоорганізованих просторово-часових структур у дисипативних середовищах, далеких від термодинамічної рівноваги, зокрема автоструктур. Розглянуто деякі деталі уже проведених досліджень і їх наслідки, на які звичайно не звертали достатньої уваги, але які можуть бути вирішальними для майбутніх робіт. При цьому замість поширеного розуміння сейсмічності як фундаментального наслідку еволюції геосистем до стану самоорганізованої критичності, обмеженого рамками систем з аномально повільною динамікою, запропоновано його інтерпретацію як метастабільних станів геосередовища та їх послідовності. Суть нового підходу - парадигма переходів просторових образів у неоднорідному багатомасштабному ієрархічно організованому активному геосередовищі, які відображуються в просторовій структурі спонтанних емісій літосферного походження - сейсмічній та електромагнітній. Передусім маються на увазі задачі теорії переходів просторових образів замість відомих задач теорії біфуркацій динамічних систем. Підкреслено роль і вплив на динамічні процеси в геосередовищі завад різної інтенсивності та кольорності, які сприяють появі режимів його функціонування, які не можуть бути реалізованими в разі їх відсутності. Дискутуються можливі та видимі варіанти застосування запропонованого підходу.
format	Article
author	Шуман, В.Н.
spellingShingle	Шуман, В.Н. Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры Геофизический журнал
author_facet	Шуман, В.Н.
author_sort	Шуман, В.Н.
title	Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры
title_short	Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры
title_full	Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры
title_fullStr	Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры
title_full_unstemmed	Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры
title_sort	сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры
publisher	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
publishDate	2015
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103737
citation_txt	Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры / В.Н. Шуман // Геофизический журнал. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 24-41. — Бібліогр.: 46 назв. — рос.
series	Геофизический журнал
work_keys_str_mv	AT šumanvn sejsmoélektromagnetizmiprostranstvennovremennyestruktury
first_indexed	2025-07-07T14:16:44Z
last_indexed	2025-07-07T14:16:44Z
_version_	1836997992461107200
fulltext	В. Н. ШУМАН 24 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 Введение. Как известно, вопросы прогно- зируемости поведения геосистем и, в част- ности, прогнозы конкретных сейсмических событий имеют сравнительно давнюю исто- рию, обширную библиографию и остаются весьма актуальными до настоящего времени [Гуфельд, Новоселов, 2014; Гульельми, 2015; Шуман, 2015]. Весьма вероятно, что основные проблемы, связанные с их решением, состо- ят, прежде всего, в сложности исследуемых геосистем и многофакторности действия на них физических полей различной природы. В то же время полученные в последние годы результаты определенно дают основания для физической трактовки литосферы Земли как пространственно структурированной суще- ственно многомасштабной системы с нелиней- ной динамикой. Установлено, что геометри- ческие структуры многомасштабных неодно- родностей литосферы определяет не только пространственные свойства сейсмичности, но и ее энергетические и временные свойства. Эта система демонстрирует также ряд важных свойств сейсмического процесса, таких как УДК 550.3 Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры © В. Н. Шуман, 2015 Институт геофизики НАН Украины, Киев, Украина Поступила 19 сентября 2015 г. Представлено членом редколлегии В. И. Старостенко Обговорено нові ідеї, підходи та методи сучасної сейсмології, насамперед стосовно високоорганізованих просторово-часових структур у дисипативних середовищах, далеких від термодинамічної рівноваги, зокрема автоструктур. Розглянуто деякі деталі уже проведених досліджень і їх наслідки, на які звичайно не звертали достатньої уваги, але які можуть бути вирішальними для майбутніх робіт. При цьому замість поширеного розуміння сейсмічності як фундаментального наслідку еволюції геосистем до стану самоорганізованої критичності, обмеженого рамками систем з аномально повільною динамікою, запропоновано його інтер- претацію як метастабільних станів геосередовища та їх послідовності. Суть нового підходу — парадигма переходів просторових образів у неоднорідному багатомасштабному ієрархічно організованому активному геосередовищі, які відображуються в просторовій структурі спон- танних емісій літосферного походження — сейсмічній та електромагнітній. Передусім маються на увазі задачі теорії переходів просторових образів замість відомих задач теорії біфуркацій динамічних систем. Підкреслено роль і вплив на динамічні процеси в геосередовищі завад різної інтенсивності та кольорності, які сприяють появі режимів його функціонування, які не можуть бути реалізованими в разі їх відсутності. Дискутуються можливі та видимі варіанти застосування запропонованого підходу. Ключові слова: сейсмічність, сейсмічний процес, самоорганізована критичність, автохвильові процеси, автоструктури, спонтанні емісії, прогнозованість геосистем. сейсмический цикл, форшоковая и афтершо- ковая активность, степенной характер убы- вания сейсмических событий после сильней- ших событий (закон Омори для афтершоков) [Гульельми, 2015]. При этом сильным земле- трясениям, как правило, предшествуют либо аномальное поведение сейсмической актив- ности, либо ее аномальное понижение, либо их колебания в различных пространственно- временных зонах [Шаповал, Шнирман, 2011; Короновский, Наймарк, 2012]. Однако детали сейсмического процесса с достаточной полно- той не изучены, не существуют и его обще- признанные физико-механические модели. В столь сложной ситуации получили широкое распространение методы изучения геосистем, основанные на анализе сигналов, генерируе- мых системой (временных рядов, в частности, каталогов землетрясений) без априорной ин- формации о системе без построения специфи- ческой модели, описывающей динамику иссле- дуемого ряда. По-видимому, задача прогноза в таком контексте относится к одной из старей- ших задач временных рядов [Лоскутов, 2010]. СЕЙСМОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ СТРУКТУРЫ Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 25 В такой постановке задачи был предложен и разработан ряд методик и алгоритмов прогно- за, однако применительно к прогнозу сейсмич- ности они оказались малоэффективными. И дело здесь не в длине обрабатываемых рядов, которая, разумеется, должна быть достаточно большой. С развитием нелинейной динамики оказалось, что задача прогноза более сложная, выходящая за эти рамки. Весьма вероятно, что именно здесь, в этом контексте, мы нуждаемся в новых идеях описания и трактовки сейсмич- ности, и как раз здесь все еще отмечается от- носительно медленный прогресс. Необходимость описания подобных систем и прогноза их эволюции привела к появлению множества работ, в которых были заложены основы теории самоорганизации. При этом использовались различные подходы и терми- нология: теория диссипативных структур или теория самоорганизации, синергетика, теория открытых систем и др. В дальнейшем под тер- мином самоорганизация будем считать уста- новление в диссипативной неравновесной от- крытой системе (геосреде) пространственных структур, эволюционирующих во времени, параметры которых определяются свойствами этой среды и слабо зависят от пространствен- ной структуры источника неравновесности (потоков энергии и вещества), начального со- стояния и условий на границах. Согласно современной трактовке, теория самоорганизации включает термодинамику не- равновесных (открытых) систем, синергетику, теорию катастроф. В свою очередь, в основу современной синергетики положены три па- радигмы: диссипативных структур, динами- ческого хаоса, сложности. Теория катастроф изучает особенности гладких отображений и бифуркаций динамических систем. При этом именно потоки энергии и вещество, пронизы- вающее систему, ведут к возникновению в ней эффектов самоорганизации — образования макроскопических диссипативных структур, причем это структурообразование характе- ризуется в широком диапазоне масштабов и параметров пространственно-временным скейлингом. Этот пространственно-временной скейлинг обычно характеризуется сильными, спадающими по степенному закону корре- ляциями, которые являются типичными для критических явлений [Зеленый, Милованов, 2004]. Как известно, исследования явлений подобного рода объединяются общим назва- нием «самоорганизованная критичность», позиционирующая скейлинговый контекст самоорганизации [Aschwanden et al., 2014]. Как известно, концепция самоорганизо- ванной критичности (свойства сложных не- линейных динамических систем в ходе своей эволюции приходить в критическое состояние) — одно из относительно новых направлений в теории таких систем. Ее суть состоит в том, что по мере развития нелинейной системы она не- избежно приближается к точке бифуркации, ее устойчивость резко снижается и в ней спон- танно создаются условия, при которых малые возмущения могут спровоцировать крупные события (катастрофу). Возникает естественная задача прогноза динамики геосистем в крити- ческом состоянии. При этом предпочтение, отдаваемое критическим режимам функцио- нирования систем, обусловлено их относитель- ной термодинамической выгодностью. Однако, несмотря на заметный прогресс в изучении самоорганизованной критичности (СОК), мно- гие актуальные проблемы, ассоциируемые с ней, до настоящего времени остаются нере- шенными. Неудивительно, что в современной геофизической литературе отношение к ее применению весьма неоднозначно [Шаповал, 2011; Захаров, 2014]. По существу, все еще остается открытым вопрос: возможен ли в системах с СОК эф- фективный прогноз? Может оказаться, что в зависимости от конкретной ситуации ис- пользование СОК при прогнозе сейсмичности будет как успешным, так и безполезным. И это не удивительно, так как интерпретация сейс- мического процесса в качестве фундаменталь- ного следствия эволюции геосистемы к состоя- нию СОК оказывается ограниченной рамками систем с некоторой характерной (аномально медленной) динамикой. К тому же в данный момент отсутствует эффективный критерий обнаружения (особенно экспериментального) СОК в системе. В итоге оптимистические ожи- дания здесь пока явно опережают реальный прогресс в этой области исследований. Несомненно, исследование этих и близких явлений требует выработки новых моделей, методов и, что не менее важно, адекватных образов и понятий, общих для неравновес- ных сред произвольной природы. В частности, нелинейная динамика способствовала пони- манию и трактовке сейсмического процесса как результата устойчивой переходной актив- ности геосреды. С точки зрения геофизики сейсмичность — неравномерный во времени переходный процесс, нестационарная актив- ность геосреды. Это — метастабильные со- В. Н. ШУМАН 26 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 стояния геосреды и последовательность таких метастабильных состояний, время существо- вания которых достаточно велико. При этом основная идея будет состоять в том, чтобы описать сейсмический процесс в рамках его пространственно-временной трактовки в тер- минах автоколебаний. С этой точки зрения принятое сейчас понимание сейсмического процесса как фундаментального следствия эволюции сейсмотектонической системы к состоянию самоорганизованной критичности, очевидно, не вполне корректно и носит част- ный характер. Автоколебания — это незатухающие ко- лебания в нелинейной диссипативной систе- ме, поддерживаемые внешними источника- ми энергии. Их вид и свойства определяются самой системой. Это, к примеру, могут быть процессы бифуркаций и синхронизации ко- лебаний отдельных подсистем, их ансамблей, а также образование очагов хаоса и порядка в распределенных системах. При этом пред- ставляют интерес неоднородные ансамбли автоструктур, когда неоднородность неравно- весной среды связана с наличием границ либо с действием внешних полей. Итак, если сейсмичность может более адекватно интерпретироваться в качестве и терминах реализации некоторого нелиней- ного автоволнового процесса, на передний план выходят задачи теории переходов про- странственных образов автоструктур. Однако исследование динамики пространственных ансамблей структур, проблемы, связанные с бифуркациями в пространственных ансам- блях, много сложнее обычных задач теории би- фуркаций динамических систем. Более того, по мнению [Гапонов-Грехов, Рабинович, 1987а,б] такая постановка задачи выглядит почти без- надежной: метастабильным образом в фазовом пространстве динамической модели отвечают уже не аттракторы, а переходные множества траекторий, внутри которых изображающая точка проводит основное время. Важным является изучение синхронизации автоколебаний и влияния шумов на синхро- низацию. Можно предположить, что сейсми- ческое событие обусловлено образованием автоструктуры большой амплитуды, форми- руемой в геосистеме за счет внешнего, воз- можно, нестационарного внешнего воздей- ствия (энергомассопотока), превышающего некоторый пороговый уровень, а слабый хаос — реализация мягкого режима возбуждения автоструктур. Возникают важные вопросы, в частности, что такое пространственный хаос и какую роль в его формировании играют про- странственные структуры, как соотносятся и взаимодействуют между собой простран- ственный и временной хаос и как он, в свою очередь, может быть связан с эволюцией геосистем и взаимодействием их подсистем [Гапонов-Грехов, Рабинович, 1987а, б]. Однако аналитические возможности исследования автоструктур и динамики их ансамблей огра- ничены решением некоторых приближенных или модельных уравнений, а численный экс- перимент весьма затруднен. Необходимость экспериментальных исследований при таком подходе весьма актуальна. Становится оче- видной неадекватность существующих ме- тодов исследования эволюции геосистем и методов их мониторинга. С этой точки зрения, возможно, исследование динамики простран- ственных ансамблей автоструктур в реальной геосреде может оказаться и неизбежным, и необходимым. Следует также упомянуть, что самоорганизация не является универсальным свойством геосистем, реализуется лишь в опре- деленных особых условиях. В то же время на- личие пространственно-временной структуры является ее всеобщим и фундаментальным свойством [Эбелинг,1979]. С этой точки зре- ния идея описания сейсмического процесса в рамках пространственно-временного подхода или трактовок в терминах автоколебаний дина- мики пространственных ансамблей структур (автоструктур) не лишена оснований. Возможно, такая постановка вопроса может показаться перефразировкой старых класси- ческих подходов к изучению сейсмичности. Но она не вполне корректна. Автоструктуры и бифуркации их статических образов в за- висимости от параметров энергомассопотоков и уровня шумов в геосистеме, которые нахо- дят отражение в пространственно-временной структуре и динамике спонтанных эмиссий, генерируемых системой, — гораздо менее три- виальные объекты исследований, чем это счи- талось ранее, что создает немало трудностей при отборе материала для изложения. Такой отбор диктовался актуальностью вопросов, научными интересами автора и возможностью узнавать то, что, очевидно, многие знали уже раньше. Он позволял уклониться или обойти стороной многие конкретные вопросы прогно- за сейсмичности и ограничиться значительно более скромными задачами, при этом отнюдь не минимизируя намеки на те тупики, с кото- рыми обычно сталкивались при упоминании об СЕЙСМОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ СТРУКТУРЫ Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 27 ошибочных идеях, с которыми имели дело. Но в любом случае при решении ключевых вопро- сов прогноза и прогнозируемости геосистем сложно уклониться от рассмотрения дискусси- онных вопросов в теории СОК, в частности ее универсальности, теоретических основ, новых тенденций развития и открытых проблем. Самоорганизованная критичность и сейс- мический процесс. Важный объект геофи- зических исследований — процессы в силь- нонеравновесных открытых геосистемах. Имеются весомые основания предполагать, что в основу большинства проявлений геопро- цессов могут быть положены общие свойства открытых нелинейных диссипативных систем. Потоки энергии и вещества, пронизывающие эти системы, обуславливают возникновение в них эффектов самоорганизации образования макроскопических диссипативных структур. В сферу интересов геофизики попадает все большее число нелинейных энергонасыщен- ных сред, структурообразование в которых демонстрирует в широком диапазоне параме- тров и масштабов пространственно-временной скейлинг, характеризующийся сильными, спадающими по степенному закону корре- ляциями, типичными для критических явле- ний. Можно предполагать, что физические причины такого характера эволюции связаны с взаимодействием между различными сте- пенями свободы геосистем, которые ведут к нелокальным корреляциям и коллективному поведению. При этом критический режим в процессах самоорганизации оказывается са- монастраивающимся и самосогласованным. Относительно недавно исследования явлений такого рода были объединены в рамках терми- на самоорганизованной критичности. Одна из важнейших особенностей коллек- тивных явлений — свойство универсально- сти, т.е. проявлений аналогий и реализация общих принципов динамики, а одно из основ- ных достижений нелинейной динамики XX века — обнаружение универсальных сцена- риев переходов от упорядоченного движения к хаотическому при изменении параметров системы. При этом скейлинговый аспект само- организации и автомодельность – важнейшая особенность эволюции нелинейных систем в случае сильной коррелируемости поведения их подсистем. Однако, несмотря на впечатляющее разнообразие физических контекстов, в кото- рых проявляется нелинейная динамика кон- кретных систем, все еще остается открытым вопрос, насколько эта общая теория и фунда- ментальные законы самоподобной динамики соответствуют и в какой степени могут быть адаптированы к сейсмической реальности. Как известно, при исследованиях сейсмич- ности установлены различные законы подо- бия, реализующиеся в широком диапазоне масштабов. К ним могут быть отнесены закон Гуттенберга—Рихтера о скейлинговой зави- симости частоты повторяемости от энергети- ческого класса сейсмического события, закон Кнопова—Кагана для распределения времен- ных интервалов между событиями, закон Омо- ри для распределения количества афтершоков сильных событий во времени и др. Возможно, по этой причине в геофизической литературе в настоящее время доминирует понимание сейсмического процесса в качестве фундамен- тального следствия эволюции сейсмоактивной системы к состоянию СОК, а сами эти системы принадлежат к классу систем с СОК [Шаповал, 2011; Захаров, 2014; Гульельми, 2015]. При этом динамика сейсмотектонических систем на раз- ных пространственно-временных масштабах обуславливает согласованное самоподобие сейсмического процесса и современных тек- тонических движений [Захаров, 2014]. В то же время ситуация относительно возможности и реализуемости самого прогноза остается весь- ма неоднозначной [Шаповал, 2011; Наймарк, Захаров, 2012; Захаров, 2014; Гуфельд, 2013; Гуфельд, Новоселов, 2014]. В геофизической литературе к настоящему времени сложилось весьма неоднозначное отношение к проблеме применимости или приложений СОК к этой проблеме. Отмеча- ются попытки поисков здесь неких аналогов «здравого смысла». Но в чем он состоит и где этот «смысл»? Полагая, что процесс подго- товки землетрясений порождается типичной системой с СОК и, в частности, соответствует закону Гуттенберга—Рихтера, высказываются мнения как о невозможности прогноза сейсми- ческих событий [Geller, 1997], так и его прин- ципиальной реализуемости в системах с СОК в реальном времени [Шаповал, 2011]. Ясно, что здесь нужны новые идеи и подходы. Ввиду не- тривиальности проблемы, остановимся на не- которых ее фрагментах несколько подробнее. О концепции самоорганизованной кри- тичности. Термин «самоорганизованная кри- тичность» введен П. Баком с сотрудниками в 1987 г. [Bak et al., 1987] для объяснения универ- сального характера возникновения 1/f-шума (фликкер-шума) в сложных нелинейных дина- мических системах. Смысл СОК — эволюция В. Н. ШУМАН 28 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 таких систем к критическому состоянию без настройки каких-либо параметров. Позднее смысл термина критичность был расширен к более общему значению — критической точке [Aschwanden et al., 2014]. Суть СОК состоит в том, что по мере эволюции нелинейной дина- мической системы она неизбежно приближа- ется к критической точке (точке бифуркации). Иначе говоря, такие системы могут естествен- ным образом эволюционировать к определен- ному критическому состоянию, в котором они теряют характерные пространственные и вре- менные масштабы, их корреляционный радиус неограниченно возрастает, а корреляционные функции имеют степенные асимптотики. Су- щественно, что это критическое состояние практически не зависит от начальных условий и не требуется настройки параметров системы, чтобы достичь его. Как известно, явление с СОК обычно свя- зывают со степенным характером графика по- вторяемости, отражающего зависимость числа событий от их линейного масштаба. Индика- тор СОК – степенные законы распределения различных временных и пространственных характеристик сейсмичности. Фрактальная структура и фликкер-шум со спектром мощ- ности 1/f — пространственные и временные отпечатки СОК. В более общей формулировке СОК — это устойчивое состояние сложной пространст- венно-распределенной нелинейной динами- ческой системы, состоящей из множества под- систем, локально взаимодействующих между собой, испытывающей внешнее, вообще гово- ря, возможно достаточно слабое воздействие, влияющее на некоторую относительно малую часть рассматриваемой системы. Специфика этого состояния — стохастическое возник- новение локальных переходных процессов (неустойчивостей), поддерживающих общую (глобальную) устойчивость этой системы. Отметим двойственную природу самоорга- низованной критичности систем [Aschwanden et al., 2014]. Это СОК-теория или СОК-модель? Двойственная природа СОК-систем пони- мается в том смысле, что они включают как универсальные статистические аспекты, при- менимые для всех СОК-систем, так и специ- альные физические механизмы, являющиеся универсальными для отдельных (частных) СОК- явлений. По этой причине в приложениях ис- пользуется более прагматичное и физически более обоснованное определение СОК-систем: СОК есть критическое состояние нелинейной энергонасыщенной диссипативной системы, которая медленно и непрерывно движется по направлению к критическому значению порога нестабильности, продуцируя внемасштабную, фрактально-диффузионную и перемежающую- ся лавинами динамику [Aschwanden et al., 2014]. Кроме того, многие полагают, что СОК — первая общая теория сложных систем. При этом в своем большинстве модели СОК имеют дело с абстрактными сущностями и их построе- ние и исследование может трактоваться ско- рее как создание языка, нежели как описание реальных систем [Бак, 2014]. Как неотъемлемое проявление СОК тракту- ется фрактальная динамика активных систем [Иудин, 2005]. При этом отмечается широкое разнообразие физических контекстов, в кото- рых реализуется фрактальная динамика кон- кретных систем. Фрактальная динамика — это способ моделирования нелинейных систем, обладающих свойством самоподобия. При этом пространственно временной скейлинг характеризуется сильными, спадающими по степенному закону корреляциями, являющи- мися типичными для критических явлений, а сам критический режим в процессах самоор- ганизации оказывается самосогласованным и самонастраивающимся. СОК и фликкер-шум. Как уже упомина- лось, одной из основных целей авторов СОК являлось объяснение причины возникновения флуктуаций со спектром типа 1/f в сложных неравновесных средах, состоящих из много- численных взаимодействующих подсистем, также нелинейных. Переход системы к СОК обычно сопровождается появлением так на- зываемого «розового» шума с показателем β, близким к единице на низких частотах. При этом концепция СОК представляет «розовый» шум следствием достижения сложной систе- мой критического состояния, к которому эта система склонна приходить, а сама генерация «розового» шума оказывается реализуемой только при согласовании количества элементов в системе с длительностью ее эволюции. П. Бак по этому поводу отмечает: «… мы пришли к выводу, что шум 1/f должен быть кооператив- ным феноменом, когда различные элементы большой системы действуют вместе каким-то согласованным образом» [Бак, 2014]. Интересна точка зрения, что 1/f шум (фликкер-шум) является неотъемлемой осо- бенностью всех систем, находящихся вдали от равновесия, в то время, как белый обыч- ный шум характерен для равновесных систем. СЕЙСМОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ СТРУКТУРЫ Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 29 Очевидно, можно предполагать, что фликкер- шум имеет динамическую природу, однако вынуждены констатировать, что адекватных явлению фликкер-шума моделей все еще нет. Большая часть существующих моделей свя- зывает фликкер-шум с термодинамически равновесными флуктуационными процесса- ми [Бочков, Кузовлев, 1983]. Обычно 1/f-шум достаточно слаб, однако на низких частотах он может оказываться определяющим, превышая на несколько порядков белый, особенно в не- однородных средах. С учетом известного интегрального соот- ношения ( )2 1 2 1 d f f = + предпринимались попытки его интерпретации как результата существования в системе очень широкого набора времен релаксации τ, сумми- рующихся с весом τ–1. С формальной точки зрения описание фликкер-шума оказывается близким к опи- санию «режима с обострением», характерно- му для решений многих нелинейных уравне- ний параболического типа. В этом контексте Ю. Климонтовичем предложена диффузи- онная теория фликкер-шума [Климонтович, 2002]. При этом оказалось, что фликкер-шум представляет собой некую пространственно- временную когерентную структуру. Предпринимались попытки решения про- блемы фликкер-шума в рамках стохастических процессов, с явлением перемежаемости, пред- ставляющего собой непрерывный переход от регулярного движения к хаотическому. Но всегда ли «розовый» шум является доста- точно «розовым»? Согласно работе [Зеленый, Милованов, 2004], явление СОК как сингуляр- ного неравновесного состояния в более широ- ком и общем смысле можно попытаться понять в контексте фундаментальных физических принципов, в частности принципа наименьше- го действия, которые регулируют поведение динамических систем в наиболее общем виде. Как известно, принцип наименьшего действия – если в системе происходят некоторые изме- нения, то количество действия, необходимое для этого изменения, является наименьшим. Это способ получения уравнений движения физической системы с помощью поиска ста- ционарного (часто экстремального, обычно наименьшего) значения специального функ- ционала действия. В рассматриваемом контекте задача состоит в том, чтобы получить СОК из минимального действия в «пространстве неравновесных (ква- зи) стационарных состояний (НСС): из всего многообразия НСС при бесконечно медлен- ном внешнем вынуждении самоорганизован- ная динамическая система выбирает то, для которого действие минимально» [Зеленый, Милованов, 2004]. Именно при достаточно мед- ленном вынуждении, получая определенную свободу организации, стремление системы к СОК становится универсальным явлением, не зависящим от специфики системы. Тем самым, по их мнению, может быть установлено соот- ветствие СОК фундаментальным физическим принципам, лежащим в основе современной теории динамических систем (при соответ- ствующих ограничениях по частоте: с увели- чением частоты шумы в системе, как правило, темнеют). Тем не менее эффективного крите- рия обнаружения СОК в текущем режиме на данный момент нет. Ясно, что понимание сейсмичности как фундаментального следствия эволюции сейс- мотектонической системы с аномально мед- ленной динамикой ограничено и нуждается в уточнении. Как известно, кроме СОК, гео- системы демонстрируют и ряд других важных свойств сейсмичности. Это, в частности, сейс- мический цикл, форшоковая и афтершоковая активности, закон Омори для афтершоков. Отмечаются различия в законе распределения обычных и сильных сейсмических событий (загиб графика повторяемости вниз для редких сильнейших (характеристических) событий) [Родкин и др., 2014]. Существуют, по меньшей мере, два класса динамических факторов, контролирующих изменение сейсмичности в крупных тектони- ческих структурах. Это глобальный, медленно изменяющийся, контролирующий изменение во времени общего числа сильных событий, и локальный, быстро изменяющийся [Фридман и др., 2010]. Современные исследования также свидетельствуют о том, что сами сейсмические события обнаруживают признаки многоуров- невых систем со сложной динамикой, включая пространственно-временную локализацию событий, автомодельность, миграцию актив- ности по системам разломов и нарушений в земной коре. Существенно, что только при медленном вынуждении система получает возможность определенной свободы организации и стрем- ление к СОК становится универсальным яв- В. Н. ШУМАН 30 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 лением [Зеленый, Милованова, 2004]. В этих условиях изучение геосистем (с учетом их принадлежности к СОК) посредством анали- за регистрируемых сигналов, генерируемых системой (сейсмических каталогов, например) без априорной информации о системе, без построения модели, описывающей динами- ку исследуемого ряда (разумеется, не модели «куча песка»), представляет собой практически неразрешимую проблему. И существо дела здесь не в длине каталога, а скорее в присут- ствии шумов в системе, уровень которых дол- жен быть достаточно малым [Лоскутов, 2010]. Как известно, наличие источников шума в нелинейных динамических системах может индуцировать режимы их функционирова- ния, которые не могут быть реализованы при отсутствии шума. Яркий пример — стохасти- ческий резонанс, при котором отклик нелиней- ной системы на внешнее воздействие (даже весьма слабое) заметно усиливается с ростом интенсивности шума в системе [Анищенко и др., 2010]. Обратим также внимание на весь- ма важное обстоятельство: как отличить низ- кочастотный максимум в спектре пульсаций системы, у которой диссипация компенсиру- ется накачкой, от фликкер-шума? [Руманов, 2013]. Стало очевидным, что именно струк- тура шума может дать принципиально новые возможности диагностики геосистем. Но где же граница между регулярной, но сложной динамикой и хаосом, наблюдаемым в динами- ческих системах, не подверженных влиянию внешних шумов или случайных воздействий? Основной критерий — это устойчивость си- стемы к малым возмущениям [Лоскутов, 2010]. Сложность — зависимость отклика системы на внешнее воздействие может быть весьма различной в зависимости от условий самовоз- буждения системы, в том числе и от уровня шу- мов в ней. Следовательно, роль шумов может оказаться значительно более существенной, чем роль эффектов и процессов, связанных с аномально медленной динамикой. С этой точки зрения сейчас кажется весьма удиви- тельным, что парадигма прогнозируемости систем с СОК, характеризующаяся опреде- ленной универсальностью и широкой приме- нимостью, просуществовала столь длительное время. Появилась необходимость развития неких «объединяющих концепций» прогноза динамики геосистем, разработки новых моде- лей, методов и, что не менее актуально, адек- ватных образов и понятий, возможно менее изощренных, применимых для неравновесных систем более общего типа. Сейсмичность и автоволновые процессы. С учетом отмеченной особенности СОК, огра- ниченной весьма жесткими рамками приме- нимости к системам с аномально медленной динамикой, дальнейшее обобщение состояло в том, чтобы описать сейсмический процесс как один из элементов или видов геотектони- ческих процессов, развивающихся во времени и пространстве, в качестве реализации некото- рого нелинейного автоволнового процесса. В свете современной динамической теории не- равновесных нелинейных сред сейсмический процесс — это нестационарная активность геосреды, а в болеее узком частном контексте — фундаментальное следствие эволюции гео- системы к состоянию СОК. Большую роль в такой трактовке сейс- мического процесса играет геометрическое представление эволюции геосистемы в мало- размерных проекциях ее фазового простран- ства. При этом ее поведение может быть опи- сано в терминах аттракторов, устойчивости, бифуркаций, хаоса и т. д., а синхронизация, метастабильность, мультистабильность, си- нергетический характер поведения в услови- ях совместного действия полей напряжений, энергетического и флюидного воздействия следует рассматривать в качестве достаточно общего явления. С этой точки зрения на передний план опи- сания выходят вопросы изучения механизмов пространственно-временной локализации и формирования автоструктур, пространствен- ного саморазвития автоструктур — бифурка- ций их статических образов. В зависимости от энергопотоков из низов литосферы и параметров системы в ней воз- можны реализация мягкого и жесткого ре- жимов возбуждения автоструктур [Кернер, Осипов, 1989]. Слабый хаос как ключевое условие сохра- нения литосферы — реализация мягкого ре- жима возбуждения. Реализация жесткого — сейсмическое событие, формирующееся за счет нестационарного внешнего воздействия, превышающего некоторый пороговый уро- вень. При этом хаос есть фактор обновления сложной организации геосистемы, механизм выхода на одну из возможных тенденций ее развития и способ сохранения целостности, фактор приспособления к изменениям в окру- жающей среде. Предполагается, что связующим звеном между топологией автоструктур и их динами- кой может являться представление о неравно- СЕЙСМОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ СТРУКТУРЫ Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 31 весном квазистационарном состоянии (фазе с обострением), переход к которому в условиях обмена энергией и веществом реализуется по- роговым образом. Однако в ансамблях структур, состоящих из очень большого числа элементов, обыч- но значительно расширяется область пара- метров, где весьма затруднительно или даже невозможно отслеживать пространственные образы, которым в фазовом пространстве со- ответствует аттрактор. В данной области па- раметров оказываются наблюдаемыми лишь метастабильные (переходные) образы, кото- рым в фазовом пространстве рассматриваемой модели соответствуют уже не аттракторы, а переходные множества траекторий [Гапонов- Грехов, Рабинович, 1987а,б]. В этом случае задача о бифуркациях системы для теории про- странственных образов на основе ее фазового пространства из-за своей сложности оказы- вается практически неразрешимой. Заметим, что сильная нелинейность также разрушает фазовое пространство системы. С учетом этих обстоятельств можно попытаться дать более адекватное определение сейсмического про- цесса как результата устойчивой переходной активности геосреды с конечной во времени плотностью потоков энергии и вещества, свя- занной с переходами пространственных об- разов как последовательность неравновесных квазистационарных состояний, обусловлен- ных взаимодействием ее подсистем и их ансам- блей — постройкой ритмов осциллирующих объектов и подавлением одних колебательных мод другими. Ясно, что стремление геосистем к СОК (критическим режимам), являющегося следствием физического принципа минималь- ности действия в пространстве неравновесных квазистационарных состояний, только в этом частном случае становится универсальным яв- лением, не зависящим от специфики системы [Зеленый, Милованов, 2004]. Следовательно, современной сейсмично- сти соответствует и геосреда, и переходный динамический процесс, обусловленный су- ществованием метастабильных состояний и структурной устойчивостью переходных ре- жимов. В итоге представляется заманчивой идея рассматривать вместо аттракторов, ко- торым соответствуют устойчивые состояния равновесия, теорию переходов пространствен- ных образов (превращений одних образов в другие) — «устойчивые переходные движения вместо аттракторов» [Рабинович, Мюезинолу, 2010]. В этом случае шумы различной природы, интенсивности и цветности, очевидно, могут проявляться только на определенном, соот- ветствующим их масштабу, иерархическом уровне структурной и термодинамической организации. Возбудимые среды и автоструктуры. Как уже отмечалось, геосреда — это неравновесная система, относящаяся к классу так называемых возбудимых сред, которые имеют конечный порог неустойчивости. Внешнее воздействие, превышающее пороговый уровень, способно вывести некоторые ее элементы из устойчи- вого состояния и заставить систему совер- шать некоторую эволюцию. Если эволюция системы контролируется минимумом произ- водства энтропии, происходит образование динамических структур. Для процессов струк- турообразования в подобных средах наиболее характерно «саморазвитие» структур в про- странстве, сосуществование локализованных возбуждений, мультистабильность, развитие пространственно-неупорядоченных структур, самозарождение устойчивых локализованных образований — автоструктур, превращение одних структур в другие — при изменении параметров среды — бифуркации простран- ственных образов [Гапонов-Грехов, Раби- нович, 1987а,б], наличие пространственных флуктуаций или пространственных шумов, хаотическая динамика ансамблей их подсистем и их синхронизация. Понятие структуры весьма широкое. Оно лежит в основе современной математики. В реальных системах обычно имеют дело с про- странственными или временными структу- рами. При этом пространственно-временная структура является всеобщим и фундаменталь- ным свойством материи [Эбелинг,1979]. Напомним в этой связи, что в соответствии с принципом максимальной диссипации [Та- раненко и др., 2008], структура в системе воз- никает спонтанно, если система со структурой обладает большей диссипацией, чем система без структур. Под структурой системы обычно понимают способ организации ее элементов и характер связи между ними. Определенный класс пространственно-временных структур в неравновесных средах получил название авто- волновых. Автоволны — одни из важнейших факторов в самоорганизации в термодинами- ческих открытых неравновесных системах, один из видов самоподдерживающихся волн в возбудимых (активных) средах, которые содер- жат внутренние распределенные источники энергии. Автоструктуры — локализованные В. Н. ШУМАН 32 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 пространственные образования, устойчиво существующие в диссипативных неравновес- ных средах. Как известно, высокоорганизованные пространственные структуры в средах с дис- сипацией, далеких от термодинамического равновесия, представляют собой одну из об- ластей физики. При этом наиболее актуаль- ным является исследование формирования и динамики автоструктур [Рабинович, Сущик 1990; Турунтаев и др., 2012]. Автоструктуры — весьма нетривиальный объект. Выделяют динамические, локализованные, статические, стационарные, уединенные автоструктуры. Независимость (в некоторых пределах) от ко- нечных изменений граничных и начальных условий — главное свойство автоструктур, что оказывается возможным лишь в средах с диссипацией. Существенно, что в реальных физических экспериментах обычно наблюда- ются не индивидуальные автоструктуры, а их ансамбли — ансамбли связанных автоструктур [Рабинович, Сущик 1990; Гапонов-Грехов, Ра- бинович,1987]. Исследование динамики пространственных ансамблей автоструктур сопряжено обычно с постановкой новых нетривиальных задач, в частности задачи о пространственных бифур- кациях, развивающихся на фоне изменения параметров системы, а в пространстве — вдоль энергомассопотока, является весьма сложной задачей. Она гораздо сложнее задач теории бифуркаций динамических систем: если на основании классической теории бифуркаций в динамической системе в принципе можно предсказать все возможные ее движения на основании элементов ее фазового простран- ства, то для теории переходов пространствен- ных образов такая постановка задачи выгля- дит нереальной [Гапонов-Грехов, Рабинович, 1987а,б]. В этом случае аналитические возмож- ности исследования автоструктур и динами- ки их ансамблей, как уже отмечалось, оказы- ваются ограниченными рамками некоторых модельных уравнений, что весьма экзотично. Численное же их исследование весьма затруд- нено и требует чрезвычайно много времени. Таким образом, изучение механизмов пространственно-временной локализации и формирования автоструктур, их простран- ственного саморазвития — бифуркаций ста- тических образов в зависимости от параме- тров энергопотока и уровня шумов в системе, остается весьма актуальной задачей. Можно предполагать, что связующим звеном между топологией автоструктур (и, вероятно, топо- логией межблочной системы) и ее динамикой является представление о неравновесном ква- зистационарном состоянии геосистемы (фазе с обострением), переход к которому осущест- вляется при некотором условии (или пороге) обмена энергией и веществом с внешней сре- дой — за счет многомасштабных корреляций в пространстве и времени. При этом простран- ственные корреляции обнаруживают себя в характеристиках (параметрах) автострук- тур, которые, в свою очередь, отражаются в структуре и динамике спонтанного излучения, регистрируемого в геосреде. Заметим в этой связи, что диссипация может осуществляться за счет генерации автоструктурой излучений различной физической природы. При этом проблема перестройки пространственных из- лучений в среде — это проблема, связанная с бифуркациями в пространственных ансамблях автоструктур, превращений одних простран- ственных образований в другие. Но как экспериментально можно обнару- жить и диагностировать эти пространственные образы и получить представление в динамике превращений одних пространственных обра- зований в другие? Ответ почти очевиден, если вспомнить, что спонтанная эмиссия — и сейсмическая, и электромагнитная, является отражением соб- ственной эволюции геосистемы, а его спектр отражает стадию этой эволюции [Шуман, 2014а, б; 2015]. Природа спонтанной эмис- сии — трансформация собственной энергии геосреды в различные локально неустойчивые состояния, которые и становятся ее источни- ками при различных внешних энергетиче- ских воздействиях. Весьма существенно, что спонтанные эмиссии, в отличие от вынужден- ных излучений, не зависят от этих внешних вынуждающих воздействий, а определяют- ся только свойствами геосистемы. При этом, разумеется, следует предусмотреть возмож- ность различного физического содержания процессов генерации спонтанных эмиссий — и сейсмоакустической, и электромагнитной, на разных уровнях геометрически самоподоб- ной блоковой системы. Как известно, к настоящему времени лучше всего изучены процессы в возбудимых (актив- ных) средах, где их элементы и подсистемы связаны между собой диффузионным спосо- бом. Подобные среды описываются парабо- лическими нелинейными уравнениями типа «реакция—диффузия» вида СЕЙСМОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ СТРУКТУРЫ Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 33 2 ( )D t W W F W , где W — вектор состояния элементарного объема возбудимой среды, D — матрица (ко- эффициент) диффузии, F(W) — нелинейная векторная функция, интегрально задающая интенсивность соответствующих преобразова- ний, в частности механизмов механоэлектро- магнитных преобразований. При этом специ- фические возбудимые свойства геосреды определяются формой нелинейной функции F(W) [Давыдов и др., 1991]. В последние годы спонтанному сейсмоэлек- тромагнитному шуму (спонтанной эмиссии) придается самостоятельное значение [Хаякава, Коровкин, 2011; Шуман 2014а, б; 2015], а на передний план выходят задачи синтеза тео- рии переходов пространственных образов и сейсмоэлектромагнетизма. Это связано с тем, что переход к неравновесному квазистацио- нарному состоянию геосистемы, реализуемом при некотором пороге обмена энергией и ве- ществом с окружающей средой, обнаруживает себя в характеристиках автоструктур, кото- рые, в свою очередь, отражаются в структуре и динамике спонтанных эмиссий литосферно- го происхождения. Как уже отмечалось, эти эмиссии обладают упорядоченной структурой и динамикой геосреды, в частности связаны с геометрией ее межблочной структуры. Весьма примечательно, что спонтанные эмиссии, ко- торые можно назвать геометрическим шумом литосферы, также могут быть истолкованы в терминах автоколебаний. Автоструктуры и спонтанные эмиссии ли- тосферы. Как уже упоминалось, эволюция процессов и объектов в литосфере не может рассматриваться вне рамок автоволновых пространственно-временных структур. Уста- новлено, что геосистемы способны формиро- вать различные пространственно-временные структуры активности, представляющие собой импульсы и фронты возбуждения, неустой- чивость которых ведет к установлению в них самоподдерживающихся колебаний с опреде- ленной пространственной конфигурацией. При этом каждый из элементов или подсистем генерирует последовательность импульсов возбуждения с различной пространственной частотой. Автоколебания взаимодействуют между собой, формируя в неоднородной ге- осреде более устойчивую и геометрически простую конфигурацию со стоячими волнами [Васильев и др., 1979]. Автоволновые структуры возникают в си- стемах, неравновесность которых определяет- ся величиной энергомассопотоков, а их тип — характерными пространственно-временными масштабами этих потоков. Реализуется «мяг- кий» или «жесткий» режим возбуждения ав- тоструктур [Кернер, Осипов, 1989], причем разрывные (релаксационные) автоколебания с частичным сбросом энергии в процессе своей эволюции в виде электромагнитной и сейсми- ческой спонтанной эмиссии активно способ- ствуют изменению их естественного фона, ре- гистрируемого в геосреде и на ее поверхности. В более широком контексте спонтанные эмис- сии могут быть истолкованы как некоторый суммарный, интегральный эффект проявления движений различного рода в земной коре и всей литосфере, особенностей их строения, напряженно-деформированного состояния и процессов разрушения на различных мас- штабных уровнях — от локальных очаговых областей до глобальных сейсмоэлектромаг- нитогенерирующих структур. Это — результат устойчивой переходной активности геосреды, способов релаксации накопленных напряже- ний и многочисленных физических механиз- мов их генерации, определенных, в конечном счете, плотностью потоков энергии и вещества из низов литосферы и их пространственно- временными параметрами. При этом рожде- ние диссипативных структур (автоструктур) носит пороговый характер: новая структура всегда является результатом неустойчивости системы и возникает из флуктуаций, причем спонтанные эмиссии – их чувствительный и надежный индикатор. К настоящему времени накоплены доста- точно обширные экспериментальные и тео- ретические свидетельства реальности суще- ствования спонтанной эмиссии литосферного происхождения [Гульельми, 2007; Чеботарева, 2011; Шуман и др., 2012]. Однако трудности ее описания и интерпретации, очевидно по при- чине онтологической сложности этого объекта исследований, все еще остаются весьма значи- тельными [Шуман, 2012]. В рассматриваемом контексте принци- пиально важное значение имеет известная флуктуационно-диссипативная теорема физи- ки, смысл которой состоит в том, что механизм любой диссипации является одновременно и механизмом рождения флуктуаций [Кадомцев, 1994]. В итоге по причине того, что просачива- ние флюидов и легких газов из верхней мантии носит, как принято считать, диффузионную В. Н. ШУМАН 34 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 природу, можно предположить о возможно- сти реализации условий для возникновения спонтанных эмиссий (геометрического шума). Но каковы конкретные физические меха- низмы, превращающие геосистемы в распре- деленный генератор спонтанных эмиссий, в частности сейсмоэлектромагнитных? Как из- вестно, их не так мало. Не претендуя на анализ или даже на перечисление их совокупности (более детальные сведения приведены в рабо- тах [Сурков, 2000; Гульельми, 2007; Чеботарева, 2011; Шуман, 2012]), укажем на некоторые из них. В частности, один из возможных механиз- мов основан на фрактальной модели сейсмо- генеза — самосогласованной перколяцион- ной модели распределенной сейсмичности, обусловленной и связанной с перколяционной неустойчивостью дегазирующего субстрата литосферы [Иудин, 2005]. Примечательно, что именно процессы дегазации и, соответствен- но, механизм перколяционной неустойчиво- сти, насыщенной флюидами и легкими газами литосферы, превращают ее в распределен- ный сейсмический генератор. С процессами дегазации, с пространственно-временными потоками энергии и вещества из низов лито- сферы (верхней мантии) могут быть связаны и механизмы генерации электромагнитной эмиссии. В этом случае в качестве базового механизма генерации очевидно может быть принято переходное фрактальное рассеивание волны (возмущения) диэлектрической про- ницаемости (появление которой также обу- словлено процессами дегазации) на зарядах, сгустках зарядов или диполей, содержащихся в геосреде или возникающих в ней в течение этих процессов. При этом любое переходное излучение можно рассматривать как следствие процесса трансформации возмущения прони- цаемости с образованием электромагнитных, а в принципе, и других типов волн [Гинзбург, Цытович, 1984]. Разумеется, для низкочастотных возмуще- ний диэлектрической проницаемости рассеи- вание возможно только в том случае, если их частота лежит в окне прозрачности геосреды. Но, во-первых, восходящие флюидные и газо- вые потоки сопряжены с образованиями фрак- тальных агрегатов в таких системах, что резко увеличивает мощность генерируемого в них излучения и возможности его выхода из зем- ных недр на дневную поверхность. Во-вторых, наличие в среде магнитного поля земного ядра также меняет суть дела: в этом случае возмож- но формирование и распространение спираль- ных (геликоидальных) волн (или автоволн), весьма слабо затухающих низкочастотных колебаний. При этом, разумеется, следует учи- тывать возможность различного физического содержания процессов генерации спонтан- ных излучений различной природы на разных пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения как-то противопоставлять или разграничивать спонтанные сейсмиче- ские (сейсмоакустические) и электромагнит- ные шумы литосферного происхождения как универсального свойства геосреды далеко не очевидно и не всегда целесообразно. О формировании очагов. Ввиду исключи- тельной сложности динамики геосистем и про- исходящих в них процессов до настоящего времени вопрос о фундаментальных основах физики и механики формирования очагов сейсмических процессов остается открытым [Пантелеев и др., 2012; Гуфельд, 2007; Гульель- ми, 2015]. Остаются нерешенными ключевые вопросы физики и механики разрушения и сейсмических явлений в земной коре. Отсут- ствует адекватная реологическая модель геоди- намических процессов в мантии и литосфере, рассматриваемой в качестве холодного погра- ничного слоя, сформированного мантийной конвекцией [Биргер, 2012]. Очевидно, сегодня превалируют две каче- ственные модели подготовки сейсмических событий. Это дилатансная, в основу которой положена зависимость объемных деформа- ций касательных воздействий и лавинно- устойчивого трещинообразования, процессы в которой связываются с особенностями взаи- модействующих между собой трещин. По- лучили признание подходы, в соответствии с которыми развитие процесса очага может быть представлено в рамках эволюции неравно- весных динамических систем с характерным типом критических явлений — структурно- скейлинговыми переходами, самоорганизо- ванной критичностью и закономерностями пространственно-временного скейлинга при реализации сейсмических событий [Наймарк, 2008]. Предложена физико-химическая модель сейсмичности, в основе которой лежит пред- ставление о реакции блочной геосреды на взаимодействие с восходящими потоками легких газов [Гуфельд, 2007]. Однако, хотя современное понимание процессов и струк- туры геосреды, несомненно, дает основание для оптимизма, отмечается [Гуфельд, 2013] и СЕЙСМОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ СТРУКТУРЫ Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 35 некая безысходность в представлении о сейс- мическом процессе. В этом контексте с учетом многообразия модельных геофизических си- стем представляется привлекательной идея по- строения некой, хотя бы и достаточно грубой феноменологической модели сейсмичности. Однако на протяжении длительного времени эта идея не находила широкого признания, поскольку построенные на ее основе примеры носили весьма абстрактный характер и, во- обще говоря, было неясно, имеют ли подобные представления какое-либо отношение к реаль- ности. И лишь в последние годы ситуация нача- ла изменяться. Предприняты попытки связать формирование очаговой зоны землетрясения с процессами, снижающими скорость диссипа- ции энергии в некоторой локальной области геосреды, а следовательно, и скорости роста энтропии [Шаповал, Шнирман, 2011]. Это — процесс в некоторой области открытой не- равновесной и самоорганизованной системы, удовлетворяющий принципу минимального производства энтропии. При этом зарожде- ние локальных областей (состояний с низкой энтропией) в конечном счете ведет к ускоре- нию общего роста энтропии всей системы в целом. В этом случае, если эволюция системы контролируется минимумом производства эн- тропии (неравновесные условия), происходит самоорганизация диссипативных структур. Как известно, термин «диссипативная структу- ра» подчеркивает термодинамический аспект проблемы: они появляются и существуют в термодинамически открытых системах за счет диссипативных процессов утилизации энергии и энтропии [Васильев и др., 1979, с. 652]. Часто под диссипативными структурами понимается комплекс явлений самооргани- зации в неравновесных средах. Очевидно, в принципиальном плане способность к само- организации в диссипативных средах, которые описываются нелинейным уравнением тепло- проводности l mT T T T t r r , где α, β, l, m — некоторые константы, тем- пература, была теоретически установлена еще в 1977 г. [Самарский и др., 1977]. Среди пред- сказанных эффектов отметим следующие: – образование метастабильной локализации тепла в некоторой локальной области среды, размер (фундаментальная длина) которой 2 m l T m lL T T ; – в случае возникновения нескольких таких областей метастабильной локализации они взаимодействуют между собой. Существенно, что предпочтение, отдаваемое критическим режимам функционирования, обусловлено их относительным термодина- мическим преимуществом — свободная энер- гия ансамблей ее подсистем понижается при формировании пороговых конструкций. При этом неравновесное критическое состояние системы (фазы с обострением), переход к кото- рому осуществляется пороговым образом (не- котором пороге обмена энергией и веществом с окружающей средой), реализуется за счет многомасштабных корреляций в простран- стве и времени. В случае резонанса система минимально излучает и максимально запасает энергию. При резком снижении скорости дис- сипации поступающей в эту область геосистемы энергии оказывается неизбежным ее выброс. Примечательно, что при таком подходе, ко- торый может быть назван термодинамическим, не имеет принципиального значения природа источника напряжений в земной коре. Далее, весьма важно, что эволюция процессов и объ- ектов в литосфере не может осуществляться вне рамок автоволновых процессов, являю- щихся пространственно-временными структу- рами. Сами сейсмические события, а также их форшоки и афтершоки связаны с трансформа- цией автоволновых структур в диссипативные структуры обострения, требуют для своего существования постоянного притока энергии и вещества. При этом формирование очаговой зоны определяется как уровнем и скоростью изменений пронизывающих систему энерго- потоков, так и топологией дефектов на каждом пространственном масштабе. В итоге форми- рование очага оказывается тесно связанным с автоструктурой большой амплитуды (жесткий режим возбуждения), в то время как слабый хаос (спонтанный фон излучений различной природы — геометрический шум литосферы) может интерпретироваться в качестве реали- зации мягкого режима возбуждения. Возника- ет естественная задача изучения механизмов пространственно-временной локализации и формирование автоструктур, их простран- ственного саморазвития в зависимости от параметров энергопотока и уровня шумов в системе. В. Н. ШУМАН 36 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 Весьма заманчиво, что при таком подходе, как уже отмечалось, можно попытаться укло- ниться от сложных вопросов природы напря- жений и механики разрушения, в частности отклика геосреды с дефектами на внешнюю нагрузку, а получаемые результаты моделиро- вания процесса формирования очага вмонти- ровать в эту достаточно грубую схему. Некоторые замечания и комментарии. Оче- видно, современные методы моделирования и прогноза сейсмичности в своем большинстве опираются на концепцию самоорганизован- ной критичности как одну из парадигм со- временной нелинейной физики и, в принци- пе, находятся в русле идей и методов теории динамических систем, задекларированных еще в 70—80-х годах прошлого века. Это по- зволило по-новому взглянуть на новые гео- физические факты, представления и процес- сы. В частности, с учетом экспериментально обнаруженных степенных распределений и автомодельных свойств сейсмичности принято считать, что процесс подготовки сейсмиче- ских событий порождается типичной системой с СОК. Как неотъемлемое проявление СОК интерпретируется фрактальная динамика ак- тивных геосистем [Иудин, 2005]. По данным обширных каталогов землетрясений опреде- лена фрактальная природа сейсмичности раз- личных сейсмоактивных зон [Захаров, 2014]. Принято считать, что фрактальные структуры и 1/f-шум (фликкер-шум) — соответственно, пространственные и временные срезы само- организации [Бак, 2014]. Исследованы теоретические аспекты и осо- бенности прогнозируемости в ряде матема- тических моделей с СОК, демонстрирующих основные, грубые свойства сейсмичности. Однако из-за сложности проблемы прогнози- руемости систем с СОК она исследовалась, в основном, эмпирически [Шаповал, 2011]. Не- смотря на понимание связи СОК с аномально медленной динамикой систем, это все еще в значительной степени эмпирическая концеп- ция без должного теоретического обоснова- ния. До настоящего времени нет эффективного критерия СОК геосистемы в текущем режиме, нет и общей теории, охватывающей широкий спектр расходимостей типа 1/f . К тому же экс- периментально установлены и существенные различия в законах распределения обычных и сильных сейсмических событий [Родкин и др., 2014]. Стало очевидным, что задача про- гноза, особенно краткосрочного, значительно сложнее, чем это предполагалось еще совсем недавно, и выходит за рамки устоявшихся представлений. Уже в своей постановке она нуждается в коррекции. В частности, понима- ние сейсмического процесса в качестве фунда- ментального следствия эволюции геосистемы к состоянию СОК ограничено рамками динами- ки систем с аномально медленной динамикой [Зеленый, Милованов, 2004]. При этом «ста- ционарность модельной системы имеет место лишь на чрезвычайно длинных временных интервалах, соответствующих десятилетиям эволюции сейсмического процесса» [Шаповал, 2011]. Примечательно, что в центре исследований современной сейсмологии оказались высоко- организованные пространственные структуры в диссипативных средах, далеких от термо- динамического равновесия. Стала очевидной потребность смены классической парадигмы СОК на новую. В частности, это может быть парадигма переходов (бифуркаций) простран- ственных образов в неоднородной активной (возбудимой) геосреде, которые находят от- ражение в структуре и динамике спонтанных эмиссий. С позиций современной нелинейной дина- мики можно попытаться дать иную феномено- логическую трактовку сейсмического процес- са. В частности, он может быть истолкован как результат устойчивой переходной активности энергонасыщенной геосистемы с конечной во времени плотностью потоков энергии и вещества. Это последовательность неравно- весных квазистационарных состояний (ННС) геосистем, переходы к которым реализуются посредством механизмов бифуркаций и хаоса. В определенном смысле сейсмический процесс — это метастабильные состояния геосреды и последовательность таких состояний. При этом переход к ННС реализуется при некотором по- роге обмена энергией и веществом с окружаю- щей средой и определяется уровнем шумов в системе путем многомасштабных корреляций в пространстве и времени. В этом контексте одной из важнейших задач является исследова- ние влияния шумов различной интенсивности и цветности на динамику пространственных ансамблей автоструктур и превращений одних пространственных образов в другие. Существенно, что пространственные кор- реляции обнаруживают себя в пространствен- ных структурных характеристиках автострук- тур и, соответственно, спонтанных излучений — сейсмических, сейсмоакустических, элек- тромагнитных. Механическая сторона этой СЕЙСМОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ СТРУКТУРЫ Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 37 проблемы — рассмотрение деформируемой геосреды как нелинейной многоуровневой системы, которое позволяет определить меха- низмы формирования локальных зон сильно- неравновесных состояний, в которых зарож- даются деформационные дефекты различного масштабного уровня [Макаров, 2012]. С этой точки зрения землетрясение ассоциируется с автоструктурой большой амплитуды, транс- формирующейся в диссипативную структуру с обострением пороговым образом (жесткий режим возбуждения), фоновая сейсмичность — с трансформациями автоструктур малой амплитуды (слабый хаос, мягкий режим воз- буждения). Слабость хаоса — ключевое усло- вие существования литосферы. Но в ансамблях структур, состоящих из большого числа эле- ментов, пространственные образы, которым в фазовом пространстве соответствует аттрак- тор, фактически ненаблюдаемы. Оказываются наблюдаемыми лишь переходные метастабиль- ные образы, которым в фазовом пространстве модели соответствуют уже не аттракторы, а переходные множества траекторий [Гапонов- Грехов, Рабинович, 1987]. Напомним в этой связи, что геометрический образ метастабильного состояния в фазовом пространстве модели — это седло, а переходу из одного метастабильного состояния в другой соответствует неустойчивая сепаратриса седла [Рабинович, Мюезинолу, 2010]. Но, так как время, проводимое системой в окрестности сед- лового равновесия, обратно пропорционально логарифму уровня шумов, характерное время переходного процесса может быть весьма боль- шим и изменяться в широких пределах. Связь между топологией автоструктур и их динами- кой реализуется посредством представлений о неравновесных квазистационарных состоя- ниях геосистемы, одним из важных свойств которых является стремление к СОК, обуслов- ленное ее (геосистемы) термодинамикой. Заключение. Какие выводы можно сделать, исходя из современного состояния исследо- ваний по вопросам прогнозируемости сейс- мического процесса и его реализации в отно- шении конкретных сейсмических событий? Очевидно, в сжатой форме с привлечением некоторых идей и методов теории активных динамических систем наиболее значимые из них, по мнению автора, могут быть сформули- рованы в следующем виде. 1. Показано теоретически и эксперимен- тально установлен факт весьма быстрых из- менений параметров геосистем и сред с ак- тивными внутренними источниками энергии. Это, вообще говоря, выводит их за рамки си- стем с аномально медленной динамикой, когда стремление к СОК становится универсальным явлением, не зависящим от их специфики, и определенно требует развития более обосно- ванного инструментария исследований, более адекватных образов и понятий, типичных для систем более общей природы. 2. Очевидно, для будущих эксперименталь- ных работ в этой области наиболее прием- лемыми являются исследования процессов формирования автоструктур, их превращений при изменении параметров геосистем, их хао- тической динамики («структурной турбулент- ности») и их отражении в пространственно- временной мозаике полей спонтанных эмис- сий, генерируемых в литосфере. 3. Имеются весомые аргументы в необхо- димости смены парадигмы СОК и понимания сейсмичности как фундаментального след- ствия эволюции сейсмотектонических систем с аномально медленной динамикой на новую — парадигму переходов пространственных об- разов в неоднородной активной (возбудимой) геосреде и интерпретации сейсмичности в качестве реализации некоторого нелинейного автоволнового процесса. 4. Наличие источников шума в нелинейных динамических геосистемах может индуциро- вать режимы их функционирования, которые не могут быть реализованы в его отсутствие. 5. Среди приоритетных исследований, по- зволяющих приблизить ситуацию к экспери- ментальной, можно назвать: – изучение процессов и механизмов пространственно-временной локализации и формирования пространственных ансамблей автострутур, в частности их пространственно- го развития и трансформации в диссипативные структуры с обострением; – исследование хаотической синхрониза- ции как естественного развития теории дина- мического хаоса, изучения пространственного хаоса и его роли в формировании простран- ственных ансамблей структур, взаимоотноше- ний пространственного и временного хаоса и его связи с динамикой геосистем; – синтез идей нелинейной динамики и сейс- моэлектромагнетизма, изучение простран- ственно-временной структуры и динамики спонтанных эмиссий, их статических портре- тов и распространяющихся фронтов синхро- низации, роста автокорреляции и вариабель- ности; В. Н. ШУМАН 38 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 – теоретический и экспериментальный ана- лиз механизмов реализации процессов дефор- мирования и способов релаксации накапливае- мых напряжений. Несомненно, эти задачи весьма сложны, многогранны и в значительной степени меж- дисциплинарны. Однако проблемы, связанные с их решением в свете современных теоретиче- ских и экспериментальных наработок и новых технических и технологических возможностей, отнюдь не кажутся безнадежными, но, очевид- но, требуют разработки некоторой глобальной программы, глобального проекта динамической сейсмологии и сейсмоэлектромагнетизма. И такая программа представляется вполне ре- альной и выполнимой в обозримом будущем. Анищенко В. С., Вадивасова Т. Е., Стрелкова Г. И. Автоколебания динамических и стохастических систем и их математический образ — аттрактор. Нелинейная динамика. 2010. Т. 6. № 1. С. 107—126. Бак П. Как работает природа. Москва: Книжный дом «Либроком», 2014. 276 с. Биргер Б. И. Неустановившаяся ползучесть и ее роль в геодинамике. Физика Земли. 2012. № 6. С. 34—42. Бочков Г. Н., Кузовлев Ю. Е. Новое в исследованиях 1/f-шума. Успехи физ. наук. 1983. Т. 141. Вып. 1. С. 151—176. Васильев А. Н., Романовский Ю. М., Яхно В. Г. Авто- волновые процессы в распределенных кинети- ческих системах. Успехи физ. наук. 1979. Т. 128. Вып. 4. С. 625—666. Гапонов-Грехов А. В., Рабинович М. И. Нелинейная динамика неравномерных сред: структуры и турбулентность. Успехи физ. наук. 1987а. Т. 152. Вып. 5. С. 159—162. Гапонов-Грехов А. В., Рабинович М. И. Автострук- туры. Хаотическая динамика ансамблей. В сб.: Нелинейные волны. Структуры и бифуркации. Москва: Наука, 1987б. С. 7—47. Гинзбург В. Л., Цытович В. Н. Переходное излучение и переходное рассеяние (некоторые вопросы теории). Москва: Наука, 1984. 360 с. Гульельми А. В. Ультранизкочастотные волны в коре и в магнитосфере Земли. Успехи физ. наук. 2007. Т. 177. № 12. С. 1257—1276. Гульельми А. В. Форшоки и афтершоки сильных землетрясений в свете теории катастроф. Успехи физ. наук. 2015. Т. 185. № 4. С. 415—429. Гуфельд И. Л. Возможен ли прогноз сильных коро- вых землетрясений? Вестник РАН. 2013. Т. 83. № 3. С. 236—245. Гуфельд И. Л. Сейсмический процесс. Физико- Список литературы химические аспекты. Королев: ЦНИИМаш, 2007. 160 с. Гуфельд И. Л., Новоселов О. Н. Сейсмический про- цесс в зоне субдукции. Мониторинг фонового режима. Москва: Изд-во МГУЛ, 2014. 100 с. Давыдов В. А, Зыков В. С., Михайлов А. С. Кинемати- ка автоволновых структур в возбудимых средах. Успехи физ. наук. 1991. Т. 161. № 8. С. 45—86. Захаров В. С. Самоподобие структур и процессов в литосфере по результатам фрактального и динамического анализа: Автореф. дис. … д-ра геол.-мин. наук. Москва, 2014. 35 с. Зеленый Л. М., Милованов А. В. Фрактальная тополо- гия и странная кинетика: от теории перколяции к проблемам космической электродинамики. Успехи физ. наук. 2004. Т. 174. № 8. С. 810—851. Иудин Д. И. Фрактальная динамика активных си- стем: Автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. Ниж- ний Новгород, 2005. 30 с. Кадомцев Б. Б. Динамика и информация. Успехи физ. наук. 1994. Т. 164. № 5. С. 449—530. Кернер Б. С., Осипов В. В. Автосолитоны. Успехи физ. наук. 1989. Т. 137. Вып. 2. С. 201—261. Климонтович Ю. Введение в физику открытых си- стем. Москва: Янус-К, 2002. 284 с. Короновский Н., Наймарк А. Непредсказуемость землетрясений как фундаментальное следствие нелинейности геодинамических систем. Вестник Моск. ун-та. 2012. Сер. 4. № 6. С. 3—11. Лоскутов А. Ю. Очарование хаоса. Успехи физ. наук. 2010. Т. 180. № 2. С. 1305—1329. Макаров Н. В. Возможности современных методов геомеханического моделирования в приложении к задачам наук о Земле. Москва: Изд. МФЗ РАН, 2012. 14 с. Наймарк О. Б. Структурно-скейлинговые переходы СЕЙСМОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ СТРУКТУРЫ Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 39 и автомодельные закономерности развития зем- летрясений. Физическая мезомеханика. 2008. Т. 1. № 2. С. 89—106. Наймарк А. А., Захаров В. С. О соотношениях на- правленности, цикличности и нелинейности в геологических процессах. Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2012. Вып. 19. № 1. С. 181—189. Пантелеев И. А., Плехов О. А., Наймарк О. Б. Не- линейная динамика структур обострения в ан- самблях дефектов как механизм формирования очагов землетрясений. Физика Земли. 2012. № 6. С. 43—55. Рабинович М. И., Мюезинолу М. К. Нелинейная динамика мозга: Эмоции и интеллектуальная деятельность. Успехи физ. наук. 2010. Т. 180. № 4. С. 371—387. Рабинович М. И., Сущик М. М. Регуляторная и хаоти- ческая динамика структур в течениях жидкости. Успехи физ. наук. 1990. Т. 160. Вып. 1. С. 3—63. Родкин М. В., Писаренко В. Ф., Нго Тхи Лы, Рукавиш- никова Т. А. О возможных реализациях закона распределения редких сильнейших землетря- сенийю. Электронный журнал «Геодинамика и тектонофизика». 2014. Т. 5. № 4. С. 893—904. Руманов Э. Н. Критические явления вдали от рав- новесия. Успехи физ. наук. 2013. Т. 183. № 1. С. 103—112. Самарский А. А., Еленин Г. Г., Змитренко Н. В., Кур- дюмов С. Г. Горение нелинейной среды в виде сложных структур. Докл. АН СССР. 1977. Т. 237. № 6. С. 1330—1333. Сурков В. В. Электромагнитные эффекты при земле- трясениях и взрывах. Москва: Изд. Моск. инж.- физ. ин-та, 2000. 235 с. Тараненко В. Б., Слексис С. П., Вайсс К. О. Про- странственные резонаторные солитоны. В кн.: Диссипативные солитоны. Москва: Физматлит, 2008. С. 109—200. Турунтаев С. Б., Ворохобина С. В., Мельчаева О. Ю. Выявление техногенных изменений сейсмиче- ского режима при помощи методов нелинейной динамики. Физика Земли. 2012. № 3. С. 52—65. Фридман А. М., Поляченко Е. В., Насырканов Н. Р. О некоторых корреляциях в сейсмодинамике и двух компонентах сейсмической активно- сти Земли. Успехи физ. наук. 2010. Т. 180. № 3. С. 303—312. Хаякава М., Коровкин Н. В. Сейсмоэлектромагнит- ные явления как новая область исследования радиоволновых явлений: XII Всемирный электро- технический конгресс. ВЭЛК 2011. 4—5 октя- бря 2011 г. Доклады и презентации. http://www. ruscable.ru//article/report/ Чеботарева И. А. Структура и динамика геосре- ды в шумовых сейсмических полях. Методы и экспериментальные результаты. Акустика не- однородных сред. Ежегодник РАО. 2011. Вып. 12. С. 147—156. Шаповал А. Б. Вопросы прогнозируемости в изо- тропных моделях с самоорганизованной кри- тичностью: Автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. Москва, 2011. 35 с. Шаповал А. Б., Шнирман М. Г. Универсальность алго- ритмического прогноза экстремальных событий временных рядов. Информационные технологии и вычислительные системы. 2011. № 4. С. 58—65. Шуман В. Н. Нелинейная динамика геосреды: пере- ходные процессы и критические явления. Гео- физ. журн. 2014а. Т. 36. № 6. С. 129—142. Шуман В. Н. Нелинейная динамика, сейсмичность и аэрокосмические зондирующие системы. Гео- физ. журн. 2015. Т. 37. № 2. С. 38—55. Шуман В. Н. Сейсмический процесс и современные мониторинговые системы. Геофиз. журн. 2014б. Т. 36. № 4. С. 50—64. Шуман В. Н. Электродинамика фрактальных сред, переходное фрактальное рассеяние и электро- магнитный шум литосферы. Геофиз. журн. 2012. Т. 34. № 1. С. 3—13. Шуман В. Н., Коболев В. П., Старостенко В. И., Бур- кинский И. Б., Лойко Н. П., Захаров И. Г., Яцю- та Д. А. Метод анализа спонтанной электро- магнитной эмиссии Земли: физические предпо- сылки, полевой эксперимент, элементы теории. Геофиз. журн. 2012. Т. 34. № 4. С. 40—61. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. Введение в теорию диссипативных структур. Москва: Мир, 1979. 277 с. Aschwanden M. J., Crosby N. B., Dimitropoulou M., Georgoulis M. K., Hergarten S., McAteer J., Milova- nov A. V., Mineshige S., Morales L., Nishizuka, N., Pruessner G., Sanchez R., Sharma A. S., Strugarek A., Uritsky V., 2014. 25 Years of Self-Organized Critica- lity: Solar and Astrophysics. Spase Sci. Rev., 1—120. doi 10. 1007/S. 11214-014-0054-6. Bak P., Tang C., Wiesenfeld K., 1987. Self-Organized Criticality: an Explanations of 1/f Noise. Phys. Rev. Lett. 59, 381—384. Geller R. J., 1997. Earthquake preduction: A critical review. Geophys. J. Int. 131, 425—450. В. Н. ШУМАН 40 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 Anishchenko V. S., Vadivasova T. E., Strelkova G. I., 2010. Self-sustained oscillations of dynamical and stochastic systems and their mathematical image — an attractor. Nelineynaya dinamika 6(1), 107—126 (in Russian). Bak P., 2014. How does nature. Moscow: Book House «Librokom», 276 p. (in Russian). Birger B. I., 2012. Transient creep and its role in geodynamics. Fizika Zemli (6), 34—42 (in Russian). Bochkov G. N., Kuzovlev Yu. E., 1983. New research 1/f- noise. Uspekhi fizicheskikh nauk 152(is. 1), 151—176 (in Russian). Vasiliev A. N., Romanovskiy Yu. M., Yakhno V. G., 1979. Autowave processes in distributed kinetic systems. Uspekhi fizicheskikh nauk 128(is. 4), 625—666 (in Russian). Gaponov-Grekhov A. V., Rabinovich M. I., 1987a. Non- linear dynamics of nonequilibrium media and turbu- lence. Uspekhi fizicheskikh nauk 152(is. 5), 159—162 (in Russian). Gaponov-Grekhov A. V., Rabinovich M. I., 1987b. Au- tostructures. Chaotic dynamics of ensembles. In: Nonlinear waves. Structures and bifurcation. Mos- cow: Nauka, P. 7—47 (in Russian). Ginzburg V. L., Tsytovich V. N., 1984. Transition radia- tion and transition scattering (some questions of the theory). Moscow: Nauka, 360 p. (in Russian). Guglielmi A. V., 2007. Ultralow frequency wave in the crust and in the Earth’s magnetosphere. Uspekhi Seismoelectromagnetism and spatio-temporal structures © V. N. Shuman, 2015 New ideas, approaches and methods of modern seismology are being considered, which are focused on highly organized spatio-temporal structures in dissipative media far from thermody- namic equilibrium, auto-structures in particular. Some details of studies conducted and some of their consequences, which were paid not enough attention but which might be decisive to conduct further studies are being considered. In this case, instead of widespread understanding of seismic- ity as a fundamental consequence of evolution of geo-systems toward the state of self-organized criticality limited to the framework of systems with anomalously slow dynamics, its interpretation as meta-stable states of geo-medium and the succession of such states is under consideration. The essence of new approach is a paradigm of transitions of spatial shapes in heterogenous multi-scale hierarchically organized active geo-medium, which are reflected in the spatial structure of sponta- neous emissions of lithospheric origin – seismic and electromagnetic ones. Here the problems of the theory of transitions of spatial shapes instead of known problems of the theory of bifurcations of dynamic systems are brought to the fore. The role and impact on dynamic processes running into geo-medium of noise of different intensity and chromaticity, which promote induction of the regimes of its functioning, impossible to be realized without are being accentuated. Possible and visible applications of the proposed approach are being discussed. Key words: seismicity, seismic process, self-organized criticality, auto-wave processes, auto- structures, spontaneous emissions, predictability of geo-systems. References fizicheskikh nauk 177(12), 1257—1276 (in Russian). Guglielmi A. V., 2015. Foreshocks and aftershocks of strong earthquakes in the catastrophe theory. Uspe- khi fizicheskikh nauk 185(4), 415—429 (in Russian). Gufeld I. L., 2013. Is the forecast of strong crustal earthquakes? Vestnik RAN 83(3), 236—245 (in Rus- sian). Gufeld I. L., 2007. Seismic process. Physico-chemical as- pects. Korolev: TsNIIMash Publ., 160 p. (in Russian). Gufeld I. L., Novoselov O. N., 2014. Seismic process in the subduction zone. Monitoring the background. Moscow: MSFU Publ., 100 p. (in Russian). Davydov V. A., Zykov V. S., Mikhaylov A. S., 1991. Kine- matics of autowave structures in excitable media. Uspekhi fizicheskikh nauk 161(8), 45—86 (in Rus- sian). Zakharov V. S., 2014. Self-similarity of structures and processes in the lithosphere as a result of a fractal and dynamic analysis: the Abstract of dissertations of the Dr. geol. and min. sci. Moscow, 35 p. (in Rus- sian). Zelenyy L. M., Milovanov A. V., 2004. Fractal topology and strange kinetics: from percolation theory to problems in cosmic electrodynamics. Uspehi fi- zicheskih nauk 174(8), 810—851 (in Russian). Iudin D. I., 2005. Fractal dynamics of the active systems: the Abstract of dissertations of the Dr. phys. and math. sc. Nizhny Novgorod, 30 p. (in Russian). Kadomtsev B. B., 1994. Dynamics and information. Us- СЕЙСМОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ СТРУКТУРЫ Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 41 pehi fizicheskih nauk 164(5), 449—530 (in Russian). Kerner B. S., Osipov V. V., 1989. Autosolitons. Uspehi fizicheskih nauk 137(is. 2), 201—261 (in Russian). Klimontovich Yu., 2002. Introduction to the physics of open systems. Moscow: Yanus-K, 284 p. (in Russian). Koronovskiy N. Naimark A., 2012. The unpredictability of earthquakes as a fundamental consequence of the nonlinearity of geodynamic systems. Vestnik Moskovskogo universitetata (6), 3—11 (in Russian). Loskutov A. Yu., 2010. Fascination of chaos. Uspehi fizicheskih nauk 180(2), 1305—1329 (in Russian). Makarov N. V., 2012. Capabilities of modern methods of geomechanical modeling as applied to the Earth science. Moscow: IPE RAS Publ., 14 p. (in Russian). Naimark O. B., 2008. Structural-scaling transitions and self-development patterns of earthquakes. Fiziches- kaya mezomekhanika 1(2), 89—106 (in Russian). Naimark A. A., Zakharov V. S., 2012. Ratios of direction, cyclicity and non-linearity in geological processes. Vestnik KRAESC. Nauki o zemle (1), 181—189 (in Russian). Panteleev I. A., Plekhov O. A., Naimark O. B., 2012. Nonlinear dynamics of structures exacerbation in ensembles of defects as a mechanism for the forma- tion of foci of earthquakes. Fizika Zemli (6), 43—55 (in Russian). Rabinovich M. I., Myuezinolu M. K., 2010. Nonlinear dynamics of the brain: emotion and cognition. Us- pehi fizicheskih nauk 180(4), 371—387 (in Russian). Rodkin M. V., Pisarenko V. F., Ngo Thi Ly, Rukavishniko- va T. A., 2014. On the feasibility of the law of dis- tribution of rare strongest earthquakes. Electronic Journal «Geodynamics and Tectonophysics» 5(4), 893—904 (in Russian). Rumanov E. N., 2013. Critical phenomena far from equi- librium. Uspehi fizicheskih nauk 183(1), 103—112 (in Russian). Samarskiy A. A. Elenin G. G., Zmitrenko N. V., Kurdyu- mov S. G., 1977. Combustion of a nonlinear medium in the form of complex structures. Doklady AN SSSR 237(6), 1330—1333 (in Russian). Surkov V. V., 2000. Electromagnetic effects during earthquakes and explosions. Moscow: Publ. House. MEPI, 235 p. (in Russian). Taranenko V. B., Sleksis S. P., Weiss K. O., 2008. Resona- tor spatial solitons. In the book.: dissipative solitons. Moscow: Fizmatlit, P. 109—200 (in Russian). Turuntaev S. B., Vorokhobina S. V., Melchaeva O. Yu., 2012. Detection of man-made changes in the seismic regime in using the methods of nonlinear dynamics. Fizika Zemli (3), 52—65 (in Russian). Fridman A. M., Polyachenko E. V., Nasyrkanov N. R., 2010. On some correlations in seismodynamics and two components of Earth's seismic activity. Uspehi fizicheskih nauk 180(3), 303—312 (in Russian). Hayakawa M., Korovkin N. V., 2011. Seismoelectromag- netic phenomena as a new field of study radio wave phenomena: XII World Electrotechnical Congress. 4—5 October 2011 Presentations. (in Russian). http:// www.ruscable.ru//article/report/ Chebotareva I. A., 2011. Structure and dynamics of seismic noise in geoenvironment fields. Methods and experimental results. The acoustics of inhomo- geneous media. Ezhegodnik RAO (is. 12), 147—156 (in Russian). Shapoval A. B., 2011. Questions predictability in isotro- pic models with self-organized criticality: Abstract of the Dissertation Dr. geol.-min. sci. Moscow, 35 p. (in Russian). Shapoval A. B., Shnirman M. G., 2011. Universal algo- rithmic forecast extreme events time series. Infor- matsionnye tehnologii i vychislitelnye sistemy (4), 58—65 (in Russian). Shuman V. N., 2014a. Nonlinear dynamics of geomedi- um: transitional processes and critical phenomena. Geofizicheskiy zhurnal 36(6), 129—142 (in Russian). Shuman V. N., 2015. Nonlinear dynamics, seismic activ- ity and aerospace sounding systems. Geofizicheskiy zhurnal 37(2), 38—55 (in Russian). Shuman V. N., 2014b. Seismic processes and advanced monitoring system. Geofizicheskiy zhurnal 36(4), 50—64 (in Russian). Shuman V. N., 2012. Electrodynamics of fractal media, transitional fractal dispersion and electromagnetic noise of the lithosphere. Geofizicheskiy zhurnal 34(1), 3—13 (in Russian). Shuman V. N., Kobolev V. P., Starostenko V. I., Burkins- kiy I. B., Loyko N. P., Zakharov I. G., Yatsiuta D. A., 2012. A method of analysis of spontaneous elec- tromagnetic emission of the Earth: physical back- grounds , elements of theory, field experiment. Geo- fizicheskiy zhurnal 34(4), 40—61 (in Russian). Ebeling B., 1979. Education structures in irreversible processes. Introduction to the theory of dissipative structures. Moscow: Mir, 277 p. (in Russian). Aschwanden M. J., Crosby N. B., Dimitropoulou M., Georgoulis M. K., Hergarten S., McAteer J., Milova- nov A. V., Mineshige S., Morales L., Nishizuka N., Pruessner G., Sanchez R., Sharma A. S., Strugarek A., Uritsky V., 2014. 25 Years of Self-Organized Critical- ity: Solar and Astrophysics. Spase Sci. Rev., 1—120. doi 10. 1007/S. 11214-014-0054-6. Bak P., Tang C., Wiesenfeld K., 1987. Self-Organized Criticality: an Explanations of 1/f Noise. Phys. Rev. Lett. 59, 381—384. Geller R. J., 1997. Earthquake preduction: A critical review. Geophys. J. Int. 131, 425—450.

Сейсмоэлектромагнетизм и пространственно-временные структуры

Репозитарії

Схожі ресурси