Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления
Виходячи з уявлень про геосередовище як енергонасичену відкриту нелінійну систему та запозичень апарату сучасної теорії управління складними нелінійними фізичними системами, розглянуто можливості та методи впливу на параметри сейсмічного процесу контрольованих (МГД-генератор, електророзвідувальний г...
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
2011
|
| Назва видання: | Геофизический журнал |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96854 |
| 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: | Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления / В.Н. Шуман // Геофизический журнал. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 16-27. — Бібліогр.: 39 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-96854 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-968542016-03-22T03:02:01Z Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления Шуман, В.Н. Виходячи з уявлень про геосередовище як енергонасичену відкриту нелінійну систему та запозичень апарату сучасної теорії управління складними нелінійними фізичними системами, розглянуто можливості та методи впливу на параметри сейсмічного процесу контрольованих (МГД-генератор, електророзвідувальний генератор, підземний ядерний вибух) і природних (магнітні бурі) джерел. Як відомо, в гранично-енергонасичених середовищах відносно малий за потужністю вплив може привести до сильної зміни траєкторії системи у фазовому просторі. Розглянуто відомі приклади такого впливу. При цьому, з огляду на нинішній стан і можливості моніторингу сейсмічного процесу, відносно середовища ставлять істотніше ослаблену мету, зокрема, створення режимів з частково заданими властивостями або відтворенням режиму фонових рухів блоків. Роз’яснення фізичних механізмів такого впливу спирається на концепцію динамічно нестійкого геосередовища, запропоновану І. Л. Гуфельдом, в основу якої покладено уявлення про реакцію блочного геосередовища на взаємодію з глибинним потоком легких газів. Зазначено, що шум у таких системах може бути конструктивним фактором, який зумовлює ріст ступеня когерентності або ступеня порядку в системі. В цьому контексті підкреслено можливу роль і значення стохастичного резонансу в управлінні такими системами. Обговорено питання гармонізації задачі управління з результатами моніторингу, метою якого є або безпосередній прогноз характеристик процесу на деякий часовий проміжок вперед, або виділення інтервалів «аномальної поведінки», яке у деяких випадках може бути передвісником різких змін у системі в майбутньому. On the basis of the concept on geomedium as an energy-saturated open nonlinear system with attraction of elements from the apparatus of modern theory of complicated nonlinear systems management, possibilities and methods of impact are considered of controlled (MHD-generator, electro-exploration generator device, underground nuclear explosion) and natural (magnetic storms) sources. As is well known, in ultimately energy-saturated media relatively small impact as to its capacity can have its result as strong path modification in phase space. A set of well known examples and attempts of such an impact has been considered. In this case, taking contemporary experience and possibilities of seismic processes monitoring into account, much more weakened purposes are set, in particular, creation of regimes with partially defined properties or restoration of a regime of a background movement of blocks. Explanation of physical mechanisms of such an impact is supported by a concept of dynamically unstable geomedium proposed by I. L. Gufeld based on ideas of reaction of blocky geomedium on interaction with a flow of light gases. It is noted that the noise in such systems can be a structural factor, which produces an increase of coherence degree or a degree of order in the system. It is underlined in this connection a possible role and importance of scholastic resonance in the management of distributed systems. Problems of coordination of management problem with results of monitoring aimed at either direct forecast of characteristics of the process for some temporal interval forward or selection of the intervals of «anomalous behavior», which can become in some cases the precursors of dramatic changes in the system for future are discussed. Исходя из представлений о геосреде как энергонасыщенной открытой нелинейной системе и привлечением элементов аппарата современной теории управления сложных нелинейных физических систем, рассматриваются возможности и методы воздействия на параметры сейсмического процесса контролируемых (МГД-генератор, электроразведочное генераторное устройство, подземный ядерный взрыв) и естественных (магнитные бури) источников. Как известно, в предельно энергонасыщенных средах относительно малое по мощности воздействие может приводить к сильному изменению траектории системы в фазовом пространстве. Рассмотрен ряд известных примеров и попыток такого воздействия. При этом, принимая во внимание нынешний опыт и возможности мониторинга сейсмического процесса, по отношению к геосреде ставятся значительно более ослабленные цели, в частности, создание режимов с частично заданными свойствами или восстановлением режима фонового движения блоков. Объяснение физических механизмов такого воздействия опирается на концепцию динамически неустойчивой геосреды, предложенную И.Л. Гуфельдом, в основе которой лежат представления о реакции блочной геосреды на взаимодействие с потоком легких газов. Отмечается, что шум в таких системах может выступать в роли конструктивного фактора, вызывающего рост степени когерентности или степени порядка в системе. В этой связи подчеркивается возможная роль и значение стохастического резонанса в управлении распределенными системами. Обсуждаются вопросы согласования задачи управления с результатами мониторинга, целью которого является либо непосредственный прогноз характеристик процесса на некоторый временной промежуток вперед, либо выделение интервалов "аномального поведения", которое в ряде случаев может выступать в качестве предвестника резких изменений в системе в будущем. 2011 Article Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления / В.Н. Шуман // Геофизический журнал. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 16-27. — Бібліогр.: 39 назв. — рос. 0203-3100 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96854 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 |
Виходячи з уявлень про геосередовище як енергонасичену відкриту нелінійну систему та запозичень апарату сучасної теорії управління складними нелінійними фізичними системами, розглянуто можливості та методи впливу на параметри сейсмічного процесу контрольованих (МГД-генератор, електророзвідувальний генератор, підземний ядерний вибух) і природних (магнітні бурі) джерел.
Як відомо, в гранично-енергонасичених середовищах відносно малий за потужністю вплив може привести до сильної зміни траєкторії системи у фазовому просторі. Розглянуто відомі приклади такого впливу. При цьому, з огляду на нинішній стан і можливості моніторингу сейсмічного процесу, відносно середовища ставлять істотніше ослаблену мету, зокрема, створення режимів з частково заданими властивостями або відтворенням режиму фонових рухів блоків. Роз’яснення фізичних механізмів такого впливу спирається на концепцію динамічно нестійкого геосередовища, запропоновану І. Л. Гуфельдом, в основу якої покладено уявлення про реакцію блочного геосередовища на взаємодію з глибинним потоком легких газів.
Зазначено, що шум у таких системах може бути конструктивним фактором, який зумовлює ріст ступеня когерентності або ступеня порядку в системі. В цьому контексті підкреслено можливу роль і значення стохастичного резонансу в управлінні такими системами.
Обговорено питання гармонізації задачі управління з результатами моніторингу, метою якого є або безпосередній прогноз характеристик процесу на деякий часовий проміжок вперед, або виділення інтервалів «аномальної поведінки», яке у деяких випадках може бути передвісником різких змін у системі в майбутньому. |
| format |
Article |
| author |
Шуман, В.Н. |
| spellingShingle |
Шуман, В.Н. Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления Геофизический журнал |
| author_facet |
Шуман, В.Н. |
| author_sort |
Шуман, В.Н. |
| title |
Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления |
| title_short |
Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления |
| title_full |
Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления |
| title_fullStr |
Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления |
| title_full_unstemmed |
Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления |
| title_sort |
геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления |
| publisher |
Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України |
| publishDate |
2011 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96854 |
| citation_txt |
Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления / В.Н. Шуман // Геофизический журнал. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 16-27. — Бібліогр.: 39 назв. — рос. |
| series |
Геофизический журнал |
| work_keys_str_mv |
AT šumanvn geosredaisejsmičeskijprocessproblemyupravleniâ |
| first_indexed |
2025-07-07T04:10:09Z |
| last_indexed |
2025-07-07T04:10:09Z |
| _version_ |
1836959829406515200 |
| fulltext |
В. Н. ШУМАН
16 Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011
УДК 550.3
Геосреда и сейсмический процесс:
проблемы управления
© В. Н. Шуман, 2011
Институт геофизики НАН Украины, Киев, Украина
Поступила 21 октября 2010 г.
Представлено членом редколлегии В. И. Старостенко
Виходячи з уявлень про геосередовище як енергонасичену відкриту нелінійну систему та
запозичень апарату сучасної теорії управління складними нелінійними фізичними системами,
розглянуто можливості та методи впливу на параметри сейсмічного процесу контрольованих
(МГД-генератор, електророзвідувальний генератор, підземний ядерний вибух) і природних
(магнітні бурі) джерел.
Як відомо, в гранично-енергонасичених середовищах відносно малий за потужністю вплив
може привести до сильної зміни траєкторії системи у фазовому просторі. Розглянуто відомі
приклади такого впливу. При цьому, з огляду на нинішній стан і можливості моніторингу
сейсмічного процесу, відносно середовища ставлять істотніше ослаблену мету, зокрема, ство-
рення режимів з частково заданими властивостями або відтворенням режиму фонових рухів
блоків. Роз’яснення фізичних механізмів такого впливу спирається на концепцію динамічно
нестійкого геосередовища, запропоновану І. Л. Гуфельдом, в основу якої покладено уявлення
про реакцію блочного геосередовища на взаємодію з глибинним потоком легких газів.
Зазначено, що шум у таких системах може бути конструктивним фактором, який зумов-
лює ріст ступеня когерентності або ступеня порядку в системі. В цьому контексті підкреслено
можливу роль і значення стохастичного резонансу в управлінні такими системами.
Обговорено питання гармонізації задачі управління з результатами моніторингу, метою
якого є або безпосередній прогноз характеристик процесу на деякий часовий проміжок
вперед, або виділення інтервалів «аномальної поведінки», яке у деяких випадках може бути
передвісником різких змін у системі в майбутньому.
On the basis of the concept on geomedium as an energy-saturated open nonlinear system with
attraction of elements from the apparatus of modern theory of complicated nonlinear systems
management, possibilities and methods of impact are considered of controlled (MHD-generator,
electro-exploration generator device, underground nuclear explosion) and natural (magnetic storms)
sources.
As is well known, in ultimately energy-saturated media relatively small impact as to its capacity
can have its result as strong path modification in phase space. A set of well known examples and
attempts of such an impact has been considered. In this case, taking contemporary experience and
possibilities of seismic processes monitoring into account, much more weakened purposes are set,
in particular, creation of regimes with partially defined properties or restoration of a regime of a
background movement of blocks. Explanation of physical mechanisms of such an impact is supported
by a concept of dynamically unstable geomedium proposed by I. L. Gufeld based on ideas of reaction
of blocky geomedium on interaction with a flow of light gases.
It is noted that the noise in such systems can be a structural factor, which produces an increase
of coherence degree or a degree of order in the system. It is underlined in this connection a possible
role and importance of scholastic resonance in the management of distributed systems.
Problems of coordination of management problem with results of monitoring aimed at either
direct forecast of characteristics of the process for some temporal interval forward or selection of
the intervals of «anomalous behavior», which can become in some cases the precursors of dramatic
changes in the system for future are discussed.
Введение. В последние годы появилась
серия публикаций, посвященных проблеме
управления сейсмическим процессом (изме-
нения пространственно-временной структуры
сейсмичности) на некоторой территории [Ав-
вагимов и др., 2002; Тарасов, 1995; 1999; 2007;
Гуфельд, 2005; 2007 и др.]. Деликатность про-
блемы состоит в том, что если коровые сильные
землетрясения пока не удается предсказать, то
возможно ли и в какой степени управлять их
ГЕОСРЕДА И СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС: ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011 17
возникновением и эволюцией, принимая во
внимание имеющийся опыт лабораторного и
натурного эксперимента. В частности, много-
численные работы посвящены изучению вли-
яния относительно слабых контролируемых
(подземные ядерные взрывы — ПЯВ, магни-
тогидродинамические генераторы — МГД-Г,
электроразведочные генераторные устройства
— ЭГУ) и естественных (магнитные бури —
МБ) источников. При этом в качестве критерия
силы воздействия принимается соотношение
энергии, закачиваемой в лабораторный обра-
зец или реальную среду с энергией тепловых
флуктуаций kТ, где k — постоянная Больцма-
на, Т — температура (при обычных условиях
kТ 4 1021Дж [Гуфельд, 2007]).
Согласно оценкам, выполненным И. Л. Гу-
фельдом, воздействие, вызываемое контроли-
руемыми и естественными источниками, как
правило, существенно меньше энергии тепло-
вых флуктуаций. Тогда можно ли на основе
имеющегося опыта сейсмического мониторинга
говорить о каком-либо регулировании сейс-
мического процесса? Очевидно, по этой при-
чине, имея ввиду воздействие на среду слабых
естественных и контролируемых источников,
в большинстве случаев говорится о «триггер-
ном» характере их воздействия на сейсмический
процесс, избегая при этом определения или
конкретизации «триггерного воздействия». В
такой картине, однако, фантазии превалируют
над реальностью. Смысл триггерного воздей-
ствия в этом случае состоит в попытке измене-
ния объемно-напряженного состояния среды
и снятия таким образом накапливаемых в ней
напряжений. Но это практически невозможно,
если рассматривать процессы в литосфере с
позиции классических представлений закры-
тых равновесных систем. Далее, если геосре-
да представляет собой чисто релаксационную
систему, в которой нет собственных частот и,
как следствие, невозможен и резонанс в клас-
сическом его понимании. Список вопросов и
претензий такого рода, очевидно, можно про-
должить [Гуфельд, 2007]. И все же, несмотря
на проблематичность задачи воздействия на
геосреду, многие авторы отмечают или указы-
вают на принципиальную возможность внеш-
него контролируемого влияния на процессы
формирования и распада крупномасштабных
структур земной коры таким образом, чтобы
сильное землетрясение сменилось крипом или
«роем» более слабых событий [Гуфельд, 2007].
При этом принципиальное значение приобре-
тает понимание физики регулируемости сейс-
мического процесса как естественными, так и
контролируемыми источниками, отсутствие
которого, очевидно, и явилось причиной неудач
или противоречивости результатов реальных
экспериментов.
По-видимому, неудачи были обусловлены
также и отсутствием адекватных представлений
о геосреде как открытой диссипативной систе-
ме. Как известно, такие системы, будучи силь-
но неравновесными, обнаруживают сложное
динамическое поведение. При рассмотрении
их поведения и в особенности взаимодействия
таких систем могут быть заимствованы или
привлечены в несколько модифицированном
виде принципы теории управления [Кадом-
цев, 1994; Фрадков, 2005]. Согласно [Кадомцев,
1994], «…игра нелинейных динамических про-
цессов в таких системах очень часто приводит
к самоорганизации, когда и динамическое, и
информационное содержание процесса ока-
зываются согласованными с большой точно-
стью…». Примечательно, что малые сигналы,
действующие на такие системы, могут приво-
дить к существенным последствиям.
Как известно, при подпитке энергией из-
вне диссипативная система может испытывать
устойчивые колебания (устойчивый цикл) в
фазовом пространстве или перейти в режим
сложного стохастического движения (странно-
го аттрактора). Одним из аттракторов может
быть разрушение системы [Фрадков, 2005].
Существенно, что в неустойчивых открытых
системах с диссипацией фазовое пространство
упрощенно можно представить себе разделен-
ным на области приближения к различным
аттракторам и для перевода системы из одного
аттрактора на другой ее нужно перебросить
из одной области притяжения в другую. При
этом важна не величина силового воздействия
на систему, а его информационная характери-
стика. Иначе говоря, в таких системах малыми
управляющими сигналами можно сильно изме-
нить траекторию ее поведения [Кадомцев, 1994].
Очевидно, все эти вопросы, актуальные
для современной геофизики, требуют кон-
кретизации и дальнейшего исследования.
По-видимому, проблема воздействия контро-
лируемыми и естественными относительно
слабыми источниками на сейсмический про-
цесс с этих позиций не рассматривалась и
не анализировалась. Основная цель данной
работы — привлечь внимание специалистов к
этой быстро развивающейся области исследо-
ваний, иллюстрируя изложение некоторыми
частными известными примерами.
В. Н. ШУМАН
18 Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011
Геосреда как открытая диссипативная си-
стема. Как известно, геосреда — очень специ-
фический объект исследований. К фундамен-
тальным свойствам относится ее строение: она
состоит из множества различных по размерам
блоков, перемещающихся как единое целое и
взаимодействующих в процессе перемещения;
она существует и эволюционирует в простран-
стве и времени в существенно больших интер-
валах значений, чем в любых лабораторных экс-
периментах. Неравновесность, нелинейность,
неустойчивость реальной среды — вот те основ-
ные исходные позиции, на которых должна
строиться геофизическая теория и которые не
находят отражения в классических вариантах
ее описания [Садовский, 2004; Гуфельд, 2007;
Стаховский, 2007; Геншафт, 2009 и др.]. Она не
может рассматриваться как континуум — ей
присуща внутренняя самоподобная структура,
для которой нет места для какой-либо области
с характерными размерами и границами, как
не существует и какого-либо характерного
масштаба.
Очевидно, в рамках таких представлений
природная среда, стремящаяся к самооргани-
зации, нуждается в новых моделях описания,
которые бы позволили анализировать дис-
сипацию поступающей в нее из земных недр
энергии, релаксацию локальных напряжений,
стационарные режимы деформирования, во-
просы генерации сейсмоэлектромагнитных
возмущений и их распространения. Напомним,
что самоорганизация среды выражается в по-
явлении в ней масштабно-инвариантной струк-
туры, вызванной неравновесным состоянием
земной коры под непрерывным воздействием
тектонических напряжений [Садовский, 2004;
Гуфельд, 2007; Геншафт, 2009].
Далее, геосреда — это открытая (с при-
током энергии извне) нелинейная (в общем
случае обладающая тремя типами нелинейно-
сти — физической, «геометрической» и струк-
турной [Зайцев и др., 2006; Руденко, 2006])
диссипативная система. Ее отличительные
признаки — необратимые изменения во вре-
мени, фрактальность, недетерминированность
поведения после прохождения критической
точки (бифуркации), волновая (автоволновая)
и резонансная природа протекающих в ней
процессов, большая (иногда и определяющая)
роль малых возмущений [Гуфельд, 2007].
Как известно, эволюция нелинейных систем
может осуществляться разными путями. На
смену однозначности приходит множествен-
ность путей развития, многообразие поведения
ее объектов, а ограниченная точность в описа-
нии системы имеет принципиальное значение.
При этом неустойчивость и пороговый характер
самоорганизации (установления хаотического
порядка) описываются нелинейными уравне-
ниями.
Заметим, что имеются весомые основа-
ния предположить: ряд важных нерешенных
геолого-геофизических проблем концентри-
руется в области быстрых изменений параме-
тров геосреды [Кисин, 2008; Гуфельд, 2007].
При этом основным действующим фактором
планетарного масштаба, определяющим и под-
держивающим текущую нестабильность гео-
среды в состоянии, близком к критическому,
могут быть процессы непрерывного взаимодей-
ствия восходящих потоков легких газов (водо-
род, гелий и др.) с твердой фазой литосферы,
при которых меняются объемы ее составных
элементов, что и приводит к несинхронным
вариациям объемно-напряженного состояния
во внутриблоковых и граничных структурах
[Дмитриевский, 2008; Гуфельд, 2007].
Представления о критических явлениях в от-
крытых нелинейных системах позволяют с иных
позиций подойти к проблеме прогноза сейсми-
ческой активности (землетрясений) [Лукк и
др., 1996; Геншафт, 2009, Гуфальд, 2007 и др.].
В частности, в работе [Дещерский и др., 2003]
обосновывается возможность извлечения про-
гнозной информации о динамике эндогенных
процессов из хаотических высокочастотных ва-
риаций геофизических параметров (парадигма
нестационарных флуктуаций геофизических
полей), а авторы [Соболев, Пономарева, 2003]
вплотную подошли к трактовке тектонического
процесса и развития очага землетрясения как
о детерминированном хаосе, приводящем к
самоорганизации.
Получила известность концепция самоорга-
низации статистических систем в критическом
состоянии (Self-Organized Criticality (SOC)) [Bak,
Tang 1989], а в качестве ее обобщения — мате-
матическая модель самоподобной сейсмоге-
нерирующей структуры земной коры (ССС),
основанная на идее согласования скайлингов
трех мультифрактальных полей — разломно-
го, сейсмического и сейсмоэнергетического
[Стаховский, 2007].
Как обобщение работ этого направления
можно рассматривать предложенную И. Л. Гу-
фельдом концепцию динамически неустойчивой
геосреды, на основе которой анализируется
проблема управления сейсмическим процес-
сом [Гуфельд, 2007]. Рассмотрению некоторых
ГЕОСРЕДА И СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС: ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011 19
аспектов этой проблемы и посвятим дальнейшее
изложение.
Об управлении в физических системах. При-
ведем некоторые известные положения, относя-
щиеся к моделям динамики физических систем.
Как отмечается в работе [Фрадков, 2005], в по-
следние годы произошел бурный рост числа пу-
бликаций, посвященных вопросам управления
в физических системах или, в более широком
плане, применению кибернетических подходов
в физике. Согласно современной точке зрения,
кибернетика понимается как теория управления
в широком смысле и к кибернетическим мето-
дам относят не только методы управления, но и
методы оценивания переменных и параметров
систем, методы фильтрации, распознавания
образов и др. [Фрадков, 2005; Кадомцев, 1994].
При этом во многих работах, хотя и отмечалась
ключевая роль нелинейности системы, аппарат
современной теории нелинейного управления
использовался весьма недостаточно.
По мнению А. Л. Фрадкова это обусловлено
тем, что возникающие задачи управления в фи-
зических системах, вообще говоря, существенно
отличаются от традиционных задач автомати-
ческого управления. Так, вместо классической
задачи управления — приведение траектории
рассматриваемой системы в заданную точку
(задача регулирования) и приближения траекто-
рии к заданному движению (задача слежения),
ставятся ослабленные цели, а именно создание
режимов с частично заданными свойствами,
качественного изменения фазового портрета
системы или синхронизации хаотических коле-
баний. С другой стороны, требуется «малость»
управляющего воздействия.
Ситуация в этой области исследований, со-
гласно [Фрадков, 2005], стала достаточно быстро
меняться после выхода в свет статьи [Ott et al.,
1990] «Управление хаосом», в которой был сде-
лан вывод о том, что даже малое управление в
виде обратной связи, приложенное к нелиней-
ной (в частности, хаотически колеблющейся) си-
стеме может существенным образом изменить
ее динамику и свойства и, к примеру, превратить
хаотическое поведение в периодическое.
Согласно [Кадомцев, 1994], хаотическое по-
ведение свойственно большей части динамиче-
ских систем, как консервативных (с сохране-
нием энергии), так и диссипативных. Близкие
траектории хаотического движения разбега-
ются в фазовом пространстве: оно локально
неустойчиво. Однако в системах с диссипацией
в процессе движения фазовый объем сокраща-
ется и в простейшем случае такая система эво-
люционирует к состоянию равновесия. При под-
питке энергией извне диссипативная система
может испытывать устойчивые колебания или
перейти в режим стохастического движения, ко-
торое получило название странного аттрактора.
Как оказалось, все траектории диссипативной
системы в фазовом пространстве соответству-
ют аттракторам: равновесию, периодическим
колебаниям или странному аттрактору. Одним
из аттракторов может быть разрушение рас-
сматриваемой системы.
Если система неустойчива, то все траектории
в фазовом пространстве разбегаются и здесь
критически важное значение приобретают на-
чальные данные: если поставить задачу, чтобы
траектория реального движения была близка к
выбранной или предпочтительной (т. е. попала
в некоторую заданную область фазового про-
странства), начальные данные должны быть за-
даны с необходимой точностью. Принципиально
важным является то обстоятельство, что малое
смещение в фазовом пространстве может при-
вести к нужной траектории, однако необходимо
точно знать, куда смещаться [Кадомцев, 1994].
Как уже упоминалось, у открытых систем с
диссипацией фазовое пространство в первом
приближении можно представить разделенным
на области притяжения к различным аттракто-
рам и для перевода системы с одного аттрактора
на другой надо перевести ее из одной области
притяжения к другой.
Иначе говоря, внешнее воздействие должно
перевести систему в любую точку притяжения
другого аттрактора. При этом следует сооб-
щить определенное количество информации:
( )ln v v , где v — полный объем фазового про-
странства, v — объем притяжения второго
аттрактора.
Очевидно, для реализации этого переброса
требуется затратить определенное количество
энергии. При этом, возможно, «…существует
некое минимальное значение энергии, ниже
которого такой перенос невозможен и соот-
ветствующий сигнал не реализует имеющуюся
информацию» [Кадомцев, 1994]. Разумеется,
здесь оказывается важным не только количе-
ство информации, но и ее содержание, т. е. ука-
зание, в какой конкретно аттрактор система
переводится.
Существенно, что при переходе к поведению
все более сложных систем именно структур-
ные, информационные аспекты их поведения
и развития выступают на первый план, в то
время как динамика создает лишь основу для
информационного развития. Поэтому во многих
В. Н. ШУМАН
20 Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011
работах по управлению хаотическими режима-
ми не предполагается задания количественных
характеристик желаемого движения, а задается
лишь желаемый качественный тип аттрактора.
В качестве дополнительного ограничения может
выступать требование обеспечить достижение
этой цели при маломощном, малозатратном воз-
действии. При этом говорят об управляемости
системы, если при вариации входного параметра
в области допустимых (или реализуемых) зна-
чений область изменения выходного параметра
(характеристик поведения) охватывает значе-
ния, соответствующие желаемым режимам
функционирования системы [Фрадков, 1994].
Итак, в неустойчивых системах малыми
сигналами можно сильно изменить траекто-
рию, причем для этих управляющих сигналов
важна не их величина, а точное соответствие
возможности перевода исходной траектории
развития на нужную.
Экспериментальные результаты по изме-
нению естественного режима сейсмического
процесса. До настоящего времени предметом
широких дискуссий все еще остаются два важ-
ных вопроса.
Во-первых, можно ли, опираясь на нынеш-
ний опыт и возможности мониторинга сейсми-
ческого процесса, говорить о воздействии на
его параметры контролируемых источников.
Во-вторых, насколько обеспечен информаци-
онный аспект этой проблемы, т. е. правильна
ли по результатам современного мониторинга
информация о структуре фазового пространства
геосистемы конкретного региона?
Сложность проблемы состоит также в том, что
при экспериментальных попытках изменения
сейсмического режима можно рассчитывать на
действие относительно слабых контролируемых
(искусственных) — подземные ядерные взры-
вы (ПЯВ), МГД-генераторы (МГД-Г), электро-
разведочные генераторные устройства (ЭГУ),
инжекции малого по сравнению с эффективным
объемом среды количества воды в трещины
или естественных (магнитные бури (МБ) — ис-
точников, имея в виду то обстоятельство, что
уменьшить заметным образом постоянно под-
держиваемую за счет энергии недр предельную
энергонасыщенность среды практически не-
возможно. Но, прежде чем переходить к рас-
смотрению этих вопросов, отметим некоторые
установленные экспериментально особенности
сейсмического процесса.
Эксперимент свидетельствует о наличии для
наиболее крупных регионов по крайней мере
двух компонент сейсмической активности (Т- и
М-компонент) [Фридман и др., 2010; Гаркавый
и др., 1994]:
глобальной (медленно меняющейся) Т-ком-
поненты (от анг. Total — глобальный), являющей-
ся общей для двух полушарий и отражающей
временные изменения сейсмической актив-
ности всего земного шара;
зеркально-симметричной (быстро меняю-
щейся) М-компоненты (от англ. Mirror — зер-
кальный) для северного и южного полушарий,
которая в относительно спокойный период про-
являет отчетливую зеркальную симметрию —
когда в северном полушарии спад активности,
в южном подъем, и наоборот.
Наиболее отчетливо Т-компонента прояв-
ляется для самых сильных (магнитуда M 5,5)
сейсмических событий. М-компонента лучше
всего видна при анализе всего спектра событий
(M 4,0), в котором доминируют слабые события.
Однако в годы высокой сейсмической актив-
ности корреляция М-компонент может быть и
положительной [Фридман и др., 2010].
Следовательно, можно предположить су-
ществование по крайней мере двух классов
динамических факторов, определяющих изме-
нение сейсмичности крупных тектонических
структур, а именно глобального (Т-компонента),
контролирующего изменения во времени обще-
го числа сильных землетрясений и механизма,
обуславливающего М-компоненту, влияющего
только на относительно слабые события в до-
статочно крупных регионах земного шара.
Наиболее примечательный эксперимен-
тальный факт — обнаружение «спокойного»
периода сейсмической активности, связанного
со временем проведения подземных ядерных
испытаний в США и СССР: во время проведе-
ния полномасштабной программы подземных
ядерных испытаний (1966—1988 гг.) землетрясе-
ния с магнитудой M 8,3 на земном шаре полно-
стью отсутствовали (см. [Фридман и др., 2010,
рис. 16]). Следовательно, в этом смысле можно
говорить об изменении характера глобальной
сейсмической активности Земли. Однако реак-
цию геосреды на действие контролируемых и
естественных источников обычно связывают
с активизацией режима слабой сейсмичности.
При этом предполагается, что она ведет к раз-
рядке упругих напряжений в больших объемах
геосреды и, соответственно, к уменьшению
энергии возможного сильного события [Тара-
сов и др., 1999; Гуфельд, 2007; Тарасов, 2007].
Примечательно, что, в отличие от ядерных
подземных взрывов на Семипалатинском поли-
гоне, относительно слабые взрывы химических
ГЕОСРЕДА И СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС: ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011 21
взрывчатых веществ мощностью около 400 кг
(276 взрывов в Гармском районе Таджикистана,
проведенных в 1979—1984 гг.) не вызывали за-
метных изменений сейсмичности.
Остановимся теперь на некоторых резуль-
татах воздействия на геореду пусков МГД-
генератора, электроразведочного генератора
и магнитных бурь, приведенных в работах
[Закржевская, Соболев, 2002; Тарасов, 2007;
Гуфельд, 2007]. Они достаточно неоднозначны.
В частности, в работе [Тарасов, 2007] утверж-
дается, что воздействие электромагнитных,
импульсных возмущений, излучаемых МГД-
генератором, приводит к существенной пере-
стройке пространственно-временных свойств,
сейсмического процесса сейсмоактивных зон,
повышению устойчивости пространственно-
го распределения сейсмичности во времени и
одновременно ускоряет циклы ее перестройки.
При этом обнаруживаются зоны, в которых
при воздействии на среду МГД-генератора и
магнитных бурь слабая сейсмичность возрас-
тала, уменьшалась или не изменялась вообще.
В частности, в работе [Соболев и др., 2001] от-
мечена знакопеременная динамика реакции
геосреды в одних и тех же регионах, т. е. ак-
тивизация сменялась затишьем, и наоборот.
В то же время для других регионов отмечался
только положительный эффект.
Установлена задержка реакции геосреды
на воздействие импульса МГД-генератора от
2 до 7 суток, а при воздействии электрораз-
ведочным генераторным устройством — до 17
суток [Гуфельд, 2007; Тарасов, 2007].
Однако физический механизм инициирова-
ния сейсмичности электромагнитными импуль-
сами в настоящее время остается неясным. Как
уже упоминалось, в ряде работ указывается
на триггерный характер их влияния на сейс-
мический процесс, хотя четкого определения
триггерного эффекта не приводится.
Согласно [Гуфельд, 2007], смысл триггерно-
го воздействия состоит в изменении объемно-
напряженного состояния среды под влиянием
слабых внешних воздействий.
И. Л. Гуфельд утверждает, что эти источники
«…не могут оказывать прямого действия на
крупномасштабные структуры разрушения в
литосфере …». В то же время их действие воз-
можно на локальные структуры, находящиеся в
неравновесном состоянии в данный конкретный
момент времени.
В рамках предложенной им физико-
химической модели сейсмотектонического
процесса этого можно достичь путем воздей-
ствия контролируемыми или естественными
источниками на пространственно-связанную
блочную структуру, влияя на параметры вос-
ходящих потоков легких газов, ускоряя таким
образом естественный процесс разблокировки
границ, не допуская в результате появления
крупномасштабных связанных структур. При
этом методология воздействий должна учиты-
вать нелинейные свойства среды, ритмичность
воздействий и процессов дегазации, простран-
ственный масштаб зоны эндогенного возбужде-
ния литосферы. Главное в этом процессе — за
счет искусственных воздействий уменьшить
площадь пространственно-связанной блочной
структуры и тем самым восстановить режим
фонового движения блоков [Гуфельд, 2007].
В заключение следует упомянуть о воздей-
ствии на геосреду путем изменения уровня
воды водохранилищ и возбуждением «вибра-
ций», обусловленных энергией сбрасываемых
вод. В частности, заполнение водохранилища
Нурекской ГЭС вело к более упорядоченному
высвобождению сейсмической энергии, к ее
общему уменьшению, а число относительно
слабых землетрясений увеличивалось почти
вдвое [Гуфельд, 2007].
В работе [Соболев и др., 2006] показано, что
сейсмичность в прилегающей к оз. Байкал зоне
зависит от сезонных вариаций уровня озера,
которые меняют поровое давление в диапазо-
не миллибар. При этом физический механизм
изменения сейсмичности связывается, глав-
ным образом, с повышением внутрипорового
давления и, соответственно, уменьшением эф-
фективного давления пород в рамках модифи-
цированного закона Кулона—Мора, а также
эффектом смачивания водой стенок трещин. И
далее делается (с учетом экспериментов на об-
разцах) главный вывод: инжекция небольшого
(0,01 %) по сравнению с объемом исследуемой
модели количества воды в трещинах приводит
к резкому усилению акустической эмиссии.
Разумеется, однако, эти лабораторные ре-
зультаты вряд ли могут служить убедительным
доказательством возможности регулирования
сейсмического процесса, так как совершенно
ясно, что рассматриваемые лабораторные об-
разцы и условия их нагружения не могут мо-
делировать реальную геосреду — динамически
неустойчивую открытую нелинейную систему.
Особенности и механизмы воздействия
МГД-генератора, ЭГУ и МБ на сейсмический
процесс. Как уже отмечалось, трудности в ин-
терпретации экспериментальных данных по
воздействию указанных источников на активи-
В. Н. ШУМАН
22 Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011
зацию сейсмичности, очевидно, обусловлены
отсутствием адекватных представлений о гео-
среде, механизмах механоэлектромагнитных
преобразований, трудностями понимания при-
чин быстрой изменчивости различных параме-
тров геосреды. Трудности возрастают за счет
эпизодичности и несистематичности экспери-
мента, отсутствия понимания динамического и
информационного аспектов поведения слож-
ных физических систем со стохастичностью,
когда нелинейность ведет к бифуркации, т.е
выбору пути ее эволюции, а малое внешнее
воздействие может приводить к сильному из-
менению траектории поведения геосистемы в
фазовом пространстве.
Предпримем попытку анализа проблемы ре-
гулирования сейсмического процесса, исходя
из позиции признания геосреды в качестве
открытой нелинейной диссипативной системы.
Будем считать установленным то, что геосреда
эволюционирует по законам и критериям, при-
сущим такого рода системам [Геншафт, 2009].
Каждая ее подсистема и элементы имеют
свои энергетические параметры, меняющиеся
во времени под воздействием нестационар-
ного эндогенного энергетического потока.
Энергетическая накачка геосреды способ-
ствует формированию активных систем и
элементов, характеризующихся нелинейной
динамикой совокупности физических полей
и автоволновыми механизмами переноса. В
частности, при определенной концентрации
флюида возникает неустойчивость ее струк-
турных элементов и происходит усиление про-
цессов разрушения, что в конечном счете и
приводит к активизации излучения из этих
областей акустических и электромагнитных
возмущений, отражающих нелинейную флюи-
додинамику процесса [Гуфельд, 2007; Дмитри-
евский, Володин, 2006; Дмитриевский, 2008]. В
итоге, воздействуя на динамику восходящих
газовых потоков, следствием взаимодействия
которых с твердой фазой литосферы являют-
ся вариации объемов элементов геосреды и
нарушение их аккомодации между собой и
блоками, в принципе, возможно достижение
регулируемости сейсмического процесса. При
этом, согласно И. Л. Гуфельду, нет необходи-
мости воздействия на всю пространственно-
связанную блочную структуру. Главное при
этом — это восстановление режима фоновых
движений блоков.
Существенно, что в этом случае не предпо-
лагается задания каких-либо количественных
характеристик их движения. Вместо этого пред-
усматривается лишь желаемый качественный
тип предельного множества (аттрактора).
Особый интерес представляют оценки воз-
можности преобразования энергии геосистемы
при заданных уровнях управления и диссипа-
ции. Определяющее значение при этом имеет
характеристика, описывающая степень возрас-
тания энергии системы вследствие управления,
определяющая меру возбудимости геосистемы,
получившая название «индекса возбудимости»
[Фрадков, 2005].
Индекс возбудимости может быть определен
экспериментально подобно обычной частот-
ной характеристике линейной системы: при
измерении характеристики возбудимости из-
меняется амплитуда (уровень) входного сигнала
[Фрадков, 2005].
Ясно, что в этом случае мы воспользовались
ослабленной постановкой задачи управления,
более естественной с точки зрения геосистем:
найти управляющую функцию с минимальной
нормой, обеспечивающую перевод системы из
аттрактора разрушения в любую точку притя-
жения другого аттрактора (на другую траекто-
рию развития).
Уравнение генерации спонтанного электро-
магнитного излучения и задача управления.
Как известно, общепринятым описанием воз-
никновения и эволюции пространственно-
временных структур в возбудимых (активных)
средах являются многокомпонентные системы
уравнений типа «реакция—диффузия» [Давы-
дов и др., 1994; Шмидт, 2007]:
( ) ( )u
u u F u
t x x
, (1)
где (u) — коэффициент диффузии.
С учетом данного обстоятельства и прини-
мая во внимание множественность механизмов
механоэлектромагнитных преобразований и,
соответственно, генерации электромагнитных
возмущений в очень широком диапазоне частот
[Сурков, 2002; Гульельми, 2007; 2008; Шуман,
2008; 2010], в работе [Шуман, 2008] предложено
обобщенное нелинейное уравнение генерации
переменного магнитного поля B:
( )2i
ij j i
B
B F
t
B , (2)
где Bi(r, t) — индукция, функция пространствен-
ных переменных r
D Rn и времени t;
=
2
2
1
n
ii r
— оператор Лапласа, задающий диффузионный
тип затухания процесса; ij — матрица диффу-
зии; Fi(B) — нелинейная функция, определяемая
ГЕОСРЕДА И СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС: ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011 23
динамичностью процессов взаимодействия гео-
среды с восходящими потоками легких газов и
экзотермических реакций и, в конечном счете,
разнообразием механизмов механоэлектромаг-
нитных преобразований, протекающих в некото-
ром объеме геосреды. При этом характеристики
электромагнитных возмущений (импульсов или
автоволн) определяются параметрами геосреды.
Как свидетельствует имеющийся опыт
описания активных сред, основные законо-
мерности образования автоволновых струк-
тур могут быть воспроизведены уже в рамках
двух-трехкомпонентной системы [Давыдов и
др., 1991], которую, с учетом (2), в простейшем
случае можно записать в форме
( )2 ,i
ij j i
B
B F
t
B G ,
( )2 ,i
ij j i
G
G P
t
B G , (3)
где функция G определяет интенсивность ди-
намических источников в геосреде.
Функция Pi(B,G), в принципе, может быть
монотонной или даже линейной [Давыдов и др.,
1991], в то время как функция Fi(B,G) обычно
задается полиномами или кусочно-линейными
функциями. Случай, когда =0, соответствует
однокомпонентной системе.
Уравнения (3) представляют собой достаточ-
но сложную систему нелинейных уравнений в
частных производных второго порядка. Обзор
возможных подходов и методов ее решения,
а также анализ особенностей этой системы
приведен в работе [Цифра, Шуман, 2010]. В
частности, с целью упрощения анализа урав-
нения (2) в этой работе предлагается исполь-
зовать его симметрию. Симметрийный метод
позволяет свести это уравнение или систему
(3) в частных производных параболическо-
го типа к изучению системы обыкновенных
дифференциальных уравнений. С этой целью
может быть использован как классический
теоретико-групповой подход, так и его обоб-
щение — метод условной инвариантности.
Некоторые примеры, конкретизирующие вид
функции F(B), приведены в работах [Гульельми,
2007; Шуман, 2010].
Как известно, уравнения (2), (3), в принципе,
дают описание сложных режимов генерации
и распространения электромагнитных возму-
щений в рамках рассматриваемой модели гео-
среды. Идея состоит в том, чтобы на его основе
попытаться сформулировать задачу управления
рассматриваемой системы (геосреды).
Согласно [Фрадков, 2005], для синтеза управ-
ления в пространственно-распределенных си-
стемах модели управления объекта могут быть
получены либо путем дискретизации по про-
странству распределенных моделей, описы-
ваемых уравнениями в частных производных,
либо как набор обычных дифференциальных
уравнений, описывающих отдельные простран-
ственные элементы (ячейки).
При дискретизации уравнения (2) по про-
странству множество D заменяется конечным
числом точек-узлов rk, k=1,2,…, N, каждому из
которых соответствует переменная состояния
Bk(t). При этом динамика величин Bk(t) опреде-
ляется как собственной динамикой F(Bk), так и
взаимосвязями с соседними узлами.
К специфическим целям управления, оче-
видно, следует отнести изменение исходной
траектории в фазовом пространстве рассма-
триваемой системы на нужную. И здесь от-
четливо просматриваются трудности решения
этой задачи.
Во-первых, мы должны иметь необходимую
информацию о структуре фазового портрета
системы. Во-вторых, динамика F(Bk) определя-
ется как распределением напряжений в гео-
среде, так и коэффициентами механоэлек-
тромагнитных трансформаций, определяемых
свойствами слагаемых ее горных пород и всей
пространственно-связанной блочной струк-
туры. При этом соответствующие параметры
могут изменяться в широких пределах и, как
правило, не поддаются непосредственному
измерению. Попытки же использования не-
которых эффективных их значений затруд-
нительны, так как требуется их значение для
каждого конкретного региона, где выполня-
ются измерения и предпринимаются попытки
управления.
Таким образом, главная проблема при попыт-
ке управления в геосистеме — это трудности,
связанные с измерением состояния системы
и реализацией управляющего воздействия на
относительно коротких промежутках времени.
Данное обстоятельство вызывает определенное
беспокойство, поскольку вопрос управления
сейсмичностью становится достаточно акту-
альным. По существу здесь мы имеем дело с
наиболее сложным случаем «черного ящика»,
при котором информация о структуре модели
фактически отсутствует.
Эффект стохастического резонанса и управ-
ление распределенными системами. Как уже
отмечалось, в неустойчивых системах малыми
сигналами можно сильно изменить траекторию
В. Н. ШУМАН
24 Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011
развития. Однако для выхода на нужную не-
обходимо иметь довольно подробную инфор-
мацию о ее структуре. Далее, чтобы реально
осуществить переход системы с одного аттрак-
тора на другой, требуется затратить некоторое
количество энергии и, вполне возможно, суще-
ствует некоторое ее минимальное значение,
ниже которого этот переход невозможен и со-
ответствующий сигнал не может реализовать
переход на новую траекторию. Возникает во-
прос: есть ли реальные возможности понижения
этого порога, если к геосреде подходить как к
чисто релаксационной системе, в которой нет
собственных частот и, как следствие, невозмо-
жен резонанс в классическом его понимании?
Очевидно, можно дать на него положитель-
ный ответ: вероятность успеха можно повысить,
если воспользоваться явлением, представляе-
мым традиционно как «стохастический резо-
нанс». Смысл этого названия состоит в том,
что отклик системы на суммарное воздействие
управляющего сигнала и шума в системе не-
монотонно зависит от интенсивности шума.
Как известно [Климонтович, 1999; Анищенко
и др., 1999], эффект стохастического резонанса
определяет группу явлений, при которых отклик
нелинейной системы на слабый внешний сигнал
заметно усиливается с ростом интенсивности
шума в системе. Этот эффект представляет
собой фундаментальное физическое явление,
типичное для нелинейных систем. Иначе говоря,
шум может выступать в роли конструктивного
фактора, вызывающего рост степени когерент-
ности или степени порядка в системе.
В частности установлено, что наличие ис-
точников шума (приливы, метеофакторы,
неравномерность вращения Земли и др.) в
нелинейных динамических системах может
индуцировать принципиально новые режимы
их функционирования, которые не могут быть
реализованы при отсутствии шума. При этом
шумовой сигнал может быть близким по своим
статистическим свойствам белому, коричне-
вому или фликкер-шуму (шуму мерцания).
Таким образом, идея состоит в том, чтобы с
помощью шума в геосистеме контролировать
эффективность и степень влияния источни-
ка (МГД-генератора) на геосреду с целью из-
менения траектории ее развития. Во всяком
случае, можно думать, что это обстоятельство
во многом определяет и объясняет неопреде-
ленность экспериментальных данных и отсут-
ствие убедительных доказательств воздействия
МГД-генератора, ЭГУ или магнитных бурь на
сейсмический процесс из-за случайного не-
систематического характера постановки экс-
периментов, никак не связанных с характером
шумовой компоненты в геосреде в момент его
проведения. Разумеется, видны и трудности
реализации этой идеи. После сделанных заме-
чаний представляется уместным снова вернуть-
ся к проблеме регулирования сейсмического
процесса.
Как уже отмечалось, сейсмический процесс
реализуется в предельно энергонасыщенной
геосреде, испытывающей непрерывное воз-
действие слабых внешних полей различной
природы [Гуфельд, 2007; Садовский, 2004; Ста-
ховский, 2007; Садовский, Писаренко, 1991;
Геншафт, 2009]. Однако вопрос о физических
механизмах влияния полей естественных и кон-
тролируемых источников на сейсмичность все
еще недостаточно ясный. Весьма вероятно, что
на современном уровне знаний о процессах в
геосреде все еще невозможно дать исчерпы-
вающее изложение этой стороны проблемы. Из
работ данного направления следует, по край-
ней мере, три обстоятельства, нуждающиеся
в объяснении.
Во-первых, это, конечно, вопрос о том,
каким образом энергия электромагнитного
импульса контролируемого (МГД-генератор,
ЭГУ) или естественного (МБ) источника воздей-
ствует на изменение сейсмического режима.
Во-вторых, чем вызвана временная задержка
их влияния на сейсмичность в пределах 2—7
суток после начала воздействия [Закржевская,
Соболев, 2002; Тарасов, 2007; Гуфельд, 2007].
В-третьих, чем обусловлено возрастание сум-
марной сейсмической энергии после пусков
МГД-генератора, превышающее на 5—6 поряд-
ков энергию, отдаваемую МГД-генератором в
заземленный диполь [Закржевская, Соболев,
2002; Тарасов, 2007]. И вообще, случайны ли эти
закономерности и откуда они взялись. Попытки
объяснения трансформации электромагнит-
ных возмущений в механические, основанные
на классических представлениях о прямом
воздействии электромагнитного импульса на
мозаику электрических зарядов на бортах
микротрещин, в свою очередь влияющую на
механику процесса, или привлечением обрат-
ного сейсмоэлектрического эффекта второго
рода, который напрямую устанавливает связь
между величиной переменного электрическо-
го поля в среде и механическими колебания-
ми среды, не дали результатов из-за малости
коэффициента электромеханической связи.
Кроме того, помимо малости коэффициента
электромеханической связи, исходя из этих
ГЕОСРЕДА И СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС: ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011 25
представлений, крайне проблематично объяс-
нить наблюдаемую в эксперименте упомянутую
выше задержку в 2—7 суток.
Что касается последнего третьего замечания,
то в ряде работ высказана идея о триггерном
характере воздействия МГД-генератора или
магнитной бури на характер сейсмичности
[Закржевская, Соболев, 2002; Уруцков, 2000]
или об инициировании высвобождения энер-
гии, уже накопленной в геосреде в результате
иных процессов [Тарасов, 2007]. Но при этом
мы снова возвращаемся к первому пункту, а
именно: каков механизм этой инициации?
Как уже отмечалось, определенный прогресс
в объяснении этого круга проблем достигнут
в последнее время в рамках концепции ди-
намически неустойчивой геосреды (физико-
химической модели сейсмотектонического
процесса), в основу которой положены пред-
ставления о реакции блочно-иерархической
геосреды на взаимодействие с потоками легких
газов и экзотермических реакций водорода с
другими газами [Гуфельд, 2007].
В соответствии с этой концепцией, именно
восходящие потоки легких газов могут быть
основным переменным фактором, контроли-
рующим текущую неустойчивость литосферы
и стимулирующим обмен энергией между от-
дельными элементами (блоками или их систе-
мами) среды.
Существенно, что именно на кинетику вос-
ходящих потоков легких газов могут оказывать
влияние весьма слабые источники электромаг-
нитных полей и механических вибраций. При
этом уровень (порог) управления геосистемой
может быть достаточно низким, вполне до-
стижимым при постановке соответствующих
экспериментов. С эффектами, обусловленными
процессами дегазации, могут быть связаны
также инкубационные периоды проявления
акустической эмиссии и процессов перестрой-
ки объемно-напряженного состояния геосреды
и сейсмического процесса [Гуфельд, 2007].
Разумеется, при этом воздействие контроли-
руемых источников должно быть согласован-
ным с проявлением естественных (приливы,
метеофакторы, отдаленная сейсмичность, из-
менения угловой скорости Земли).
Задача управления и мониторинг. Очевид-
но, главная проблема при синтезе управления
геосредой — это трудности с измерением ее
состояния и реализацией управляющего воз-
действия (к примеру, пуска МГД-генератора)
в нужные моменты времени или на нужных
временных интервалах в условиях, когда про-
гноз времени ожидания сейсмических собы-
тий, как правило, отсутствует, а информация о
структуре геосреды крайне ограничена и фраг-
ментарна. Ясно, что классические принципы
управления — приведения траектории системы
в заданную точку или приближения траектории
к заданному движению — применительно к
геосистеме нуждаются в серьезной модифи-
кации. Возможно, это постановка ослабленных
целей, а именно создание режимов с частично
заданными свойствами.
Более адекватным в такой ситуации пред-
ставляется ориентация на использование дан-
ных мониторинга. Как известно, целью мони-
торинга является либо непосредственный про-
гноз исследуемых характеристик процесса на
некоторый временной интервал вперед, либо
выделение интервалов времени «аномально-
го поведения», которое в ряде случаев может
служить предвестником резких или катастро-
фических изменений в будущем [Дещерский
и др., 2003; Любушин, 2007].
Перспективными в этом плане выглядят сле-
дующие направления исследований:
методы, основанные на идеях отслежива-
ния параметров, характеризующих само-
подобные свойства изучаемых сигналов
и их изменение во времени;
методы изучения временных изменений
статистической структуры динамических
процессов в геосреде;
поиск сигналов синхронизации, согласо-
ванности вариаций наблюдаемых пара-
метров, относящихся к состоянию изуча-
емого объекта земной коры измеряемых
на пространственной сети системы мони-
торинга или измеряемых в совмещенном
пункте различных физических величин.
Весьма вероятно, что такой подход к
оценке геодинамических свойств и ха-
рактеристик локальных участков земной
коры позволит строить диагностику ее
состояния и, очевидно, более обосно-
ванно, а скорее реалистично, подойти
к проблеме управления сейсмическим
процессом в сейсмогенерирующей гео-
среде или, возможно, оценить реальность
этой проблемы.
Заключение. Идеи о самоподобной эволюции
материала земной коры в условиях неравно-
весного состояния, представления о геосреде
как открытой нелинейной диссипативной си-
стеме, в принципе позволяют привлечь аппарат
современной нелинейной теории управления
сложных физических систем [Кадомцев, 1994;
В. Н. ШУМАН
26 Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011
Фрадков, 2005]. При этом следует подчеркнуть
ключевую роль нелинейности в рассматривае-
мой системе (геосреде). Однако вместо клас-
сических целей управления — приведение
траектории системы в заданную точку (задача
регулирования) или приближения траектории
к заданному движению (задача слежения) — по
отношению к геосреде ставятся значительно
более ослабленные цели, а именно, создание
режимов с частично заданными свойствами
(за счет контролируемых искусственных воз-
действий уменьшить площадь пространственно-
связанной блочной структуры и тем самым вос-
становить режим фонового движения блоков
[Гуфельд, 2007]) или качественного изменения
фазового портрета системы (перевод системы
с одной траектории развития на другую или
переброс системы с одного аттрактора (области
притяжения) на другой).
Разумеется, речь при этом идет об открытых
системах, через которые могут протекать боль-
шие энергетические потоки. В таких предельно
энергонасыщенных системах, как известно,
сигналами малой мощности можно сильно из-
менить траекторию поведения. Важно, что в
рамках изложенных представлений отпадает
необходимость контролируемого воздействия
на всю пространственно-связанную блочную
структуру геосреды. Главное здесь — за счет
локальных воздействий восстановить режим
фонового движения блоков [Гуфельд, 2007].
Именно понимание регулируемости сейс-
мического процесса и сам процесс понимания
дают ключ к постановке экспериментальных
работ по управлению сейсмическим режимом.
К сожалению, однако, мы никогда не можем
быть уверенными в том, что не пренебрегли
чем-то весьма существенным. В этом контек-
сте кажется актуальным совместный анализ
данных, полученных в результате исследова-
ния различных природных процессов (систем
мониторинга), ориентированных на прогноз
изучаемых характеристик на некоторый отре-
зок времени вперед, либо выделение времени
«аномального поведения» системы, которое
может служить предвестником быстрых или
даже катастрофических изменений в системе.
Наиболее существенный вывод, вытекаю-
щий из приведенных здесь соображений —
это возможность воздействия на параметры
сейсмического процесса. Отчетливо видны и
трудности реализации этой идеи, связанные с
оценкой реакции геосреды на действие контро-
лируемых источников геофизических полей.
Напомним в этой связи, что образование
пространственно-связанной структуры блоков
в значительной степени зависит от интенсив-
ности и скорости процессов дегазации и уровня
внешних полей в данный период времени.
Возможно, многие читатели не согласятся со
многими или с какой-то частью приведенных в
работе рассуждений, но если у них возникнет
желание разобраться или уделить внимание
затронутым в статье вопросам и выработать
по ним собственные представления, ее цель
будет достигнута.
Список литературы
Авагимов А. А., Зейгарник В. А., Николаев А. В., Собо-
лев Г. А., Пономарев А. В., Тарасов Н. Т., Нови-
ков В. А., Тарасова Н. В., Челидзе Т. Г. Влияние
электромагнитных воздействий на сейсмический
режим // Геодинамика и геоэкологические про-
блемы высокогорных регионов. Второй междуна-
родный симпозиум. Тез. докл. — Бишкек. — 2002.
— С. 178—179.
Анищенко В. С., Нейман А. Б., Мосс Ф., Шимановский-
Гайер Л. Стохастический резонанс как индуци-
рованный шумом эффект увеличения степени
порядка // Успехи физ. наук. — 1999. — 169, № 1.
— С. 7—37.
Гаркавый Н. Н., Левицкий Л. С., Гайдакова Т. А., Тра-
пезников Ю. А., Фридман А. М. О выявлении трех
компонент в сейсмической активности Земли //
Физика Земли. — 1994. — № 10. — С. 23—32.
Геншафт Ю. С. Земля — открытая система: геоло-
гические и геофизические следствия // Физика
Земли. — 2009. — № 8. — С. 4—12.
Гульельми А. В. Инерционные эффекты в коре и в
магнитосфере Земли // Физика Земли. — 2008.
— № 1. — С. 50—56.
Гульельми А. В. Ультранизкочастотные волны в коре и
магнитосфере Земли // Успехи физ. наук. — 2007.
— 177, № 12. — С. 1257—1276.
Гуфельд И. Л. Сейсмический процесс. Физико-
химические аспекты. Науч. изд. — Королев:
ЦНИИМаш, 2007. — 160 с.
Гуфельд И. Л., Гусев Г. А., Собисевич А. Л. Правомерна
ли постановка работ по предотвращению сильных
коровых землетрясений? // Уральский геофизич.
вестник. — 2005. — № 7. — С. 5—15.
Давыдов В. А., Зыков В. С., Михайлов А. С. Кинематика
автоволновых структур в возбудимых средах //
Успехи физ. наук. — 1994. — 161, № 8. — С. 45—86.
Дещерский А. В., Лукк А. А., Сидорин А. Я. О новой
парадигме прогноза землетрясений // Докл. РАН.
— 2003. — 388, № 2. — С. 233—236.
ГЕОСРЕДА И СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС: ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Геофизический журнал № 2, Т. 33, 2011 27
Дмитриевский А. Н. Автоволновые процессы фор-
мирования флюидонасыщенных зон Земли // Де-
газация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть,
газ и их парагенезисы. Материалы Всерос. конф.
(Москва, 22—25 апреля 2008 г.) — Москва: ГЕОС,
2008. — С. 6—8.
Дмитриевский А. Н., Володин И. А. Формирование
и динамика энергоактивных зон в геологиче-
ской среде // Докл. РАН. — 2006. — 411, № 3. —
С. 395—399.
Зайцев В. Ю., Назаров В. Е., Таланов В. И. «Не-
классические» проявления микроструктурно-
обусловленной нелинейности — новые возмож-
ности для акустической диагностики // Успехи
физ. наук. — 2006. — 176, № 1. — С. 97—102.
Закржевская Н. А., Соболев Г. А. О возможном влия-
нии магнитных бурь на сейсмичность // Физика
Земли. — 2002. — № 4. — С. 3—15.
Кадомцев Б. Б. Динамика и информация // Успехи
физ. наук. — 1994. — 164, № 5. — С. 449—530.
Кисин И. Г. Явление самоорганизации при взаимо-
действии флюидных потоков и геодинамических
процессов в земной коре // Геофизика XXI сто-
летия: 2007г. Сб. тр. девятых геофиз. чтений им.
В. В. Федынского (Москва, 1—3 марта 2007 г.). —
Тверь: ООО «Изд-во ГЕРС», 2008. — С. 82—88.
Климонтович Ю. Л. Что такое стохастическая филь-
трация и стохастический резонанс? // Успехи физ.
наук. — 1999. — 169, № 1. — С. 39—47.
Лукк А. А., Дещерский А. В., Сидорин А. Я., Сидо-
рин И. А. Вариации геофизических полей как про-
явление детерминированного хаоса в фрактальной
среде. — Москва: ОИФЗ РАН, 1996. — 210 с.
Любушин А. А. Анализ данных систем геофизиче-
ского и экологического мониторинга / Отв. ред.
Г. А. Соболев. — Москва: Наука, 2007. — 228 с.
Руденко О. В. Гигантские нелинейности структурно-
неоднородных сред и основы методов нелинейной
акустической диагностики // Успехи физ. наук.
—2006. — 176, № 1. — С. 77—95.
Садовский М. А. Геофизика и физика взрыва. Избр.
тр. / Отв. ред. В. В. Адушкин. — Москва: Наука,
2004. — 440 с.
Садовский М. А., Писаренко В. Ф. Сейсмический про-
цесс в блоковой среде. — Москва: Наука, 1991.
— 95 с.
Соболев Г. А., Закржевская Н. А., Харин Е. П. О связи
сейсмичности с магнитными бурями // Физика
Земли. — 2001. — № 11. — С. 62—72.
Соболев Г. А., Пономарев А. В. Физика землетрясений
и предвестники. — Москва: Наука, 2003. — 270 с.
Соболев Г. А., Пономарев А. В., Кольцов А. В., Кру-
глов А. А., Луцкий В. А., Цывинская Ю. В. Влияние
инжекции воды на акустическую эмиссию при
долговременном эксперименте // Геология и гео-
физика. — 2006. — 47, № 5. — С. 608—621.
Стаховский И. П. Самоподобная сейсмогенерирую-
щая структура земной коры: обзор проблемы и
математическая модель // Физика Земли. — 2007.
— № 12. — С. 35—47.
Сурков В. В. Электромагнитные эффекты при зем-
летрясениях и взрывах. — Москва: Изд. Моск.
гос. инж.-физ. ин-та (техн. ун-та), 2002. — 238 с.
Тарасов Н. Т. Изменение сейсмического процесса при
облучении коры мощными электромагнитными
импульсами. Электромагнитные исследования
Земли (под ред. В. В. Спичака) // Материалы III
междун. конф. по электромагнитным зондирова-
ниям Земли (Звенигород, 2—8 сентября 2007 г.).
— Москва: НФЗ РАН. — 2007. — С. 124—137.
Тарасов Н. Т., Тарасова Н. В. Влияние ядерных взры-
вов на сейсмический режим // Доклады РАН. —
1995. — 343, № 1. — С. 543—546.
Тарасов Н. Т., Тарасова Н. В., Авагимов А. А., Зейгар-
ник В. А. Влияние мощных электромагнитных
импульсов на сейсмичность // Вулканология и
сейсмология. — 1999. — № 4/5. — С. 152—160.
Уруцков И. И. О возможном механизме землетрясений
// Прикл. физика. — 2000. — № 4. — С. 55—61.
Фрадков А. Л. О применении кибернетических мето-
дов в физике // Успехи физ. наук. — 2005. — 175,
№ 2. — С. 113—138.
Фридман А. М., Поляченко Е. В., Насырканов Н. Р.
О некоторых корреляциях в сейсмодинамике
и двух компонентах сейсмической активности
Земли // Успехи физ. наук. — 2010. — 180, № 3.
— С. 303—312.
Цифра И. М., Шуман В. Н. Параболические системы
типа «реакция-диффузия» при моделировании
процессов генерации и распространения электро-
магнитной эмиссии литосферы и методы их анали-
за // Геофиз. журн. — 2010. — 32, № 5. — С. 51—60.
Шмидт А. В. Анализ систем реакция-диффузия ме-
тодом нелинейных определяющих уравнений //
Журн. вычисл. математики и матем. физики. —
2007. — 47, № 2. — С. 256—268.
Шуман В. Н. Уравнение генерации спонтанных элек-
тромагнитных сигналов в системе литосферных
блоков // Геофиз. журн. — 2008. — 30, № 1. —
С. 42—48.
Шуман В. Н. Электродинамика геосреды и методы
геоэлектрики // Геофиз. журн. — 2010. — 32, № 2.
— С. 28—42.
Bak P., Tang C. Earthquakes as self-organized criticality //
J. Geophys. Res. —1989. — 94, № 15. — Р. 635—637.
Ott E., Grebogi C., Yorke J. A. Controlling chaos // Phys.
Rev. Lett. — 1990. — 64. — Р. 1196—2001.
|