Исследовательский коллектив, представленный ведущими учеными Института динамики геосфер имени академика М.А. Садовского РАН и сотрудниками Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, а также при поддержке Российского научного фонда (РНФ), совершил значимый научный прорыв. В ходе масштабной работы в районе Приморского разлома Байкальской рифтовой зоны была впервые выявлена универсальная математическая закономерность разрушения горных пород. Новое открытие позволяет по-новому взглянуть на процессы дробления и возникновения трещин и может быть использовано для оптимизации разведки минеральных ресурсов, прогноза землетрясений и оценки гидрологических параметров недр Земли.
Особенности трещинообразования: новая математическая модель
Изучая процессы накопления деформаций в земной коре, ученые проанализировали различные масштабы разрушений — от микроразломов в кристаллах до массивных разломов длиной в десятки и сотни километров, что особенно выражено в Байкальской рифтовой системе. Традиционно процесс разрушения описывался с помощью принципа фрактальности, где предполагалось, что крупные породы дробятся по образцу ветвления дерева: на каждом этапе дробления число новых осколков оставалось постоянным. Согласно этому принципу, число мельчайших фрагментов должно было стремиться к бесконечности.
Однако на практике ситуация гораздо сложнее и интереснее. Благодаря проделанным анализам и современным вычислительным технологиям стало ясно — формирование трещин и осколков следует иному, ранее неизвестному, универсальному математическому закону. Этот закон определяет реальное распределение кусков по размеру и показывает, что доля очень мелких фрагментов существенно меньше, чем считалось ранее.
География и масштабы работ
Зона исследований — уникальный по своим геодинамическим особенностям Приморский разлом Байкальской рифтовой зоны, где активности земной коры и сегодня остаются значительными. Разлом, которому уже многие миллионы лет, тянется вдоль западного побережья Байкала, достигая в длину сотен километров. Именно здесь команда исследователей собрала масштабный материал — более 160 километров маршрутов изучены, отобраны образцы пород для многоуровневого анализа.
В рамках работы исследователи рассмотрели структуру трещин как на микроскопическом уровне, исследуя отдельные зерна минералов (прежде всего циркон, обладающий большой твердостью), так и на уровне крупных обнажений в скалах и даже на цифровых моделях рельефа региона, где фиксируются разломы протяжённостью до десятков километров.
Передовые технологии анализа
Для максимально точной фиксации структуры разрушения были использованы современные методы. Применение нейросетей дало возможность обработать огромное количество изображений пород: на снимках размечались все границы трещин, выделялись замкнутые области — потенциальные отдельные будущие фрагменты при дальнейшем разрушении. Затем с помощью математико-статистических методов проводилось сопоставление полученного распределения размеров осколков с возможными теоретическими законами.
Этот инновационный подход позволил отметить ранее не известные закономерности разрушения горных пород: стало ясно, что классическая теория фрактальности не описывает реальное распределение фрагментов, а предложенный учеными универсальный закон оказался применим ко всем изученным масштабам.
Понимание разрушения породы и прикладная важность открытия
Выяснилось, что на разных уровнях, от микрометрового строения отдельных кристаллов до масштабов целых скальных массивов, разрушающаяся порода подчиняется одному универсальному правилу. По сравнению с прежними моделями, в реальных горных породах значительно меньше крошечных фрагментов. Это невероятно важно для практики, так как от размера частиц зависит фильтрационная способность пород, то есть их способность пропускать жидкости и газы. Для добычи нефти, исследовании водоносных горизонтов и прогноза возможных проявлений геодинамической активности полученные результаты открывают новые горизонты.
Особое значение открытие приобретает в контексте разработки месторождений и в предсказательных расчетах сейсмической активности. Корректное моделирование структуры разломов и их эволюции теперь возможно с учетом новых закономерностей, что повысит точность и надежность геологических прогнозов в зонах повышенной активности.
Планы по развитию исследований
Коллектив, под руководством доктора физико-математических наук, профессора, главного научного сотрудника лаборатории деформационных процессов в земной коре Института динамики геосфер имени академика М.А. Садовского РАН, Геворга Кочаряна, продолжает научные поиски. В ближайших планах — разработка подробных структурных моделей крупных регионов земной коры с учетом универсального закона разрушения пород. Уже полученные результаты лягут в основу следующих вычислительных экспериментов для изучения закономерностей появления мощнейших и редких сейсмических событий. Такие модели можно будет использовать для долгосрочного прогнозирования и оценки риска сильных землетрясений как в районе Байкала, так и в других чувствительных регионах мира.
По словам Геворга Кочаряна, создание адекватной модели строения зоны разлома — ключ к пониманию механизмов зарождения и развития крупнейших сейсмических явлений, а также путь к технологическому прогрессу в разведке природных ресурсов.
Значимость открытия для отечественной и мировой науки
Сделанное открытие стало возможным благодаря сочетанию традиционных полевых методов и самых современных цифровых аналитических инструментов. Важно подчеркнуть, что результаты серии опытов и вычислений универсальны и могут быть адаптированы под разные типы горных пород и регионы мира.
Вклад работников Института динамики геосфер имени академика М.А. Садовского РАН и сотрудников Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, поддержанный Российским научным фондом (РНФ), стал значительным шагом к совершенствованию научного понимания процессов формирования земной коры, открывая новые перспективы для прикладной геофизики, минералогии и смежных наук.
Обнаружение универсального математического закона разрушения горных пород — настоящий научный прорыв, который способствует дальнейшему развитию геологических исследований. Полученные знания помогут понять, как изменяется структура недр Земли с течением времени, повысить эффективность добычи ресурсов и совершенствовать системы сейсмического мониторинга.
Источник: indicator.ru