«Наука в Сибири» № 30-31 (2366-2367) 2 августа 2002 г. ВСЁ НАЧИНАЕТСЯ С ЗЕМЛИ Знаем ли мы, какие процессы происходят в Земле? На апрельском заседании Президиума СО РАН обсуждался научный доклад "Нелинейная геодинамика — современные достижения и перспективные направления исследований", с которым выступил член-корреспондент В.Опарин. По словам оппонентов, впервые был представлен обстоятельный исторический обзор по развитию теории сдвижения массивов горных пород при отработке месторождений полезных ископаемых и началам геомеханики. Интервью ученого для "НВС" можно рассматривать как дополнение и комментарий к докладу. В Сибирском отделении — в Институте горного дела — активно занимаются свойствами блочной геосреды. Результат — открытие СССР N 400. В числе авторов открытия — заместитель директора ИГД СО РАН и заведующий лабораторией горной геофизики Виктор Николаевич Опарин. Важнейшие результаты его научной работы связаны с теоретическими основами геомеханической интерпретации геофизических данных, созданием комплексов измерительных приборов диагностики напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и контроля геомеханических процессов. Галина Шпак "НВС" Десять лет назад было зарегистрировано открытие СССР N 400 — "Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок (авторы открытия: Е.Шемякин, М.Курленя, В.Опарин, В. Рева, Ф.Глушихин, М.Розенбаум). Это открытие оказалось одним из последних в государственном реестре, потому что в "новой жизни" страны — в начале девяностых годов прошлого столетия — прекратил свое существование Государственный комитет по делам изобретений и открытий. Сейчас научные открытия официально не регистрируются. Правда, эту функцию смело взяла на себя Ассоциация авторов открытий совместно с российской академией естественных наук — самодеятельной организацией научных работников, но не об этом речь. Почти десять лет спустя ученые-горняки из Южно-Африканской республики (ЮАР) "переоткрыли", можно сказать, открытие СССР N 400! Не знаю, огорчился ли уважаемый профессор Дэвид Окстер из ЮАР, побывавший в прошлом году в Санкт-Петербурге, во Всероссийском научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела, узнав о более ранних публикациях в России на предмет этой самой дезинтеграции... Зато в Новосибирске, в Институте горного дела СО РАН обрадовались. Во всяком случае, обрадовался Виктор Николаевич Опарин, когда один из авторов открытия, Владимир Николаевич Рева сообщил по телефону из Санкт-Петербурга эту новость. Сам факт повторения научного результата обнадеживает, потому что факт подтверждает истину, логику развития науки. По поводу открытия и переоткрытия явления зональной дезинтеграции член-корреспондент РАН В.Опарин высказался вполне определенно. — Этот результат "перестал" быть нашим. На публикации, где впервые комплексно обосновывается существование явления зональной дезинтеграции горных пород, идет очень много ссылок. Защищаются не только кандидатские и докторские диссертации, но, что очень важно, — делаются и внедряются в горное дело изобретения. Это явление связано с прогнозированием удароопасности горных пород, креплением горных выработок, оценкой уровня горного давления, выбором и обоснованием новых технологий ведения подземных работ на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях. Одних только авторов публикаций я мог бы назвать больше сотни, а горняки — народ дотошный. На слово, даже высказанное светилами науки, не верят до тех пор, пока сами не убедятся в справедливости результата. Интересны математические статьи, в которых предпринимаются попытки объяснить в числе, а не только качественно, где должны возникать зоны разрушения и какого размера. Радует то, что их работами дано большое развитие исходным представлениям авторов открытия — и по области существования, и по теоретическим основам, и по условиям реализации... — Виктор Николаевич, а взрывы на шахтах, горные удары тоже проявление дезинтеграции? — Если под "взрывами" вы понимаете катастрофические формы проявления горного давления на шахтах в виде выбросов угля, породы и метана, то, скорее всего, — да. Упоминая профессора Дэвида Окстера, я забыл сказать, что он выступил с докладом "Интенсивные подвижки пород после горного удара" (по сообщению другого соавтора открытия доктора наук М.Розенбаума, слушавшего этот доклад). Результаты аналогичных наблюдений за характером разрушения окрестных пород к очагу горного удара на угольных шахтах Дальнего Востока недавно описал доктор наук В.Макаров и его коллеги из Дальневосточного государственного технического университета. Можно привести немало примеров и по другим угольным бассейнам. Когда я был стажером-исследователем и по собственному желанию занимался электрометрическими методами, Михаил Владимирович Курленя отправил меня в командировку в Кемерово, в Кузбасский политехнический институт к проректору, профессору Б.Тарасову, где я познакомился с разработками и опытом применения электрометрических методов на шахтах Кузбасса его молодых учеников (ныне — профессоры В.Дырдин, В.Иванов, С.Простов и др.). Там я впервые увидел "многогорбые кривые", которые меня заинтересовали... Поначалу опыт использования электрометрического метода на шахтах рассматривался как установочная простая задача — смоделировать регулярные и нерегулярные системы трещин, — а выросла она в вопрос, а вопрос в проблему о роли трещин в механике массива. И тему кандидатской я сформулировал сам: "Электрометрическая дефектоскопия высокопроводящих пород". С тех пор прошло, если быть точным, двадцать семь лет... Сейчас пишем очередную книгу, и в ее обзорной части указывается довольно внушительный список — почти 250 публикаций так или иначе связанных с зональной дезинтеграцией. — Название открытия уже вошло в научный оборот, но все-таки, почему вы предпочитаете такое модное слово — "дезинтеграция" более конкретному, общепринятому — "разрушение"? — Смысл в том, что "дезинтеграция" — более общее понятие. В моем понимании — это процесс разуплотнения вещества. Он может идти двояко — с образованием новых трещин и раскрытием существующих. Когда же мы говорим о разрушении, здесь акцент ставится на образовании новых трещин. Открытие явления зональной дезинтеграции по сути было сделано на рудниках Норильского горно-металлургического комбината, где месторождения полиметаллических руд разрабатываются подземным способом. Случилось так, что с самого начала научных исследований на рудниках Талнахско-Октябрьского месторождения, с 1975 года, судьба свела меня с очень талантливым горняком Александром Петровичем Тапсиевым, приехавшим по распределению в Норильск. Ныне он — доктор наук, заместитель директора Горно-металлургического опытно-исследовательского центра (ГМОИЦ) при Норильском комбинате. А тогда мы, "свежеиспеченные" выпускники вузов, с задором и большим интересом знакомились с подземной "стихией". Обвешанные измерительными приборами, подобно подземным "альпинистам", мы поднимались и спускались по крутонаклонным штрекам с одного горизонта на другой, вслушиваясь в загадочное дыхание разноцветно мерцающего массива медно-никелевых руд. Вглядывались внутрь него, применяя скважинные геофизические зонды и перископические устройства. Попутно знакомились и с передовыми технологиями ведения горных работ, системами проветривания, современными зарубежными и отечественными механизированными комплексами... Ведь и поныне Норильский комбинат — это гигант горнорудной промышленности в Заполярье, оснащенный по последнему слову техники и технологий. Не ошибусь, если скажу, что только за первые десять лет экспериментальных исследований нами и нашими коллегами-учениками было использовано для анализа более тысячи скважин геологической доразведки и геомеханического назначения на рудниках Маяк, Заполярный, Комсомольский, Октябрьский, а потом и Таймырский. А это — и разные типы пород и руд, и разные глубины (110-1050 м). Приобретенный за эти годы опыт, конечно, не могут заменить никакие учебники по горному делу... Работали ногами, руками и головой, как говорится. И выявилось, что существует не одна зона концентрации напряжений в массиве горных пород, а несколько, и возникновение их не зависит от минералогии — состава горных пород. Действительность противоречила устоявшимся представлениям исследователей. Напомню, что согласно классическим представлениям, вокруг подземных выработок выделяются три последовательно расположенных друг за другом зоны, в пределах которых породы находятся в различном напряженном состоянии, определяемом естественным полем напряжений породного массива и его прочностными характеристиками. В Норильске работали и сотрудники из Всесоюзного (тогда!) научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела В.Рева и М.Розенбаум и другие. Они также изучали в своих натурных и модельных экспериментах, что происходит вокруг горной выработки, когда уровень напряжений достигает пределов прочности, и подтвердили гипотезу о зональной дезинтеграции, предложив оформить ее как открытие. Сугубые практики убедились в новой парадигме. Убедились и специалисты "от бога", которые знают, что такое горные породы, что такое технологии, как крепить горные выработки. Сериал, то есть статьи по зональной дезинтеграции, пошел с 1986 года в журнале "Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых". В статьях представлены все известные на то время материалы натурных исследований, результаты измерений и физического моделирования. — Я читала некоторые ваши статьи и в списках литературы отметила работы академика Михаила Александровича Садовского. Наиболее известны его работы по физике взрыва... — Не только Садовский, но и его научная школа. Его последователи, особенно в последние годы, очень активно занимаются развитием представлений о блочной иерархии строения горных пород. Считаю, что академик М.Садовский один из первых, а если учитывать его авторитет, — первый, пожалуй, обратил внимание на необходимость учета блочного строения горных пород при описании особенностей их поведения в механическом поле напряжений, а также при исследовании реакций горных пород на взрывные воздействия. Он акцентировал внимание на фундаментальных характеристиках блочной структуры. Если их не учитывать в теориях, то мы никогда не сможем адекватно описать поведение массивов горных пород. — Как далеко вы ушли от того, что сделал этот ученый? — Далеко или не далеко — я бы не стал это обсуждать. Могу только сказать, что удалось кое-что добавить к тому, что сделал академик Садовский. Об этом вместе с академиком Курленей я написал большую статью из двух частей: "Проблемы нелинейной геомеханики". (Статья опубликована в журнале "Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых" — 1999 г., N 3; 2000 г., N 4). Для себя я вычленил два результата. В исследованиях мы перешли от общего понятия блочного иерархического строения горных пород к конкретной характеристике этого строения. Введены новые фундаментальные понятия, основываясь уже на наших экспериментальных данных и анализе других результатов и систематизации этих данных. Оказывается, что существуют статистически инвариантные отношения диаметров блоков заданного иерархического уровня к раскрытию трещин, отделяющих эти блоки между собой. Характеристика очень важная. Мы ее назвали "геомеханическим инвариантом мю-дельта". — Если без математики, "по-простому", — что отражает эта характеристика? — Она диктует степень свободы движения геоблоков между собой. Становится понятным, откуда возникают маятниковые волны, почему они имеют определенную скорость, какие скорости могут быть. Удалось вывести кинематическую формулу для очень широкой гаммы скоростей, объяснившей экспериментальные данные. Раньше мы не до конца понимали, почему в глубине массива в пределах зон дезинтеграции преимущественное разрушение пород происходит по кольцевой системе трещин, поскольку в теоретической схеме использовалось понятие "слабого бокового отпора" для элементарных объемов. А это оказывается имманентным свойством структурных элементов геосред. Это я подчеркиваю! А теперь о втором понятии, которое введено — о канонических рядах геоблоков. Придумал формулу, которая позволяет описать иерархический ряд геоблоков, начиная от матушки Земли в целом, и кончая кристаллическим уровнем. Так возникла шкала канонических представлений, которая хорошо описывает естественные неоднородности разной природы и масштабного уровня, с которыми сталкиваются исследователи в горном деле, геологии, геофизике и других естественных науках. Это раз, а во-вторых, оказалось, что, если бы, изучая физические поля, раскладывать их по этой шкале, то обнаруживается очень тесная связь между размерами фракций и гармониками физических полей, которые мы регистрируем. Появляется хороший способ соотнести структуру среды с ее откликом на то или иное воздействие, сравнивая уже статистические распределения. Это так называемая каноническая шкала структурных представлений физической ассоциированной информации с этими структурами. Интересно, что Садовский представлял себе геосреду типа "матрешки" с коэффициентом линейного вложения в одном блоке два--пять другого уровня блоков, в среднем три с половиной... — А на самом деле не "матрешки"? — По моим представлениям — "не матрешки". Это кластерная система. Я как раз и ввел каноническую шкалу — с логарифмическим основанием корень квадратный из двух... Любой блок можно "склеить" из "канонических" блоков "корешкового" типа! То, что Садовский сформулировал как концепцию не до конца формализованную, я попытался формализовать: те категории и понятия, которые и продемонстрировали их большую конструктивную силу. Непременно прочитайте статью... — Завязну! (Но прочитала!) — Но вы задали вопрос, что называется, — самый главный. — Да? Значит не зря думала. — Новый сериал и был написан под тем прицелом, чтобы свести большое многообразие экспериментальных данных и явлений к концепции Михаила Александровича Садовского и рассмотреть проблему с единых позиций. Идея возникла естественно. У Михаила Александровича я защищал докторскую диссертацию. — В Москве, в Институте физики Земли, в 1987 году, когда Садовский был директором этого института... — Когда я рассказывал о зональной дезинтеграции, он тут же провел параллель между нашими результатами в горном деле и экспериментами по механике ядерных взрывов. Кстати, с тех пор мы длительное время сотрудничали с его учениками, которые занимались механикой крупномасштабных взрывов. Именно представление о блочной иерархической структуре геосреды, повторяю, помогло теоретически объяснить экспериментальные факты, связанные с дальнодействием ядерных взрывов и многие другие особенности сложного процесса. С тех пор много воды утекло... — Помнится, еще в первых публикациях в нашей газете об открытии я вас спрашивала об особенностях ядерных взрывов. — Это ведь отдельный большой, специальный раздел в исследованиях, связанных с нелинейной геомеханикой, геодинамикой — проблемы техногенных катастроф... Они сейчас занимают мой ум. И в последней статье об этом говорится. Проблемы оказались интересны не только горнякам, но и смежным специалистам — геофизикам в первую очередь. Когда академик Гольдин задумал интеграционный проект... — Новая парадигма землетрясений? Точное название "Стратегия прогноза землетрясений на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне". В сноске к вашей статье о проблемах нелинейной геомеханики указывается этот интеграционный проект. — Значит, вы поняли, что новая парадигма во многом строится именно на достижениях геомеханики, блочной иерархической структуры горных пород, особых свойств их строения, существования низкоскоростных упругих волн... Новое возникает не на пустом месте. Важно еще "увидеть" новое. И, конечно, благодаря широкому диапазону интересов академика С.Гольдина начались исследования в рамках интеграционного проекта. Он как раз сделал акценты на то, что раньше не делалось: строгое описание геоматериалов, выбор адекватных методов описания их поведения; с помощью каких физических, геофизических методов можно контролировать важнейшие параметры; изучать эти процессы, а затем вычленять определенные признаки, которые могли бы быть положены в основу системы прогнозирования землетрясений на краткосрочную или среднесрочную перспективу. Сейчас самая сложная и актуальная проблема — краткосрочный прогноз. — Возможно ли ее решить? — Думаю, что возможно, но работа очень сложная, в том числе и по нашей части, выполняемой в Институте горного дела. В этом же проекте есть важные расчетные задачи. Ими занимаются механики-теоретики, доктора наук супруги Назаровы. В моей лаборатории горной геофизики моделируются сложные процессы в блочных средах при напряженном состоянии горных пород. Моделируем очаговые зоны землетрясений через блочность — влияние уровня горного давления на реакцию массива горных пород при воздействии геофизических полей. Результат очень интересный. Эффект необычайный. Мы обнаружили, что массив, когда мы на него начинаем давить, проявляет себя как своеобразная геомеханическая лазерная система. — Лазерная система? А где лазер-то? И преобразование энергии откуда? — У лазера — оптического квантового генератора — понятно — откуда. А здесь, оказывается, энергия запасена самим массивом и тратится она на раскачку блоков, приводит их в движение. — А, так лазер здесь надо взять в кавычки! — Конечно. Я ведь сказал — "своеобразный лазер". — Это ваши эксперименты на институтском стенде, на кирпичной кладке? — Да, мы рассматриваем самую простую модель, когда блоки одного размера. Кирпичи — не такая уж идеальная модель... Как изменяются акустические поля в этих блоках? Когда массив не напряжен, то акустические поля ведут себя хаотично и по частоте, и по амплитуде. Когда начинаем их сдавливать, происходит, что называется, конвергенция по частоте. Появляются доминирующие частоты, то есть происходит не только схождение по доминирующей (резонансной) частоте в блоках, но увеличивается амплитуда. И перед самым разрушением запасенная энергия начинает до такой степени раскачивать блоки, что происходит "взрыв". Вот такой взрывной механизм разрушения блоков за счет геомеханической "лазерной" системы вполне возможен. Это конструктивный результат. На его основе можно создать систему наблюдения определенных геофизических параметров — за какими событиями надо следить, чтобы предсказать стадию критического состояния массива. Результат эксперимента заинтересовал и Сергея Васильевича Гольдина. Сейчас мы с ним разбираемся с этой задачей, чтобы проверить действительно ли это, как я говорю, стопроцентный аналог лазера. — Вы ответили на вопрос, почему возникают землетрясения, горные удары, взрывы? — Механизмы землетрясений могут быть разными в принципе. Но я считаю, что открытый нами механизм сам по себе очень интересен. Если разобраться, что такое землетрясение, горный удар, взрывы... В основе лежит высвобождение излишней энергии. Существуют акустически активные участки в массиве, и высвобождение энергии в них на определенных частотах доминирует. — Сразу вспомнила ваши эксперименты — кирпичи, пластина и скрипка Страдивари! — Мы сравнивали спектральные характеристики колебательных систем пластина—воздух и эталонной скрипки. Вы правильно заметили — это почти то же самое. И в основе акустических сигналов лежит канонический закон. Ведь массив излучает энергию не на любых частотах, а на определенных группах частот. — Знаю, — Земля по-своему поет! — Более того, каждый ее участок поет по-своему. И это "по-своему" имеет некий фундаментальный ряд частот. Представьте — звучат, как гаммы на гигантском пианино. Какие гаммы — нужно разобраться. У землетрясения более богатое звучание, у горных ударов менее богатое, но сдвинутое по частоте... — Кстати, вы любите музыку? — А как же! Я сам играю на баяне и аккордеоне и на пианино балуюсь. — Музыка толкает к размышлению. Да мало ли еще к чему. Между прочим, в наших разговорах я запомнила ваше выражение: "Всё начинается с Земли" (не в смысле купли-продажи, что сейчас нервно обсуждается). А мне показалось, что вы замахнулись и на Вселенную! — Осторожно отвечу — натурные и модельные эксперименты позволили выдвинуть гипотезу о существовании универсального зонально-дезинтеграционного процесса недр планет Солнечной системы, но этот предмет требует особого разговора. Ограничусь общеизвестным фактом: новые задачи возникают благодаря интеграции наук. Раньше, может быть, еще со времен Ломоносова, в том же "горном искусстве", как тогда говорилось, четко проявлялось разделение на горные и геологические науки. Горняки замкнулись на одной проблеме — как добыть полезные ископаемые. В то время как геологи занимались вопросами — что такое месторождение, как оно образовалось, где его искать и что такое Земля, ее законы, эволюция развития. А нас, горняков, эта история как бы не шибко волновала... Сейчас, когда мы научились, что называется, добывать нефть, уголь, руду, "попутно" увидели, что приобрели фундаментальные знания о поведении вещества, его структуре и т.д. Эти знания помогут ответить на вопрос, что такое Земля и что такое Вселенная. Только так поставив вопрос в исследованиях, исходя из логики развития науки, горняки, геологи, геофизики могут быть интересны друг другу. В частности, на это направлены определенные интеграционные проекты Сибирского отделения РАН, в которых участвует и Институт горного дела. — Вы затеваете что-то новое? С чем была связана ваша последняя командировка в Норильск? — Если коротко, наш институт предложил Норильскому комбинату возможную тематику новых совместных исследований по геомеханике и технологиям. Мы обсуждали в этом контексте и новую концепцию развития сейсмостанции "Норильск" с учетом достижений современной нелинейной геомеханики. стр.