Априорный и апостериорный подходы в географии

Конечная цель истории науки – воссоздание пути движения мысли в интересах лучшего понимания современной ситуации, прогнозирования и планирования. Среди схем этого процесса наибольшее признание получила концепция парадигмы Т.Куна. Пользуется известностью продукт коллективного творчества – системный подход, противопоставляющий себя прежним методологиям. Плодотворна идея исследовательских программ И.Лакатоса. Однако имеющиеся представления не позволяют раскрыть в достаточной мере реальные отношения традиций и новаций, анализа и синтеза, рутинной работы и озарений. Для решения проблемы адекватного отражения логики проникновения в сущность явлений предлагается теория априорного и апостериорного знания.

Изучение окружающего мира всегда начинается с априорного выделения объекта, обособленность которого в среде кажется очевидной. Именно так происходило знакомство с климатом, водами, почвой, рельефом, растительностью и животным миром, территориями и акваториями. Для априорного знания характерно применение анализа и классификации как главных способов интеллектуального освоения действительности. Картина широкого распространения классификаций наблюдается во всех отраслях географии на ранних и средних стадиях ее развития. Яркой иллюстрацией этой закономерности служит история почвоведения. Уже в первые годы обретения им самостоятельности в начале XX века было предложено множество классификаций почв, несмотря на скудность сведений об их свойствах. Аналогичное положение сложилось в возникшей позднее комплексной физической географии, где процедура классификации приняла форму районирования.

Априорные установки нередко предопределяют формирование искаженных и прямо неадекватных воззрений на действительность. Например, в биогеографии и физической географии принят термин «экотон». Он был введен для обозначения переходной зоны между сообществами, понимаемыми как сверхорганизмы. Время показало, что даже в заповедниках таких целостностей не существует, тем более их нет и не может быть в измененной человеком природе. Есть открытый Л.Г.Раменским континуум организмов, поскольку каждый вид предъявляет индивидуальные, только ему свойственные требования к среде обитания, а связи между растениями несравнимо слабее, чем связи между растениями и животными. Второй пример: в геоморфологии принято некритически заимствованное из тектоники представление о неизменности объема Земли, хотя оно не было подкреплено соответствующими фактами. В итоге изучение больших форм рельефа земной поверхности основывается на искусственных конструкциях, скрывающих противоречия между реальностью и ее научной картиной. Наибольшую смысловую нагрузку несет мифологема субдукции, которую никто нигде не наблюдал. Тем не менее, она необходима, чтобы объяснить эффект непрерывного образования новой земной коры на дне океанов при неизменных размерах планеты. Третий пример касается климатологии, где большой популярностью пользуется ныне априорная идея повышения температуры воздуха вследствие накопления парниковых газов. Эта идея, как убедительно доказал О.Г.Сорохтин, противоречит законам физики тропосферы, термический режим которой определяется не поглощением радиации, а конвективным теплообменом.

Использование априорного подхода в географии почти всегда предполагает картирование и описание всей изучаемой части земной поверхности, независимо от интересов потенциальных потребителей собираемой информации. Важно, что со временем исходные установки науки забываются, а классы, т.е. идеальные объекты рассматриваются уже как объекты материальные, даже системы, что порождает длительные конфликты, выход из которых заключается в обращении к апостериорному знанию.

Предмет апостериорного знания никогда не дан заранее, он должен быть открыт и затем как бы проявляется в ходе синтетического исследования при накоплении информации о его составе, структуре, организации, границах (всегда нелинейных). Апостериорное по своему происхождению учение о биосфере стало классическим. В обстановке явной и неявной борьбы идет проникновение в сознание людей эмпирических обобщений о расширяющейся планете, нуклеарных системах, биотических революциях, климате как состоянии ансамбля «океан – суша – атмосфера», континууме, консорциях и др.

Апостериорный подход ориентирует на обнаружение упорядоченности, которое оказывается возможным благодаря планированию исследования как своего рода эксперимента при специальном выборе объектов, отличающихся по размерам (например, долин рек или тектонических разломов разных порядков), положению (например, ряда сельских поселений, отличающихся по степени удаленности от регионального центра), возрасту (например, молодых, зрелых и старых лиственничников).

Наиболее эффективны для решения задач на поиск упорядоченности приемы пространственного и временного сканирования. В ходе пространственного сканирования изучаются определенные характеристики данного объекта через одинаковые расстояния. Для временного сканировании целесообразно привлечение метода наложенных эпох. Работа по существу сводится к выдвижению и последующей проверке некоторого предположения, причем положительный результат дает знание, обладающее большей или меньшей новизной в зависимости от силы гипотезы. Сказанное можно пояснить с помощью рис. 1 и 2.

Рис. 1. Зависимость частоты землетрясений с магнитудой ≥ 5 от широты в Северном полушарии (1465 случаев за период 1969-2008 гг.), % от общего числа случаев

Источник: расчет по данным Incorporated Research Institution of Seismology (http://www.iris.edu/hq)

Рис. 2. Зависимость рождаемости в Исландии от времени по отношению к моменту противостояния Марса, модулирующего галактические космические лучи (период 1854-2008 гг., 73 события), % от средней рождаемости за 11 месяцев

Источник: расчет по данным Statistics Iceland (http://www.statice.is) с использованием программы Alcyone Ephemeris 3

Как видно на рис. 1, широтная полоса 60-61° (где, в частности, расположен г. Санкт-Петербург) отличается по частоте землетрясений, что указывает на ее особое геодинамическое положение. Не случайно именно к ней приурочена масса крупнейших и крупных месторождений нефти и газа в Западной Сибири (вокруг которых концентрируются поселения с инфраструктурой, промышленностью и сельским хозяйством), а на территории Восточной Сибири в этой полосе находится место, где наблюдался знаменитый Тунгусский феномен (его координаты: 60°55′ с. ш., 101°57′ в. д.).

Для получения надежных результатов способом наложенных эпох в связи со сложностью применения в данном случае непараметрических критериев проверки гипотезы необходимо добиваться устойчивости получаемой картины путем увеличения длины ряда. Если характер отклонения изучаемого показателя под действием рассматриваемого фактора при этом сохраняется, можно говорить об установлении некоторой закономерности (рис. 2).

Общепризнанно, что слабость географии – преобладание описательного метода, обрекающее науку на простую фиксацию особенностей распространения явлений, спектр которых постоянно расширяется. Между тем, цель науки, по словам Н.И.Вавилова, состоит в том, чтобы «обнимать разумом целостность явлений, комбинировать их в стройные гармонические системы, пользоваться ими для разрешения мировых загадок и применять к улучшению жизни на земле». Апостериорный подход может вывести науку на новый уровень обобщения и синтеза.

С.Я. Сергин

Системный анализ механизмов геоэволюции: первые результаты и задачи на будущее

Долговременное изменение географической оболочки Земли неразрывно связано с геологической эволюцией планеты. Изучением причин (механизмов) геоэволюции занимается геотектоника, однако, её попытки построить обобщающую теорию не увенчались успехом. Об этом свидетельствуют критика имеющихся и появление новых геотектонических гипотез.

Общий недостаток гипотез плейт-тектоники, плюм-тектоники, сжатия (контракции) Земли, её расширения, пульсаций её объема, мантийных астенолитов и других подобных идей заключается в недоказанности геодинамических процессов, положенных в их основу. Назрела необходимость изменить методологический подход к проблеме и сконцентрировать внимание на исследовании геотектонической роли реально действующих процессов эндо - и экзодинамики, во всей сложности связей между ними. Задача в такой постановке является типичной для системного подхода, который используется в изучении динамики и развития сложно организованных объектов природы и общества. При всей трудности задачи, ее решение может привести к полезным (заслуживающим доверия) результатам.

Анализ причин геоэволюции с позиций системного подхода проведен в работах [3, 4, 5]. Как оказалось, перисфера Земли, включающая астеносферу, литосферу, гидросферу, атмосферу и биоту, обладает функциональным единством и представляет собой глобальную геологическую систему (ГГС). На этой основе сформирована системная геотектоническая концепция, выявлены объяснительные и прогностические её возможности, намечены эксперименты по её проверке. В данной статье представлены описание ГГС, основные положения системной концепции и некоторые задачи на будущее.

Все реально известные геологические и географические структуры и процессы приурочены к перисфере Земли. Логично полагать, что она представляет собой не пассивную среду протекания геоэволюции, а геосистему (ГГС), "ответственную" за этот процесс. Это предположение соответствует действительности, если перисфера обладает свойствами динамической системы: 1) взаимодействием компонентов; 2) относительной обособленностью от внешней среды по зонам ослабленных связей; 3) наличием источников энергии. Рассмотрим доказательства существования ГГС.

Принадлежность к ней литосферы очевидна. Астеносфера также относится к ГГС - вследствие функциональной связи с литосферой: астеносферные выплавки поднимаются по глубинным разломам и наращивают литосферу; перетоки вещества в астеносфере восстанавливают глобальное литостатическое равновесие. Эти оболочки, в их единстве, получили название "тектоносфера." М.Е. Артемьев [1] отмечает, что астеносфера обеспечивает значительную автономность процессов, протекающих в литосфере. Нижнюю границу тектоносферы (и ГГС в целом) можно провести по подошве астеносферы.

С другой стороны, гидросфера, атмосфера и биота, взаимодействуя с литосферой, участвуют в геоэволюции. Через литосферу они связаны с астеносферой, поскольку механизм изостатической компенсации реагирует на разрушение гор и осадконакопление, появление и стаивание ледниковых покровов. Следовательно, гидросфера, атмосфера и биота - компоненты ГГС, а верхняя граница этой системы приурочена к верхней атмосфере.

Можно констатировать, что компоненты перисферы взаимосвязаны и относительно обособлены от глубоких недр и космического окружения. Как показано ниже, по ресурсам энергии эта комплексная оболочка почти эквивалентна Земле. В целом, она обладает всеми признаками динамической системы и названа "ГГС" (рис. 1). При глубинах нижней границы астеносферы 200 - 400 км масса ГГС не превышает 10% массы Земли.

Рис.1. Компонентная схема глобальной геологической системы [3]. Не показаны льды, возникающие в холодные эпохи; приток вещества из Космоса; утечка земного вещества через верхнюю границу атмосферы.

В исследованиях докембрия установлено, что уже в архее существовала система литосфера - гидросфера - атмосфера - биота, где происходило осадконакопление, подобное современному [6, 7]. Существовала и астеносфера, о чем свидетельствует широкое распространение основных эффузивов. Следовательно, ГГС возникла в начале геологического этапа развития Земли и функционировала на всем его протяжении.

В соответствии с компонентной структурой, ГГС обладает внешними и внутренними источниками энергии [3, 5]. Ниже они представлены в виде притоков тепла к поверхности планеты – в сопоставлении с энергетикой системы «Земля» (Вт/м²):

ГГС Земля

поглощенная солнечная радиация 240 240

собственное радиогенное тепловыделение 0,05 0,06

приток радиогенного тепла из глубин Земли 0,01 -

В ГГС сконцентрированы практически все энергоресурсы Земли. Инсоляционный источник энергии обеспечивает наиболее масштабные (по массообмену) процессы геоэволюции - глобальную денудацию, осадконакопление и образование осадочных пород. Возникает вывод об энергетической самодостаточности ГГС, причём, его можно распространить на весь геологический этап развития Земли: согласно [2], в это время светимость Солнца и радиоактивная теплогенерация в теле планеты не претерпели кардинальных изменений.

В плейт-тектонике, плюм-тектонике и других гипотезах не учитывается геодинамическая роль солнечной радиации и экзогенных процессов. Как следствие, эти гипотезы не могут вскрыть реальных причин геоволюции (даже если бы постулируемые в них глубинные процессы подтвердились).

Динамика и развитие ГГС зависят от её функциональной структуры. Согласно работам [3, 5], функциональные блоки ГГС - это литосфера и астеносфера, глобальная экологическая система (ГЭС), глобальная климатообразующая система (ГКС), ансамбль геосинклинально - орогенных систем (ГОС), ансамбль разломно - магматических систем (РМС). Они объединены взаимными и обратными связями (рис. 2).

Следуя учению о биосфере В.И. Вернадского и его последователей, ГЭС включает верхнюю (преимущественно осадочную) зону литосферы, гидросферу, различные льды, атмосферу и биоту. Для геодинамики и геоэволюции существенны такие процессы в ГЭС, как изменения состава атмосферы, денудация и седиментация, геохимическая аккумуляция солнечной энергии в осадочных отложениях.

ГКС почти совпадает с ГЭС по компонентной структуре и занимаемому пространству, но обладает функциональной спецификой. С динамикой ГКС связано формирование климатических условий, материкового и морского оледенения, уровня океана, температуры океанических вод, термического состояния литосферы, экзогенных геологических процессов. ГЭС и ГКС образуют биосферную область ГГС.

Рис. 3. Функциональная схема ГГС

1 – биосферная область. 2 – тектоносферная область. ГЭС – глобальная экологическая система. ГКС – глобальная климатообразующая система. ГОС – геосинклинально-орогенная система. РМС – разломно-магматическая система. ЭВ_Л, ЭВ_А, ЭВ_ПМ – потоки энергии и вещества из литосферы, астеносферы, подастеносферной мантии. ФЛ_ГОС, ФЛ_РМС – формирование литосферы в ГОС и РМС. Стрелками обозначены входы блоков, а линиями, выходящими из блоков, – их выходы. Точками показаны разветвления связей. Некоторые связи опущены, чтобы не усложнять схему.

Геосинклинально-орогенные системы (ГОС) представляют собой нестабильные участки тектоносферы, где протекают циклы следующего содержания: аккумуляция осадочных и эффузивных отложений (в условиях оседания литосферы) - последующая реализация геохимической энергии осадочных пород, региональный метаморфизм, гранитоидный магматизм и орогенез [4, 5]. Глобальный ансамбль этих систем распределён по геосинклинально-орогенным областям и поясам. В их пределах образуется континентальная кора, за счёт которой формируются материковые глыбы.

Разломно-магматические системы (РМС) - это участки тектоносферы, претерпевающие, после исходного разломообразования, следующий цикл: декомпрессионное выплавление из астеносферы базитовой магмы и ее излияние с появлением базальтовых покровов - компенсационное оседание литосферы, вызывающее повторное разломообразование и магматизм [3, 5]. Исходное глобальное разломообразование обусловливается понижением температуры литосферы в холодные (ледниковые) периоды, а региональное - охлаждением земной коры орогенов и молодых платформ. Современные срединно-океанические поднятия приурочены к ансамблям РМС, возникшим на океаническом ложе при развитии верхнекайнозойского ледникового периода.

Литосфера и астеносфера, вместе с ансамблями ГОС и РМС, образуют тектоносферную область ГГС, функционально объединённую с биосферной областью системы. На схеме видно, что параметры литосферы (ПЛ) и астеносферы (ПА) - их состав, строение и другие характеристики - это результат корпоративных взаимодействий в ГГС.

Системная геотектоническая концепция разработана на основе анализа отмеченных взаимодействий. В соответствии с ней, геологическое развитие Земли – это проявление динамики и развития ГГС. В её рамках получено объяснение генезиса океанической и континентальной литосферы, природы геосинклинально-орогенных и глобальных геологических циклов, возникновения геологического этапа истории планеты и направленности геоэволюции [5].

К принципиальным выводам этой концепции относятся, в частности, следующие:

- океаническая литосфера состоит из вулканитов с прослоями метаморфизованных осадков и является весьма древней (хотя древнейшие её слои ассимилированы астеносферой);

- нижним "этажом" континентальной литосферы является океаническая литосфера того или иного возраста, а верхним – кора, сформированная преимущественно в ГОС;

- биосферная область Земли повлияла на состав и строение всех слоёв литосферы, а также некоторой части астеносферы (затронутой ассимиляцией литосферного материала);

- глобальные геологические циклы обусловлены автоколебаниями в ГГС, при решающей роли возникновения ледниковых периодов в эпохи горообразования;

- поступательная геоэволюция, в том числе увеличение материков и усложнение биосферы, связана с необратимым изменением ГГС в ходе геологических циклов.

Концепция поддаётся проверке с помощью полевых и лабораторных экспериментов. Вывод о древности океанической литосферы можно проверить проходкой хотя бы одной скважины (с бурового судна или на атолле), заглублённой во "второй" слой океанической коры на 3-5 км. Вывод о климатической обусловленности глобальной сети разломов можно проверить с помощью физического моделирования разломообразования. Этот перечень можно продолжить [3, 4, 5].

Не менее важная задача на будущее - математическое моделирование ГГС и модельное воспроизведение геоэволюции. При этом откроется возможность корректировки системной геологической концепции. Кроме того, результаты моделирования начнут восполнять пробелы в знаниях о перисфере прошлых эпох. В целом, становится понятной перспектива построения теории геоэволюции, объединяющей геологические, географические и другие знания о Земле.

Литература

1. Артемьев М.Е. Современное состояние проблемы изостазии. - В кн: Строение и эволюция тектоносферы. М., ИФЗ АН СССР, 1987, с. 216-252.

2. Войткевич Г.В., Бессонов О.А. Химическая эволюция Земли. - М., Недра, 1986, 212 с.

3. Сергин С.Я. Причины геологического развития Земли: системный подход. - Ростов-на-Дону, Изд - во СКНЦ ВШ, 2002, 47 с.

4. Сергин С. Я., Сергин В. Я. Природа глобальных геологических циклов: системный подход. - М., Наука, 1993, 123 с.

5. Сергин С.Я. Системная организация процессов геологического развития Земли. Белгород, Изд - во БелГУ, 2008, 360 с.

6. Сидоренко С.А. Органическое вещество и биолитогенные процессы в докембрии. - М., Наука, 1991, 104 с.

7. Nutman A. P., Friend C.R.L., Bennett V.C. Review of the oldest (4400-3600 Ma) geological and mineralogical record: glimpses of the beginning. - Episodes, Vol. 24, 2001, р. 93-100.

А.М.Трофимов, В.А. Рубцов, Е.В. Краснов